現(xiàn)實世界的系統(tǒng)在運行過程中會產(chǎn)生大量的時序數(shù)據(jù)。

通過這些時序數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中可能存在的異?，F(xiàn)象對于保障系統(tǒng)安全、設備平穩(wěn)運行以及避免經(jīng)濟損失都有著非常重大的意義，例如大規(guī)模服務器、地空、水電設備的監(jiān)測等。

因此，來自清華大學軟件學院的團隊重點研究了無監(jiān)督時序異常檢測問題，并被ICLR 2022接收為Spotlight。

作者：徐介暉*、吳海旭*、王建民、龍明盛

論文鏈接：
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在實際應用中，時序數(shù)據(jù)的異常檢測極其困難，它需要從占主導地位的正常數(shù)據(jù)中發(fā)掘出異常點或者異常時間模式，其中涉及兩個核心問題：

（1） 如何通過網(wǎng)絡獲取更具信息含量的表征，從而使得異常的表征不會被「淹沒」于正常數(shù)據(jù)中；

（2） 如何基于學習的表征定義更加具有區(qū)分性的判據(jù)，用于篩選異常。

1. 動機

從時間序列的本質(zhì)屬性出發(fā)，我們發(fā)現(xiàn)每一個時間點都可以由其與整個序列的關(guān)聯(lián)關(guān)系來表示，即表示為其在時間維度上的關(guān)聯(lián)權(quán)重分布。相比于點級別的特征，這種關(guān)聯(lián)關(guān)系暗含了序列的模式信息，比如周期、趨勢等，因此更具信息含量。

同時，與正常點相比較，異常點很難與正常模式主導的整個序列都建立強關(guān)聯(lián)關(guān)系，它們往往更加關(guān)注鄰近區(qū)域（由于連續(xù)性）。因此，這種與整體序列、鄰近先驗之間的關(guān)聯(lián)差異，為異常檢測提供了一個天然的、強區(qū)分度的判據(jù)。

基于以上觀察，我們提出了Anomaly Transformer模型，實現(xiàn)了基于關(guān)聯(lián)差異（Association Discrepancy）的時序異常檢測。其包含Anomaly-Attention機制用于分別建模兩種形式的關(guān)聯(lián)，同時以極小極大（Minimax）關(guān)聯(lián)學習策略進一步增大正常點與異常點之間差別。

值得一提的是，在不同領域的5個數(shù)據(jù)集上，Anomaly Transformer都取得了SOTA的效果。

2. 方法

2.1 Anomaly Transformer

2.1.1 整體架構(gòu)

相比于標準的Transformer模型，Anomaly Transformer中在每層中都新設計了一個Anomaly-Attention單元，用于從多層次的深度特征中學習潛在的時序關(guān)聯(lián)。

整體架構(gòu)如上圖所示，Anomaly-Attention（左）同時建模了數(shù)據(jù)的先驗關(guān)聯(lián)（Prior-Association，即更關(guān)注鄰近區(qū)域的先驗）和序列關(guān)聯(lián)（Series-Association，即從數(shù)據(jù)中挖掘的依賴）。

除了序列重建任務之外，我們的模型還采用了極小極大策略（Minimax）用于進一步增大異常點和正常點所具有的關(guān)聯(lián)差異的差距，從而使得異常點能夠被更加容易的檢測出來。

2.1.2 Anomaly-Attention

為了計算關(guān)聯(lián)差異，我們提出的一種全新的注意力機制Anomaly-Attention，用于統(tǒng)一建模先驗關(guān)聯(lián)和序列關(guān)聯(lián)。

（1）先驗關(guān)聯(lián)用于表示由于時間序列連續(xù)性帶來的，每個時刻更多地關(guān)注其鄰近區(qū)域的先驗。我們采用了一個具有可學習尺度參數(shù)的高斯核函數(shù)來表示。高斯核函數(shù)的中心位于對應時間點的索引上，由于高斯分布本身所具有的單峰分布的特性，這樣的設計能夠幫助學習到的權(quán)重天然的集中于對應時間點的鄰域內(nèi)。同時，自適應的尺度參數(shù)可以幫助先驗關(guān)聯(lián)動態(tài)適應不同的時序模式。

