An adaptive learning system for time series forecasting in the presence of concept drift

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Previous issue date: 2017-03-13 / FACEPE / A time series is a collection of observations measured sequentially in time. Several realworld dynamic processes can be modeled as time series. One of the main problems of time series analysis is the forecasting of future values. As a special kind of data stream, a time series may present concept drifts, which are changes in the underlying data generation process from time to time. The concept drift phenomenon affects negatively the forecasting methods which are based on observing past behaviors of the time series to forecast future values. Despite the fact that concept drift is not a new research area, the effects of concept drifts in time series are not widely studied. Some approaches proposed in the literature to handle concept drift in time series are passive methods that successive update the learned model to the observations that arrive from the data stream. These methods present no transparency to the user and present a potential waste of computational resources. Other approaches are active methods that implement a detect-and-adapt scheme, in which the learned model is adapted just after the explicit detection of a concept drift. By using explicit detection, the learned model is updated or retrained just in the presence of drifts, which can reduce the space and computational complexity of the learning system. These methods are generally based on monitoring the residuals of a fitted model or on monitoring the raw time series observations directly. However, these two sources of information (residuals and raw observations) may not be so reliable for a concept drift detection method applied to time series. Residuals of a fitted model may be influenced by problems in training. Raw observations may present some variations that do not represent significant changes in the time series data stream. The main contribution of this work is an active adaptive learning system which is able to handle concept drift in time series. The proposed method, called Feature Extraction and Weighting for Explicit Concept Drift Detection (FW-FEDD) considers a set of time series features to detect concept drifts in time series in a more reliable way, being trustworthy and transparent to users. The features considered are weighted according to their importance to define concept drifts at each instant. A concept drift test is then used to detect drifts in a more reliable way. FW-FEDD also implements a forecasting module composed by a pool of forecasting models in which each model is specialized in a different time series concept. Several computational experiments on both artificial and real-world time series showed that the proposed method is able to improve the concept drift detection accuracy compared to methods based on monitoring raw time series observations and residual-based methods. Results also showed the superiority of FW-FEDD compared to other passive and active adaptive learning systems in terms of forecasting performance. / Uma série temporal é uma coleção de observações medidas sequencialmente no tempo. Diversos processos dinâmicos reais podem ser modelados como uma série temporal. Um dos principais problemas no contexto de séries temporais é a previsão de valores futuros. Sendo um tipo especial de fluxo de dados, uma série temporal pode apresentar mudança de conceito, que é a mudança no processo gerador dos dados. O fenômeno da mudança de conceito afeta negativamente os métodos de previsão baseados na observação do comportamento passado da série para prever valores futuros. Apesar de que mudança de conceito não é uma nova área, os efeitos da mudança de conceito em séries temporais ainda não foram amplamente estudados. Algumas abordagens propostas na literatura para tratar esse problema em séries temporais são métodos passivos que atualizam sucessivamente o modelo aprendido com novas observações que chegam do fluxo de dados. Estes métodos não são transparentes para o usuário e apresentam um potencial consumo de recursos computacionais. Outras abordagens são métodos ativos que implementam um esquema de detectar-e-adaptar, no qual o modelo aprendido é adaptado somente após a detecção explícita de uma mudança. Utilizando detecção explícita, o modelo aprendido é atualizado ou retreinado somente na presença de mudanças, reduzindo a complexidade computacional e de espaço do sistema de aprendizado. Estes método são geralmente baseados na monitoração dos resíduos de um modelo ajustado ou na monitoração dos dados da série diretamente. No entanto, estas duas fontes de informação (resíduos e dados crus) podem não ser tão confiáveis para um método de detecção de mudanças. Resíduos de um modelo ajustado podem ser influenciados por problemas no treinamento. Observações cruas podem apresentar variações que não representam mudanças significativas no fluxo de dados. A principal contribuição deste trabalho é um sistema de aprendizado adaptativo ativo capaz de tratar mudanças de conceito em séries temporais. O método proposto, chamado de Feature Extraction and Weighting for Explicit Concept Drift Detection (FW-FEDD) considera um conjunto de características da série temporal para detectar mudança de conceito de uma forma mais confiável, sendo transparente ao usuário. As características consideradas são ponderadas de acordo com sua importância para a definição das mudanças em cada instante. Um teste de mudança de conceito é utilizado para detectar as mudanças de forma mais confiável. FW-FEDD também implementa um módulo de previsão composto por um conjunto de modelos de previsão onde cada modelo é especializado em um conceito diferente. Diversos experimentos computacionais usando séries reais e artificiais mostram que o método proposto é capaz de melhorar a detecção de mudança de conceito comparado com métodos baseados na monitoração de dados crus da série e métodos baseados em resíduos. Resultados também mostraram a superioridade do FW-FEDD comparado com outros métodos de aprendizado adaptativo ativos e passivos em termos de acurácia de predição.

Identiferoai:union.ndltd.org:IBICT/oai:repositorio.ufpe.br:123456789/25349
Date13 March 2017
CreatorsCAVALCANTE, Rodolfo Carneiro
Contributorshttp://lattes.cnpq.br/5194381227316437, OLIVEIRA, Adriano Lorena Inacio de, MINKU, Leandro Lei
PublisherUniversidade Federal de Pernambuco, Programa de Pos Graduacao em Ciencia da Computacao, UFPE, Brasil
Source SetsIBICT Brazilian ETDs
LanguageEnglish
Detected LanguagePortuguese
Typeinfo:eu-repo/semantics/publishedVersion, info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
Sourcereponame:Repositório Institucional da UFPE, instname:Universidade Federal de Pernambuco, instacron:UFPE
RightsAttribution-NonCommercial-NoDerivs 3.0 Brazil, http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/br/, info:eu-repo/semantics/openAccess

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