本發(fā)明涉及數(shù)據(jù)處理技術領域，尤其涉及一種大數(shù)據(jù)異常點檢測方法及其系統(tǒng)。

背景技術：

在大數(shù)據(jù)時代，數(shù)據(jù)的質(zhì)量直接影響大數(shù)據(jù)分析處理方法的效果，也影響決策過程。通過分析海量數(shù)據(jù)，可以從中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)集中隱含的模式和規(guī)律。但數(shù)據(jù)集中的異常數(shù)據(jù)會對分析過程產(chǎn)生重大干擾，因此通過數(shù)據(jù)挖掘方法對大數(shù)據(jù)進行利用的研究領域中，數(shù)據(jù)異常檢測已成為熱門研究。

在大數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)存在如下特點：1.與正常數(shù)據(jù)的表現(xiàn)有明顯的差異；2.其產(chǎn)生機制與正常數(shù)據(jù)不同，可能為未知方式；3.數(shù)據(jù)維度較高，異常數(shù)據(jù)與正常數(shù)據(jù)一樣，都是高維數(shù)據(jù)。

由于高維數(shù)據(jù)集中的數(shù)據(jù)點在高維空間內(nèi)的分布有著稀疏性。因此，傳統(tǒng)方法無法處理大數(shù)據(jù)中的異常數(shù)據(jù)檢測問題。在現(xiàn)有高維異常數(shù)據(jù)檢測方法中，通?？梢圆捎脭?shù)據(jù)點間的歐氏空間距離作為指標來判斷數(shù)據(jù)的異常性，是否屬于異常數(shù)據(jù)。

但由于高維數(shù)據(jù)在高維空間上的距離無法作為有效指標來進行衡量。進一步的，有些方案則引入余弦角度來代替歐氏距離作為指標，但這個方法的時間復雜度隨著數(shù)據(jù)集的增大，急劇增大，同時通常的角度對比方法在非圓的數(shù)據(jù)集上不能很好地工作。

因此，現(xiàn)有技術還有待發(fā)展。

技術實現(xiàn)要素：

鑒于上述現(xiàn)有技術的不足之處，本發(fā)明的目的在于提供大數(shù)據(jù)異常點檢測方法及其系統(tǒng)，旨在解決現(xiàn)有技術中數(shù)據(jù)異常點檢測效果不佳的問題。

為了達到上述目的，本發(fā)明采取了以下技術方案：

一種大數(shù)據(jù)異常點檢測方法，其中，所述方法包括：

計算高維數(shù)據(jù)的維度屬性權(quán)重，所述高維數(shù)據(jù)具有若干維度屬性；

移除所述維度屬性權(quán)重低于第一預定閾值的維度屬性；

在所述高維數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)集中，使用標準切塊劃分所述數(shù)據(jù)集，獲得與數(shù)據(jù)分布相關的劃分結(jié)果；

將所述高維數(shù)據(jù)投射到二維平面，獲得與所述劃分結(jié)果對應的二維平面區(qū)塊；

在所述二維平面區(qū)塊的數(shù)據(jù)密度大于第二預定閾值時，確定為正常區(qū)塊；

計算不屬于所述正常區(qū)塊的高維數(shù)據(jù)的角度方差因子；

在所述角度方差因子大于第三預定閾值時，標記所述高維數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)。

所述的方法，其中，所述第二預定閾值為所有二維平面區(qū)塊的數(shù)據(jù)密度的平均值。

所述的方法，其中，所述方法還包括：

確定所述數(shù)據(jù)集在各維度屬性上的數(shù)據(jù)密集區(qū)間；

根據(jù)所述數(shù)據(jù)密集區(qū)間獲得所述數(shù)據(jù)集的若干個數(shù)據(jù)密集；

將所述數(shù)據(jù)密集中體積最小的超矩形作為所述標準切塊。

所述的方法，其中，所述計算高維數(shù)據(jù)的維度屬性權(quán)重，具體包括：

使用如下算式計算所述維度屬性權(quán)重：

其中，r(pi)為所述維度屬性權(quán)重，pi，pi分別第i個和第j個維度屬性，ru(pi)為第i個維度屬性在不考慮與其它維度屬性相關關系時的獨立權(quán)重；rc(pi,pj)為第i個和第j個維度屬性的聯(lián)合權(quán)重。

