一种基于DTW聚类的水文时间序列相似性挖掘方法

水文时间序列相似性挖掘是水文时间序列挖掘的重要方面,对洪水预报、防洪调度等具有重要意义。针对水文数据的特点,提出了一种基于DTW聚类的水文时间序列相似性挖掘方法。该方法先对数据进行小波去噪、特征点分段以及语义划分,再基于DTW距离对划分后的子序列做层次聚类并符号化;然后根据符号序列间的编辑距离筛选候选集;最后通过序列间的DTW距离进行精确匹配,获取相似水文时间序列。以滁河六合站的日水位数据进行实验,结果表明,所提方法能够有效地缩小候选集,提高查找语义相似的水文时间序列的效率。     

基于Hadoop的异常传感数据时间序列检测

无线传感器网络中,异常时间序列的研究具有十分重要的意义。针对传统研究在海量数据环境中时间效率低下的问题,提出了基于Hadoop的异常时间序列检测算法。首先对时间序列进行预处理,然后在Hadoop的MapReduce操作中调用动态时间弯曲距离计算算法,实现了DTW距离计算的并行化,从而大大提高检测速度。同时针对传统DTW算法计算复杂度瓶颈问题以及传统约束方法准确率较低问题,提出了基于显著特征匹配的局部约束算法,对弯曲路径进行局部限制,在确保准确性的同时进一步降低了时间、空间复杂度。Hadoop平台下实验结果表明,该方法既提高了检测速度,又保证了检测准确率。     

基于Hadoop的不确定异常时间序列检测

无线传感器网络中,传感器的采集与无线网络的传输等均可能带来时间序列的不确定性,而大数据时代的到来使得传统不确定异常时间序列检测研究面临时间效率低下的问题,为此提出基于Hadoop的不确定异常时间序列检测算法。首先对不确定时间序列进行压缩变换,使不确定数据量大大减少,然后利用MapReduce架构调用基于期望距离的不确定时间序列下的DTW算法,实现算法的并行化处理,降低算法时间复杂度。同时针对Hadoop集群任务级调度分配方法在运行中负载分配不均现象,提出Hadoop集群优化方法,明显缩减集群总任务时间,使得节点资源的利用更为合理。Hadoop平台下实验结果验证显示,该方法既提高了检测速度,又保证了检测准确率。     

基于自适应搜索窗口的序列相似比对算法

DTW（Dynamic Time Warping）算法被广泛应用于序列数据比对,以度量序列间距离,但算法较高的时间复杂度限制了其在长序列比对上的应用。提出基于自适应搜索窗口的序列相似比对算法（ADTW）,算法利用分段聚集平均（Piecewise Aggregate Approximation,PAA）策略进行序列抽样得到低精度序列,然后计算低精度序列下的比对路径,并根据低精度距离矩阵上的梯度变化预测路径偏差,限制路径搜索窗口的拓展范围;随后算法逐步提高序列精度,并在搜索窗口内修正路径、计算新的搜索窗口,最终,实现DTW距离和相似比对路径的快速求解。对比FastDTW,ADTW算法在同等度量准确率下提高计算效率约20%,其时间复杂度为[O(n)]。     

基于DLT-Kmedoids算法的用电负荷聚类分析

针对高校用电负荷中传统聚类算法直接应用于时间序列聚类效果准确性较低的问题,提出一种融合DTW距离、LB＿Keogh距离以及时间窗口的DLT-Kmedoids算法,以提高聚类算法应用于时间序列的准确性以及算法效率。DLT-Kmedoids算法使用DTW计算时序数据之间的距离取代传统的欧氏距离度量方式,提高了相似性度量算法精度,同时也提高了聚类算法的准确性和复杂度,引入LB＿Keogh距离在计算DTW距离之前过滤掉大部分不可能是最优匹配序列的序列,对于剩下的序列再使用DTW逐个比较,进一步降低算法的复杂度。最后结合高校建筑用电负荷时间序列数据进行分析,通过与主流聚类算法进行比较,表明该算法对于高校用电负荷数据的聚类任务,能够更准确地识别相似的负荷模式,并以更高的效率进行聚类分析。     

