HMCKRAutoEncoder: An Interpretable Deep Learning Framework for Time Series Analysis

可解释性 计算机科学 自编码 人工智能 深度学习 机器学习 时间序列 黑匣子 特征学习 管道(软件) 代表(政治) 政治学 政治 程序设计语言 法学
作者
Jilong Wang,Rui Li,Renfa Li,Bin Fu,Danny Z. Chen
出处
期刊:IEEE Transactions on Emerging Topics in Computing [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:10 (1): 99-111 被引量:11
标识
DOI:10.1109/tetc.2022.3143154
摘要

Analysis of time series data has long been a problem of great interest in a wide range of fields, such as medical surveillance, gene expression analysis, and economic forecasting. Recently, there has been a renewed interest in time series analysis with deep learning, since deep learning models can achieve state-of-the-art results on various tasks. However, deep learning models such as DNNs have a huge parametric space, which makes DNNs be viewed as complex “black-box” models. We propose a novel framework, HMCKRAutoEncoder, which adopts a two-task learning method to construct a human-machine collaborative knowledge representation (HMCKR) on a hidden layer of an AutoEncoder, to address the “black-box” problem in deep learning based time series analysis. In our framework, the AutoEncoder model is cross-trained by two learning tasks, aiming to generate HMCKR on a hidden layer of the AutoEncoder. We propose a pipeline for HMCKR-based time series analysis for various tasks. Moreover, a human-in-the-loop (HIL) mechanism is introduced to provide humans with the ability to intervene with the decision-making of deep models. Experimental results on three datasets demonstrate that our method is consistently comparable with several state-of-the-art methods while providing interpretability, and outperforms these methods when the HIL mechanism is applied.

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