所述的方法，其中，使用如下算式計算所述獨立權(quán)重：

其中，ei為pi的熵值，為維度屬性pi的第j個屬性值；并且，

使用如下算式計算所述聯(lián)合權(quán)重：

其中，xi∈pi表示xi是維度屬性pi的其中一個值；q(xi)為xi的概率密度，q(xi,xj)為xi和xj的聯(lián)合概率密度。

一種大數(shù)據(jù)異常點檢測系統(tǒng)，其中，包括：

約簡降維模塊，用于計算高維數(shù)據(jù)的維度屬性權(quán)重，所述高維數(shù)據(jù)具有若干維度屬性；以及移除所述維度屬性權(quán)重低于第一預定閾值的維度屬性；

數(shù)據(jù)集切分模塊，用于在所述高維數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)集中，使用標準切塊劃分所述數(shù)據(jù)集，獲得與數(shù)據(jù)分布相關的劃分結(jié)果；將所述高維數(shù)據(jù)投射到二維平面，獲得與所述劃分結(jié)果對應的二維平面區(qū)塊；以及在所述二維平面區(qū)塊的數(shù)據(jù)密度大于第二預定閾值時，確定為正常區(qū)塊；

異常數(shù)據(jù)判斷模塊，用于計算不屬于所述正常區(qū)塊的高維數(shù)據(jù)的角度方差因子；以及在所述角度方差因子大于第三預定閾值時，標記所述高維數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)。

所述的系統(tǒng)，其中，所述第二預定閾值為所有二維平面區(qū)塊的數(shù)據(jù)密度的平均值。

所述的系統(tǒng)，其中，所述數(shù)據(jù)集切分模塊還用于：確定所述數(shù)據(jù)集在各維度屬性上的數(shù)據(jù)密集區(qū)間；根據(jù)所述數(shù)據(jù)密集區(qū)間獲得所述數(shù)據(jù)集的若干個數(shù)據(jù)密集；以及將所述數(shù)據(jù)密集中體積最小的超矩形作為所述標準切塊。

所述的系統(tǒng)，其中，所述約簡降維模塊具體用于：使用如下算式計算所述維度屬性權(quán)重：

其中，r(pi)為所述維度屬性權(quán)重，pi，pi分別第i個和第j個維度屬性，ru(pi)為第i個維度屬性在不考慮與其它維度屬性相關關系時的獨立權(quán)重；rc(pi,pj)為第i個和第j個維度屬性的聯(lián)合權(quán)重。

所述的系統(tǒng)，其中，所述約簡降維模塊具體用于：使用如下算式計算所述獨立權(quán)重：

其中，ei為pi的熵值，為維度屬性pi的第j個屬性值；并且，

使用如下算式計算所述聯(lián)合權(quán)重：

其中，xi∈pi表示xi是維度屬性pi的其中一個值；q(xi)為xi的概率密度，q(xi,xj)為xi和xj的聯(lián)合概率密度。

有益效果：本發(fā)明提供的大數(shù)據(jù)異常點檢測方法及其系統(tǒng)，基于數(shù)據(jù)區(qū)域切分和約簡降維的思想，有效克服了現(xiàn)有異常數(shù)據(jù)檢測方法，在處理大規(guī)模高維數(shù)據(jù)時，時間復雜度過高及效果不理想的弊端，處理大規(guī)模高維數(shù)據(jù)集中的異常點檢測這樣的復雜問題具有較好的效果。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例提供的大數(shù)據(jù)異常點檢測方法的方法流程圖；

圖2為本發(fā)明實施例提供的二維平面區(qū)塊圖；

圖3為本發(fā)明實施例提供的相鄰數(shù)據(jù)區(qū)塊圖；

圖4為本發(fā)明實施例提供的大數(shù)據(jù)異常點檢測系統(tǒng)的功能框圖。

具體實施方式

本發(fā)明提供大數(shù)據(jù)異常點檢測方法及其系統(tǒng)。為使本發(fā)明的目的、技術方案及效果更加清楚、明確，以下參照附圖并舉實施例對本發(fā)明進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。

