时间序列异常点检测的Bayes方法及其应用研究
《时间序列数据异常检测方法研究与应用》
《时间序列数据异常检测方法研究与应用》一、引言时间序列数据是按时间顺序排列的数据集，常用于各种领域如金融、医疗、工业等。
异常检测则是从这些数据中识别出与常规模式不符的异常点或异常事件的过程。
本文将深入探讨时间序列数据异常检测的方法，并分析其在实际应用中的效果。
二、时间序列数据异常检测的重要性时间序列数据异常检测在许多领域都具有重要的应用价值。
在金融领域，可以用于检测股价异常波动、交易欺诈等行为；在医疗领域，可以用于监测患者生理指标的异常变化，以实现早期预警和干预；在工业领域，可以用于监测设备运行状态，及时发现故障并进行维护。
因此，研究时间序列数据异常检测方法具有重要的现实意义。
三、时间序列数据异常检测方法1. 基于统计的方法基于统计的异常检测方法是通过计算数据的统计特征，如均值、方差、标准差等，来识别异常值。
这种方法简单易行，但需要预先设定阈值，且对于复杂的时间序列数据可能效果不佳。
2. 基于机器学习的方法（1）自回归模型：自回归模型通过分析时间序列的历史数据来预测未来的值，然后根据实际值与预测值的差异来判断是否为异常。
（2）循环神经网络（RNN）：RNN能够处理具有时间依赖性的数据，通过学习历史数据来预测未来的趋势和异常。
（3）无监督学习方法：如聚类算法和降维算法等，通过将时间序列数据映射到低维空间或不同的聚类中，来识别与常规模式不符的异常点。
3. 基于深度学习的方法（1）长短期记忆网络（LSTM）：LSTM是一种特殊的循环神经网络，能够有效地处理长时间依赖问题，适用于时间序列数据的异常检测。
（2）变分自编码器（VAE）：VAE通过学习正常数据的生成模型来识别与正常模式不符的异常点。
四、时间序列数据异常检测方法的应用以金融领域为例，基于机器学习的异常检测方法可以用于检测股价异常波动和交易欺诈行为。
首先，通过收集历史股价数据和交易数据，构建时间序列数据集。
然后，采用机器学习算法（如自回归模型、RNN等）对数据进行训练和预测。
异常检测中的异常时间点检测与时间序列分析
异常检测中的异常时间点检测与时间序列分析第一章异常检测概述1.1 异常检测的定义与目的异常检测是指在一组数据中发现与预期模式不符的数据点的过程。
它在众多领域中都有着重要的应用，如金融风险管理、网络安全监控、工业生产质量控制等。
异常检测的目的是了解数据中的异常现象并采取相应的措施来应对这些异常情况。
1.2 异常时间点检测与时间序列分析的关系异常时间点检测是一种常见的异常检测方法，它通常是通过比较数据点与预设阈值的差异来判断是否存在异常。
而时间序列分析则是一种通过分析数据点在时间上的变化趋势来挖掘数据中的模式与规律的方法。
异常时间点检测与时间序列分析相辅相成，通过结合这两种方法可以更准确地识别出异常时间点。
第二章异常时间点检测方法2.1 基于统计方法的异常时间点检测基于统计方法的异常时间点检测是一种常见的方法，它通过计算数据点与均值之间的偏差来判断是否存在异常。
常用的统计方法包括标准差法、箱线图法等。
这些方法适用于数据分布符合正态分布或近似正态分布的情况。
2.2 基于聚类方法的异常时间点检测基于聚类方法的异常时间点检测是一种通过将数据点分成不同的簇来判断异常的方法。
在聚类过程中，如果某个数据点无法归类到任何一个簇中，就可以认为该数据点是异常点。
常用的聚类方法包括K-means 算法、DBSCAN算法等。
第三章时间序列分析方法3.1 平稳性检验与差分法平稳性是时间序列分析的前提条件，只有在时间序列数据是平稳的情况下才能进行进一步的分析。
平稳性检验通常使用单位根检验等方法来判断数据是否平稳。
如果数据不平稳，可以使用差分法来进行处理，通过对数据进行一阶或高阶差分来使数据平稳化。
3.2 自相关与偏自相关分析自相关与偏自相关分析是一种通过计算数据点与其滞后值之间的相关性来探索时间序列数据的方法。
自相关函数（ACF）和偏自相关函数（PACF）可以反映数据点在不同滞后阶数下的相关性。
通过分析这些函数的图像，可以得到数据的周期性和趋势性信息。
时间序列数据的异常检测与识别算法研究
时间序列数据的异常检测与识别算法研究第一章引言1.1 研究背景时间序列数据是按照时间顺序排列的数据集合，广泛存在于金融、交通、气象、医疗等领域。
时间序列数据中可能存在各种异常值，这些异常值往往包含有用的信息，但也可能干扰正常的数据分析和建模过程。
因此，如何有效地检测和识别时间序列中的异常值成为了重要的研究课题。
1.2 研究意义时间序列数据的异常检测与识别可以帮助人们发现特殊事件和突发情况，提前采取相应的措施。
例如，在金融领域中，通过分析股票价格的时间序列数据，可以及时发现异常波动的情况，帮助投资者做出正确的决策。
此外，异常检测与识别还可以应用于医疗领域，帮助识别疾病的早期症状。
1.3 研究目标本文旨在综述时间序列数据的异常检测与识别算法的研究进展，包括传统统计方法、机器学习方法和深度学习方法等，探讨其优缺点及应用场景，并展望未来的研究方向。
第二章传统统计方法2.1 简单移动平均法简单移动平均法是最早被广泛应用于时间序列数据中的异常检测方法之一。
它通过计算滑动窗口内数据的平均值来检测异常值，但该方法对异常值的灵敏度较低，且只适用于平稳序列。
2.2 级联回归模型级联回归模型基于时间序列数据的趋势与周期性，通过建立回归模型来预测期望值，并根据实际值与预测值之间的残差来检测异常值。
该方法对于具有明显趋势的时间序列数据效果较好，但对于非线性关系较弱的数据不适用。
2.3 离群点统计检测法离群点统计检测法是一种基于假设检验的方法，通过计算样本与样本均值之间的偏差来判断是否为异常值。
