Anomaly Detection of Time Series With Smoothness-Inducing Sequential Variational Auto-Encoder

平滑度 计算机科学 异常检测 生成模型 估计员 算法 推论 人工智能 潜变量 模式识别(心理学) 人工神经网络 贝叶斯定理 系列(地层学) 贝叶斯概率 数学 生成语法 统计 生物 数学分析 古生物学
作者
Long-yuan Li,Junchi Yan,Haiyang Wang,Yaohui Jin
出处
期刊:IEEE transactions on neural networks and learning systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:32 (3): 1177-1191 被引量:143
标识
DOI:10.1109/tnnls.2020.2980749
摘要

Deep generative models have demonstrated their effectiveness in learning latent representation and modeling complex dependencies of time series. In this article, we present a smoothness-inducing sequential variational auto-encoder (VAE) (SISVAE) model for the robust estimation and anomaly detection of multidimensional time series. Our model is based on VAE, and its backbone is fulfilled by a recurrent neural network to capture latent temporal structures of time series for both the generative model and the inference model. Specifically, our model parameterizes mean and variance for each time-stamp with flexible neural networks, resulting in a nonstationary model that can work without the assumption of constant noise as commonly made by existing Markov models. However, such flexibility may cause the model fragile to anomalies. To achieve robust density estimation which can also benefit detection tasks, we propose a smoothness-inducing prior over possible estimations. The proposed prior works as a regularizer that places penalty at nonsmooth reconstructions. Our model is learned efficiently with a novel stochastic gradient variational Bayes estimator. In particular, we study two decision criteria for anomaly detection: reconstruction probability and reconstruction error. We show the effectiveness of our model on both synthetic data sets and public real-world benchmarks.
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