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vor 4 Monaten

Deep Autoencoding Gaussian Mixture Model für die unüberwachte Anomalieerkennung

{Cristian Lumezanu Wei Cheng Qi Song Daeki Cho Bo Zong Martin Renqiang Min Haifeng Chen}

Deep Autoencoding Gaussian Mixture Model für die unüberwachte Anomalieerkennung

Abstract

Die unsupervised Anomalieerkennung auf multi- oder hochdimensionalen Daten ist sowohl in der grundlegenden Forschung im Bereich des maschinellen Lernens als auch in industriellen Anwendungen von großer Bedeutung, wobei die Dichteschätzung im Zentrum steht. Obwohl frühere Ansätze, die auf einer Dimensionsreduktion gefolgt von einer Dichteschätzung basieren, erhebliche Fortschritte erzielt haben, leiden sie hauptsächlich unter einer entkoppelten Modellierung mit inkonsistenten Optimierungszielen und der Unfähigkeit, wesentliche Informationen im niedrigdimensionalen Raum zu bewahren. In diesem Artikel präsentieren wir ein tiefes Autoencoding-Gaußsches Gemischmodell (Deep Autoencoding Gaussian Mixture Model, DAGMM) für die unsupervised Anomalieerkennung. Unser Modell nutzt einen tiefen Autoencoder, um für jeden Eingabepunkt eine niedrigdimensionale Darstellung sowie einen Rekonstruktionsfehler zu generieren, die anschließend in ein Gaußsches Gemischmodell (GMM) eingespeist werden. Im Gegensatz zu entkoppelten zweistufigen Trainingsansätzen und dem klassischen Erwartungswert-Maximierungsalgorithmus (Expectation-Maximization, EM) optimiert DAGMM die Parameter des tiefen Autoencoders und des Gemischmodells gleichzeitig und end-to-end, wobei ein separates Schätznetzwerk zur Unterstützung der Parameterlernen des Gemischmodells herangezogen wird. Die gemeinsame Optimierung, die die Rekonstruktion durch Autoencoding, die Dichteschätzung der latenten Darstellung und Regularisierung gut ausbalanciert, ermöglicht es dem Autoencoder, aus weniger attraktiven lokalen Optima auszubrechen und die Rekonstruktionsfehler weiter zu reduzieren, wodurch ein vorheriges Pre-Training entfällt. Experimentelle Ergebnisse auf mehreren öffentlichen Benchmark-Datensätzen zeigen, dass DAGMM die derzeit besten Anomalieerkennungstechniken signifikant übertrifft und im Standard-F1-Score bis zu 14 % Verbesserung erzielt.

Benchmarks

BenchmarkMethodikMetriken
unsupervised-anomaly-detection-with-specifiedDAGMM
AUC-ROC: 0.883
unsupervised-anomaly-detection-with-specified-1DAGMM
AUC-ROC: 0.846
unsupervised-anomaly-detection-with-specified-10DAGMM
AUC-ROC: 0.624
unsupervised-anomaly-detection-with-specified-11DAGMM
AUC-ROC: 0.784
unsupervised-anomaly-detection-with-specified-12DAGMM
AUC-ROC: 0.784
unsupervised-anomaly-detection-with-specified-13DAGMM
AUC-ROC: 0.616
unsupervised-anomaly-detection-with-specified-14DAGMM
AUC-ROC: 0.780
unsupervised-anomaly-detection-with-specified-15DAGMM
AUC-ROC: 0.477
unsupervised-anomaly-detection-with-specified-16DAGMM
AUC-ROC: 0.503
unsupervised-anomaly-detection-with-specified-17DAGMM
AUC-ROC: 0.708
unsupervised-anomaly-detection-with-specified-18DAGMM
AUC-ROC: 0.793
unsupervised-anomaly-detection-with-specified-19DAGMM
AUC-ROC: 0.710
unsupervised-anomaly-detection-with-specified-20DAGMM
AUC-ROC: 0.826
unsupervised-anomaly-detection-with-specified-21DAGMM
AUC-ROC: 0.778
unsupervised-anomaly-detection-with-specified-22DAGMM
AUC-ROC: 0.629
unsupervised-anomaly-detection-with-specified-23DAGMM
AUC-ROC: 0.613
unsupervised-anomaly-detection-with-specified-24DAGMM
AUC-ROC: 0.914
unsupervised-anomaly-detection-with-specified-25DAGMM
AUC-ROC: 0.769
unsupervised-anomaly-detection-with-specified-26DAGMM
AUC-ROC: 0.960
unsupervised-anomaly-detection-with-specified-27DAGMM
AUC-ROC: 0.788
unsupervised-anomaly-detection-with-specified-5DAGMM
AUC-ROC: 0.911
unsupervised-anomaly-detection-with-specified-6DAGMM
AUC-ROC: 0.883
unsupervised-anomaly-detection-with-specified-7DAGMM
AUC-ROC: 0.850
unsupervised-anomaly-detection-with-specified-8DAGMM
AUC-ROC: 0.574
unsupervised-anomaly-detection-with-specified-9DAGMM
AUC-ROC: 0.494

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