结合形状特征及其上下文的多维DTW

传统动态时间规整算法（Dynamic Time Warping,DTW）及其变种算法被广泛应用于多维时间序列的相似性分析,但它们通常只关注单个时间点的信息而忽略了上下文信息,从而很可能匹配两个形状完全不同的点。因此提出一种结合形状特征及其上下文的多维DTW算法（Multi-Dimensional Contextual Dynamic Time Warping,MDC-DTW）。该算法首先计算多维时间序列的一阶梯度,然后对其进行采样处理,并以多维梯度矩阵表示当前时间点的形状信息及其上下文信息,最后利用DTW求解多维时间序列间的最短匹配路径。为检测算法设计的合理性,对算法进行了定性分析和定量分析,实验结果表明MDC-DTW算法设计是合理的;为检测MDC-DTW的性能,选用5个多维时间序列数据集,并与4个优异的多维DTW算法进行对比实验,实验结果表明MDC-DTW具有较高的准确率和运行效率。     

基于滑动平均与分段线性回归的时间序列相似性

针对时间序列相似性度量中欧氏距离对异常数据敏感以及DTW距离算法效率低的问题,提出基于滑动平均与分段线性回归的时间序列相似性方法。首先,使用初始可变滑动平均算法以及分段线性回归对原始时间序列进行数据变换,并将分段线性回归的参数(截距与距离)集作为时间序列的特征,以实现时间序列的特征提取和数据降维;然后,利用动态时间弯曲距离进行距离计算。该方法在时间序列相似性上与DTW算法的性能相近,但是在算法效率上几乎提高了96%。实验结果验证了该方法的有效性与准确性。     

噪声鲁棒的动态时间规整算法

动态时间规整（DTW）算法通过寻找两个时间序列的最佳匹配衡量序列之间的相似性。针对序列中存在的噪声容易导致时间序列匹配时局部出现过度拉伸和压缩问题,提出了一种噪声鲁棒的动态时间规整（NoiseDTW）算法。首先,在原始的信号中引入额外噪声,解决序列对齐中存在的一个点对齐多个点的问题;然后,通过在两个时间序列之间多条可能的匹配路径中找到一条最优的匹配路径,减少噪声的随机性对时间序列相似性度量的影响;最后,将匹配路径映射到原始序列上。实验结果表明,相较于欧氏距离（ED）、DTW、Sakoe-Chiba窗口动态时间规整（Sakoe-Chiba DTW）和加权动态时间规整（WDTW）算法,所提算法结合K-近邻（KNN）分类器得到的分类准确率在8个时间序列数据集上分别比次优算法提高了1～15个百分点。可见所提算法具有较好的分类性能,且对噪声具有鲁棒性。     

面向噪声数据的时间序列相似性搜索研究

为了减少噪声数据对查询最优序列的影响,避免Euclidean距离对形态的敏感性,以及要求序列等长的缺点,提出了面向噪声数据的时间序列相似性搜索算法.运用SPC方法去除序列中的噪声数据;采用DTW距离作为度量函数,使用规范化方法使序列处于相同的分辨率下;采用LB_ Keogh下界函数对候选序列集合进行筛选.仿真实验结果表明,该算法在阈值较小时,对含有噪声数据序列的匹配能力较强.     

基于序列极值点分段的空中签名身份认证

空中签名序列长,为了解决传统的全局匹配方法造成的匹配慢、签名的局部信息丢失的问题,提出了对签名数据进行极值点分段再进行距离度量的方法。并针对传统DTW算法在极值点匹配中产生的不同极性极值点错匹配问题,提出了一种基于极值点匹配的改进DTW算法,约束DTW算法的匹配路径规则,避免错误匹配情况。在本地数据库上,系统的误拒率FRR和误纳率FAR分别达到了4.15%和3.82%。实验结果表明,与传统的全局匹配算法相比,先分段再进行相似度度量的方法使系统的认证精度和效率得到了提高。     

基于局部梯度和二进制模式的时间序列分类算法

时间序列分类问题是时间序列数据挖掘中的一项重要任务, 近些年受到了越来越广泛的关注. 该问题的一个重要组成部分就是时间序列间的相似性度量. 在众多相似性度量算法中, 动态时间规整是一种非常有效的算法,目前已经被广泛应用到视频、音频、手写体识别以及生物信息处理等众多领域. 动态时间规整本质上是一种在边界及时间一致性约束下...     

