Automated Detection of Electric Energy Consumption Load Profile Patterns

[EN] Load profiles of energy consumption from smart meters are becoming more and more available, and the amount of data to analyse is huge. In order to automate this analysis, the application of state-of-the-art data mining techniques for time series analysis is reviewed. In particular, the use of dynamic clustering techniques to obtain and visualise temporal patterns characterising the users of electrical energy is deeply studied. The performed review can be used as a guide for those interested in the automatic analysis and groups of behaviour detection within load profile databases. Additionally, a selection of dynamic clustering algorithms have been implemented and the performances compared using an available electric energy consumption load profile database. The results allow experts to easily evaluate how users consume energy, to assess trends and to predict future scenarios.The data analysed has been facilitated by the Spanish Distributor Iberdrola Electrical Distribution S.A. as part of the research project GAD (Active Management of the Demand), national project by DEVISE 2010 funded by the INGENIIO 2010 program and the CDTI (Centre for Industrial Technology Development), Business Public Entity dependent of the Ministry of Economy and Competitiveness of the Government of Spain.Benítez, I.; Diez, J. (2022). Automated Detection of Electric Energy Consumption Load Profile Patterns. Energies. 15(6):1-26. https://doi.org/10.3390/en1506217612615

Predefined pattern detection in large time series

Predefined pattern detection from time series is an interesting and challenging task. In order to reduce its computational cost and increase effectiveness, a number of time series representation methods and similarity measures have been proposed. Most of the existing methods focus on full sequence matching, that is, sequences with clearly defined beginnings and endings, where all data points contribute to the match. These methods, however, do not account for temporal and magnitude deformations in the data and result to be ineffective on several real-world scenarios where noise and external phenomena introduce diversity in the class of patterns to be matched. In this paper, we present a novel pattern detection method, which is based on the notions of templates, landmarks, constraints and trust regions. We employ the Minimum Description Length (MDL) principle for time series preprocessing step, which helps to preserve all the prominent features and prevents the template from overfitting. Templates are provided by common users or domain experts, and represent interesting patterns we want to detect from time series. Instead of utilising templates to match all the potential subsequences in the time series, we translate the time series and templates into landmark sequences, and detect patterns from landmark sequence of the time series. Through defining constraints within the template landmark sequence, we effectively extract all the landmark subsequences from the time series landmark sequence, and obtain a number of landmark segments (time series subsequences or instances). We model each landmark segment through scaling the template in both temporal and magnitude dimensions. To suppress the influence of noise, we introduce the concept oftrust region, which not only helps to achieve an improved instance model, but also helps to catch the accurate boundaries of instances of the given template. Based on the similarities derived from instance models, we introduce the probability density function to calculate a similarity threshold. The threshold can be used to judge if a landmark segment is a true instance of the given template or not. To evaluate the effectiveness and efficiency of the proposed method, we apply it to two real-world datasets. The results show that our method is capable of detecting patterns of temporal and magnitude deformations with competitive performance

Granger Causality Based Hierarchical Time Series Clustering for State Estimation

&nbsp;&nbsp;&nbsp;&nbsp; Clustering is an unsupervised learning technique that is useful when working with a large volume of unlabeled data. Complex dynamical systems in real life often entail data streaming from a large number of sources. Although it is desirable to use all source variables to form accurate state estimates, it is often impractical due to large computational power requirements, and sufficiently robust algorithms to handle these cases are not common. We propose a hierarchical time series clustering technique based on symbolic dynamic filtering and Granger causality, which serves as a dimensionality reduction and noise-rejection tool. Our process forms a hierarchy of variables in the multivariate time series with clustering of relevant variables at each level, thus separating out noise and less relevant variables. A new distance metric based on Granger causality is proposed and used for the time series clustering, as well as validated on empirical data sets. Experimental results from occupancy detection and building temperature estimation tasks show fidelity to the empirical data sets while maintaining state-prediction accuracy with substantially reduced data dimensionality.</p

