时间序列聚类和分析

本文比较了基于欧氏距离和DTW聚类对时间序列聚类和分类的可靠性。

从抽样的样本中发现了基于DTW聚类算法远远比基于欧氏距离的聚类算法好;从分类的角度中,基于DTW特征提取的分类准确率为87%,而基于欧氏距离的分类准确率为80%,显而易见基于DTW的聚类算法远远的优于基于欧氏距离的分类算法。

##数据下载链接

##  http://kdd.ics.uci.edu/databases/synthetic_control/

sc <-read.table("synthetic_control.data.txt", header=F,sep="")

# show one sample from each class

##1-100为随机波动

##101-200 周期

##201-300 上升

##301-400 下降

##401-500 向上偏移

##501-600 向下偏移

idx <-c(1,101,201,301,401,501)

sample1 <-t(sc[idx,])

plot.ts(sample1,main="") ##可视化每类的一个图像

#基于欧氏距离的层次聚类

set.seed(6218)

n <-10

s <-sample(1:100, n)

idx <-c(s,100+s,200+s,300+s,400+s,500+s)

sample2 <-sc[idx,]

observedLabels <-rep(1:6, each=n)

#层次聚类,基于欧氏距离

hc <-hclust(dist(sample2),method="average")

plot(hc,labels=observedLabels,main="")

# 分为6类

rect.hclust(hc,k=6)

memb <-cutree(hc,k=6)

table(observedLabels,memb)

##               memb

## observedLabels  1 2  3  4 5  6

##             1 10  0  0 0  0  0

##             2  1  6 2  1  0  0

##             3  0  0 0  0 10  0

##             4  0  0 0  0  0 10

##             5  0  0 0  0 10  0

##             6  0  0 0  0  0 10

###################################################

#基于DTW距离的层次聚类

library(dtw)

## Loading required package:proxy

##

## Attaching package: 'proxy'

## The following objects aremasked from 'package:stats':

##

##    as.dist, dist

## The following object ismasked from 'package:base':

##

##    as.matrix

## Loaded dtw v1.18-1. See?dtw for help, citation("dtw") for use in publication.

##基于dtw的聚类

distMatrix <-dist(sample2, method="DTW")

hc <-hclust(distMatrix,method="average")

plot(hc,labels=observedLabels,main="")

# 分为6类

rect.hclust(hc,k=6)

memb <-cutree(hc,k=6)

table(observedLabels,memb)

##               memb

## observedLabels  1 2  3  4 5  6

##             1 10  0  0 0  0  0

##             2  0  7 3  0  0  0

##             3  0  0  010  0 0

##             4  0  0 0  0  7  3

##             5  2 0  0  8  0  0

##             6  0  0 0  0  0 10

###################################################

##时间序列进行分类

classId <-rep(as.character(1:6), each=100)

newSc <-data.frame(cbind(classId,sc))

library(party)

## Loading required package:grid

## Loading required package:mvtnorm

## Loading required package:modeltools

## Loading required package:stats4

## Loading required package:strucchange

## Loading required package:zoo

##

## Attaching package: 'zoo'

## The following objects aremasked from 'package:base':

##

##    as.Date, as.Date.numeric

## Loading required package:sandwich

ct <-ctree(classId~., data=newSc,

          controls =ctree_control(minsplit=30, minbucket=10, maxdepth=5))

pClassId <-predict(ct)

table(classId,pClassId)

##        pClassId

## classId  1   2   3  4   5   6

##      1  97   0  0   0   0   3

##      2   1  93  2   0   0   4

##      3   0   0 96   0   4   0

##      4   0   0   0100   0  0

##      5   4   0 10   0  86   0

##      6   0   0  0  87   0  13

#计算准确率

(sum(classId==pClassId)) /nrow(sc)

## [1] 0.8083333

plot(ct, ip_args=list(pval=FALSE), ep_args=list(digits=0))

###################################################

#基于dtw的分类

library(wavelets)

wtData <-NULL

for (i in 1:nrow(sc)) {

 a <-t(sc[i,])

 wt<-dwt(a,filter="haar", boundary="periodic")

 wtData<-rbind(wtData,unlist(c(wt@W,wt@V[[wt@level]])))

}

wtData <-as.data.frame(wtData)

wtSc <-data.frame(cbind(classId,wtData))

###################################################

# build a decision tree with DWT coefficients

ct <-ctree(classId~.,data=wtSc,

          controls =ctree_control(minsplit=30, minbucket=10, maxdepth=5))

pClassId <-predict(ct)

table(classId,pClassId)

##        pClassId

## classId 1  2  3 4  5  6

##      1 97  3  0 0  0  0

##      2  1 99  0 0  0  0

##      3  0  0 81  019  0

##      4  0  0  063  0 37

##      5  0  0 16  084  0

##      6  0  0 0  1  0 99

(sum(classId==pClassId)) /nrow(wtSc)

## [1] 0.8716667

plot(ct, ip_args=list(pval=FALSE), ep_args=list(digits=0))

set.seed(10)

k <- 20

# create a new time series by adding noise to time series 501

newTS <- sc[501,] + runif(100)*15

distances <- dist(newTS, sc, method="DTW")

s <- sort(as.vector(distances),index.return=TRUE)

# class IDs of k nearest neighbors

table(classId[s$ix[1:k]])


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