常用的统计指标包括Z分数、T 分数和箱线图等，但这些方法对数据分布要求较高，且对于多变量时间序列数据的异常检测效果较差。
第三章机器学习方法3.1 基于聚类的异常检测基于聚类的异常检测方法通过将时间序列数据进行聚类，将属于同一簇的数据视为正常值，不属于任何簇的数据视为异常值。
该方法适用于没有标注异常值的数据集，但对于高维度的时间序列数据存在计算复杂度较高的问题。
基于时间序列的异常检测与预测技术研究
基于时间序列的异常检测与预测技术研究时间序列数据是在不同时间点上收集的一系列观测值的有序集合，涉及各种领域，如金融、气象、交通等。
基于时间序列的异常检测与预测技术对于有效管理、决策制定和风险控制至关重要。
一、概述时间序列中的异常点指的是与其他数据点相比有明显不同的观测值。
异常点的存在可能暗示着异常事件，如机械故障、市场变化等。
因此，准确识别和预测时间序列数据中的异常点对于迅速应对潜在问题至关重要。
二、异常检测技术1. 统计方法统计方法通常基于假设检验和离群值检测来识别时间序列数据中的异常点。
常见的统计方法包括均值和方差的控制图、箱型图等。
这些方法适用于统计特性稳定的时间序列数据，但对于非线性和非稳态的数据可能表现不佳。
2. 时间域方法时间域方法主要关注时间序列数据中的波动和趋势。
常见的时间域方法包括移动平均、指数平滑、差分等。
这些方法通过消除趋势和季节性来减少噪声，从而更容易识别异常点。
3. 频域方法频域方法将时间序列数据转换为频率域进行分析。
常见的频域方法包括傅里叶变换、小波变换等。
这些方法可以有效地提取时间序列中的周期性和趋势，从而更准确地检测异常点。
4. 机器学习方法机器学习方法通过构建模型来学习时间序列数据的特征，并据此进行异常检测。
常见的机器学习方法包括支持向量机、神经网络、决策树等。
这些方法可以更好地适应不同类型的时间序列数据，但需要充足的样本和特征工程。
三、异常预测技术异常预测技术旨在通过对时间序列数据的分析和建模来预测潜在的异常事件。
准确的异常预测可以帮助组织在预先采取行动之前及时识别和应对问题。
1. 时间序列拟合时间序列拟合是一种常用的预测技术，通过建立适当的数学模型来描述和解释时间序列数据。
常见的时间序列拟合方法包括自回归移动平均模型（ARMA）、自回归积分移动平均模型（ARIMA）等。
这些模型可以用于预测未来的异常点。
2. 机器学习预测机器学习方法在异常预测中也扮演着重要角色。
基于时间序列数据的异常行为检测研究
基于时间序列数据的异常行为检测研究引言时间序列数据是在许多领域中都具有重要作用的一种数据形式。
随着互联网技术的不断发展，大量的时间序列数据被生成和记录下来，例如金融交易数据、生物医学数据、网络流量数据等。
然而，这些数据中可能存在着各种异常行为，如异常交易、异常生理状态、网络攻击等。
这些异常行为的识别对于保障系统的安全性和稳定性具有重要的意义。
本文将探讨基于时间序列数据的异常行为检测研究，并介绍几种常用的异常检测方法。
一、时间序列数据的特点时间序列数据是按照时间顺序排列的一系列观测值的集合。
与传统的静态数据不同，时间序列数据具有以下特点：1. 序列性：时间序列数据的观测值之间存在着一定的时间顺序，因此其前后观测值之间可能存在一定的相关性和依赖关系。
2. 动态性：时间序列数据中的观测值随时间的推移而变化，因此需要考虑时间维度对数据的影响。
3. 季节性：时间序列数据中可能存在周期性变化，例如某些指标在某个时间段内具有明显的周期性。
4. 噪声性：时间序列数据中可能存在各种噪声，包括测量误差、异常值等。
二、异常行为检测的定义和意义异常行为检测旨在识别时间序列数据中的异常行为。
异常行为指的是与一般行为模式明显不同的行为，可能是由于故障、攻击或其他未知原因引起的。
异常行为的检测对于维护系统的安全性和正常运行具有重要意义。
例如，在金融领域，异常交易的检测可以帮助银行及时发现诈骗行为；在生物医学领域，异常生理状态的检测可以及时发现疾病或健康问题。
三、常用的异常行为检测方法1. 基于统计的方法基于统计的方法是最常用的异常行为检测方法之一。
常用的统计方法包括均值、方差、中位数等。
通过计算观测值与期望值之间的差异，可以判断是否存在异常行为。
然而，基于统计的方法对于复杂的时间序列数据往往效果不佳，因为它们忽略了数据之间的依赖关系和动态性。
2. 基于机器学习的方法近年来，随着机器学习技术的迅速发展，基于机器学习的异常行为检测方法受到了广泛关注。
一种时间序列数据异常点检测方法及系统[发明专利]
![一种时间序列数据异常点检测方法及系统[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/be3911521fd9ad51f01dc281e53a580216fc5012.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 202010734092.1(22)申请日 2020.07.27(71)申请人 北京科技大学地址 100083 北京市海淀区学院路30号(72)发明人 何飞 杜学飞 吕志民 张志研 (74)专利代理机构 北京市广友专利事务所有限责任公司 11237代理人 张仲波(51)Int.Cl.G06Q 10/06(2012.01)G06Q 10/04(2012.01)G06Q 50/04(2012.01)G06N 7/00(2006.01)(54)发明名称一种时间序列数据异常点检测方法及系统(57)摘要本发明公开了一种时间序列数据异常点检测方法及系统，该方法包括：获取待检测的时间序列数据；利用相关向量机计算当前观测数据的预测概率分布；基于计算出的预测概率分布，利用贝叶斯框架判断当前观测数据是否为异常点，以得到时间序列数据中异常点位置和异常点概率值；对各段子时间序列中的异常点位置和异常点概率值分别进行合并处理，得到异常点检测结果。
