Data-driven processing of graph signals for anomaly detection and forecasting

Detalhes bibliográficos
Ano de defesa: 2020
Autor(a) principal: Lewenfus, Gabriela
Orientador(a): Não Informado pela instituição
Banca de defesa: Não Informado pela instituição
Tipo de documento: Dissertação
Tipo de acesso: Acesso aberto
Idioma: eng
Instituição de defesa: Universidade Federal do Rio de Janeiro
Brasil
Instituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de Engenharia
Programa de Pós-Graduação em Engenharia Elétrica
UFRJ
Programa de Pós-Graduação: Não Informado pela instituição
Departamento: Não Informado pela instituição
País: Não Informado pela instituição
Palavras-chave em Português:
Link de acesso: http://hdl.handle.net/11422/23219
Resumo: Graph signal processing (GSP) is an emerging field that extends traditional signal processing theory and techniques to analyze and process data defined over graphs. This dissertation presents fundamental topics of GSP, such as Fourier analysis, sampling graph signals, and vertex-frequency analysis (VFA), and proposes two different applications. In the first one, we apply VFA to the problem of anomaly detection in time-varying graph signals. In the particular example of localizing a malfunctioning weather station, the accuracy achieved by outlier detection algorithms is improved when fed with VFA-extracted features to detect small drifts in temperature measurements. The second GSP application proposed in this dissertation combines GSP and recurrent neural networks in order to jointly forecast and interpolate graph signals. The proposed learning model, namely spectral graph gated recurrent unit, outperforms state-of-the-art deep learning techniques, especially when only a small fraction of the graph signals is accessible, considering two distinct real world datasets: temperatures in the US and speed flow in Seattle.
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spelling Data-driven processing of graph signals for anomaly detection and forecastingProcessamento de sinal gráficoFrequência de vértice análiseGrafar redes neuraisEngenharia ElétricaGraph signal processing (GSP) is an emerging field that extends traditional signal processing theory and techniques to analyze and process data defined over graphs. This dissertation presents fundamental topics of GSP, such as Fourier analysis, sampling graph signals, and vertex-frequency analysis (VFA), and proposes two different applications. In the first one, we apply VFA to the problem of anomaly detection in time-varying graph signals. In the particular example of localizing a malfunctioning weather station, the accuracy achieved by outlier detection algorithms is improved when fed with VFA-extracted features to detect small drifts in temperature measurements. The second GSP application proposed in this dissertation combines GSP and recurrent neural networks in order to jointly forecast and interpolate graph signals. The proposed learning model, namely spectral graph gated recurrent unit, outperforms state-of-the-art deep learning techniques, especially when only a small fraction of the graph signals is accessible, considering two distinct real world datasets: temperatures in the US and speed flow in Seattle.Processamento de sinais em grafos (GSP) é uma nova área que busca estender a teoria e as técnicas clássicas de processamento de sinais para analisar e processar dados definidos sobre grafos. Nesta dissertação, apresentamos uma revisão sobre tópicos fundamentais de GSP tais como análise de Fourier, amostragem e análise vértice-frequência (VFA), e propomos duas aplicações distintas de GSP. Na primeira, aplicamos VFA no problema de detecção de anomalias em sinais em grafos (GSs) variantes no tempo. No caso particular de localizar uma estação climática defeituosa, a acurácia obtida na detecção de pequenas variações de temperatura por algoritmos de detecção de outliers aumenta quando VFA é utilizado para extração de atributos. A segunda aplicação proposta nesta dissertação combina GSP e redes neurais recorrentes para prever e interpolar GSs simultaneamente. O modelo proposto, spectral graph gated recurrent unit, superou métodos do estado-da-arte, especialmente quando se tem acesso apenas a uma pequena fração do sinal de interesse, considerando dois conjuntos de dados distintos: temperatura nos Estados Unidos e velocidade do tráfego em Seattle.Universidade Federal do Rio de JaneiroBrasilInstituto Alberto Luiz Coimbra de Pós-Graduação e Pesquisa de EngenhariaPrograma de Pós-Graduação em Engenharia ElétricaUFRJMartins, Wallace Alveshttp://lattes.cnpq.br/1406801288641049Lima, Markus Vinícius SantosMazzeo, César Javier NicheLima, Juliano BandeiraLewenfus, Gabriela2024-07-17T20:00:26Z2024-07-19T03:00:21Z2020-09info:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesishttp://hdl.handle.net/11422/23219enginfo:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositório Institucional da UFRJinstname:Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ)instacron:UFRJ2024-07-19T03:00:21Zoai:pantheon.ufrj.br:11422/23219Repositório InstitucionalPUBhttp://www.pantheon.ufrj.br/oai/requestpantheon@sibi.ufrj.bropendoar:2024-07-19T03:00:21Repositório Institucional da UFRJ - Universidade Federal do Rio de Janeiro (UFRJ)false
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