如圖1所示，為本發(fā)明實施例提供的一種大數(shù)據(jù)異常點檢測方法的方法流程圖。所述方法包括如下步驟：

100、計算高維數(shù)據(jù)的維度屬性權(quán)重，所述高維數(shù)據(jù)具有若干維度屬性。

200、移除所述維度屬性權(quán)重低于第一預定閾值的維度屬性。

步驟100和200屬于預處理的過程，大數(shù)據(jù)通常包含高維數(shù)據(jù)，其特性是維度屬性較多。令pi表示第i維上的屬性，根據(jù)分析需要的不同，各維度屬性的重要性也不相同。因此，在進行異常點檢測前，可以首先根據(jù)屬性的權(quán)重來去除一些冗余屬性，進行約簡降維。

基于在高維數(shù)據(jù)中，維度屬性間存在著一定的相關關系，不同維度屬性之間的權(quán)重會受其它屬性的影響的考慮，在本發(fā)明實施例中，具體可以采用如下方法計算維度屬性權(quán)重：

設對于高維數(shù)據(jù)集d，p＝{p1,p2,…,pi,…,pn}為其維度屬性集合，n為長度，對于維度屬性集合中的某個維度屬性pi的權(quán)重r(pi)可以通過算式(1)計算獲得：

其中，r(pi)為所述維度屬性權(quán)重，pi，pi分別第i個和第j個維度屬性。ru(pi)為第i個維度屬性在不考慮與其它維度屬性相關關系時的獨立權(quán)重，rc(pi,pj)為第i個和第j個維度屬性的聯(lián)合權(quán)重。

對于獨立權(quán)重，可以使用算式(2)計算獲得：

其中，ei為pi的熵值，為維度屬性pi的第j個屬性值。

對于聯(lián)合權(quán)重，可以使用算式(3)計算獲得：

其中，xi∈pi表示xi是維度屬性pi的其中一個值；q(xi)為xi的概率密度，q(xi,xj)為xi和xj的聯(lián)合概率密度。

在計算獲得所述維度屬性權(quán)重后，可以根據(jù)實際情況的需要，設置合適的閾值用以篩選或者移除一些維度屬性，實現(xiàn)約簡降維。對于小于閾值的維度屬性，將其移出集合，降低后續(xù)操作的開銷。較佳的，第一預定閾值η設置為η∈[0.2,0.25]時，具有較為理想的篩選效果。

300、在所述高維數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)集中，使用標準切塊劃分所述數(shù)據(jù)集，獲得與數(shù)據(jù)分布相關的劃分結(jié)果。

進一步的，對于該數(shù)據(jù)集d，各個維度屬性上均會存在有數(shù)據(jù)相對集中的區(qū)間可以令整個數(shù)據(jù)集d的數(shù)據(jù)密集，在一些實施例中，可以選擇r中體積最小的超矩形作為標準切塊，按照標準切塊各個維度的長度li對于數(shù)據(jù)集d進行劃分。

400、將所述高維數(shù)據(jù)投射到二維平面，獲得與所述劃分結(jié)果對應的二維平面區(qū)塊。在劃分后，可以通過將數(shù)據(jù)投射到二維平面的方法，獲得對應的二維平面區(qū)塊reci。

500、在所述二維平面區(qū)塊的數(shù)據(jù)密度大于第二預定閾值時，確定為正常區(qū)塊。

圖2為本發(fā)明實施例提供的二維平面區(qū)塊的示意圖。如圖2所示，不同的二維平面區(qū)塊的數(shù)據(jù)密度情況有異?？梢酝ㄟ^算式(4)計算某個二維平面區(qū)塊的數(shù)據(jù)密度：

其中，count(reci),acr(reci)分別為reci包含的數(shù)據(jù)點數(shù)量和區(qū)塊面積。當數(shù)據(jù)密度大于一定閾值時，將該區(qū)塊標記為正常區(qū)塊。在一些實施例中，所述閾值可以取所有區(qū)塊的平均數(shù)據(jù)密度。