本发明解决了工业控制过程产生的非稳态时序数据异常检测问题，可有效监控流程工业过程中工艺控制数据可能异常的情况，并且可利用异常点概率值表征数据异常的严重程度，提高了流程工业生产过程中数据异常监控的信息多样性和准确性。
权利要求书2页 说明书9页 附图7页CN 112001596 A 2020.11.27C N 112001596A1.一种时间序列数据异常点检测方法，其特征在于，所述方法包括：获取待检测的时间序列数据，所述时间序列数据包括多段子时间序列；利用相关向量机计算所述时间序列数据中当前观测数据的预测概率分布；基于计算出的当前观测数据的预测概率分布，利用贝叶斯框架判断当前观测数据是否为异常点，以得到所述时间序列数据中异常点位置和异常点概率值；对所述时间序列数据中的每一段子时间序列中的异常点位置和异常点概率值分别进行合并处理，得到各段子时间序列对应的异常点位置和异常点概率值。
卫星钟差异常值探测的Bayesian方法
卫星钟差异常值探测的Bayesian方法马朝忠;归庆明【摘要】顾及钟差的物理特性,提出了一种新的卫星钟差时间序列异常值探测方法.利用二次多项式模型将卫星钟差分解为钟差、钟速、钟漂三个物理意义明确的分量,然后对每个分量通过ARIMA模型异常值探测的Bayesian方法进行异常值探测与估计.最后,采用IGS钟差数据进行实验,验证了该方法的有效性.【期刊名称】《河南科学》【年(卷),期】2018(036)007【总页数】6页(P995-1000)【关键词】卫星钟差;异常值;时间序列;Bayesian方法;ARIMA模型【作者】马朝忠;归庆明【作者单位】信息工程大学地理空间信息学院,郑州 450000;信息工程大学基础部,郑州 450000【正文语种】中文【中图分类】O174.14;TN967.1随着GNSS技术的不断发展，对定位和导航的精度要求日益提高，而精确的位置测量实际上就是精确的时间测量，高精度的卫星钟差估计和预报已经成为研究的关键.对此，国内外学者进行了广泛研究，建立了二次多项式模型、灰色模型、ARIMA模型等［1-5］.二次多项式模型的优点在于可以利用较长的历史数据进行充分拟合，但这也带来了其预报误差会随时间的增加不断变大的严重问题；灰色模型可以基于较少的数据信息建立模型，却失去了充分利用历史数据来提高预报精度的可能；基于时间序列思想的ARIMA模型，不但充分利用了历史数据，而且在建模中融入了数据的动态性特点，实验结果证实其建模精度高于前者［5］.上述研究还存在两个问题.一是对钟差预报的研究仍然是纯算法研究，很少兼顾钟本身的物理特性［6］.如果不考虑卫星钟本身的物理特性，就很难建立起切合实际的模型，因此，结合卫星钟本身的物理特性构造精密钟差模型是需要进一步思考的问题.二是异常值的诊断问题.钟差序列是建模的主要依据之一，若其中含有异常值就会给建模、估计和检验带来困难，甚至不能进行准确地预测和控制［6-7］.如果能将异常值准确地探测和估算出来，对于正确建模和提高预测准确度都有积极意义.因此，寻求高效的异常值探测方法就显得尤其重要.关于时间序列的异常值探测方法主要有三大类，分别是似然比检验法［8-9］、影响分析法［10-11］和Bayes方法［12-18］.时间序列异常值探测的似然比检验法设计的检验统计量一般比较复杂且分布未知，需借助于模拟方法给出它们的数字特征，参与循环的各步高度相关，容易导致探测失败；影响分析对强影响点和异常值区分度较低；Bayes方法能够较好地甄别异常值的不同类型，从而有助于后期异常值的处理，但目前研究的主要是AR模型的异常值探测，而卫星钟差数据一般都不是平稳的序列，采用ARIMA模型来研究更为合理.鉴于此，顾及卫星钟的本身的物理特性，对卫星钟差数据进行分解，然后对每个分量用ARIMA模型异常值探测的Bayesian方法进行异常值探测与估计.最后结合IGS钟差数据进行实验，验证了该方法的有效性.1 时间序列异常值探测的Bayesian方法设有非平稳时间序列{zt} 符合如下的ARIMA（p，d，q）模型［21-22］：式中：B为后移算子，如Bkzt=zt-k；φ(B)=1-φ1B-φ2B2-…-φpBp，Θ(B)=1-θ1B-θ2B2-…-θqBq分别为B的p阶和q阶多项式；∇=1-B为差分算子，d为差分次数，经过d次差分运算后，∇dzt为平稳时间序列；ati.i.d.N(0,σ2)表示at相互独立且同分布于均值为零，方差为σ2的一元正态分布.设有一组观测数据{x1,x2,…,xn}，根据AO类异常值和IO类异常值的定义［7］，建立ARIMA异常值探测模型：其中：zt表示不受异常值影响的基本时间序列；为示性函数，用于标记观测值xt是否受到AO类异常值的影响，若xt受到AO类异常值的影响，则=1，否则=0；用于标记观测值xt是否受到IO类异常值的影响，若xt受到IO类异常值的影响，则=1，否则=0；，分别表示AO和IO类异常值的大小.为计算表述简便，不妨令ϕ(Β)=φ(B)∇d ，有其中：yt代表仅受到IO类异常影响的数据.进一步假设前p个观测值x1,…,xp不含异常值，其余观测值xt(t=p+1,…,n)受到AO类异常扰动或IO类异常扰动的先验概率都为α［7］，即P(=1)=α ，P(=1)=α .令Φ=(ϕ1,…,ϕp)T，Θ=(θ1,…,θq)T，YT=(yt-1,…,yt-p)T，aT=(at-1,…,at-q)T，可得通过以下后验概率即可推断观测值中是否含有AO类或者IO类异常值［23］这里X=(xp+1,…,xn)T，j=p+1,…,n.