Density-based algorithms for active and anytime clustering

Data intensive applications like biology, medicine, and neuroscience require effective and efficient data mining technologies. Advanced data acquisition methods produce a constantly increasing volume and complexity. As a consequence, the need of new data mining technologies to deal with complex data has emerged during the last decades. In this thesis, we focus on the data mining task of clustering in which objects are separated in different groups (clusters) such that objects inside a cluster are more similar than objects in different clusters. Particularly, we consider density-based clustering algorithms and their applications in biomedicine. The core idea of the density-based clustering algorithm DBSCAN is that each object within a cluster must have a certain number of other objects inside its neighborhood. Compared with other clustering algorithms, DBSCAN has many attractive benefits, e.g., it can detect clusters with arbitrary shape and is robust to outliers, etc. Thus, DBSCAN has attracted a lot of research interest during the last decades with many extensions and applications. In the first part of this thesis, we aim at developing new algorithms based on the DBSCAN paradigm to deal with the new challenges of complex data, particularly expensive distance measures and incomplete availability of the distance matrix. Like many other clustering algorithms, DBSCAN suffers from poor performance when facing expensive distance measures for complex data. To tackle this problem, we propose a new algorithm based on the DBSCAN paradigm, called Anytime Density-based Clustering (A-DBSCAN), that works in an anytime scheme: in contrast to the original batch scheme of DBSCAN, the algorithm A-DBSCAN first produces a quick approximation of the clustering result and then continuously refines the result during the further run. Experts can interrupt the algorithm, examine the results, and choose between (1) stopping the algorithm at any time whenever they are satisfied with the result to save runtime and (2) continuing the algorithm to achieve better results. Such kind of anytime scheme has been proven in the literature as a very useful technique when dealing with time consuming problems. We also introduced an extended version of A-DBSCAN called A-DBSCAN-XS which is more efficient and effective than A-DBSCAN when dealing with expensive distance measures. Since DBSCAN relies on the cardinality of the neighborhood of objects, it requires the full distance matrix to perform. For complex data, these distances are usually expensive, time consuming or even impossible to acquire due to high cost, high time complexity, noisy and missing data, etc. Motivated by these potential difficulties of acquiring the distances among objects, we propose another approach for DBSCAN, called Active Density-based Clustering (Act-DBSCAN). Given a budget limitation B, Act-DBSCAN is only allowed to use up to B pairwise distances ideally to produce the same result as if it has the entire distance matrix at hand. The general idea of Act-DBSCAN is that it actively selects the most promising pairs of objects to calculate the distances between them and tries to approximate as much as possible the desired clustering result with each distance calculation. This scheme provides an efficient way to reduce the total cost needed to perform the clustering. Thus it limits the potential weakness of DBSCAN when dealing with the distance sparseness problem of complex data. As a fundamental data clustering algorithm, density-based clustering has many applications in diverse fields. In the second part of this thesis, we focus on an application of density-based clustering in neuroscience: the segmentation of the white matter fiber tracts in human brain acquired from Diffusion Tensor Imaging (DTI). We propose a model to evaluate the similarity between two fibers as a combination of structural similarity and connectivity-related similarity of fiber tracts. Various distance measure techniques from fields like time-sequence mining are adapted to calculate the structural similarity of fibers. Density-based clustering is used as the segmentation algorithm. We show how A-DBSCAN and A-DBSCAN-XS are used as novel solutions for the segmentation of massive fiber datasets and provide unique features to assist experts during the fiber segmentation process.Datenintensive Anwendungen wie Biologie, Medizin und Neurowissenschaften erfordern effektive und effiziente Data-Mining-Technologien. Erweiterte Methoden der Datenerfassung erzeugen stetig wachsende Datenmengen und Komplexit\"at. In den letzten Jahrzehnten hat sich daher ein Bedarf an