Découverte de dépendances quantitatives complexes entre flux d'état en intervalles temporelles

Discovering complex quantitative dependencies between interval-based state streams

• Auteur / Autrice : Amine El Ouassouli
• Direction : Vasile-Marian Scuturici
• Type : Thèse de doctorat
• Discipline(s) : Informatique
• Date : Soutenance le 24/07/2020
• Etablissement(s) : Lyon
• Ecole(s) doctorale(s) : École doctorale en Informatique et Mathématiques de Lyon (Lyon ; 2009-....)
• Partenaire(s) de recherche : établissement opérateur d'inscription : Institut national des sciences appliquées (Lyon ; 1957-....)
• Partenaire(s) de recherche : Laboratoire : LIRIS - Laboratoire d'Informatique en Image et Systèmes d'information (Rhône ; 2003-....) - Laboratoire d'InfoRmatique en Image et Systèmes d'information / LIRIS
• Partenaire(s) de recherche : Equipe de recherche : Base de Données
• Jury : Président / Présidente : Frédérique Laforest
• Jury : Examinateurs / Examinatrices : Vasile-Marian Scuturici, Frédérique Laforest, Reza Akbarinia, Farouk Toumani, Lionel Robinault, Karine Zeitouni
• Jury : Rapporteurs / Rapporteuses : Reza Akbarinia, Farouk Toumani

Mots clés

Mots clés contrôlés

Exploration de données

Mots clés libres

Computer science

Fouille de données

Flux de données

Intervalles temporelles

Fouille de motifs

Motif

Données temporelles

Informatique

Database

Data mining

Data streams

Temporal intervals

Pattern mining

Temporal data

Résumé

Les avancées significatives qu’ont connu les technologies de capteurs, leur utilisation croissante ainsi que leur intégration dans les systèmes d’information permettent d’obtenir des descriptions temporelles riches d’environnements réels. L’information générée par de telles sources de données peut être qualifiée d’hétérogène sur plusieurs plans: types de mesures physiques, domaines et primitives temporelles, modèles de données etc. Dans ce contexte, l’application de méthodes de fouille de motifs constitue une opportunité pour la découverte de relations temporelles non-triviales, directement utilisables et facilement interprétables décrivant des phénomènes complexes. Nous proposons d’utiliser un ensemble d’abstraction temporelles pour construire une représentation unifiée, sous forme des flux d’intervalles (ou états), de l’information générée par un système hétérogène. Cette approche permet d’obtenir une description temporelle de l’environnent étudié à travers des attributs (ou états), dits de haut niveau, pouvant être utilisés dans la construction des motifs temporelles. A partir de cette représentation, nous nous intéressons à la découverte de dépendances temporelles quantitatives (avec information de délais) entre plusieurs flux d’intervalles. Nous introduisons le modèle de dépendances Complex Temporal Dependency (CTD) défini de manière similaire à une forme normale conjonctive. Ce modèle permets d’exprimer un ensemble riche de relations temporelles complexes. Pour ce modèle de dépendances nous proposons des algorithmes efficaces de découverte : CTD-Miner et ITLD - Interval Time Lag Discovery. Finalement, nous évaluons les performances de notre proposition ainsi que la qualité des résultats obtenus à travers des données issues de simulations ainsi que des données réelles collectées à partir de caméras et d’analyse vidéo.

The increasing utilization of sensor devices in addition to human-given data make it possible to capture real world systems complexity through rich temporal descriptions. More precisely, the usage of a multitude of data sources types allows to monitor an environment by describing the evolution of several of its dimensions through data streams. One core characteristic of such configurations is heterogeneity that appears at different levels of the data generation process: data sources, time models and data models. In such context, one challenging task for monitoring systems is to discover non-trivial temporal knowledge that is directly actionable and suitable for human interpretation. In this thesis, we firstly propose to use a Temporal Abstraction (TA) approach to express information given by heterogeneous raw data streams with a unified interval-based representation, called state streams. A state reports on a high level environment configuration that is of interest for an application domain. Such approach solves problems introduced by heterogeneity, provides a high level pattern vocabulary and also permits also to integrate expert(s) knowledge into the discovery process. Second, we introduced the Complex Temporal Dependencies (CTD) that is a quantitative interval-based pattern model. It is defined similarly to a conjunctive normal form and allows to express complex temporal relations between states. Contrary to the majority of existing pattern models, a CTD is evaluated with automatic statistical assessment of streams intersection avoiding the use of any significance user-given parameter. Third, we proposed CTD-Miner a first efficient CTD mining framework. CTD-Miner performs an incremental dependency construction. CTD-Miner benefits from pruning techniques based on a statistical correspondence relationship that aims to accelerate the exploration search space by reducing redundant information and provide a more usable result set. Finally, we proposed the Interval Time Lag Discovery (ITLD) algorithm. ITLD is based on a confidence variation heuristic that permits to reduce the complexity of the pairwise dependency discovery process from quadratic to linear w.r.t a temporal constraint Δ on time lags. Experiments on simulated and real world data showed that ITLD provides efficiently more accurate results in comparison with existing approaches. Hence, ITLD enhances significantly the accuracy, performances and scalability of CTD-Miner. The encouraging results given by CTD-Miner on our real world motion data set suggests that it is possible to integrate insights given by real time video processing approaches in a knowledge discovery process opening interesting perspectives for monitoring smart environments.