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VLDB2022 | NLC：在长时间序列上搜索相关窗口对

时空实验室 2023-02-27
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物联网和工业互联网等许多应用不断从传感器收集数据，形成长时间序列。查找时间序列之间的相关性是许多时间序列挖掘问题的基本任务。然而，现有的大多数研究要么仅限于检测关系的类型，例如仅检测线性相关性；要么不处理复杂的时间关系，例如不考虑未对齐的时间窗口或可变窗口长度。本次为大家带来数据库领域顶级会议VLDB2022的论文：《NLC: Search Correlated Window Pairs on Long Time Series》。
一．背景
由于传感器数据收集频率的增加和分布式存储系统的快速发展，许多最新的应用程序产生了大量的长时间序列。在分析时间序列数据时，一项基本任务是评估时间序列之间的相关性；在对时间序列进行搜索、分类以及聚类时，相关性可以直观且方便地进行相似性度量。然而，在分析长时间序列时，测量时间序列之间的相关性变得困难。这是因为通常情况下两个时间序列可能在某些时间间隔上相关，但在很长一段时间内始终相关的几率非常小；基于此，广泛使用的全局度量（例如皮尔逊系数）在分析长时间序列时是无效的。虽然目前也存在着一些局部的相关性挖掘工作，但其都旨在从长时间序列对中挖掘局部线性相关性。事实上，在许多应用中，由于复杂的物理或化学机制，时间序列具有很强的非线性关系。
因此，本论文采用互信息（MI）进行相关性度量，它是信息论中两个随机变量之间相互依赖关系的度量方法，广泛用于变量域，可以发现各种类型的相关关系，包括线性和非线性，单调和非单调，泛函和非泛函。
但是，如何有效地搜索具有高互信息值的窗口对的相关工作很少，其主要难点有：首先，计算MI它需要估计每个点的密度函数，因此比传统的测量（如皮尔逊相关性）成本高得多；其次，相关性发生在可变时延的变长窗口中，这大大增加了搜索空间；第三，它不是单调的，阻碍了我们使用传统的修剪策略。
基于此，本论文提出了一种两阶段方法，即非线性相关搜索（简称NLC）。在第一个阶段，生成一组候选的相关窗口对，利用窗口收缩和窗口扩展两种策略。其中，窗口收缩适用于稀疏分布的相关性，可以快速修剪不符合的时间间隔；窗口扩展略慢，但当相关窗口分布更密集时，可以找到更多符合的窗口对。在第二阶段，利用嵌套的一维搜索策略对相关的窗口对候选进行优化。
二．定义
时间序列X：X={x1,x2,…,xn}是按时间顺序排列的数据序列。
时间窗口W=(s,l)：s是时间窗口的起点，l是时间窗口的长度。
时间窗口对(X(s,l),Y(s’,l))或<s,l,τ>：两个时间窗口X(s,l)和Y(s’,l)的窗口长度l一样，但窗口的起点可能不一样。令时间延迟τ=s’-s，则时间窗口对可以表示为<s,l,τ>。
三．方法介绍
3.1 总体框架
图1为论文提出的NLC算法概述。
阶段一：生成窗口对候选集。每一个候选的窗口对需要确定大致起点位置s和窗口长度l以及确切的延迟τ。生成候选集采用两种策略，窗口收缩和窗口扩展。
阶段二：窗口优化。利用一维搜索算法对候选集进行优化。
图1 算法概述
3.2 阶段一：候选集生成
阶段一采用两种策略，窗口收缩和窗口扩展。窗口收缩，首先找到可能包含相关对的大窗口，再通过修剪不相关的部分来缩小窗口。窗口扩展，首先对小窗口进行定位，再将其扩展到适当的长度。
窗口收缩
我们的目标查找大小在[Lmin,Lmax] 范围内的所有相关窗口对。我们不是直接计算每对的户互信息MI，而是利用一个比Lmax更大的窗口来过滤不合格对象，该窗口被称为信封窗口，其大小为we。形式上，我们将X拆分为一系列长度为we的不相交的信封窗口(X1,X2,…,Xn/we)。假设在每个窗口Xi中最多存在一个比Y更小的相关窗口。
然后，我们逐一访问信封窗口(X1,X2,…,Xn/we)，以确定是否包含候选窗口对。计算窗口Xi(spi,,we)和所有延迟的窗口Y(spi+τ,,we)的互信息MI，其中τmin ≤ τ ≤ τmax。若所有的MI值均小于阈值θ0，则确定无相关对并移至下一个信封窗口Xi+1；否则，选取具有最大MI值的窗口Y(spi+τ’,,we)作为候选窗口，这意味着有可能在X中存在一个窗口，与Y(spi+τ’,,we)中具有延迟τ’的窗口相关。
图2 窗口收缩