neuen Data-Mining-Technologien f\"ur komplexe Daten ergeben. In dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf die Data-Mining-Aufgabe des Clusterings, in der Objekte in verschiedenen Gruppen (Cluster) getrennt werden, so dass Objekte in einem Cluster untereinander viel \"ahnlicher sind als Objekte in verschiedenen Clustern. Insbesondere betrachten wir dichtebasierte Clustering-Algorithmen und ihre Anwendungen in der Biomedizin. Der Kerngedanke des dichtebasierten Clustering-Algorithmus DBSCAN ist, dass jedes Objekt in einem Cluster eine bestimmte Anzahl von anderen Objekten in seiner Nachbarschaft haben muss. Im Vergleich mit anderen Clustering-Algorithmen hat DBSCAN viele attraktive Vorteile, zum Beispiel kann es Cluster mit beliebiger Form erkennen und ist robust gegen\"uber Ausrei{\ss}ern. So hat DBSCAN in den letzten Jahrzehnten gro{\ss}es Forschungsinteresse mit vielen Erweiterungen und Anwendungen auf sich gezogen. Im ersten Teil dieser Arbeit wollen wir auf die Entwicklung neuer Algorithmen eingehen, die auf dem DBSCAN Paradigma basieren, um mit den neuen Herausforderungen der komplexen Daten, insbesondere teurer Abstandsma{\ss}e und unvollst\"andiger Verf\"ugbarkeit der Distanzmatrix umzugehen. Wie viele andere Clustering-Algorithmen leidet DBSCAN an schlechter Per- formanz, wenn es teuren Abstandsma{\ss}en f\"ur komplexe Daten gegen\"uber steht. Um dieses Problem zu l\"osen, schlagen wir einen neuen Algorithmus vor, der auf dem DBSCAN Paradigma basiert, genannt Anytime Density-based Clustering (A-DBSCAN), der mit einem Anytime Schema funktioniert. Im Gegensatz zu dem urspr\"unglichen Schema DBSCAN, erzeugt der Algorithmus A-DBSCAN zuerst eine schnelle Ann\"aherung des Clusterings-Ergebnisses und verfeinert dann kontinuierlich das Ergebnis im weiteren Verlauf. Experten k\"onnen den Algorithmus unterbrechen, die Ergebnisse pr\"ufen und w\"ahlen zwischen (1) Anhalten des Algorithmus zu jeder Zeit, wann immer sie mit dem Ergebnis zufrieden sind, um Laufzeit sparen und (2) Fortsetzen des Algorithmus, um bessere Ergebnisse zu erzielen. Eine solche Art eines "Anytime Schemas" ist in der Literatur als eine sehr n\"utzliche Technik erprobt, wenn zeitaufwendige Problemen anfallen. Wir stellen auch eine erweiterte Version von A-DBSCAN als A-DBSCAN-XS vor, die effizienter und effektiver als A-DBSCAN beim Umgang mit teuren Abstandsma{\ss}en ist. Da DBSCAN auf der Kardinalit\"at der Nachbarschaftsobjekte beruht, ist es notwendig, die volle Distanzmatrix auszurechen. F\"ur komplexe Daten sind diese Distanzen in der Regel teuer, zeitaufwendig oder sogar unm\"oglich zu errechnen, aufgrund der hohen Kosten, einer hohen Zeitkomplexit\"at oder verrauschten und fehlende Daten. Motiviert durch diese m\"oglichen Schwierigkeiten der Berechnung von Entfernungen zwischen Objekten, schlagen wir einen anderen Ansatz f\"ur DBSCAN vor, namentlich Active Density-based Clustering (Act-DBSCAN). Bei einer Budgetbegrenzung B, darf Act-DBSCAN nur bis zu B ideale paarweise Distanzen verwenden, um das gleiche Ergebnis zu produzieren, wie wenn es die gesamte Distanzmatrix zur Hand h\"atte. Die allgemeine Idee von Act-DBSCAN ist, dass es aktiv die erfolgversprechendsten Paare von Objekten w\"ahlt, um die Abst\"ande zwischen ihnen zu berechnen, und versucht, sich so viel wie m\"oglich dem gew\"unschten Clustering mit jeder Abstandsberechnung zu n\"ahern. Dieses Schema bietet eine effiziente M\"oglichkeit, die Gesamtkosten der Durchf\"uhrung des Clusterings zu reduzieren. So schr\"ankt sie die potenzielle Schw\"ache des DBSCAN beim Umgang mit dem Distance Sparseness Problem von komplexen Daten ein. Als fundamentaler Clustering-Algorithmus, hat dichte-basiertes Clustering viele Anwendungen in den unterschiedlichen Bereichen. Im zweiten Teil dieser Arbeit konzentrieren wir uns auf eine Anwendung des dichte-basierten Clusterings in den Neurowissenschaften: Die Segmentierung der wei{\ss}en Substanz bei Faserbahnen im menschlichen Gehirn, die vom Diffusion Tensor Imaging (DTI) erfasst werden. Wir schlagen ein Modell vor, um die \"Ahnlichkeit zwischen zwei Fasern als einer Kombination von struktureller und konnektivit\"atsbezogener \"Ahnlichkeit von Faserbahnen zu beurteilen. Verschiedene Abstandsma{\ss}e aus Bereichen wie dem Time-Sequence Mining werden angepasst, um die strukturelle \"Ahnlichkeit von Fasern zu berechnen. Dichte-basiertes Clustering wird als Segmentierungsalgorithmus verwendet. Wir zeigen, wie A-DBSCAN und A-DBSCAN-XS als neuartige L\"osungen f\"ur die Segmentierung von sehr gro{\ss}en Faserdatens\"atzen verwendet werden, und bieten innovative Funktionen, um Experten w\"ahrend des Fasersegmentierungsprozesses zu unterst\"utzen

