EnsDiffAD: Ensemble Diffusion Models for Multivariate Time Series Anomaly Detection

计算机科学 异常检测 时间序列 系列(地层学) 多元统计 算法 扩散 模式识别(心理学) 异常(物理) 人工智能 数据挖掘 数据建模 概率密度函数 扩散图 统计物理学 特征提取
作者
Qian Ma,Yanyang Li,Mei Bai,Xite Wang,Shikai Guo,Yu Gu,Ge Yu
出处
期刊:IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering [IEEE Computer Society]
卷期号:38 (9): 5841-5853
标识
DOI:10.1109/tkde.2026.3708334
摘要

Multivariate time series anomaly detection (MTSAD) is critically important across a wide range of research fields and applications. However, achieving accurate anomaly detection in multivariate time series (MTS) presents several challenges. First, existing MTSAD methods mainly emphasize modeling long short-term temporal dependencies, while neglecting the intricate and strongly correlated inter-variable dependencies, which limits detection accuracy. Second, distributional shifts caused by external factors further hinder a single model’s ability to generalize across evolving patterns, risking missed subtle anomalies and compromising detection robustness. To address these issues, we propose EnsDiffAD, a novel MTSAD framework leveraging an ensemble of improved diffusion models. A key component of our framework is TiT-Diffusion, a denoising architecture designed to model the entangled yet distinct nature of temporal and inter-variable dependencies. Instead of directly combining existing models, TiT-Diffusion decouples these aspects into complementary modules: a temporal Transformer captures long-term and short-term temporal patterns, while an inter-variable iTransformer models global cross-variable correlations. This decomposition mitigates representation conflicts and facilitates more expressive and disentangled feature learning. Additionally, we enhance dynamics and uncertainty modeling via a novel loss function and ensemble multiple TiT-Diffusion models during training. Experiments on five real-world datasets demonstrate EnsDiffAD’s superiority.
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