基于动态时间弯曲的时序数据聚类算法的研究

时间序列是一类重要的复杂类型数据，时间序列知识发现正成为知识发现的研究热点之一。欧几里的距离及其扩展作为相似测度被广泛应用于时间序列的比较中，但是这种距离测度对数据没有好的鲁棒性。动态时间弯曲技术是基于非线性动态编程的一种模式匹配算法。该文提出了基于动态时间弯曲技术的相似搜索算法，通过计算时序数据之间的最短弯曲路径来获得序列的匹配。对综合控制时序数据进行基于不同距离测度的聚类分析对比结果表明该文提出的算法有很高的精度和对振幅差异、噪声和线性漂移有强的鲁棒性，具有良好的应用价值。     

弹性粗粒度动态弯曲时序相似性算法

针对动态时间弯曲(DTW)算法在提高计算速度同时不能兼顾分类正确率的问题,提出了一种基于朴素粒计算思想的弹性粗粒度动态时间弯曲(CG-DTW)算法。首先,通过计算时序方差特征的方法来获取较优的时序粒度,用粒度特征代替原始序列;其次,再代入执行DTW算法,允许动态调整被比较时序粒间的弹性大小,从而获得相对最优的时序对应粒;最后,在对应最优粒的情况下计算DTW距离。同时引入下界函数的提前终止策略进一步提高CG-DTW算法效率。实验结果表明,所提算法要比经典算法运行速率提高21.4%左右,比降维策略算法正确率提高近32.3个百分点,尤其是长序列的分类,CG-DTW能够在保持正确率的情况下兼顾较高的运行效率。CG-DTW在实际应用中能适应不确定长序列分类。     

Hierarchical clustering of time series data with parametric derivative dynamic time warping

Dynamic Time Warping (DTW) is a popular and efficient distance measure used in classification and clustering algorithms applied to time series data. By computing the DTW distance not on raw data but on the time series of the (first, discrete) derivative of the data, we obtain the so-called Derivative Dynamic Time Warping (DDTW) distance measure. DDTW, used alone, is usually inefficient, but there exist datasets on which DDTW gives good results, sometimes much better than DTW. To improve the performance of the two distance measures, we can combine them into a new single (parametric) distance function. The literature contains examples of the combining of DTW and DDTW in algorithms for supervised classification of time series data. In this paper, we demonstrate that combination of DTW and DDTW can also be applied in a method of time series clustering (unsupervised classification). In particular, we focus on a hierarchical clustering (with average linkage) of univariate (one-dimensional) time series data. We construct a new parametric distance function, combining DTW and DDTW, where a single real number parameter controls the contribution of each of the two measures to the total value of the combined distances. The parameter is tuned in the initial phase of the clustering algorithm. Using this technique in clustering methods requires a different approach (to address certain specific problems) than for supervised methods. In the clustering process we use three internal cluster validation measures (measures which do not use labels) and three external cluster validation measures (measures which do use clustering data labels). Internal measures are used to select an optimal value of the parameter of the algorithm, where external measures give information about the overall performance of the new method and enable comparison with other distance functions. Computational experiments are performed on a large real-world data base (UCR Time Series Classification Archive: 84 datasets) from a very broad range of fields, including medicine, finance, multimedia and engineering. The experimental results demonstrate the effectiveness of the proposed approach for hierarchical clustering of time series data. The method with the new parametric distance function outperforms DTW (and DDTW) on the data base used. The results are confirmed by graphical and statistical comparison.     

改进DTW下界函数的距离度量方法研究

动态时间弯曲算法（DTW）是一种常见的时间序列相似性度量方法,对数据挖掘任务起着至关重要的作用。针对现有DTW算法的时间复杂度高、度量精确度一般的特征,提出一种DTW下界函数的提前终止算法（LB_ESDTW）。引入提前终止思想,提高算法的执行效率;再在提前终止算法思想的基础上,与DTW下界函数相结合,提出一种基于提前终止DTW的下界函数算法（LB_ESDTW）。该算法在保证高效的运行时间效率的同时,也使得算法的度量准确率得到了提升。实验结果表明,LB_ESDTW在绝大部分时间序列数据集中,都表现出良好的适应性,针对不同类别的时间序列,都能有良好的度量性能。