基于深度迁移学习进行时间序列分类

论文动机

通常来说，用传统的机器学习方法（例如 KNN、DTW）进行时间序列分类能取得比较好的效果。但是， 基于深度网络的时间序列分类往往在大数据集上能够打败传统方法。 另一方面，深度网络必须依赖于大量的训练数据，否则精度也无法超过传统机器学习方法。在这种情况下，进行数据增强、收集更多的数据、实用集成学习模型，都是提高精度的方法。这其中，迁移学习也可以被用在数据标注不足的情况。

从深度网络本身来看，有研究者注意到了，针对时间序列数据，深度网络提取到的特征，与 CNN 一样，具有相似性和继承性。因此，作者的假设就是， 这些特征不只是针对某一数据集具有特异性，也可以被用在别的相关数据集。 这就保证了用深度网络进行时间序列迁移学习的有效性。

论文方法

本文基本方法与在图像上进行深度迁移一致：先在一个源领域上进行 pre-train，然后在目标领域上进行 fine-tune。 

然而，与图像领域有较多的经典网络结构可选择不同，时间序列并没有一个公认的经典网络架构。因此，作者为了保证迁移的效果不会太差，选择了之前研究者提出的一种 全卷积网络 （FCN，Fully Convolutional Neural Network）。这种网络已经在之前的研究中被证明具有较高的准确性和鲁棒性。 

网络的结构如下图所示。网络由 3 个卷积层、1 个全局池化层、和 1 个全连接层构成。使用全连接层的好处是，在进行不同输入长度序列的 fine-tune 时，不需要再额外设计池内化层。

与图像的区别就是，输入由图片换成了时间序列。注意到，图片往往具有一定的通道数（如常见的 R、G、B 三通道）；时间序列也有通道：即不同维的时间序列数据。最简单的即是1维序列，可以认为是 1 个通道。多维时间序列则可以认为是多个通道。

网络迁移适配

Fine-tune 的基本方法就是，不改变除 softmax 层以外的层的结构，只改变 softmax 层的构造。例如，预训练好的网络可能是一个分 5 类的网络，而目标领域则是一个 10 类的分类问题。这时候，就需要改变预训练网络的 softmax 层，使之由原来的 5 层变为 10 层，以适应目标领域的分类。

因此，源领域和目标领域的网络相比，除最后一层外，其他都相同。当然，相同的部分，网络权重也相同。

作者对整个网络都在目标领域上进行了fine-tune，而不是只fine-tune最后一层。因为以往的研究标明，在整个网络上进行 fine-tune，往往会比只 fine-tune 某些层效果好。

选择合适的源领域：数据集间相似性

在进行迁移学习前，一个重要的问题就是： 给定一个目标域，如何选择合适的源领域？ 如果选择的源域与目标域相似性过小，则很可能造成负迁移。 

度量时间序列相似性的另一个问题是，如何度量不同维度的时间序列的相似性。作者提出把多维时间序列规约成每类由一维序列构成，然后利用 DTW（Dynamic Time Warping）来度量两个时间序列的相似性。

在进行规约时，作者利用了之间研究者提出的 DTW Barycenter Averaging (DBA) [2] 方法进行了时间序列的规约。经过规约后，两个数据集便可度量相似性。 

然而，这种方法具有很大的局限性。例如，它没有考虑到数据集内部不同维度之间的关联性。作者自己也承认这种方法不够好，但是由于他们的主要关注点是如何迁移，因此，并未在这个方面多做文章。

经过相似度计算，可以针对 n 个数据集，得到一个 n×n 的相似性矩阵。此矩阵表示了不同数据集之间的相似度。相似度高的两个数据集，迁移效果最好。

实验

作者利用了 UCI机器学习仓库中的 85 个 时间序列分类数据集，构建了 7140 对 迁移学习任务。为了进行如此大量的实验，他们用了来自英伟达的 60 个 GPU（只想说，有钱真好）。

实验非常充分，这里简要说一下部分结论：

1. 利用迁移往往效果比不迁移好，并且，几乎不会对原来的网络产生负面作用；

2. 同一个目标域，不同的源域，产生的迁移效果千差万别：总能找到一些领域，迁移效果比不迁移好；

3. 在选择正确的源域上，有时，随机选择的效果不一定会比经过作者的方法计算出来的要差。这说明，计算领域相似性的方法还有待加强。

总结

本文利用大量的时间序列进行了深度迁移学习分类的实验。用众多的实验结果证明了迁移学习对于时间序列分类的有效性。作者还提出了一种简单比较时间序列相似性从而选择源领域的方法。

作者也非常慷慨地开源了他们的实验代码：

https://github.com/hfawaz/bigdata18

参考文献

[1] A. Zamir, S. Sax*, W. Shen*, L. Guibas, J. Malik, S. Savarese. Taskonomy: Disentangling Task Transfer Learning. 2018 IEEE Conference onComputer VisionandPattern Recognition.

[2] F. Petitjean and P. Ganc¸arski, “Summarizing a set of time series by averaging: From steiner sequence to compact multiple alignment,” Theoretical Computer Science, vol. 414, no. 1, pp. 76 – 91, 2012.