Classification ensembliste des séries temporelles multivariées basée sur les M-histogrammes et une approche multi-vues

Ensemble classification of multivariate Time series based on M-histograms and multi-view learning

• Auteur / Autrice : Angéline Plaud
• Direction : Engelbert Mephu-Nguifo
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 04/12/2019
• Etablissement(s) : Université Clermont Auvergne‎ (2017-2020)
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale des sciences pour l'ingénieur (Clermont-Ferrand)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : Laboratoire d'Informatique, de Modélisation et d'Optimisation des Systèmes
• Jury : Président / Présidente : Richard Emilion
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Violaine Antoine, Jacques Charreyron
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Richard Emilion, Khalid Benabdeslem, José Antonio Fernandes De Macêdo

Mots clés

Mots clés contrôlés

Séries chronologiques

Mots clés libres

Série temporelle multivariée

M-histogramme

Classifieur ensembliste

Apprentissage multi-vues

Multivariate time series

M-histogram

Ensemble classifier

Multi-view learning

Résumé

La mesure des différents phénomènes terrestres et l’échange d’informations ont permis l’émergence d’un type de données appelé série temporelle. Celle-ci se caractérise par un grand nombre de points la composant et surtout par des interactions entre ces points. En outre, une série temporelle est dite multivariée lorsque plusieurs mesures sont captées à chaque instant de temps. Bien que l’analyse des séries temporelles univariées, une mesure par instant, soit très développée, l’analyse des séries multivariées reste un challenge ouvert. En effet, il n’est pas possible d’appliquer directement les méthodes univariées sur les données multivariées, car il faut tenir compte des interactions entre séries de mesures.De plus, dans le cadre d’applications industrielles, les séries temporelles ne sont pas composées d’un même nombre de mesures, ce qui complique encore leur analyse. Or les méthodes mises à disposition, aujourd’hui, pour la classification supervisée de ces séries, ne permettent pas de répondre de manière satisfaisante à cette problématique en plus d’une gestion rapide et efficace des données. Cette approche emploie donc un nouvel outil, qui n’a jamais été utilisé dans le domaine de la classification de séries temporelles multivariées, qui est le M-histogramme pour répondre à cette question.Un M-histogramme est à la base une méthode de visualisation sur M axes de la fonction de densité sous-jacente à un échantillon de données. Son utilisation ici permet de produire une nouvelle représentation de nos données afin de mettre en évidence les interactions entre dimensions.Cette recherche de liens entre dimensions correspond aussi tout particulièrement à un sous-domaine d’apprentissage, appelé l’apprentissage multi-vues. Où une vue est une extraction de plusieurs dimensions d’un ensemble de données, de même nature ou type. L’objectif est alors d’exploiter le lien entre ces dimensions afin de mieux classifier les dites données, au travers d’un modèle ensembliste permettant d’agréger les prédictions émises à partir de chaque vue. Dans cette thèse, nous proposons donc une méthode multi-vues ensembliste de M-histogrammes afin de classifier les Séries Temporelles Multivariées (STM). Cela signifie que plusieurs M-histogrammes sont créés à partir de plusieurs vues des STM exploitées. Une prédiction est ensuite réalisée grâce à chaque M-histogramme. Enfin ces prédictions sont ensuite agrégées afin de produire une prédiction finale.Il est montré dans la suite que la méthode ainsi créée est capable de répondre au problème général de la classification supervisée de STM et son efficacité est exposée sur un cas applicatif Michelin.

Recording measurements about various phenomena and exchanging information about it, participate in the emergence of a type of data called time series. Today humongous quantities of those data are often collected. A time series is characterized by numerous points and interactions can be observed between those points. A time series is multivariate when multiple measures are recorded at each timestamp, meaning a point is, in fact, a vector of values. Even if univariate time series, one value at each timestamp, are well-studied and defined, it’s not the case of multivariate one, for which the analysis is still challenging. Indeed, it is not possible to apply directly techniques of classification developed on univariate data to the case of multivariate one. In fact, for this latter, we have to take into consideration the interactions not only between points but also between dimensions. Moreover, in industrial cases, as in Michelin company, the data are big and also of different length in terms of points size composing the series. And this brings a new complexity to deal with during the analysis. None of the current techniques of classifying multivariate time series satisfies the following criteria, which are a low complexity of computation, dealing with variation in the number of points and good classification results. In our approach, we explored a new tool, which has not been applied before for MTS classification, which is called M-histogram. A M-histogram is a visualization tool using M axis to project the density function underlying the data. We have employed it here to produce a new representation of the data, that allows us to bring out the interactions between dimensions. Searching for links between dimensions correspond particularly to a part of learning techniques called multi-view learning. A view is an extraction of dimensions of a dataset, which are of same nature or type. Then the goal is to display the links between the dimensions inside each view in order to classify all the data, using an ensemble classifier. So we propose a multi-view ensemble model to classify multivariate time series. The model creates multiple M-histograms from differents groups of dimensions. Then each view allows us to get a prediction which we can aggregate to get a final prediction. In this thesis, we show that the proposed model allows a fast classification of multivariate time series of different sizes. In particular, we applied it on aMichelin use case.