通过AutoEncoder实现时序数据异常检测

作者: Reatris
日期: 2021.06
摘要: 本示例将会演示如何使用飞桨2.1完成时序异常检测任务。这是一个较为简单的示例,将会构建一个AutoEncoder网络完成任务。

一、环境配置

本教程基于Paddle 2.1 编写,如果您的环境不是本版本,请先参考官网安装 Paddle 2.1 。

# 导入 paddle
import paddle
import paddle.nn.functional as F
print(paddle.__version__)
2.1.1
# 导入其他模块
import numpy as np
import pandas as pd
from matplotlib import pyplot as plt

import warnings
warnings.filterwarnings("ignore")

二、数据加载

2.1 下载数据集

  • 将使用纽伦塔异常基准(NAB)数据集。它提供人工时间序列数据,包含标记的异常行为周期。

  • 该数据集已经挂载到AI Studio,相应的项目也已经挂载数据集基于AUTOENCODER实现异常时序检测

  • 将使用art_daily_small_noise.csv文件内数据进行训练,并使用art_day_jumpup.csv文件内数据进行测试。

  • 该数据集的简单性能够有效地演示异常检测。

# 下载数据集
!wget -O NAB.zip https://bj.bcebos.com/v1/ai-studio-online/f7743f2bb65848088bd74dea1608965e9d9596a028c4453f99c86b514d2d3de3?responseContentDisposition=attachment%3B%20filename%3DNAB.zip&authorization=bce-auth-v1%2F0ef6765c1e494918bc0d4c3ca3e5c6d1%2F2020-10-15T12%3A41%3A41Z%2F-1%2F%2F7b1e4e42cf22cfa1460e3286ba2c6225d363ecadd9a9bf91570a23f1af81aec4
# 解压数据集
!unzip NAB.zip
Archive:  NAB.zip
   creating: artificialNoAnomaly/
  inflating: artificialNoAnomaly/art_daily_no_noise.csv  
  inflating: artificialNoAnomaly/art_daily_perfect_square_wave.csv  
  inflating: artificialNoAnomaly/art_daily_small_noise.csv  
  inflating: artificialNoAnomaly/art_flatline.csv  
  inflating: artificialNoAnomaly/art_noisy.csv  
   creating: artificialWithAnomaly/
  inflating: artificialWithAnomaly/art_daily_flatmiddle.csv  
  inflating: artificialWithAnomaly/art_daily_jumpsdown.csv  
  inflating: artificialWithAnomaly/art_daily_jumpsup.csv  
  inflating: artificialWithAnomaly/art_daily_nojump.csv  
  inflating: artificialWithAnomaly/art_increase_spike_density.csv  
  inflating: artificialWithAnomaly/art_load_balancer_spikes.csv  
#正常数据预览
df_small_noise_path = './artificialNoAnomaly/art_daily_small_noise.csv'
df_small_noise = pd.read_csv(
    df_small_noise_path, parse_dates=True, index_col="timestamp"
)

#异常数据预览
df_daily_jumpsup_path = './artificialWithAnomaly/art_daily_jumpsup.csv'
df_daily_jumpsup = pd.read_csv(
    df_daily_jumpsup_path, parse_dates=True, index_col="timestamp"
)
print(df_small_noise.head())

print(df_daily_jumpsup.head())
                         value
timestamp                     
2014-04-01 00:00:00  18.324919
2014-04-01 00:05:00  21.970327
2014-04-01 00:10:00  18.624806
2014-04-01 00:15:00  21.953684
2014-04-01 00:20:00  21.909120
                         value
timestamp                     
2014-04-01 00:00:00  19.761252
2014-04-01 00:05:00  20.500833
2014-04-01 00:10:00  19.961641
2014-04-01 00:15:00  21.490266
2014-04-01 00:20:00  20.187739

2.2 数据可视化

#正常的时序数据可视化
fig, ax = plt.subplots()
df_small_noise.plot(legend=False, ax=ax)
plt.show()

png

带有异常的时序数据如下:

异常时序数据的作用是待训练好模型后,将使用以下数据进行测试,并查看数据中的突然跳升是否被检测为异常。

#异常的时序数据可视化
fig, ax = plt.subplots()
df_daily_jumpsup.plot(legend=False, ax=ax)
plt.show()

png

2.3 数据预处理

  • 训练数据包含了14天的采样,每天每隔5分钟采集一次数据,所以:

  • 每天包含 24 * 60 / 5 = 288 个timestep

  • 总共14天 288 * 14 = 4032 个数据

# 初始化并保存得到的均值和方差,用于初始化数据。
training_mean = df_small_noise.mean()
training_std = df_small_noise.std()
df_training_value = (df_small_noise - training_mean) / training_std
print("训练数据总量:", len(df_training_value))
训练数据总量: 4032