通过图二（a）举例说明，其中θ0=0.3，we=2000。对于窗口X2(2001,2000), Y(2001,2000)和Y(2051,2000)会被修剪排除，因为其MI值小于阈值θ0=0.3。由于Y(1951,2000)具有最大MI值，故生成候选窗口<2001,2000,-50>。同样地，对于窗口X5(8001,2000)，Y(8001,2000)和Y(8051,2000)的MI值大于0.3，最终候选窗口为<8001,2000,0>。
显然，候选窗口可能包含不相关的部分，因为它具有较大的窗口长度和较小的阈值。因此，我们需要进行进一步的修剪。具体地说，我们将信封窗口拆分为一系列较小的不相交窗口，并修剪两端的不相关窗口。形式上，我们首先将信封窗口划分为长度为miniL的窗口，称为迷你窗口。然后，从左端修剪迷你窗口。我们计算X(s,miniL)和Y(s+τ,miniL)的MI值。如果MI值小于阈值，我们丢弃它并移动到第二个迷你窗口。这个过程一直持续到我们遇到MI值大于阈值的窗口。然后我们以类似的方式从右端修剪迷你窗口。两端调整后，我们再次计算剩余部分的MI值，如果MI值超过阈值，则将其添加至候选集中。
通过图二（b）举例说明，信封窗口为<8001,2000,0>且miniL=2000。在左侧，我们修剪迷你窗口直到(8051,100)；在右侧，我们修剪迷你窗口直到(9301,100)。其余部分是(8501,800)。我们重新计算该部分的MI值为0.7，大于阈值，故将<8501,800,0>加入候选集中。
窗口扩展
当相关对密集分布时，如果我们仍然使用大窗口，可能会出现两个不同的相关对出现在一个信封窗口中，这将导致某些相关对被忽略，因为我们只在一个信封窗口中保留一对。因此，窗口扩展策略是使用小窗口来查找候选窗口。
我们考虑用长度为Lmin的窗口来遍历X。假设当前窗口为X(sp, Lmin)，我们计算与所有窗口Y(s+τ,Lmin)的MI值，其中τmin ≤ τ ≤ τmax。如果所有MI值均小于阈值，则确定此窗口无相关对，并移动下一个窗口X(sp+ Lmin, Lmin)；否则，我们选择产生最大MI值的τ组成窗口对<sp,Lmin , τ>。
与窗口收缩不同，由于窗口较小，我们在这找到的相关对可能只是整个对的一小部分。因此，我们需要在两边进行扩展来找到完整的窗口对。对于窗口对X(sp,Lmin)和Y(sp+τ,Lmin)，我们产生两个对窗口对CP1=<sp,Lmin+Lmax,τ>和CP2=<sp-Lmax,Lmin+Lmax, τ>。然后，我们对CP1和CP2利用长度为miniL的迷你窗口进行修剪操作，并获得两个较短的对；再比较其对应的MI值，将MI值较大的窗口对加入到候选集中。
图3 窗口扩展
通过图3举例说明，其中θ0=0.3，长度范围为[300,600]，所以我们使用长度为300的串口进行修剪。在τ=0时，即窗口为(8501,300)，MI值最大（从橙色线），故选该窗口进行扩展。扩展后，获得两个候选窗口CP1=<8501,900,0>和CP2=<7901,900,0>（分别为紫色线和蓝色线）。在利用miniL长度的迷你窗口进行修剪后，CP1的MI值（从蓝色线看出MI为0.8）更大，故将其添加到候选集。
3.3 阶段二：候选集优化
对每个候选对CP=<s,l,τ>，我们想要找到窗口对<s*,l*,τ>满足(s*,l*)⊂(s,l)且MI值最大，则s*和l*是最佳起点和最佳长度。最基本的做法是遍历所有的s和l，以找到最佳的s*和l*，但这会花费大量计算。因此，本文采用了DIRECT策略来加速搜索过程。DIRECT 可以通过迭代有效地确定全局最优值，其基本思想是将搜索空间划分为区间，并通过采样和评估每个区间的中心点来选择要搜索的矩形。
对于候选对CP=<s,l,τ>,搜索空间是一个矩形：起点s的搜索范围为[s,s+l-Lmin]，长度的搜索范围为[Lmin,Lmax]。由于起点s和长度l是高度相关，不适用于DIRECT依次划分维度，故本文提出了一种嵌套的一维 DIRECT 搜索策略。基本思想是：在每一轮中，我们将当前矩形分成三个大小相等的矩形，左、中、右。然后我们在左边和右边矩形中选取最不可能包含点(s*,l*)的那个矩形进行删除，以此来缩小矩形。其中，包含点(s*,l*)的可能性由中心点的MI值进行评估。先上述方法寻找最佳起点s*，直至矩形缩小到比阈值小；再用同样的方法寻找最佳长度l*(s)。最后，再验证优化的窗口对是否有效，即<s*,l*,τ>的MI值是否大于阈值。若是，则将其添加到最终集合中。
图4 搜索过程
