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多次元ストリーミング時系列データの効率的なモチーフモニタリングアルゴリズム / Monitor...

Shinya Kato
November 12, 2019

多次元ストリーミング時系列データの効率的なモチーフモニタリングアルゴリズム / Monitoring Motif on Multi-dimensional Streaming Time-series, presented at DPSWS 2019

Shinya Kato

November 12, 2019
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  1. 予備知識(1/3) ⚫1次元 - 時系列データ 𝑡 = 𝑡 1 , 𝑡

    2 , ⋯ - サブシーケンス 𝑠𝑝 = 𝑡 𝑝 , 𝑡 𝑝 + 1 , ⋯ , 𝑡 𝑝 + 𝑙 − 1 ⚫多次元 - 多次元時系列データ 𝒕 = 𝑡(1) 𝑡(2) ⋮ 𝑡(𝑑) - 多次元サブシーケンス𝒔𝒑 = 𝑠𝑝 (1) 𝑠𝑝 (2) ⋮ 𝑠𝑝 (𝑑) 5 時間 𝑡 𝑝 𝑙 𝑠𝑝 時間 𝑡(1) 𝑝 𝑙 𝑡(2) 𝑡(𝑑) 𝒔𝒑 ⋮ ⋮
  2. 予備知識(2/3) ⚫1次元サブシーケンス間の距離 - 𝑧正規化ユークリッド距離(正規化したサブシーケンス間のユークリッド距離) ⚫𝑘次元におけるサブシーケンス間の距離𝑑 𝑘 (𝒔𝒑 , 𝒔𝒒 )

    - 𝑑次元のサブシーケンス𝒔𝒑 ,𝒔𝒒 ,および𝑘 (< 𝑑)が与えられたとき, 各次元のサブシーケンス間の距離が𝑘番目に小さい距離 6 正規化 ユークリッド 距離 𝑠𝑝 (1) 𝑠𝑝 (2) 𝑠𝑝 (3) 𝑠𝑞 (1) 𝑠𝑞 (2) 𝑠𝑞 (3) 1.3 8.4 2.1 𝑠𝑝 (4) 𝑠𝑞 (4) 3.3 𝑑 3 𝒔𝒑 , 𝒔𝒒 = 3.3 𝑘番目に 小さい距離
  3. 予備知識(3/3) ⚫類似サブシーケンス - 𝑑 𝑘 𝒔𝒑 , 𝒔𝒒 ≤ 2𝑙

    1 − 𝜃 ⟺ 𝒔𝒑 と𝒔𝒒 は類似サブシーケンス • 𝜃 :類似度の閾値 • 𝑙 :モチーフ長 ⚫スコア - 類似サブシーケンスの数 ⚫モチーフ - スコアが最大のサブシーケンス 7 𝒔𝒑 𝒔𝒒 𝒔𝒓 ≤ 2𝑙 1 − 𝜃 ≤ 2𝑙 1 − 𝜃 𝑠𝑐𝑜𝑟𝑒 𝒔𝒑 = 2
  4. 提案アルゴリズム:三角不等式による距離の下界値の取得 ⚫新しいサブシーケンス𝑠𝑛 (𝑖)と中心サブシーケンス𝑠𝑝 (𝑖)と距離計算 ⚫クラスタ内のサブシーケンス𝑠𝑞 (𝑖)と𝑠𝑛 (𝑖)と𝑠𝑝 (𝑖)に三角不等式を適用すると, 𝑑(𝑠𝑛 (𝑖),

    𝑠𝑞 (𝑖))の下界値が𝑂(1)で計算可能 ⚫下界値が閾値 2𝑙 1 − 𝜃 を超えた時点で計算を打ち切り 11 𝑠∙ 𝑖 下界値 𝑠 𝑏 𝑖 𝑠𝑐 𝑖 𝑠𝑎 𝑖 𝑠 𝑑 𝑖 𝑠𝑒 𝑖 𝑠𝑝 (𝑖) 𝑠 𝑏 (𝑖) 𝑠𝑎 (𝑖) 𝑠 𝑑 (𝑖) 𝑠𝑐 (𝑖) 𝑠𝑒 (𝑖) 𝑠𝑛 (𝑖) |𝑑(𝑠𝑛 𝑖 , 𝑠𝑝 𝑖 ) − 𝑑(𝑠𝑝 𝑖 , 𝑠 𝑏 (𝑖))| ≤ 2𝑙 1 − 𝜃 |𝑑(𝑠𝑛 𝑖 , 𝑠𝑝 𝑖 ) − 𝑑(𝑠𝑝 𝑖 , 𝑠𝑐 (𝑖))| > 2𝑙 1 − 𝜃 × × ×
  5. 提案アルゴリズム:スコアの上界値の取得 ⚫各次元に対して三角不等式による下界値の計算を行った後, 𝑘個以上共通するサブシーケンスの数がスコアの上界値 12 𝑠𝑛 (𝑖)と類似する可能性のあるサブシーケンス 次元1 𝑠𝑎 (1), 𝑠

