Knowledge Aggregation Transformer Network for Multivariate Time Series Classification

计算机科学 多元统计 数据挖掘 时间序列 变压器 系列(地层学) 人工智能 机器学习 电气工程 电压 生物 工程类 古生物学
作者
Zhiwen Xiao,Huanlai Xing,Rong Qu,Hui Li,Huagang Tong,Shouxi Luo,Jing Song,Feng Li,Qian Wan
出处
期刊:IEEE Transactions on Big Data [IEEE Computer Society]
卷期号:11 (6): 3413-3429 被引量:9
标识
DOI:10.1109/tbdata.2025.3594294
摘要

Over the years, various sophisticated deep learning algorithms have surfaced for multivariate time series classification (MTSC), notably the dual-network-based model. This model comprises two parallel networks tailored to time series data: one for local feature extraction and the other for global relation extraction. However, effectively integrating these dual networks poses a significant challenge. To address this, we propose a knowledge aggregation transformer network (KATN) for MTSC. KATN, composed of four aggregation transformer blocks, extracts abundant regularizations and connections hidden within the data. Each block incorporates a modified residual network (MResNet) for local feature extraction and a multi-head attention network for global relation extraction. Initially, the block merges MResNet’s output feature with that of the multi-head attention network through an additive operation. Subsequently, it aligns features with a fully connected (i.e., dense) layer and activates neural units using the Gaussian error linear unit function. This strategic feature aggregation allows for capturing long-range dependencies among multiple variables in multivariate time series data. Experimental results demonstrate that KATN significantly outperforms 6 state-of-the-art transformer variants, achieving a ‘win’/‘tie’/‘lose’ record of 9/6/15 and securing the lowest AVG_rank score. Furthermore, when evaluated against 18 existing MTSC algorithms across 13 UEA datasets, KATN consistently delivers superior performance, attaining the lowest AVG_rank score among all compared methods.
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