Dynamic segmentation techniques applied to load profiles of electric energy consumption from domestic users

[EN] The electricity sector is currently undergoing a process of liberalization and separation of roles, which is being implemented under the regulatory auspices of each Member State of the European Union and, therefore, with different speeds, perspectives and objectives that must converge on a common horizon, where Europe will benefit from an interconnected energy market in which producers and consumers can participate in free competition. This process of liberalization and separation of roles involves two consequences or, viewed another way, entails a major consequence from which other immediate consequence, as a necessity, is derived. The main consequence is the increased complexity in the management and supervision of a system, the electrical, increasingly interconnected and participatory, with connection of distributed energy sources, much of them from renewable sources, at different voltage levels and with different generation capacity at any point in the network. From this situation the other consequence is derived, which is the need to communicate information between agents, reliably, safely and quickly, and that this information is analyzed in the most effective way possible, to form part of the processes of decision taking that improve the observability and controllability of a system which is increasing in complexity and number of agents involved. With the evolution of Information and Communication Technologies (ICT), and the investments both in improving existing measurement and communications infrastructure, and taking the measurement and actuation capacity to a greater number of points in medium and low voltage networks, the availability of data that informs of the state of the network is increasingly higher and more complete. All these systems are part of the so-called Smart Grids, or intelligent networks of the future, a future which is not so far. One such source of information comes from the energy consumption of customers, measured on a regular basis (every hour, half hour or quarter-hour) and sent to the Distribution System Operators from the Smart Meters making use of Advanced Metering Infrastructure (AMI). This way, there is an increasingly amount of information on the energy consumption of customers, being stored in Big Data systems. This growing source of information demands specialized techniques which can take benefit from it, extracting a useful and summarized knowledge from it. This thesis deals with the use of this information of energy consumption from Smart Meters, in particular on the application of data mining techniques to obtain temporal patterns that characterize the users of electrical energy, grouping them according to these patterns in a small number of groups or clusters, that allow evaluating how users consume energy, both during the day and during a sequence of days, allowing to assess trends and predict future scenarios. For this, the current techniques are studied and, proving that the current works do not cover this objective, clustering or dynamic segmentation techniques applied to load profiles of electric energy consumption from domestic users are developed. These techniques are tested and validated on a database of hourly energy consumption values for a sample of residential customers in Spain during years 2008 and 2009. The results allow to observe both the characterization in consumption patterns of the different types of residential energy consumers, and their evolution over time, and to assess, for example, how the regulatory changes that occurred in Spain in the electricity sector during those years influenced in the temporal patterns of energy consumption.[ES] El sector eléctrico se halla actualmente sometido a un proceso de liberalización y separación de roles, que está siendo aplicado bajo los auspicios regulatorios de cada Estado Miembro de la Unión Europea y, por tanto, con distintas velocidades, perspectivas y objetivos que deben confluir en un horizonte común, en donde Europa se beneficiará de un mercado energético interconectado, en el cual productores y consumidores podrán participar en libre competencia. Este proceso de liberalización y separación de roles conlleva dos consecuencias o, visto de otra manera, conlleva una consecuencia principal de la cual se deriva, como necesidad, otra consecuencia inmediata. La consecuencia principal es el aumento de la complejidad en la gestión y supervisión de un sistema, el eléctrico, cada vez más interconectado y participativo, con conexión de fuentes distribuidas de energía, muchas de ellas de origen renovable, a distintos niveles de tensión y con distinta capacidad de generación, en cualquier punto de la red. De esta situación se deriva la otra consecuencia, que es la necesidad de comunicar información entre los distintos agentes, de forma fiable, segura y rápida, y que esta información sea analizada de la forma más eficaz posible, para que forme parte de los procesos de toma de decisiones que mejoran la observabilidad y controlabilidad de un sistema cada vez más complejo y con más agentes involucrados. Con el avance de las Tecnologías de Información y Comunicaciones (TIC), y las inversiones tanto en mejora de la infraestructura existente de medida y comunicaciones, como en llevar la obtención de medidas y la capacidad de actuación a un mayor número de puntos en redes de media y baja tensión, la disponibilidad de datos sobre el estado de la red es cada vez mayor y más completa. Todos estos sistemas forman parte de las llamadas Smart Grids, o redes inteligentes del futuro, un futuro ya no tan lejano. Una de estas fuentes de información proviene de los consumos energéticos de los clientes, medidos de forma periódica (cada hora, media hora o cuarto de hora) y enviados hacia las