Requêtes itératives et expressives pour l’analyse de grandes séries de données

Iterative and Expressive Querying for Big Data Series

• Auteur / Autrice : Anna Gogolou
• Direction : Anastasia Bezerianos
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 15/11/2019
• Etablissement(s) : Université Paris-Saclay (ComUE)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale Sciences et technologies de l'information et de la communication (Orsay, Essonne ; 2015-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire de recherche en informatique (Orsay, Essonne ; 1998-2020)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Université Paris-Sud (1970-2019)
• Jury : Président / Présidente : Jean-Daniel Fekete
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Anastasia Bezerianos, Jean-Daniel Fekete, Christophe Hurter, Pierre-François Marteau, Themis Palpanas, Marco Patella, Theophanis Tsandilas, Yvonne Jansen
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Christophe Hurter, Pierre-François Marteau

Mots clés

Mots clés contrôlés

Systèmes homme-machine

Data visualisation

Séries chronologiques

Mots clés libres

Séries de données

Séquences

Séries temporelles

Systèmes de traitement de données

Visualisation

Interaction homme-Machine

Data series

Sequences

Time series

Data management systems

Visualization

Human-Computer interaction

Résumé

Les séries temporelles deviennent omniprésentes dans la vie moderne et leur analyse de plus en plus difficile compte tenu de leur taille. L’analyse des grandes séries de données implique des tâches telles que l’appariement de modèles (motifs), la détection d’anomalies, l’identification de modèles fréquents, et la classification ou le regroupement (clustering). Ces tâches reposent sur la notion de similarité. La communauté scientifique a proposé de plusieurs techniques, y compris de nombreuses mesures de similarité pour calculer la distance entre deux séries temporelles, ainsi que des techniques et des algorithmes d’indexation correspondants, afin de relever les défis de l’évolutivité lors de la recherche de similarité.Les analystes, afin de s’acquitter efficacement de leurs tâches, ont besoin de systèmes d’analyse visuelle interactifs, extrêmement rapides, et puissants. Lors de la création de tels systèmes, nous avons identifié deux principaux défis: (1) la perception de similarité et (2) la recherche progressive de similarité. Le premier traite de la façon dont les gens perçoivent des modèles similaires et du rôle de la visualisation dans la perception de similarité. Le dernier point concerne la rapidité avec laquelle nous pouvons redonner aux utilisateurs des mises à jour des résultats progressifs, lorsque les temps de réponse du système sont longs et non interactifs. Le but de cette thèse est de répondre et de donner des solutions aux défis ci-dessus.Dans la première partie, nous avons étudié si différentes représentations visuelles (Graphiques en courbes, Graphiques d’horizon et Champs de couleur) modifiaient la perception de similarité des séries temporelles. Nous avons essayé de comprendre si les résultats de recherche automatique de similarité sont perçus de manière similaire, quelle que soit la technique de visualisation; et si ce que les gens perçoivent comme similaire avec chaque visualisation s’aligne avec différentes mesures de similarité. Nos résultats indiquent que les Graphes d’horizon s’alignent sur des mesures qui permettent des variations de décalage temporel ou d’échelle (i.e., ils promeuvent la déformation temporelle dynamique). En revanche, ils ne s’alignent pas sur des mesures autorisant des variations d’amplitude et de décalage vertical (ils ne promeuvent pas des mesures basées sur la z-normalisation). L’inverse semble être le cas pour les Graphiques en courbes et les Champs de couleur. Dans l’ensemble, nos travaux indiquent que le choix de la visualisation affecte les schémas temporels que l’homme considère comme similaires. Donc, la notion de similarité dans les séries temporelles est dépendante de la technique de visualisation.Dans la deuxième partie, nous nous sommes concentrés sur la recherche progressive de similarité dans de grandes séries de données. Nous avons étudié la rapidité avec laquelle les premières réponses approximatives et puis des mises à jour des résultats progressifs sont détectées lors de l’exécuton des requêtes progressives. Nos résultats indiquent qu’il existe un écart entre le moment où la réponse finale s’est trouvée et le moment où l’algorithme de recherche se termine, ce qui entraîne des temps d’attente gonflés sans amélioration. Des estimations probabilistes pourraient aider les utilisateurs à décider quand arrêter le processus de recherche, i.e., décider quand l’amélioration de la réponse finale est improbable. Nous avons développé et évalué expérimentalement une nouvelle méthode probabiliste qui calcule les garanties de qualité des résultats progressifs de k-plus proches voisins (k-NN). Notre approche apprend d’un ensemble de requêtes et construit des modèles de prédiction basés sur deux observations: (i) des requêtes similaires ont des réponses similaires; et (ii) des réponses progressives renvoyées par les indices de séries de données sont de bons prédicteurs de la réponse finale. Nous fournissons des estimations initiales et progressives de la réponse finale.

Time series are becoming ubiquitous in modern life, and given their sizes, their analysis is becoming increasingly challenging. Time series analysis involves tasks such as pattern matching, anomaly detection, frequent pattern identification, and time series clustering or classification. These tasks rely on the notion of time series similarity. The data-mining community has proposed several techniques, including many similarity measures (or distance measure algorithms), for calculating the distance between two time series, as well as corresponding indexing techniques and algorithms, in order to address the scalability challenges during similarity search.To effectively support their tasks, analysts need interactive visual analytics systems that combine extremely fast computation, expressive querying interfaces, and powerful visualization tools. We identified two main challenges when considering the creation of such systems: (1) similarity perception and (2) progressive similarity search. The former deals with how people perceive similar patterns and what the role of visualization is in time series similarity perception. The latter is about how fast we can give back to users updates of progressive similarity search results and how good they are, when system response times are long and do not support real-time analytics in large data series collections. The goal of this thesis, that lies at the intersection of Databases and Human-Computer Interaction, is to answer and give solutions to the above challenges.In the first part of the thesis, we studied whether different visual representations (Line Charts, Horizon Graphs, and Color Fields) alter time series similarity perception. We tried to understand if automatic similarity search results are perceived in a similar manner, irrespective of the visualization technique; and if what people perceive as similar with each visualization aligns with different automatic similarity measures and their similarity constraints. Our findings indicate that Horizon Graphs promote as invariant local variations in temporal position or speed, and as a result they align with measures that allow variations in temporal shifting or scaling (i.e., dynamic time warping). On the other hand, Horizon Graphs do not align with measures that allow amplitude and y-offset variations (i.e., measures based on z-normalization), because they exaggerate these differences, while the inverse seems to be the case for Line Charts and Color Fields. Overall, our work indicates that the choice of visualization affects what temporal patterns humans consider as similar, i.e., the notion of similarity in time series is visualization-dependent.In the second part of the thesis, we focused on progressive similarity search in large data series collections. We investigated how fast first approximate and then updates of progressive answers are detected, while we execute similarity search queries. Our findings indicate that there is a gap between the time the final answer is found and the time when the search algorithm terminates, resulting in inflated waiting times without any improvement. Computing probabilistic estimates of the final answer could help users decide when to stop the search process. We developed and experimentally evaluated using benchmarks, a new probabilistic learning-based method that computes quality guarantees (error bounds) for progressive k-Nearest Neighbour (k-NN) similarity search results. Our approach learns from a set of queries and builds prediction models based on two observations: (i) similar queries have similar answers; and (ii) progressive best-so-far (bsf) answers returned by the state-of-the-art data series indexes are good predictors of the final k-NN answer. We provide both initial and incrementally improved estimates of the final answer.