【時間序列】時間序列分割聚類演算法TICC
Hallac, David, et al. “Toeplitz Inverse Covariance-Based Clustering of Multivariate Time Series Data.” KDD. (2017).
本文是2017年KDD最佳論文,解決了高維時間訊號的自動分割聚類問題,並給出了基於python的原始碼(戳這裡下載)。
核心思想
在實際問題中有大量隨時間變化的高維訊號。
- 駕駛汽車:油門,剎車,地理位置,空調,門窗…
- 支付軟體:使用者的登陸,轉入,提現,消費…
在沒有標定的情況下,想發掘這些資料中隱藏的資訊,即將訊號劃分為若干可能的狀態,並標記每條訊號的各段。
- 駕駛汽車:起步,上坡,超車,擁堵…
- 支付軟體:使用者發薪,過節,打新股…
這就需要同時對資料進行兩種操作:
- 將各條資料進行分割
- 將分割結果各個聚類
傳統聚類方法考察訊號各維度的絕對值,以確定訊號間的相似度;
本文演算法考察訊號各維度之間的相關性,以確定訊號間的相似度。
建模
訊號段
設有時間長度為
實際應用中,會有來自多個使用者的多段原始訊號。這裡可以直接將它們連綴成一個向量。如果需要考慮絕對時刻,則可以將時間戳也作為一維訊號增補上去。
其中每一時刻的訊號
為了便於考察訊號相關性,以每一時刻為基準,向前擷取寬度為
訊號段
類別資訊
預期將所有訊號段劃分為
舉例:有訊號段ABAAC,
n=5 ,K=3 。P1=[0,2,3],P2=[1],P3=[4]
認為每一類訊號段服從0均值高斯分佈,其協方差逆矩陣為
這裡假設訊號是非時變的,不同時刻訊號之間的關係只和相對時間差有關
換句話說,
每條斜線上的子矩陣相同;對角對稱斜線的子矩陣互為轉置。
求解
我們需要輪流求解兩個問題
- 給定
- 給定
訊號段分類Pj
給定
另外考慮訊號的連續性:相連訊號段不同類時施加懲罰
兩個代價構成經典的流水線排程問題,可以使用BP演算法求解。
其核心思路是:在給第i個訊號段分類時,只需考慮第i-1訊號段分為各類時的代價即可。
逆協方差陣
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