Distribuidoras desde los contadores inteligentes o Smart Meters, mediante infraestructura avanzada de medida o Advanced Metering Infrastructure (AMI). De esta forma, cada vez se tiene una mayor cantidad de información sobre los consumos energéticos de los clientes, almacenada en sistemas de Big Data. Esta cada vez mayor fuente de información demanda técnicas especializadas que sepan aprovecharla, extrayendo un conocimiento útil y resumido de la misma. La presente Tesis doctoral versa sobre el uso de esta información de consumos energéticos de los contadores inteligentes, en concreto sobre la aplicación de técnicas de minería de datos (data mining) para obtener patrones temporales que caractericen a los usuarios de energía eléctrica, agrupándolos según estos mismos patrones en un número reducido de grupos o clusters, que permiten evaluar la forma en que los usuarios consumen la energía, tanto a lo largo del día como durante una secuencia de días, permitiendo evaluar tendencias y predecir escenarios futuros. Para ello se estudian las técnicas actuales y, comprobando que los trabajos actuales no cubren este objetivo, se desarrollan técnicas de clustering o segmentación dinámica aplicadas a curvas de carga de consumo eléctrico diario de clientes domésticos. Estas técnicas se prueban y validan sobre una base de datos de consumos energéticos horarios de una muestra de clientes residenciales en España durante los años 2008 y 2009. Los resultados permiten observar tanto la caracterización en consumos de los distintos tipos de consumidores energéticos residenciales, como su evolución en el tiempo, y permiten evaluar, por ejemplo, cómo influenciaron en los patrones temporales de consumos los cambios regulatorios que se produjeron en España en el sector eléctrico durante esos años.[CA] El sector elèctric es troba actualment sotmès a un procés de liberalització i separació de rols, que s'està aplicant davall els auspicis reguladors de cada estat membre de la Unió Europea i, per tant, amb distintes velocitats, perspectives i objectius que han de confluir en un horitzó comú, on Europa es beneficiarà d'un mercat energètic interconnectat, en el qual productors i consumidors podran participar en lliure competència. Aquest procés de liberalització i separació de rols comporta dues conseqüències o, vist d'una altra manera, comporta una conseqüència principal de la qual es deriva, com a necessitat, una altra conseqüència immediata. La conseqüència principal és l'augment de la complexitat en la gestió i supervisió d'un sistema, l'elèctric, cada vegada més interconnectat i participatiu, amb connexió de fonts distribuïdes d'energia, moltes d'aquestes d'origen renovable, a distints nivells de tensió i amb distinta capacitat de generació, en qualsevol punt de la xarxa. D'aquesta situació es deriva l'altra conseqüència, que és la necessitat de comunicar informació entre els distints agents, de forma fiable, segura i ràpida, i que aquesta informació siga analitzada de la manera més eficaç possible, perquè forme part dels processos de presa de decisions que milloren l'observabilitat i controlabilitat d'un sistema cada vegada més complex i amb més agents involucrats. Amb l'avanç de les tecnologies de la informació i les comunicacions (TIC), i les inversions, tant en la millora de la infraestructura existent de mesura i comunicacions, com en el trasllat de l'obtenció de mesures i capacitat d'actuació a un nombre més gran de punts en xarxes de mitjana i baixa tensió, la disponibilitat de dades sobre l'estat de la xarxa és cada vegada major i més completa. Tots aquests sistemes formen part de les denominades Smart Grids o xarxes intel·ligents del futur, un futur ja no tan llunyà. Una d'aquestes fonts d'informació prové dels consums energètics dels clients, mesurats de forma periòdica (cada hora, mitja hora o quart d'hora) i enviats cap a les distribuïdores des dels comptadors intel·ligents o Smart Meters, per mitjà d'infraestructura avançada de mesura o Advanced Metering Infrastructure (AMI). D'aquesta manera, cada vegada es té una major quantitat d'informació sobre els consums energètics dels clients, emmagatzemada en sistemes de Big Data. Aquesta cada vegada major font d'informació demanda tècniques especialitzades que sàpiguen aprofitar-la, extraient-ne un coneixement útil i resumit. La present tesi doctoral versa sobre l'ús d'aquesta informació de consums energètics dels comptadors intel·ligents, en concret sobre l'aplicació de tècniques de mineria de dades (data mining) per a obtenir patrons temporals que caracteritzen els usuaris d'energia elèctrica, agrupant-los segons aquests mateixos patrons en una quantitat reduïda de grups o clusters, que permeten avaluar la forma en què els usuaris consumeixen l'energia, tant al llarg del dia com durant una seqüència de dies, i que permetent avaluar tendències i predir escenaris futurs. Amb aquesta finalitat, s'estudien les tècniques actuals i, en comprovar que els treballs actuals no cobreixen aquest objectiu, es desenvolupen tècniques de clustering o segmentació dinàmica aplicades a corbes de càrrega de consum elèctric diari de clients domèstics. Aquestes tècniques es proven i validen sobre una base de dades de consums energètics horaris d'una mostra de clients residencials a Espanya durant els anys 2008 i 2009. Els resultats permeten observar tant la caracterització en consums dels distints tipus de consumidors energètics residencials, com la seua evolució en el temps, i permeten avaluar, per exemple, com van influenciar en els patrons temporals de consums els canvis reguladors que es van produir a Espanya en el sector elèctric durant aquests anys.Benítez Sánchez, IJ. (2015). Dynamic segmentation techniques applied to load profiles of electric energy consumption from domestic users [Tesis doctoral no publicada]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/59236TESI