2.4 创建 Dataset

从训练数据中创建组合时间步骤为288的连续数据值的序列。

#时序步长
TIME_STEPS = 288    

class MyDataset(paddle.io.Dataset):
    """
    步骤一:继承paddle.io.Dataset类
    """
    def __init__(self,data,time_steps):
        """
        步骤二:实现构造函数,定义数据读取方式,划分训练和测试数据集
        注意:这个是不需要label
        """
        super(MyDataset, self).__init__()
        self.time_steps = time_steps
        self.data = paddle.to_tensor(self.transform(data), dtype='float32')

    def transform(self,data):
        '''
        构造时序数据
        '''
        output = []
        for i in range(len(data) - self.time_steps):
            output.append(np.reshape(data[i : (i + self.time_steps)], (1,self.time_steps)))
        return np.stack(output)

    def __getitem__(self, index):
        """
        步骤三:实现__getitem__方法,定义指定index时如何获取数据,并返回单条数据(训练数据)
        """
        data = self.data[index]
        label = self.data[index]
        return data, label

    def __len__(self):
        """
        步骤四:实现__len__方法,返回数据集总数目
        """
        return len(self.data)

# 实例化数据集
train_dataset = MyDataset(df_training_value.values, TIME_STEPS)

三、模型组网

接下来是构建AutoEncoder模型,本示例使用 paddle.nn 下的API,Layer、Conv1D、Conv1DTranspose、relu,采用 SubClass 的方式完成网络的搭建。

class AutoEncoder(paddle.nn.Layer):
    def __init__(self):
        super(AutoEncoder, self).__init__()
        self.conv0 = paddle.nn.Conv1D(in_channels=1,out_channels=32,kernel_size=7,stride=2)
        self.conv1 = paddle.nn.Conv1D(in_channels=32,out_channels=16,kernel_size=7,stride=2)
        self.convT0 = paddle.nn.Conv1DTranspose(in_channels=16,out_channels=32,kernel_size=7,stride=2)
        self.convT1 = paddle.nn.Conv1DTranspose(in_channels=32,out_channels=1,kernel_size=7,stride=2)

    def forward(self, x):
        x = self.conv0(x)
        x = F.relu(x)
        x = F.dropout(x,0.2)
        x = self.conv1(x)
        x = F.relu(x)
        x = self.convT0(x)
        x = F.relu(x)
        x = F.dropout(x,0.2)
        x = self.convT1(x)
        return x

四、模型训练

接下来,用一个循环来进行模型的训练,将会:

  • 使用 paddle.optimizer.Adam 优化器来进行优化。

  • 使用 paddle.nn.MSELoss 来计算损失值。

  • 使用 paddle.io.DataLoader 来实现数据加载。

import tqdm
# 参数设置
epoch_num = 200
batch_size = 128
learning_rate = 0.001

def train():
    print('训练开始')
    # 实例化模型
    model = AutoEncoder()
    # 将模型转换为训练模式
    model.train()
    # 设置优化器,学习率,并且把模型参数给优化器
    opt = paddle.optimizer.Adam(learning_rate=learning_rate,parameters=model.parameters())
    # 设置损失函数
    mse_loss = paddle.nn.MSELoss()
    # 设置数据读取器
    data_reader = paddle.io.DataLoader(train_dataset,
                        batch_size=batch_size,
                        shuffle=True,
                        drop_last=True)
    history_loss = []
    iter_epoch = []
    for epoch in tqdm.tqdm(range(epoch_num)):
        for batch_id, data in enumerate(data_reader()):             
            x = data[0]
            y = data[1]
            out = model(x)
            avg_loss = mse_loss(out,(y[:,:,:-1]))   # 输入的数据经过卷积会丢掉最后一个数据
            avg_loss.backward()
            opt.step()
            opt.clear_grad()
        iter_epoch.append(epoch)
        history_loss.append(avg_loss.numpy()[0])
    # 绘制loss
    plt.plot(iter_epoch,history_loss, label = 'loss')
    plt.legend()
    plt.xlabel('iters')
    plt.ylabel('Loss')
    plt.show()
    # 保存模型参数
    paddle.save(model.state_dict(),'model')

train()
训练开始


100%|██████████| 200/200 [02:07<00:00,  1.56it/s]

png

五、模型预测:探测异常时序

用训练好的模型探测异常时序:

  1. 使用自编码器计算出无异常时序数据集里的所有重建损失

  2. 找出最大重建损失并且以这个为阀值,模型重建损失超出这个值则输入的数据为异常时序

# 计算阀值

param_dict = paddle.load('model')   # 读取保存的参数
model = AutoEncoder()    
model.load_dict(param_dict)    # 加载参数
model.eval()   # 预测
total_loss = []
datas = []
# 预测所有正常时序
mse_loss = paddle.nn.loss.MSELoss()
# 这里设置batch_size为1,单独求得每个数据的loss
data_reader = paddle.io.DataLoader(train_dataset,
                        places=[paddle.CPUPlace()],
                        batch_size=1,
                        shuffle=False,
                        drop_last=False,
                        num_workers=0)
for batch_id, data in enumerate(data_reader()):
    x = data[0]
    y = data[1]
    out = model(x)
    avg_loss = mse_loss(out,(y[:,:,:-1]))
    total_loss.append(avg_loss.numpy()[0])
    datas.append(batch_id)

plt.bar(datas, total_loss)
plt.ylabel("reconstruction loss")
plt.xlabel("data samples")
plt.show()