    𝑏 (1), 𝑠𝑐 (1), 𝑠 𝑑 (1), 𝑠𝑒 (1), 𝑠 𝑓 (1), 𝑠𝑔 (1) 次元2 𝑠𝑎 (2), 𝑠𝑒 (2), 𝑠 𝑓 (2), 𝑠𝑔 (2), 𝑠 ℎ (2), 𝑠 𝑖 (2) ⋮ ⋮ 次元𝑑 𝑠𝑎 (𝑑), 𝑠 𝑓 (𝑑), 𝑠𝑔 (𝑑), 𝑠 ℎ (𝑑), 𝑠 𝑖 (𝑑) 𝑘個以上共通 𝒔𝒂 , 𝒔𝒇 , 𝒔𝒈 , 𝒔𝒉 , 𝒔𝒊 𝒔𝒏 のスコアの 上界値は5 𝒔𝒏 のスコアの上界値<モチーフのスコア⇒ 𝒔𝒏 はモチーフにならない.
  6. 評価実験 ⚫データセット - Cricket :加速度センサの多次元時系列データ(6次元) - EigenWorms :線虫の動きの多次元時系列データ(6次元) ⚫パラメータ -

    𝒕 (時刻) :1,000~100,000 - 𝑙 (モチーフ長) :50, 100, 150, 200 - 𝜃 (閾値) :0.75, 0.8, 0.85, 0.9, 0.95 - 𝑘 (次元数) :2, 3, 4 ⚫評価手法 - ベースラインアルゴリズム - 提案アルゴリズム 13
  7. 評価結果:時刻 𝒕 の影響 14 0 2000 4000 6000 8000 10000

    0 25000 50000 75000 100000 更新時間 [msec] |𝒕| baseline MMM 0 2000 4000 6000 8000 10000 0 25000 50000 75000 100000 更新時間 [msec] |𝒕| baseline MMM EigenWorms Cricket proposed proposed 提案アルゴリズムは距離計算回数が少ないため高速
  8. 0 20000 40000 60000 80000 50 100 150 200 合計更新時間

    [sec] 𝑙 baseline MMM 0 20000 40000 60000 80000 50 100 150 200 合計更新時間 [sec] 𝑙 baseline MMM 評価結果:モチーフ長𝒍の影響 15 EigenWorms Cricket proposed proposed 𝒍の増加によって距離計算時間が増加するため,更新時間も増加
  9. 評価結果:閾値𝜽の影響 16 0 2000 4000 6000 8000 10000 0 25000

    50000 75000 100000 更新時間 [msec] |𝒕| baseline MMM 0 2000 4000 6000 8000 10000 0 25000 50000 75000 100000 更新時間 [msec] |𝒕| baseline MMM EigenWorms Cricket 0 10000 20000 30000 40000 50000 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 合計更新時間 [sec] 𝜃 baseline MMM 0 10000 20000 30000 40000 50000 0.75 0.8 0.85 0.9 0.95 合計更新時間 [sec] 𝜃 baseline MMM proposed proposed 𝜽の増加によって距離の閾値が小さくなり,早期に距離計算の打ち切りが可能
  10. 評価結果:次元数𝒌の影響 17 0 2000 4000 6000 8000 10000 0 25000

    50000 75000 100000 更新時間 [msec] |𝒕| baseline MMM 0 2000 4000 6000 8000 10000 0 25000 50000 75000 100000 更新時間 [msec] |𝒕| baseline MMM EigenWorms Cricket 0 10000 20000 30000 40000 50000 2 3 4 合計更新時間 [sec] 𝑘 baseline MMM 0 10000 20000 30000 40000 50000 2 3 4 合計更新時間 [sec] 𝑘 baseline MMM proposed proposed 𝒌の増加によって,𝒌次元におけるサブシーケンス間の距離が大きくなり, 全体的にスコアが小さくなり正確な距離計算回数が減少