Distributed and Communication-Efficient Continuous Data Processing in Vehicular Cyber-Physical Systems

Processing the data produced by modern connected vehicles is of increasing interest for vehicle manufacturers to gain knowledge and develop novel functions and applications for the future of mobility.Connected vehicles form Vehicular Cyber-Physical Systems (VCPSs) that continuously sense increasingly large data volumes from high-bandwidth sensors such as LiDARs (an array of laser-based distance sensors that create a 3D map of the surroundings).The straightforward attempt of gathering all raw data from a VCPS to a central location for analysis often fails due to limits imposed by the infrastructure on the communication and storage capacities. In this Licentiate thesis, I present the results from my research that investigates techniques aiming at reducing the data volumes that need to be transmitted from vehicles through online compression and adaptive selection of participating vehicles. As explained in this work, the key to reducing the communication volume is in pushing parts of the necessary processing onto the vehicles\u27 on-board computers, thereby favorably leveraging the available distributed processing infrastructure in a VCPS.The findings highlight that existing analysis workflows can be sped up significantly while reducing their data volume footprint and incurring only modest accuracy decreases. At the same time, the adaptive selection of vehicles for analyses proves to provide a sufficiently large subset of vehicles that have compliant data for further analyses, while balancing the time needed for selection and the induced computational load