（2）序列關(guān)聯(lián)用于表示直接從序列數(shù)據(jù)中挖掘出的依賴。其計算方式與標準Transformer的注意力矩陣計算方式類似，注意力矩陣中每一行的權(quán)重分布都對應了一個時間點的序列關(guān)聯(lián)。同時，為了更好的完成序列重建任務，模型會自動挖掘到合理的時序依賴。

通過上述設計，模型可以分別捕捉到先驗關(guān)聯(lián)和序列關(guān)聯(lián)，相較于過往的模型這種基于關(guān)聯(lián)的表征蘊含著更加豐富的信息。

2.1.3 關(guān)聯(lián)差異（Association Discrepancy）

我們將關(guān)聯(lián)差異定義為這兩者之間的差異，作為后續(xù)異常檢測的判據(jù)，它由各個層次的先驗關(guān)聯(lián)、序列關(guān)聯(lián)之間的對稱KL距離計算得到：

2.2 極小極大關(guān)聯(lián)學習

除了無監(jiān)督任務廣泛使用的重建誤差外，我們還引入了一個額外的關(guān)聯(lián)差異損失用于增大正常點和異常點之間的差距（如下所示）。

得益于先驗關(guān)聯(lián)的單峰特性，新增的關(guān)聯(lián)差異損失會驅(qū)使序列關(guān)聯(lián)更加關(guān)注非鄰近的區(qū)域，這會使得異常點的重建更加的艱難，進而正常點和異常點之間的辨別更加容易。

然而，在實驗中發(fā)現(xiàn)，若直接最小化關(guān)聯(lián)差異將使得先驗分布中可學習的尺度參數(shù)急劇變小，造成模型退化。因此，我們使用了極小極大（Minimax）策略用于更好的控制關(guān)聯(lián)學習的過程。

（1） 在最小化階段，固定序列關(guān)聯(lián)，讓先驗關(guān)聯(lián)近似，這樣可以使先驗關(guān)聯(lián)適應不同的時序模式。

（2） 在最大化階段，固定先驗關(guān)聯(lián)，優(yōu)化序列關(guān)聯(lián)以最大化關(guān)聯(lián)之間的差異，該過程可以讓序列關(guān)聯(lián)更加關(guān)注于非臨接、全局的點，從而使得異常點的重建更加困難。

最終，我們將標準化后的關(guān)聯(lián)差異與重建誤差結(jié)合起來，定義了新的異常檢測判據(jù)：

3. 實驗

我們在5個標準數(shù)據(jù)集上進行了模型驗證，涵蓋服務檢測、地空探索等多個應用。Anomaly Transformer在5個基準中均實現(xiàn)了SOTA的效果。更多基準模型及數(shù)據(jù)說明請見論文。

3.1 消融實驗

我們設計消融實驗驗證了提出的先驗關(guān)聯(lián)、訓練策略、新的異常判據(jù)的有效性。

3.2 判據(jù)分析

針對時序異常的5種類型，我們可視化了其在不同異常判據(jù)下的區(qū)分性。可以發(fā)現(xiàn)基于關(guān)聯(lián)差異的異常評判曲線有著更加準確的可區(qū)分性。

3.3 先驗關(guān)聯(lián)分析

針對上述不同的異常類別，我們也提供了先驗關(guān)聯(lián)中學到參數(shù)的可視化。如圖所示，異常點處的相較于序列中別的點往往會比較小，這代表了它與非臨接部分的關(guān)聯(lián)較弱，這也印證了異常點很難與整個序列構(gòu)建強關(guān)聯(lián)的先驗。

4. 總結(jié)

本文關(guān)注無監(jiān)督時序異常檢測問題，提出了基于關(guān)聯(lián)差異的異常檢測模型Anomaly transformer，并通過一個極小極大（Minimax）關(guān)聯(lián)學習策略大幅提高了模型的異常檢測能力。

Anomaly transformer在服務器監(jiān)測、地空探索、水流觀測等應用中均展現(xiàn)出了優(yōu)秀的異常檢測結(jié)果，具有很強的應用落地價值。