在獲得至少一個正常區(qū)塊后，可以使用一定的策略完成對于數(shù)據(jù)集區(qū)塊的判斷(即擴展正常區(qū)塊)。例如，如圖3所示，若正常區(qū)塊的相鄰區(qū)塊密度也滿足上述條件，則可以將其加入到連續(xù)的正常區(qū)塊隊列中。

600、計算不屬于所述正常區(qū)塊的高維數(shù)據(jù)的角度方差因子。

在步驟500的正常區(qū)塊劃分完成后，在數(shù)據(jù)集d中可以得到多個連續(xù)的正常數(shù)據(jù)區(qū)塊。確定不在這些正常數(shù)據(jù)區(qū)塊內(nèi)的數(shù)據(jù)點并回到高維空間，計算這些數(shù)據(jù)點的角度方差因子。

在一些實施例中，可以通過算式(5)計算所述角度方差因子：

其中，xixk為數(shù)據(jù)點xi和xk的向量差，xi和xj落在正常數(shù)據(jù)區(qū)塊reci內(nèi)，xk落在正常數(shù)據(jù)區(qū)塊外。

700、在所述角度方差因子大于第三預定閾值時，標記所述高維數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)。計算獲得角度方差因子后，同樣也可以通過設置第三預定閾值，確定是否屬于異常數(shù)據(jù)。

本發(fā)明實施例還提供了一種大數(shù)據(jù)異常點檢測系統(tǒng)。如圖4所示，所述系統(tǒng)包括：約簡降維模塊100，用于計算高維數(shù)據(jù)的維度屬性權(quán)重，所述高維數(shù)據(jù)具有若干維度屬性；以及移除所述維度屬性權(quán)重低于第一預定閾值的維度屬性。數(shù)據(jù)集切分模塊200，用于在所述高維數(shù)據(jù)組成的數(shù)據(jù)集中，使用標準切塊劃分所述數(shù)據(jù)集，獲得與數(shù)據(jù)分布相關的劃分結(jié)果；將所述高維數(shù)據(jù)投射到二維平面，獲得與所述劃分結(jié)果對應的二維平面區(qū)塊；以及在所述二維平面區(qū)塊的數(shù)據(jù)密度大于第二預定閾值時，確定為正常區(qū)塊。異常數(shù)據(jù)判斷模塊300，用于計算不屬于所述正常區(qū)塊的高維數(shù)據(jù)的角度方差因子；以及在所述角度方差因子大于第三預定閾值時，標記所述高維數(shù)據(jù)為異常數(shù)據(jù)。

具體的，所述第二預定閾值為所有二維平面區(qū)塊的數(shù)據(jù)密度的平均值。

在本發(fā)明另一些實施例中，所述數(shù)據(jù)集切分模塊200還用于：確定所述數(shù)據(jù)集在各維度屬性上的數(shù)據(jù)密集區(qū)間；根據(jù)所述數(shù)據(jù)密集區(qū)間獲得所述數(shù)據(jù)集的若干個數(shù)據(jù)密集；以及將所述數(shù)據(jù)密集中體積最小的超矩形作為所述標準切塊。

所述約簡降維模塊100具體用于：使用如下算式計算所述維度屬性權(quán)重：

其中，r(pi)為所述維度屬性權(quán)重，pi，pi分別第i個和第j個維度屬性，ru(pi)為第i個維度屬性在不考慮與其它維度屬性相關關系時的獨立權(quán)重；rc(pi,pj)為第i個和第j個維度屬性的聯(lián)合權(quán)重。

可選地，使用如下算式計算所述獨立權(quán)重：

其中，ei為pi的熵值，為維度屬性pi的第j個屬性值；并且，

使用如下算式計算所述聯(lián)合權(quán)重：

其中，xi∈pi表示xi是維度屬性pi的其中一個值；q(xi)為xi的概率密度，q(xi,xj)為xi和xj的聯(lián)合概率密度。

可以理解的是，對本領域普通技術人員來說，可以根據(jù)本發(fā)明的技術方案及本發(fā)明構(gòu)思加以等同替換或改變，而所有這些改變或替換都應屬于本發(fā)明所附的權(quán)利要求的保護范圍。