取 Pij=max{P 1j,P2j,P3j,P4j}，若Pij=P1j，则表示xj只含有AO类异常值，若Pij=P2j，则表示xj只含有IO类异常值，若Pij=P3j，则表示xj既含有IO类异常值同时也含有AO类异常值，若Pij=P4j，则表示xj不含异常值.由于后验概率涉及的分布比较复杂，一般多采用Gibbs抽样算法来解决.首先，设参数的先验分布为［21］其中：Φ0，V，Θ0，W，μ1，μ2，ξ，α，υ和λ为超参数. 然后，根据Bayesian 定理，计算得到相应参数的完全条件分布：其中：接着，采用Gibbs抽样，计算出后验概率值Pij，从而判断观测序列中是否存在异常值及确定异常值的位置.2 卫星钟差时间序列的异常值探测2.1 算法的思想目前已经建立的钟差预报模型相当多，如二次多项式模型、灰色模型、时间序列模型、Kalman滤波模型等［3-6］，但大部分对钟差的研究仍然是以纯算法研究为主，很少兼顾钟本身的物理特性.卫星钟差预报的二次多项式模型，不仅包含了描述钟差所需的卫星系统时间偏差、钟速和钟漂三个物理意义明确的分量［6］，而且具有优美的数学结构，是考虑物理特性时应用最多的模型，但预报误差会随着时间的增加而显著变大，是它的重大缺陷.其原因是三个分量实际上也在随着时间推移发生变化，因此要动态地看待它们.时间序列分析是处理动态数据的有力工具，实际上我们也已经认识到钟差序列是非平稳序列，而且也不时受到异常干扰的影响，因此，分别对这三个分量建立ARIMA模型，然后采用时间序列异常值探测的Bayesian方法判断三个分量中是否存在AO或IO类异常值，当三个分量中任一个受到异常值的干扰时，我们都认为观测值受到相应异常值的影响.2.2 算法的步骤step1 建立二次多项式模型：Δti=a0i+a1i(t-t0)+a2i(t-t0)2+vi，其中a0i,a1i,a2i 为星钟参数，分别对应钟差（相位）、钟速（频率）和钟漂（频漂），Δt i为钟差观测值，t0是星钟参数的参考历元.step2 对三个序列a0i,a1i,a2i分别建立三个模型ARIMA(p1,d1,q1)，ARIMA(p2,d2,q2)，ARIMA(p3,d3,q3)，即确定 pi,di,qi，i=1,2,3.step3 确定参数先验分布的超参数.step4 依据Bayes方法以及超参数的取值，确定Gibbs抽样的初值.step5 假设第1个模型第s-1次抽样得到的样本为：则第s次抽样按下列方式产生样本值向量1）Φ(s)从p(Φ|X,Θ(s-1),(σ2)(s-1),(δAO)(s-1),(δIO)(s-1),(wAO)(s-1),(wIO)(s-1),ε(s))中获得，其中2）Θ(s)从p(Θ|X,Φ(s),(σ2)(s-1),(δAO)(s-1),(δIO)(s-1),(wAO)(s-1),(wIO)(s-1),ε(s))中获得；3）(σ2)(s) 从p(σ2|X,Φ(s),Θ(s),(δAO)(s-1),(δIO)(s-1),(wAO)(s-1),(wIO)(s-1),ε(s))中获得；4中获得，其中5）从分布中获得；6）从分布中获得.7）采集收敛后的N个Gibbs样本，记作step6 根据公式计算后验概率，推断异常值的类型和位置.step7 重复step5、step6确定模型二和模型三的异常值类型和位置.setp8 综合三个模型的探测结果，推断观测值中异常值的类型和位置.2.3 异常值的估值在异常值进行定位后，往往需要对异常值的大小进行估计.若已知xj含有异常值，则由抽样结果可解得其分量异常值为：3 试验与分析为说明方法的正确性和可行性，采用IGS发布的4号卫星的精密钟差数据（ftp：//）.数据采集时间为2016年5月13日到2016年8月20日，共100 d的数据，钟差数据的采样间隔为5 min，总数据量为9600个.将这些据每16个分为一组，并对每组进行分解，得到3个独立分量.通过对三个分量异常值的探测，推断观测数据的是否存在异常值，同时通过消除分量的异常值也可以更加准确地修正观测值，提高钟差预报精度.3.1 钟差异常值探测效果试验从中选取100组连续的质量较好的数据，分别在第190个、第390个和第1488个观测数据中加入2.3σ，-4σ和50σ的异常值.经过计算各分量的后验概率如图1所示.可以看出钟差对大异常值（50σ）反映比较明显，后验概率接近于1；钟速对大于3σ左右的数据异常比较敏感，同时也能反映大异常值的影响；钟漂受异常值的影响也有反映，但不是非常明显.综合来看它们较好探测到了粗差的存在，尤其对不是很明显的异常值有较强的反映，非常值得推荐.图1 各分量的后验概率Fig.1 Posterior probabilities of the components3.2 对于钟差预报的修正通过对前8000个数据的分析，建立了三个分量的时间序列的异常值探测模型ARIMA（5，2，4），ARIMA（6，2，0）和ARIMA（3，1，0），发现、修正了存在粗差的分量，并利用模型对三个分量进行了预估，从而生成观测数据的预报值，经与后1600个观测数据比对，平均精度接近40 ns，表现出良好的实用性.4 结语卫星钟差异常值的探测与修正是卫星钟差精确预报的关键环节.为了使钟差分量具有明显物理意义，采用二次多项式模型作为预报模型；为了克服长时积累误差对预报精度的影响，考虑了三个分量的动态建模；分别建立ARIMA时间序列异常值探测模型，通过Gibbs抽样完成了参数后验分布值的计算，实现了卫星异常值的Bayesian探测，异常值大小的计算；利用IGS精密卫星数据验证了该方法的有效性.但它的实时性有待进一步研究.【相关文献】［1］崔先强，焦文海.