《异常检测——从经典算法到深度学习》16 基于VAE和LOF的无监督KPI异常检测算法

Posted 2022-02-26 smile-yan

《异常检测——从经典算法到深度学习》

• 0 概论
• 1 基于隔离森林的异常检测算法
• 2 基于LOF的异常检测算法
• 3 基于One-Class SVM的异常检测算法
• 4 基于高斯概率密度异常检测算法
• 5 Opprentice——异常检测经典算法最终篇
• 6 基于重构概率的 VAE 异常检测
• 7 基于条件VAE异常检测
• 8 Donut: 基于 VAE 的 Web 应用周期性 KPI 无监督异常检测
• 9 异常检测资料汇总（持续更新&抛砖引玉）
• 10 Bagel: 基于条件 VAE 的鲁棒无监督KPI异常检测
• 11 ADS: 针对大量出现的KPI流快速部署异常检测模型
• 12 Buzz: 对复杂 KPI 基于VAE对抗训练的非监督异常检测
• 13 MAD: 基于GANs的时间序列数据多元异常检测
• 14 对于流数据基于 RRCF 的异常检测
• 15 通过无监督和主动学习进行实用的白盒异常检测
• 16 基于VAE和LOF的无监督KPI异常检测算法

相关：

• VAE 模型基本原理简单介绍
• GAN 数学原理简单介绍以及代码实践

16. 基于VAE和LOF的无监督KPI异常检测算法

论文名称：Unsupervised Anomaly Detection with VariationalAuto-Encoder and Local Outliers Factor for KPIs
发表于 ISPA 2021
下载地址：http://www.cloud-conf.net/ispa2021/
会议PPT：LOF-VAE-PPT
个人翻译地址：这篇论文比较简单，没有进行翻译了。见谅。
论文源码未能找到，抱歉。

这是一篇比较简单的论文（简单到不想翻译的那种），全场没有什么复杂的东西，除了没有源码，其他的都还好。读这篇论文可以思考一下，如何结合多个模型，达到更好的效果，也就是所谓的 hybrid model。尽管论文全场没有出现这个词汇，但是论文模型名字叫作 LOF-VAE，就可以看出是什么意思了。

另外，尽管没有提供源代码，由于这篇论文简单，小伙伴们可以考虑简单的实现一下。

16.1 论文概述

首先读一下 contributions 如下：

• 第一个结合 LOF 和 VAE 用于异常检测的算法，best F-score 在 0.89 到 0.99 之间；
• 提出了一个VAE的改进的损失函数 L-ELBO，使得 LOF-VAE在无监督的情况下可以很好地识别异常；
• 发现保留一定的异常永林训练可以让模型表现的更好，并为此提供了一个说得通的解释（reasonable explanation）。

论文没有拖泥带水，把实验部分更加容易读。接下来我们对整篇论文进行概述：

• 摘要稍微看一下就好。
• INTRODUCTION介绍异常检测的常用方法以及分类等等，如果不需要自己动手写论文，其实也可以不用看。
• BACKGOURND AND PROBLEAM
  • A. 介绍基于 KPI 的异常检测，这个前面介绍了那么多论文应该都懂，也可以不读了。
  • B. VAE 用于 KPI 异常检测，这个应该大家也都懂，也可以去掉了。
  • C. LOF 用于 KPI 异常检测，这个可以看一下，LOF 即局部异常因子，本身 KPI 数据只有一个特征，如何使用 LOF 进行检测这里有明确的介绍，重点需要理解 离群点 检测的概念，以及 局部异常因子 算法原理即可。正好我们在 2 基于LOF的异常检测算法 讲述过，不太清楚的请回去看下，然后结合这个改进就很容易懂了。
  • D. 相关工作。凑字数的（作者勿喷哈哈哈哈哈哈）。
• ARCHITECTURE 这个是最最最需要关注的内容，去掉了那么多东西，这部分内容需要重点阅读。这部分内容将在后面详细描述。
• EVALUATION 实验部分只需要知道作者做了哪些实验，每个实验有什么目的就好了。
• 全场结束，兄弟们溜了溜了。

