时序数据异常值（时序数据异常点检测技术）
时序数据异常值（时序数据异常点检测技术）数据呈现上涨、下跌的走势趋势描述周期 （频率）数据出现周而复始的现象
©作者 | 曲奇
01 概述通常时序数据的异常值主要分为三类：
时序数据常见特征
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特征 |
描述 |
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周期 （频率） |
数据出现周而复始的现象 |
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趋势 |
数据呈现上涨、下跌的走势 |
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季节性 |
在一年或者更短的时期内在一个趋势线上重复性和可预测的变动 |
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自相关 |
代表数据之间的相关依赖 |
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非线性 |
时间序列中包含了非线性模型表示的复杂数据集 |
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偏态 |
测量对称性，或更加明确地说，缺乏对称性 |
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峰度 |
如果数据相对于正常分布达到峰值或平坦，则采取措施 |
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林中小丘 |
衡量时间序列的长期记忆 |
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李亚普诺夫指数 |
衡量附近轨迹的发散速度 |
用于建模实验的常见指标，衡量模型好坏
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指标 |
描述 |
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Bias |
误差的算术平均值 |
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MAD |
平均绝对偏差，也称为 MAE |
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MAPE |
平均绝对百分比误差 |
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MSE |
误差的均方 |
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SAE |
绝对错误的总和 |
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ME |
平均误差 |
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MASE |
平均绝对比例误差 |
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MPE |
平均百分比误差 |
主要分为三大类：
- 基于统计模型基于统计模型的异常点检测技术将所有数据构建成一个数据模型，其认为异常点是那些与模型不能完美拟合的对象。
- 基于邻近度通常可以在对象之间定义邻近性度量。异常对象是那些远离大部分其他对象的对象。
- 基于密度的技术对象的密度估计可以相对直接计算，特别是当对象之间存在邻近性度量时。当一个点的局部密度显著低于它的大部分近邻时，可能会被看作是异常的。
基于统计模型的异常点检测
基于数据，构建一个概率分布模型，得出模 型的概率密度函数。通常，异常点的概率是很低的。
基于正泰分布的一元异常点检测
多元正态分布的异常点检测
对于多元高斯分布检测，我们希望使用类似于一元高斯分布的方法。例如，如果点关于估计的数据具有低概率，那么就把它们分类为异常点。
实际上马氏距离也是统计算法，点到基础分布的Mahalanobis距离与点的概率直接相关
综上所述，两种基于统计模型的异常点检测方法，需要建立在标准的统计学技术（如分布 参数的估计）之上。这类方法对于低维数据效果可能较好，但是对于高维数据，数据分布非常 复杂，基于统计模型的检测效果会比较差。
基于邻近度的异常点检测
马氏距离
容易证明：点到数据均值的Mahalanobis距离与点的概率直接相关，等于点的概率密度的对数加上一个常数。因此，可以对Mahalanobis距离进行排序，距离大的，就可以认为是异常点。
KNN
基于密度的异常点检测
从基于密度的观点来说，异常点是低密度区域中的对象。
定义密度的方法有以下三种。
逆距离
一个对象的密度为该对象周围k个最近邻的平均距离的倒数。
半径 d 内的个数
即一个对象周围的密度等于该对象指定半径 d 内对象的个数。d是人为选择的，那么这个d的选择就很重要了。
相对密度
即用点 x 的密度与它最近邻 y 的平均密度之比作为相对密度。
独立森林 Isolation Forest
首先，要理解独立森林，就必须了解什么是独立树，下文简称 iTree 。iTree 是一种随机二 叉树，每个节点要么有两个子节点（称为左子树和右子树），要么没有子节点（称为叶子节点）。给定数据集D，这里 D 的所有属性都是连续型变量， iTree 的构成如下：
- 随机选择一个属性 A。
- 随机选择该属性的一个值 value 。
- 根据 A对每条记录进行分类，把 A 小于 value 的记录放在左子树上，把大于或等于 value 的记录放在右子树上。
- 递归构造左子树和右子树，直到满足条件：①传入的数据集只有一条或多条一样的记录；②树的高度达到了高度阔值。
iTree 构造完成后，接下来对数据进行预测。预测的过程就是把测试记录从 iTree 根结点开始搜索，确定测试记录落在哪个叶子节点上。iTree 能检测异常的假设是：异常点一般都是非常稀有的，在 iTree 中很快会被分到叶子节点上。也就是说，在 iTree 中，异常值一般表现为叶子节点到根节点的路径 h(x) 很短。因此，可以用 h(x) 来判断一条记录是否属于异常值。
实现中还有注意的点：
- 随机树是不稳定的，但是把多棵 iTree 结合起来，形成 iForest 就变得强大了
- 构建iForest 的方法与构建随机森林的方法类似，都是随机采样一部分数据集来构造每一棵树，保证不同树之间的差异。但不同的是，我们需要限制采样样本的大小。采样前正常值和异常值有重叠，采样后可以有效区分正常值和异常值。
- 需要限制 iTree 的最大高度，因为异常值记录比较少，其路径长度也比较小。树太深了增加无意义的计算消耗。
综上所述，独立森林本质上是一种非监督算法，不需要先验的类标签。在处理高维数据时，不是把所有的属性都用上，而是通过峰度系数（峰度小，长尾太长了，比较难判断异常；峰度大，则大部分数据集中，方便判断）挑选一些有价值的属性，然后再进行 iForest 的构造，算法效果会更好。
颜色越深代表异常值得分越高， 颜色越浅代表异常值得分越低。可以看出，模型预测效果不错，颜色分布规律与 test 和 outlier 数据集完全吻合。
常见的开源的异常监测系统