灰色系统模型在卫星钟差预报中的应用［J］.武汉大学学报（信息科学版），2005，30（5）：447-450.［2］路晓峰，杨志强，贾小林，等.灰色系统理论的优化方法及其在卫星钟差预报中的应用［J］.武汉大学学报（信息科学版），2008，33（5）：492-495.［3］郭海荣.导航卫星原子钟时域频特性分析理论与方法研究［D］.郑州：解放军信息工程大学，2006.［4］朱祥维，肖华，雍少为.卫星钟差预报的Kalman算法及其性能分析［J］.宇航学报，2008，33（3）：965-970.［5］徐群毅，曾安敏.ARIMA（0，2，q）模型在卫星钟差预报中应用［J］.大地测量与地球动力学，2009，29（5）：116-120.［6］黄观文.GNSS星载原子钟质量评价及精密钟差算法研究［D］.西安：长安大学，2012.［7］BOX G E P，JENKINS G M，REINSEL G C.Time series analysis：forecasting and control［M］.4th Edition.Canada：John Wiley and Sons，Inc.，2008.［8］FOX A J.Outliers in time series［J］.Journal of the Royal Statistical Society，Series B，1972，34：350-363.［9］SANCHEZ M J，PENA D.The identification of multiple outliers in ARIMA models ［J］.Communications in Statistics Theory and Methods，2003，32（6）：1265-1287. ［10］MARTIN R D，YOHAI V 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时间序列流数据异常检测问题
联合建模与多源信息融合
总结词
联合建模和多源信息融合是未来时间序列流数据异常检 测的重要研究方向之一。
详细描述
通过整合多个数据源和相关信息，构建更加全面和准确 的异常检测模型。联合建模可以消除单一模型的局限性 ，提高异常检测的准确性和可靠性。多源信息融合则可 以将不同来源、不同类型的数据进行融合，从而更好地 挖掘时间序列流数据的潜在规律和特征。
模型鲁棒性
异常检测模型需要具有一定的鲁棒性，以避免受到噪声和异常值的干扰，提高检测准确 率。
实时性要求与计算效率
实时性要求
时间序列流数据是动态产生的，异常检测需 要满足实时性要求，及时发现异常并做出响 应。
计算效率
由于时间序列流数据量可能较大，因此需要 优化算法和模型，提高计算效率，以满足实
时性要求。
基于统计的异常检测方法
01
02
03
均值检测
通过计算数据的均值，将 远离均值的点视为异常点 。
方差检测
通过计算数据的方差，将 远离方差范围的点视为异 常点。
百分位数检测
通过计算数据的百分位数 ，将远离百分位数的点视 为异常点。
基于机器学习的异常检测方法
孤立森林方法
利用孤立森林算法对数据进行训练，异常点被视 为远离其他点的对象。
支持向量机方法
通过构建二分类器，将正常数据分类为正类，异 常数据分类为负类。
K-近邻方法
根据数据点的k个最近邻的距离判断是否为异常点 。
基于深度学习的异常检测方法
自编码器方法
通过训练自编码器对数据进行编码， 异常点被视为编码误差较大的点。
卷积神经网络方法
长短期记忆网络方法
通过训练长短期记忆网络对数据进行 预测，异常点被视为预测误差较大的 点。
基于时间序列分析的网络流量异常检测
基于时间序列分析的网络流量异常检测闫伟;张军【摘要】Aiming at the problem that the traditional model could not accurately identify and detect network traffic anomalies,we proposed a network traffic anomaly detection model based on time series analysis.Firstly,the original data of network traffic was extracted,and the original data was denoised by wavelet threshold to eliminate the influence of interference factors.Secondly,time series analysis method was used to mine the relationship among network traffic data,and network traffic anomaly detection model was established.Finally,simulation experiments were used to verify the effectiveness and superiority of the detection model.The result shows that time series analysis can accurately and timely detect abnormal behavior of network traffic,and the detection results are better than other current network traffic anomaly detection models.