16.2 内容详解

16.2.1 改进的LOF

这个改进方法超级简单，更加适合理解为：应用LOF到KPI数据的异常检测中。

如图所示：

在计算每个点的异常因子的时候（这里不介绍LOF的那几个公式了，详情请参考 2 基于LOF的异常检测算法 ），如图所示的 点 $P_{lof}$ 很明显是一个突增的结果，具有明显的离群特征，所以被 LOF 捕捉到是理所当然的，论文中也提到，不能小看这个 $P_{lof}$ 点，由于它是罪恶的开始（这个不是原文内容哈），所以它带坏了好多小朋友，我们结合滑动窗口的应用，确确实实可以把这堆被带坏的小朋友带走重新教育。这大概就是改进之处吧，

所以可以概括为：使用LOF检测到明显的异常点，结合滑动窗口带走相邻的若干个异常点。

16.2.2 论文总体结构

这部分内容稍微看一下即可，如图所示，我们可以得知：LOF用在预处理阶段，预处理完了再构建损失函数，训练 LOF-VAE，最后对每一个点进行异常值打分。

16.2.3 数据预处理

缺失数据填充与标准化 缺失数据填充使用的是线性填充方法，也就是连接缺失点的左右两端，按缺失段等比例下降或者上升，而标准化处理就是设置 $x=\frac{x-\mu }{\sigma }$，其中 $\mu$ 和 $\sigma$ 是均值和标准差。

LOF的标签 LOF检测完了以后，对VAE而言，就成了有监督学习。需要注意的是并不是直接应用 LOF 的检测结果，而是将所有的点的局部异常因子进行排序，选择 $Top-K$ 个点标记为异常，很明显这样更加科学，可以根据实际情况进行调整，事实上后面论文为此确实做了调参对比实验。

16.2.4 训练

首先看一下改进的损失函数 L-ELBO：

$$L-ELBO={\mathbb{E}}_{q_{\varphi }(z|x)}[{\alpha }_{w(M)}\log p_{\theta }(z)-\log q_{\varphi }(z|x)]$$

训练的算法如图所示：

算法中包括3次循环：

• 第一次循环进行 LOF 为打标的缺失数据进行打标。当却仅当缺失段两端都是异常数据时，才标记为异常数据；
• 第二次循环是计算异常窗口所占的比例。
• 第三次来确定投入训练VAE的窗口数据是哪些数据，并且训练时对 改进的损失函数进行调整。

可以看出 LOF-VAE 对损失函数的改进方法是参考了 Donut，至少有一丝丝的关系吧。不过值得一提的是，算法中最后一重循环考虑到异常窗口的影响范围，也就是第 22 行 $\sum labels$ 对前面的窗口的异常进行统计，如果前面有异常，则 $\alpha$ 设置为 0，可以理解为，对于可能表现不那么正常的数据，尽可能地减少它训练的影响。

10.2.5 检测

这一部分使用的就是以前 Donut 使用的方法，并没有什么值得提的地方。

10.3 实验

10.3.1 数据集

数据集来自 iops.ai 这个数据集我们是可以下载并跑实验的，很多论文都是基于这个而编写的。原因很简单，真实数据而且没有那么多噪声，有人工标签，难得的高质量数据集。

后面的内容我们专门设定一个章节把这个数据集拿出来嚼碎了。兄弟们需要的话就催更哈。

10.3.2 实验概述

首先不看文字我们看图。

图6 宏观比较三种算法的结果，在delay=7时，分别在无监督和有监督的情况下进行比较。注意 LOF-VAE 使用是没有使用人工标签的。

图7 这个是分别在不同的 delay 下进行的实验，注意都是无监督的情况下。

图 8 对 LOF-VAE 的组件进行拆分，分步骤测试，也就是查看 LOF-VAE 的改进过程。

图 9 则是介绍 LOF 的调参过程。

10.4 总结

很快就读完了这篇论文，因为这篇论文应该算是 工程化 的论文，就是提出一个想法然后实验证明这个想法是可行的，没有任何理论推导，所以理解起来也比较容易。

读完这篇论文有没有给自己带来某些灵感？欢迎评论，大家一起讨论是不是可行 ！

Smileyan
2022.2.21 22:21