Unsupervised object candidate discovery for activity recognition

Die automatische Interpretation menschlicher Bewegungsabläufe auf Basis von Videos ist ein wichtiger Bestandteil vieler Anwendungen im Bereich des Maschinellen Sehens, wie zum Beispiel Mensch-Roboter Interaktion, Videoüberwachung, und inhaltsbasierte Analyse von Multimedia Daten. Anders als die meisten Ansätze auf diesem Gebiet, die hauptsächlich auf die Klassifikation von einfachen Aktionen, wie Aufstehen, oder Gehen ausgerichtet sind, liegt der Schwerpunkt dieser Arbeit auf der Erkennung menschlicher Aktivitäten, d.h. komplexer Aktionssequenzen, die meist Interaktionen des Menschen mit Objekten beinhalten. Gemäß der Aktionsidentifikationstheorie leiten menschliche Aktivitäten ihre Bedeutung nicht nur von den involvierten Bewegungsmustern ab, sondern vor allem vom generellen Kontext, in dem sie stattfinden. Zu diesen kontextuellen Informationen gehören unter anderem die Gesamtheit aller vorher furchgeführter Aktionen, der Ort an dem sich die aktive Person befindet, sowie die Menge der Objekte, die von ihr manipuliert werden. Es ist zum Beispiel nicht möglich auf alleiniger Basis von Bewegungsmustern und ohne jeglicher Miteinbeziehung von Objektwissen zu entschieden ob eine Person, die ihre Hand zum Mund führt gerade etwas isst oder trinkt, raucht, oder bloß die Lippen abwischt. Die meisten Arbeiten auf dem Gebiet der computergestützten Aktons- und Aktivitätserkennung ignorieren allerdings jegliche durch den Kontext bedingte Informationen und beschränken sich auf die Identifikation menschlicher Aktivitäten auf Basis der beobachteten Bewegung. Wird jedoch Objektwissen für die Klassifikation miteinbezogen, so geschieht dies meist unter Zuhilfenahme von überwachten Detektoren, für deren Einrichtung widerum eine erhebliche Menge an Trainingsdaten erforderlich ist. Bedingt durch die hohen zeitlichen Kosten, die die Annotation dieser Trainingsdaten mit sich bringt, wird das Erweitern solcher Systeme, zum Beispiel durch das Hinzufügen neuer Typen von Aktionen, zum eigentlichen Flaschenhals. Ein weiterer Nachteil des Hinzuziehens von überwacht trainierten Objektdetektoren, ist deren Fehleranfälligkeit, selbst wenn die verwendeten Algorithmen dem neuesten Stand der Technik entsprechen. Basierend auf dieser Beobachtung ist das Ziel dieser Arbeit die Leistungsfähigkeit computergestützter Aktivitätserkennung zu verbessern mit Hilfe der Hinzunahme von Objektwissen, welches im Gegensatz zu den bisherigen Ansätzen ohne überwachten Trainings gewonnen werden kann. Wir Menschen haben die bemerkenswerte Fähigkeit selektiv die Aufmerksamkeit auf bestimmte Regionen im Blickfeld zu fokussieren und gleichzeitig nicht relevante Regionen auszublenden. Dieser kognitive Prozess erlaubt es uns unsere beschränkten Bewusstseinsressourcen unbewusst auf Inhalte zu richten, die anschließend durch das Gehirn ausgewertet werden. Zum Beispiel zur Interpretation visueller Muster als Objekte eines bestimmten Typs. Die Regionen im Blickfeld, die unsere Aufmerksamkeit unbewusst anziehen werden als Proto-Objekte bezeichnet. Sie sind definiert als unbestimmte Teile des visuellen Informationsspektrums, die zu einem späteren Zeitpunkt durch den Menschen als tatsächliche Objekte wahrgenommen werden können, wenn er seine Aufmerksamkeit auf diese richtet. Einfacher ausgedrückt: Proto-Objekte sind Kandidaten für Objekte, oder deren Bestandteile, die zwar lokalisiert aber noch nicht identifiziert wurden. Angeregt durch die menschliche Fähigkeit solche visuell hervorstechenden (salienten) Regionen zuverlässig vom Hintergrund zu unterscheiden, haben viele Wissenschaftler Methoden entwickelt, die es erlauben Proto-Objekte zu lokalisieren. Allen diesen Algorithmen ist gemein, dass möglichst wenig statistisches Wissens über tatsächliche Objekte vorausgesetzt wird. Visuelle Aufmerksamkeit und Objekterkennung sind sehr eng miteinander vernküpfte Prozesse im visuellen System des Menschen. Aus diesem Grund herrscht auf dem Gebiet des Maschinellen Sehens ein reges Interesse an der Integration beider Konzepte zur Erhöhung der Leistung aktueller Bilderkennungssysteme. Die im Rahmen dieser Arbeit entwickelten Methoden gehen in eine ähnliche Richtung: wir demonstrieren, dass die Lokalisation von Proto-Objekten es erlaubt Objektkandidaten zu finden, die