%针对传统模型无法对网络流量异常进行准确识别和检测的问题,提出一种基于时间序列分析的网络流量异常检测模型.首先提取网络流量的原始数据,并对原始数据进行小波阈值去噪处理,消除干扰因素的影响;然后采用时间序列分析法挖掘网络流量数据之间的变化关系,建立网络流量异常检测模型;最后通过仿真实验验证检测模型的有效性和优越性.实验结果表明,时间序列分析法可以准确、及时地检测网络流量的异常行为,且结果优于目前其他网络流量异常检测模型.【期刊名称】《吉林大学学报（理学版）》【年(卷),期】2017(055)005【总页数】6页(P1249-1254)【关键词】网络安全;流量异常;检测模型;回声状态流量;时间关联【作者】闫伟;张军【作者单位】宿迁学院信息工程学院,江苏宿迁223800;华东师范大学计算机科学与软件工程学院,上海200062;华东师范大学计算机科学与软件工程学院,上海200062【正文语种】中文【中图分类】TP393随着信息化技术的迅速发展, 互联网的应用范围越来越广, 而各种网络攻击行为日益增加, 给网络系统的安全带来严重威胁[1]. 网络流量异常检测可以对网络运行状态进行监督, 对保证网络系统的稳定运行具有重要意义. 为了保证网络的安全性, 设计性能优异的流量异常检测模型已成为网络管理领域研究中的热点问题[2-7]. 目前, 网络流量异常检测模型[8]分为静态和动态两种. 其中静态模型通过阈值实现异常检测, 当网络利用率、用户流量等超过阈值时, 即表示网络系统出现了异常现象, 必须采取相应的管理措施[9]. 静态模型假设网络流量是一种静态变化的, 实际上网络流量受人们上网行为、上网价格、上网时间等因素的影响, 具有强烈的动态变化特点, 采用固定阈值方法自适应能力差, 导致网络流量异常检测结果可信度低, 实际应用范围较窄[10]. 动态网络流量异常检测模型常采用一个连续滑动窗对窗内流量进行检测, 当窗内流量剧增或剧减时, 可以判断此时网络流量处于异常状态[11]. 近年来, 通过将回归分析法、指数平滑法引入到网络流量异常检测的建模中, 对网络流量的历史时间序列进行建模和分析, 找到网络流量异常的点, 实现网络流量异常检测, 可得到较好的检测效果[12]. 但在实际应用中, 收集网络流量历史时间序列不可避免包含噪声, 这些噪声对网络流量异常检测结果产生干扰, 同时回归分析法、指数平滑法属于线性建模方法, 对具有动态变化特点的网络流量进行检测, 检测精度较低[13]. 为了解决当前流量异常检测模型存在的问题, 本文提出一种基于时间序列分析的网络流量异常检测模型. 首先采用小波阈值法对网络流量历史数据进行去噪处理, 抑制噪声产生的干扰; 然后采用时间序列分析法----回声状态网络进行建模. 仿真测试结果表明, 该模型可有效检测网络流量的异常行为, 检测效果优于其他模型.1.1 小波阈值法在网络流量数据采集过程中, 由于受多种因素的影响, 采集网络流量数据f(t)常包含噪声e(t), 因此得到含噪的网络流量数据可表示为在网络流量异常检测过程中, 噪声e(t)会对建模过程产生干扰, 对检测结果产生不利影响, 因此选择小波阈值法去除噪声e(t). 当小波变换对有噪声的网络流量数据进行处理后, 通常情况下有用的网络流量数据与幅值大的系数相对应, 而噪声e(t)与幅值小的系数对应, 因此采用一个阈值δ与小波系数进行比较, 如果小波系数小于δ, 则认为其是噪声, 去除该系数. 目前小波阈值法有软阈值去噪法和硬阈值去噪法, 但它们均存在不足, 如硬阈值法去除噪声不彻底, 而软阈值法易将一些有用的数据去除, 难以保证原始数据的真实性. 因此本文采用改进的小波阈值法进行去噪, 阈值函数构建如下：其中： wj,k表示原始小波系数表示阈值处理后的小波系数; N表示小波分解层次. 由于阈值函数是一种连续函数, 当|ωj,k|≥δ时可导, 因此可得通过小波阈值法对采集网络流量数据进行去噪后, 采用小波重构得到去噪后的网络流量数据, 去噪过程如图1所示.1.2 回声状态网络回声状态网络是一种新型的时间序列分析方法, 也是一种递归神经网络, 其主要核心模块为动态记忆库, 数据通过输入层进入动态记忆库学习, 并对网络的相关参数进行动态调整, 具有强大的非线性学习能力, 能对网络流量异常行为进行建模和分析, 回声状态网络的基本结构如图2所示.设回声状态网络有M个输入节点, 动态记忆库的节点数为N个, 有L个输出节点, 对于第n个时刻, 回声状态网络各节点间的关系可描述为设回声状态网络的输入为u(k), 输出为y(k), 动态记忆库的储备池状态为x(k), 则当网络结构确定后, 回声状态网络即构成一个非线性系统, 此时回声状态网络可采用下式进行描述：其中： tanh表示正切函数； b为偏置向量； Wx,Win,w分别表示回声状态网络的内部、输入、输出的权值.回声状态网络的工作过程包括采样和权值计算, 步骤如下：1) 初始化回声状态网络的状态x(0)=0, 根据Win对网络流量数据, 即输入u(k)(k=1,2,…)进行学习, 并通过动态记忆库进入储备池, 得到回声状态网络的输出;2) 根据训练样本和得到系统状态矩阵, 对输出权值w进行计算:其中, λ表示正则化系数. 当输出权值w确定后, 即完成了回声状态网络的训练, 建立相应的模型.