Cumulative Diversity Pattern Entropy (CDEn): A High-Performance, Almost-Parameter-Free Complexity Estimator for Nonstationary Time Series

估计员 熵(时间箭头) 系列(地层学) 数学 统计 时间序列 估计理论 统计物理学 计算机科学 应用数学 算法 物理 量子力学 古生物学 生物
作者
Yalin Wang,Minghui Liu,Yao Guo,Feng Shu,Chen Chen,Wei Chen
出处
期刊:IEEE Transactions on Industrial Informatics [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:19 (9): 9642-9653 被引量:12
标识
DOI:10.1109/tii.2022.3233652
摘要

Tedious parameter settings and poor performances seriously affect the entropy estimation's effectiveness in time series analysis. To solve these limits, we propose a conceptually novel definition, cumulative diversity pattern entropy (CDEn), focusing on eliminating parameter selections and improving quantization accuracy, stability, and robustness. The CDEn algorithm consists of three steps: 1) improved phase-space reconstruction (IPSR) with constant embedding dimension $m= 2$ and time delay $\tau =1$ ; 2) diversity pattern partition generated by the cosine similarity between adjacent vectors; and 3) entropy calculation based on the normalized cumulative probability distribution. Numerical experiments are performed using 7 synthetic datasets and 15 baseline entropy methods for comparative validation. The results confirm CDEn's best description of chaotic/stochastic dynamics with the highest quantization accuracy and the lowest error rate of 2.04%. The coefficient of variation (CV) results also verify CDEn's excellent quantization stability with CV lower than 10 −2 . The relative change rate results demonstrate that CDEn achieves the best robustness to data length and noise. Finally, the entropy algorithms are applied to a real-world dataset, i.e., neonatal sleep EEG analysis. The results further confirm that suggested CDEn outperforms the state-of-the-art entropy methods, with the minimum outliers and best statistical significance (highest mean of effect size, 1.22) in characterizing the neurodynamics of different sleep stages.
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