通过图4举例说明。在左图中，蓝色曲线是 [1001,1900] 范围内不同起点的MI值。我们的目标是在此范围内找到具有最高MI值的最佳起点。在第一轮中，我们将其分为三个等长范围S1=[1001,1300], S2=[1301,1600]，S3=[1601,1900]，并获取中心点s1, s2, s3。然后，我们找到s1, s3的l*（这将在后面阐述）。然后，再比较(s1,l*(s1))和(s3,l*(s3))的MI值。因为(s1,l*(s1))的MI值较小，故我们删除矩形S1并生成一个较小的范围[1301,1900]。在第一轮中，我们再次将范围[1301,1900]分为三个范围S4, S5，S6。可以看出，经过三轮，s5处的MI值非常接近最高。
图4 的右侧显示了在第一轮中搜索l*(s2)。我们将范围[300,600](Lmin=300,Lmax=600)拆分为三个范围L1,L2,L3，其中点分别为l1=500,l2=450,l3=350。我们直接计算MI(s2,550)和MI(s2,350)，然后删除L1，因为MI(s2,550)更小。然后，一直迭代搜索范围[300,500]直至找到小于阈值的最佳长度l*(s2)。
四．实验
4.1 数据集
我们使用五个数据集进行实验，包括两个合成数据集和三个真实数据集。两个合成数据集分别具有线性和非线性相关，其长度为100000，其中值是从标准正态分布中随机选取的；三个真实数据集分别为TE dataset，Stock market dataset和Electrical dataset，其参数如表1 所示：
表1 真实数据集参数设置
4.2 比较方法
在本文中，NLC与三种基线方法进行了比较：TYCOS，MASS和Jocor。
TYCOS从长时间序列对中提取非线性相关窗口对，将延迟接受爬山[1]与窗口方法相结合，以执行自下而上的相关窗口对搜索。
MASS可以有效地找到与长时间序列中的查询最相似的子序列。由于MASS的初衷与我们的问题不同，因此需要进行一些调整。
Jocor寻找长度超过最小长度阈值的相关性最高的窗口对，并使用 PCC 作为度量。
4.3 评价标准
算法通过精度、召回率和F1值来衡量。
4.4 合成数据集上，各种算法的比较
NLCE和NLCS分别表示带有窗口扩展策略的NLC算法和带有窗口收缩策略的NLC算法
图5 算法比较（左图为线性数据集，右图为非线性数据集）
如图5左图所示，在线性数据集上，NLCE实现了最高的精度、召回率和 F1值；NLCS的精度是第二高的，但它比NLCE更高效，即运行时间短。MASS的F1值排名第二，但精度略低；这是因为MASS倾向于寻找更多可能包含噪音的窗口。Jocor的精度非常高，而由于搜索空间减少，召回率低于MASS。由于预处理步骤，除了TYCOS之外，运行时间要大得多。TYCOS在这里表现不佳主要是因为它只尝试了延迟参数的几个可能值。
如图5右图所示，在非线性数据集上，NLCE的三个指标上都达到最佳，NLCS排在第二位。与线性数据集的结果不同，MASS和Jocor虽然更有效，但在处理非线性相关性时效果不佳，这证明了基于MI的方法的优势。与NLCE相比，NLCS的优点是效率更高，并且在相关对密度较低时也可以达到较高的F1值，从表2中可以看出。
表2 NLCE与NLCS的比较
五．总结
该论文研究了两个长时间序列中的非线性相关搜索问题，提出一个两阶段的方法。在第一阶段，提出了两种策略来产生候选窗口对：窗口收缩策略适用于稀疏分布的相关性，而窗口扩展策略稍慢，但当相关性密集分布时，可以找到更多的对。在第二阶段，我们提出了一种嵌套搜索策略来删除候选窗口对。实验结果验证了NLC的有效性和高效性。
参考文献
[1]Edmund K Burke and Yuri Bykov. 2017. The late acceptance hill-climbing heuristic.European Journal of Operational Research 258, 1 (2017), 70–78.
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本文作者

吴怡
重庆大学计算机科学与技术（卓越）专业在读大三学生，重庆大学START团队成员，主要研究方向：时空数据管理与挖掘。

时空艺术团队（START，Spatio-Temporal Art）来自重庆大学时空实验室，旨在发挥企业和高校的优势，深入探索时空数据收集、存储、管理、挖掘、可视化相关技术，并积极推进学术成果在产业界的落地！年度有2~3名研究生名额，欢迎计算机、GIS等相关专业的学生报考！

时间序列相关性分析阈值
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