本文模型的建模步骤如下：1) 针对某个网络系统, 采集其工作过程中的流量异常数据, 对于缺失数据采用相邻数据加权平均值进行补全, 同时为了消除流量变化幅度过大的不利影响, 对网络流量异常值进行归一化处理, 使网络流量异常值位于[0.1,1]内, 计算公式为其中： xmin和xmax分别表示对网络流量异常历史数据的最小和最大值；y′为归一化后的网络流量异常值；2) 采用小波阈值法对归一化后网络流量异常数据进行去噪, 去除其中含有的噪声, 并将数据划分为训练样本集和验证样本集两部分;3) 将网络流量异常的训练样本输入到回声状态网络中进行学习, 并初始化回声状态网络的相关参数;4) 估计回声状态网络的状态变量, 并计算回声状态网络的w值;5) 根据w计算模型的输出, 并与网络流量异常的实际值进行比较, 得到回声状态网络的网络流量异常检测误差;6) 如果网络流量异常检测误差未达到实际应用要求的范围, 则返回4)继续学习；7) 根据估计的参数, 建立网络流量异常检测模型, 对网络流量异常的验证样本集进行测试, 并对测试结果进行分析.综上可知, 基于时间序列分析的网络流量异常检测模型工作流程如图3所示.3.1 数据来源为了测试基于时间序列分析的网络流量异常检测性能, 用某个网络系统作为研究对象, 对其工作中的网络流量异常状态进行采集, 得到大量网络流量异常数据, 去除前面和最后部分的网络流量异常数据, 构建如图4所示的网络流量异常检测数据集.3.2 网络流量的小波阈值去噪图4的网络流量中含有一定的噪声, 导致网络流量变化有随机性, 且十分不平稳. 因此采用小波阈值法对其进行去噪处理, 得到不同尺度的网络流量, 通过重构得到去噪后的网络流量数据如图5所示.3.3 结果与分析采用回声状态网络对去噪后的网络流量异常数据进行训练, 建立时间分析法的网络流量异常检测模型, 对100个网络流量异常的验证样本进行测试, 得到异常检测预测结果如图6所示.由图6可见, 检测值与网络流量异常真实值相差较小, 二者之间的偏差可以忽略不计, 表明经过小波阈值法去噪后, 去除了网络流量异常数据中的噪声, 减少了噪声对网络流量异常建模的干扰.为了验证体现本文模型的优越性, 采用经典的网络流量异常检测模型进行对比实验[14-17], 用均方根误差(RMSE)和百分数误差(MAPE)[18]对网络流量异常检测结果进行比较：不同模型的网络流量异常检测结果列于表1. 由表1可见: 本文模型的网络流量异常检测结果的RMSE最低, 说明本文模型获得了高精度的网络流量异常检测结果; MAPE也低于其他对比模型, 表明对于所有网络流量样本, 检测结果较稳定, 且网络流量异常检测训练时间和检测时间也相对更少, 网络流量异常检测效果得到了明显改善, 可应用于大规模网络流量的异常检测, 从而提高了网络系统的安全性.综上所述, 为了提高网络流量异常检测的精度, 本文结合网络流量含有噪声、随机性变化的特点, 提出了一种基于时间序列分析法的网络流量异常检测模型. 首先采用小波阈值法对原始网络流量异常数据进行处理, 防止噪声给网络流量异常检测带来的干扰; 然后采用时间序列分析法中的回声状态网络建立网络流量异常检测模型. 实验结果表明, 该模型的网络流量异常检测精度较高, 且检测速度较快, 获得了比目前经典网络流量异常检测模型更优的结果.【相关文献】[1] 马卫, 熊伟. 基于协同神经网络的网络流量异常检测 [J]. 华中师范大学学报(自然科学版), 2012, 46(5): 537-539. 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《时间序列数据异常检测方法研究与应用》
《时间序列数据异常检测方法研究与应用》一、引言随着信息化时代的快速发展，时间序列数据在各个领域的应用越来越广泛，如金融、医疗、工业等。
然而，由于各种因素的影响，时间序列数据中常常会出现异常数据，这些异常数据可能对决策分析产生严重影响。
因此，如何有效地检测时间序列数据中的异常，成为了众多研究者的关注焦点。
本文将针对时间序列数据异常检测方法进行深入研究，并探讨其在实际应用中的价值。
二、时间序列数据异常检测方法1. 基于统计的方法基于统计的异常检测方法主要通过分析时间序列数据的统计特性，如均值、方差、标准差等，来判断数据是否异常。
这种方法简单易行，但需要预先设定阈值，且对于复杂的数据分布可能存在局限性。
2. 基于机器学习的方法随着机器学习技术的发展，基于机器学习的异常检测方法逐渐成为主流。
这些方法主要包括自回归模型、聚类分析、支持向量机等。
其中，自回归模型能够根据历史数据预测未来数据，通过比较实际值与预测值来判断是否异常；聚类分析则将数据划分为不同的簇，通过判断数据点与簇的偏离程度来判断是否异常。
3. 基于深度学习的方法近年来，基于深度学习的异常检测方法逐渐崭露头角。
深度学习模型能够自动提取时间序列数据的特征，通过学习正常数据的特征来识别异常数据。
其中，循环神经网络（RNN）和长短期记忆网络（LSTM）在时间序列数据异常检测中表现优异。
三、时间序列数据异常检测方法的应用1. 金融领域在金融领域，时间序列数据异常检测主要用于监测股票价格、交易量等数据的异常变化。
例如，通过自回归模型预测股票价格，并实时监测实际价格与预测价格的差异，从而及时发现潜在的股票市场风险。
此外，基于深度学习的异常检测方法还可以用于识别欺诈交易等行为。
2. 医疗领域在医疗领域，时间序列数据异常检测主要用于监测患者生命体征的异常变化。
例如，通过对患者的心电图、血压等数据进行实时监测和分析，及时发现患者的病情变化或出现异常情况。
这有助于医生及时采取有效的治疗措施，提高患者的治疗效果和生存率。
2时间序列异常检测的研究与应用
河海大学硕士学位论文时间序列异常检测的研究与应用姓名：林森申请学位级别：硕士专业：计算机应用技术指导教师：朱跃龙20080601河海人学坝Ｉ研究生论立时问序列异常榆测的研究‘Ｊ府用第一章绪论１．１研究背景１．１．１数据挖掘随着数据库技术的迅速发展以及数据库管理系统的广泛应用，人们积累的数据越来越多。
