Time series representation for classification : a motif-based approach

par Xavier Renard

Thèse de doctorat en Informatique

Sous la direction de Marcin Detyniecki et de Maria Rifqi.

Soutenue le 15-09-2017

à Paris 6 , dans le cadre de École doctorale Informatique, télécommunications et électronique (Paris) , en partenariat avec Laboratoire d'Informatique de Paris 6 (laboratoire) .

Le président du jury était Patrick Gallinari.

Le jury était composé de Themis Palpanas, Pierre-François Marteau, Gabriel Fricout.

Les rapporteurs étaient Louis Wehenkel, Ahlame Douzal.

  • Titre traduit

    Représentation de séries temporelles pour la classification : une approche basée sur la découverte automatique de motifs


  • Résumé

    Nos travaux décrits dans cette thèse portent sur l’apprentissage d’une représentation pour la classification automatique basée sur la découverte de motifs à partir de séries temporelles. L’information pertinente contenue dans une série temporelle peut être encodée temporellement sous forme de tendances, de formes ou de sous-séquences contenant habituellement des distorsions. Des approches ont été développées pour résoudre ces problèmes souvent au prix d’une importante complexité calculatoire. Parmi ces techniques nous pouvons citer les mesures de distance et les représentations de l’information contenue dans les séries temporelles. Nous nous concentrons sur la représentation de l’information contenue dans les séries temporelles. Nous proposons un cadre (framework) pour générer une nouvelle représentation de séries temporelles basée sur la découverte automatique d’ensembles discriminants de sous-séquences. Cette représentation est adaptée à l’utilisation d’algorithmes de classification classiques basés sur des attributs. Le framework proposé transforme un ensemble de séries temporelles en un espace d’attributs (feature space) à partir de sous-séquences énumérées des séries temporelles, de mesures de distance et de fonctions d’agrégation. Un cas particulier de ce framework est la méthode notoire des « shapelets ». L’inconvénient potentiel d’une telle approache est le nombre très important de sous-séquences à énumérer en ce qu’il induit un très grand feature space, accompagné d’une très grande complexité calculatoire. Nous montrons que la plupart des sous-séquences présentes dans un jeu de données composé de séries temporelles sont redondantes. De ce fait, un sous-échantillonnage aléatoire peut être utilisé pour générer un petit sous-ensemble de sous-séquences parmi l’ensemble exhaustif, en préservant l’information nécessaire pour la classification et tout en produisant un feature space de taille compatible avec l’utilisation d’algorithmes d’apprentissage automatique de l’état de l’art avec des temps de calculs raisonnable. On démontre également que le nombre de sous-séquences à tirer n’est pas lié avec le nombre de séries temporelles présent dans l’ensemble d’apprentissage, ce qui garantit le passage à l’échelle de notre approche. La combinaison de cette découverte dans le contexte de notre framework nous permet de profiter de techniques avancées (telles que des méthodes de sélection d’attributs multivariées) pour découvrir une représentation de séries temporelles plus riche, en prenant par exemple en considération les relations entre sous-séquences. Ces résultats théoriques ont été largement testés expérimentalement sur une centaine de jeux de données classiques de la littérature, composés de séries temporelles univariées et multivariées. De plus, nos recherches s’inscrivant dans le cadre d’une convention de recherche industrielle (CIFRE) avec Arcelormittal, nos travaux ont été appliqués à la détection de produits d’acier défectueux à partir des mesures effectuées par les capteurs sur des lignes de production.


  • Résumé

    Our research described in this thesis is about the learning of a motif-based representation from time series to perform automatic classification. Meaningful information in time series can be encoded across time through trends, shapes or subsequences usually with distortions. Approaches have been developed to overcome these issues often paying the price of high computational complexity. Among these techniques, it is worth pointing out distance measures and time series representations. We focus on the representation of the information contained in the time series. We propose a framework to generate a new time series representation to perform classical feature-based classification based on the discovery of discriminant sets of time series subsequences (motifs). This framework proposes to transform a set of time series into a feature space, using subsequences enumerated from the time series, distance measures and aggregation functions. One particular instance of this framework is the well-known shapelet approach. The potential drawback of such an approach is the large number of subsequences to enumerate, inducing a very large feature space and a very high computational complexity. We show that most subsequences in a time series dataset are redundant. Therefore, a random sampling can be used to generate a very small fraction of the exhaustive set of subsequences, preserving the necessary information for classification and thus generating a much smaller feature space compatible with common machine learning algorithms with tractable computations. We also demonstrate that the number of subsequences to draw is not linked to the number of instances in the training set, which guarantees the scalability of the approach. The combination of the latter in the context of our framework enables us to take advantage of advanced techniques (such as multivariate feature selection techniques) to discover richer motif-based time series representations for classification, for example by taking into account the relationships between the subsequences. These theoretical results have been extensively tested on more than one hundred classical benchmarks of the literature with univariate and multivariate time series. Moreover, since this research has been conducted in the context of an industrial research agreement (CIFRE) with Arcelormittal, our work has been applied to the detection of defective steel products based on production line's sensor measurements.


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