# 获取重建loss的阀值
threshold = np.max(total_loss)
print("阀值:", threshold)

png

阀值: 0.03135495

六、AutoEncoder 对异常数据的重构

为了有趣,先看看模型是如何重构第一个组数据。这是训练数据集第一天起的288步时间。

import sys
param_dict = paddle.load('model')   # 读取保存的参数
model = AutoEncoder()    
model.load_dict(param_dict)    # 加载参数
model.eval()   # 预测
data_reader = paddle.io.DataLoader(train_dataset,
                        places=[paddle.CPUPlace()],
                        batch_size=128,
                        shuffle=False,
                        drop_last=False,
                        num_workers=0)
for batch_id, data in enumerate(data_reader()):
    x = data[0]
    out = model(x)
    step = np.arange(287)
    plt.plot(step,x[0,0,:-1].numpy())
    plt.plot(step,out[0,0].numpy())
    plt.show()
    sys.exit

png

png

png

png

png

png

png

png

png

png

png

png

png

png

png

png

png

png

png

png

png

png

png

png

png

png

png

png

png

png

  • 可以看出对正常数据的重构效果十分不错

  • 接下来对异常数据进行探测

df_test_value = (df_daily_jumpsup - training_mean) / training_std
fig, ax = plt.subplots()
df_test_value.plot(legend=False, ax=ax)
plt.show()
# 这是测试集里面的异常数据,可以看到第11~~12天发生了异常

png

# 探测异常数据
threshold = 0.033    # 阀值设定,即刚才求得的值
param_dict = paddle.load('model')   # 读取保存的参数
model = AutoEncoder()    
model.load_dict(param_dict)    # 加载参数
model.eval()   # 预测
mse_loss = paddle.nn.loss.MSELoss()

def create_sequences(values, time_steps=288):
    '''
    探测数据预处理
    '''
    output = []
    for i in range(len(values) - time_steps):
        output.append(values[i : (i + time_steps)])
    return np.stack(output)


x_test = create_sequences(df_test_value.values)
x = paddle.to_tensor(x_test).astype('float32')

abnormal_index = [] # 记录检测到异常时数据的索引

for i in range(len(x_test)):
    input_x = paddle.reshape(x[i],(1,1,288))
    out = model(input_x)
    loss = mse_loss(input_x[:,:,:-1],out)
    if loss.numpy()[0]>threshold:
        # 开始检测到异常时序列末端靠近异常点,所以要加上序列长度,得到真实索引位置
        abnormal_index.append(i+288)

# 不再检测异常时序列的前端靠近异常点,所以要减去索引长度得到异常点真实索引,为了结果明显,给异常位置加宽40单位
abnormal_index = abnormal_index[:(-288+40)]
print(len(abnormal_index))
print(abnormal_index)
146
[2990, 2991, 2992, 2993, 2994, 2995, 2996, 2997, 2998, 2999, 3000, 3001, 3002, 3003, 3004, 3005, 3006, 3007, 3008, 3009, 3010, 3011, 3012, 3013, 3014, 3015, 3016, 3017, 3018, 3019, 3020, 3021, 3022, 3023, 3024, 3025, 3026, 3027, 3028, 3029, 3030, 3031, 3032, 3033, 3034, 3035, 3036, 3037, 3038, 3039, 3040, 3041, 3042, 3043, 3044, 3045, 3046, 3047, 3048, 3049, 3050, 3051, 3052, 3053, 3054, 3055, 3056, 3057, 3058, 3059, 3060, 3061, 3062, 3063, 3064, 3065, 3066, 3067, 3068, 3069, 3070, 3071, 3072, 3073, 3074, 3075, 3076, 3077, 3078, 3079, 3080, 3081, 3082, 3083, 3084, 3085, 3086, 3087, 3088, 3089, 3090, 3091, 3092, 3093, 3094, 3095, 3096, 3097, 3098, 3099, 3100, 3101, 3102, 3103, 3104, 3105, 3106, 3107, 3108, 3109, 3110, 3111, 3112, 3113, 3114, 3115, 3116, 3117, 3118, 3119, 3120, 3121, 3122, 3123, 3124, 3125, 3126, 3127, 3128, 3129, 3130, 3131, 3132, 3133, 3134, 3135]
# 异常检测结果可视化
df_subset = df_daily_jumpsup.iloc[abnormal_index]
fig, ax = plt.subplots()
df_daily_jumpsup.plot(legend=False, ax=ax)
df_subset.plot(legend=False, ax=ax, color="r")
plt.show()

png