激增的数据背后隐藏着许多重要的信息，人们希望能够对其进行更高层次的分析，以便更好地利用这些数据。
目前的数据库系统可以高效地实现数据的录入、查询、统计等助能，但无法发现数据中存在的关系和规则，无法根据现有的数据预测未来的发展趋势。
用数据库来存储数据，用机器学习的方法来分析数据，挖掘大量数据背后的知识，这两哲的结合促成了数据挖掘（ＤａｔａＭｉｎｉｎｇ）的产生。
定义１．１：数据挖掘数据挖掘就是从大量的、不完全的、有噪声的、模糊的、随机的实际应用数据中，提取隐含在其中的、人们事先不知道的、但又是潜在有用的信息和知识的过程…。
原始数据可以是结构化的，如关系型数据库中的数据；也可以是半结构化的，如文本、图形、图像数据；甚至是分布在网络上的异构型数据。
数据挖掘的方法可以是数学的，也可以是非数学的：可以是演绎的，也可以是归纳的。
挖掘出来的信息可以被用于信息管理、决策支持、过程控制等，还可用于数据自身的维护。
因此，数据挖掘汇聚了不同领域的研究者，是～个多学科交叉研究领域，它融合了数据库（Ｄａｔａｂａｓｅ）技术、人工智能（ＡｒｔｍｃｉａｌＩｎｔｅｌｌｉ黜ｃｅ）、机器学习（ＭａｃｈｉｎｅＬｅａｍｉｎｇ）、统计学（ｓｔａｔｉｓｔｉｃｓ）、知识工稗（ＫｎｏｗｌｅｄｇｅＥｎ百ｎｅ甜ｎｇ）、面向对象方法（Ｏｂｊｅｃｔ．ＯｄｅｎｔｅｄＭｅｔｈｏｄ）、信息检索（１ｎｆｏｎｎ“ｉｏｎＲｅｔｒｉｅｖａｌ）、高性能计算（Ｈｉ曲．Ｐｅ墒ｍａｎｃｅｃｏｍｐｕｔｉｎｇ）以及数据Ｉ叮视化（ＤａｔａⅥｓｕａｌｉｚａｔｉｏｎ）等最新技术的研究成果。
经过十几年的研究，产生了许多新概念和方法。
《时间序列数据异常检测方法研究与应用》
《时间序列数据异常检测方法研究与应用》一、引言随着信息化社会的快速发展，时间序列数据在各个领域的应用越来越广泛，如金融、医疗、工业生产等。
然而，由于各种因素的影响，时间序列数据中常常会出现异常值，这些异常值可能对决策产生重大影响。
因此，研究时间序列数据异常检测方法，对于提高数据的准确性和可靠性具有重要意义。
本文将对时间序列数据异常检测方法进行研究，并探讨其在实际应用中的效果。
二、时间序列数据异常检测方法概述时间序列数据异常检测是指通过分析时间序列数据的特征，发现其中与正常模式不符的异常值。
目前，常用的时间序列数据异常检测方法主要包括基于统计的方法、基于机器学习的方法和基于深度学习的方法。
1. 基于统计的方法基于统计的异常检测方法主要是通过计算时间序列数据的统计指标，如均值、标准差、分位数等，来识别异常值。
这种方法简单易行，但对于复杂的时间序列数据可能效果不佳。
2. 基于机器学习的方法基于机器学习的异常检测方法利用机器学习算法对时间序列数据进行训练和建模，通过学习正常模式来识别异常值。
常见的机器学习方法包括支持向量机、聚类算法、随机森林等。
3. 基于深度学习的方法基于深度学习的异常检测方法利用深度神经网络对时间序列数据进行特征提取和建模，能够处理更为复杂的数据模式。
常见的深度学习方法包括循环神经网络（RNN）、长短期记忆网络（LSTM）和生成对抗网络（GAN）等。
三、常见的时间序列数据异常检测方法分析针对不同领域和时间序列数据的特性，选择合适的异常检测方法至关重要。
以下将对几种常见的时间序列数据异常检测方法进行分析。
1. 基于滑动窗口的统计方法该方法通过设定滑动窗口的大小，计算窗口内数据的统计指标（如均值、标准差等），与预设阈值进行比较，以识别异常值。
该方法简单有效，适用于具有明显周期性的时间序列数据。
2. 基于支持向量机的机器学习方法支持向量机是一种监督学习方法，适用于具有标签的异常检测问题。
通过训练支持向量机模型，可以学习到正常模式和异常模式的特征差异，从而识别出异常值。
基于贝叶斯的大数据异常值检测模型研究
基于贝叶斯的大数据异常值检测模型研究随着大数据技术的不断发展，大数据分析逐渐成为各行各业的重要工具。
而在大数据分析中，异常值检测是一个非常重要的环节，能够帮助企业及时发现数据中的异常情况，进而采取相应的措施。
贝叶斯方法作为概率统计的重要分支之一，对于大数据异常值检测也有着独特的优势。
本文将对基于贝叶斯的大数据异常值检测模型进行深入研究，旨在探讨其在实际应用中的价值和优势。
一、大数据异常值检测的背景与意义大数据异常值检测是指在海量数据中，通过挖掘数据的分布规律和特征，识别出数据中的异常值，以便及时采取相应的处理措施。
异常值通常表示数据中的某些异常情况，可能是由于数据录入错误、仪器故障或者数据意外变化等原因所导致的。
对于企业而言，如果这些异常情况不及时发现和处理，可能会对业务流程产生严重影响，甚至导致损失。
大数据异常值检测具有非常重要的意义。
通过对大数据中的异常值进行识别和管理，可以帮助企业更好地理解数据的真实情况，减少因为异常值而引起的损失，提高数据的质量和可信度。
而对于科研工作者而言，大数据异常值检测也有着重要意义，可以帮助他们更好地理解数据的特征和规律，为进一步的数据分析和挖掘提供基础。
二、贝叶斯方法在异常值检测中的优势贝叶斯方法是一种基于概率统计理论的数据分析方法，其核心思想是通过利用已有的先验知识和新的观测数据，来更新对未知参数的估计。
与传统的频率统计方法相比，贝叶斯方法具有以下几个显著的优势：1. 可以灵活地处理小样本问题。
在大数据异常值检测中，由于异常值的数量往往较少，而普通数据较多，因此很多时候我们需要处理小样本的情况。
而贝叶斯方法可以通过引入先验分布，对小样本问题进行较好的处理。
2. 能够处理复杂的模型。
在实际应用中，数据往往具有较复杂的分布规律，而传统的频率统计方法往往难以处理这些情况。
而贝叶斯方法通过引入概率分布，可以更好地对复杂的模型进行建模和分析。
3. 能够提供参数的后验分布。