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基于趋势符号聚合近似的卫星时序数据分类方法

阮辉 刘雷 胡晓光

阮辉, 刘雷, 胡晓光等 . 基于趋势符号聚合近似的卫星时序数据分类方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(2): 333-341. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0332
引用本文: 阮辉, 刘雷, 胡晓光等 . 基于趋势符号聚合近似的卫星时序数据分类方法[J]. 北京航空航天大学学报, 2021, 47(2): 333-341. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0332
RUAN Hui, LIU Lei, HU Xiaoguanget al. Satellite time series data classification method based on trend symbolic aggregation approximation[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(2): 333-341. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0332(in Chinese)
Citation: RUAN Hui, LIU Lei, HU Xiaoguanget al. Satellite time series data classification method based on trend symbolic aggregation approximation[J]. Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics, 2021, 47(2): 333-341. doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0332(in Chinese)

基于趋势符号聚合近似的卫星时序数据分类方法

doi: 10.13700/j.bh.1001-5965.2020.0332
基金项目: 

国家自然科学基金 51807003

国防基础科研计划 JKCY2016204A102

详细信息
    作者简介:

    阮辉  男, 博士研究生。主要研究方向: 卫星故障诊断、数据挖掘、数字信号处理

    刘雷  男, 硕士, 高级工程师。主要研究方向: 飞行器电气系统

    胡晓光  女, 博士, 教授, 博士生导师。主要研究方向: 图像处理、故障诊断、嵌入式测试系统和智能电网

    通讯作者:

    胡晓光. E-mail: xiaoguang@buaa.edu.cn

  • 中图分类号: V574;TP311

Satellite time series data classification method based on trend symbolic aggregation approximation

Funds: 

National Natural Science Foundation of China 51807003

National Defense Basic Scientific Research Program of China JKCY2016204A102

More Information
  • 摘要:

    作为在时间序列数据挖掘中广泛使用的主要符号化表示方法,符号聚合近似(SAX)使用段的平均值作为符号表示,由于无法区分具有不同趋势但具有相同平均值符号的不同时间序列,某些情况下可能会导致错误的分类。提出了一种改进的符号表示——趋势符号聚合近似(TrSAX),集成SAX与最小二乘法,用以描述时间序列的均值和斜率,并由此构建出BOTS分类器。此外,对卫星的模拟量遥测时序数据中的角度序列、转速序列、电流序列进行分析,并从UCR公开数据集中筛选出与3种序列类似的3个数据集进行分类实验验证。与应用了SAX和2个改进的SAX、经典的欧氏距离(ED)、动态时间规整(DTW)的1-NN分类方法进行对比,结果表明:提出的BOTS分类方法的分类错误率明显低于其他5种分类方法。

     

  • 图 1  卫星某角度测试时间序列分段叠加结果

    Figure 1.  Satellite angle test time series segmentation merging results

    图 2  卫星某转速测试时间序列分段叠加结果

    Figure 2.  Satellite rotation speed test time series segmentation merging results

    图 3  卫星某电流测试时间序列分段叠加结果

    Figure 3.  Satellite electric current test time series segmentation merging results

    图 4  时间序列划分示意图

    Figure 4.  Schematic diagram of time series division

    图 5  φ=3和φ=4时,各平均值和小写字母之间的对应关系

    Figure 5.  Corresponding relationship between average values and lower-case letters for φ=3 and φ=4

    图 6  角度间隔和字母的对映关系

    Figure 6.  Angle interval and corresponding letters

    图 7  趋势符号聚合近似(TrSAX)表示示意图

    Figure 7.  Schematic diagram of trend symbolic aggregate approximation (TrSAX) representation

    图 8  三个数据集的分类错误率结果

    Figure 8.  Classification Error rate results for three datasets

    图 9  三个数据集的运行时间结果

    Figure 9.  Running time results for three datasets

    表  1  字母数为3~9的断点查找表

    Table  1.   Look up table from breakpoints with alphabet sizes from 3 to 5

    βi 3 4 5
    β1 -0.43 -0.67 -0.84
    β2 0.43 0 -0.25
    β3 0.67 0.25
    β4 0.84
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    表  2  时间序列的BOTS表示形式的虚拟示例

    Table  2.   Visual example of BOTS representation for time series

    时间序列号 AaAaAa AaAaAb EaEaEa EdEdEd
    1 2 2 13 0
    2 3 1 0 0
    3 1 2 12 0
    m 2 2 14 0
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    表  3  时间序列数据集详细信息

    Table  3.   Details on time series datasets

    数据集编号 名称 训练集/测试集 类别数 序列长度
    1 SonyAIBO
    RobotSurface
    20/601 2 70
    2 Fish 175/175 7 115
    3 FaceFour 24/88 4 116
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    表  4  不同表示算法的分类结果

    Table  4.   Classification results of different representation algorithms

    数据集 1-NN ED 1-NN DTW 1-NN SAX 1-NN ESAX 1-NN TSAX BOTS
    SongAIBO Robot 0.215 0.199 0.236 0.217 0.187 0.171
    Fish 0.198 0.237 0.109 0.469 0.192 0.080
    FaceFour 0.222 0.151 0.053 0.182 0.06 0.023
    平均秩 4.67 4 3.33 5.33 2.67 1
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2020-07-12
  • 录用日期:  2020-08-07
  • 网络出版日期:  2021-02-20

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