geeignet sind als zusätzliche Modalität zu dienen für die bewegungsbasierte Erkennung menschlicher Aktivitäten. Die Grundlage dieser Arbeit bildet dabei ein sehr effizienter Algorithmus, der die visuelle Salienz mit Hilfe von quaternionenbasierten DCT Bildsignaturen approximiert. Zur Extraktion einer Menge geeigneter Objektkandidaten (d.h. Proto-Objekten) aus den resultierenden Salienzkarten, haben wir eine Methode entwickelt, die den kognitiven Mechanismus des Inhibition of Return implementiert. Die auf diese Weise gewonnenen Objektkandidaten nutzen wir anschliessend in Kombination mit state-of-the-art Bag-of-Words Methoden zur Merkmalsbeschreibung von Bewegungsmustern um komplexe Aktivitäten des täglichen Lebens zu klassifizieren. Wir evaluieren das im Rahmen dieser Arbeit entwickelte System auf diversen häufig genutzten Benchmark-Datensätzen und zeigen experimentell, dass das Miteinbeziehen von Proto-Objekten für die Aktivitätserkennung zu einer erheblichen Leistungssteigerung führt im Vergleich zu rein bewegungsbasierten Ansätzen. Zudem demonstrieren wir, dass das vorgestellte System bei der Erkennung menschlicher Aktivitäten deutlich weniger Fehler macht als eine Vielzahl von Methoden, die dem aktuellen Stand der Technik entsprechen. Überraschenderweise übertrifft unser System leistungsmäßig sogar Verfahren, die auf Objektwissen aufbauen, welches von überwacht trainierten Detektoren, oder manuell erstellten Annotationen stammt. Benchmark-Datensätze sind ein sehr wichtiges Mittel zum quantitativen Vergleich von computergestützten Mustererkennungsverfahren. Nach einer Überprüfung aller öffentlich verfügbaren, relevanten Benchmarks, haben wir jedoch festgestellt, dass keiner davon geeignet war für eine detaillierte Evaluation von Methoden zur Erkennung komplexer, menschlicher Aktivitäten. Aus diesem Grund bestand ein Teil dieser Arbeit aus der Konzeption und Aufnahme eines solchen Datensatzes, des KIT Robo-kitchen Benchmarks. Wie der Name vermuten lässt haben wir uns dabei für ein Küchenszenario entschieden, da es ermöglicht einen großen Umfang an Aktivitäten des täglichen Lebens einzufangen, von denen viele Objektmanipulationen enthalten. Um eine möglichst umfangreiche Menge natürlicher Bewegungen zu erhalten, wurden die Teilnehmer während der Aufnahmen kaum eingeschränkt in der Art und Weise wie die diversen Aktivitäten auszuführen sind. Zu diesem Zweck haben wir den Probanden nur die Art der auszuführenden Aktivität mitgeteilt, sowie wo die benötigten Gegenstände zu finden sind, und ob die jeweilige Tätigkeit am Küchentisch oder auf der Arbeitsplatte auszuführen ist. Dies hebt KIT Robo-kitchen deutlich hervor gegenüber den meisten existierenden Datensätzen, die sehr unrealistisch gespielte Aktivitäten enthalten, welche unter Laborbedingungen aufgenommen wurden. Seit seiner Veröffentlichung wurde der resultierende Benchmark mehrfach verwendet zur Evaluation von Algorithmen, die darauf abzielen lang andauerne, realistische, komplexe, und quasi-periodische menschliche Aktivitäten zu erkennen

A MPAA-based iterative clustering algorithm augmented by nearest neighbors search for time-series data streams

Abstract. In streaming time series the Clustering problem is more complex, since the dynamic nature of streaming data makes previous clustering methods inappropriate. In this paper, we propose firstly a new method to evaluate Clustering in streaming time series databases. First, we introduce a novel multiresolution PAA (MPAA) transform to achieve our iterative clustering algorithm. The method is based on the use of a multi-resolution piecewise aggregate approximation representation, which is used to extract features of time series. Then, we propose our iterative clustering approach for streaming time series. We take advantage of the multiresolution property of MPPA and equip a stopping criteria based on Hoeffding bound in order to achieve fast response time. Our streaming time-series clustering algorithm also works by leveraging off the nearest neighbors of the incoming streaming time series datasets and fulfill incremental clustering approach. The comprehensive experiments based on several publicly available real data sets shows that significant performance improvement is achieved and produce high-quality clusters in comparison to the previous methods.