基于深度学习的时序数据异常检测研究综述

doi:10.3969/j.issn.1671-1122.2025.03.002

摘要/Abstract

摘要：

时序数据异常检测是数据挖掘及网络安全领域的重要研究课题。文章以时序数据异常检测技术为研究对象，运用文献调研与比较分析方法，深入探讨了深度学习模型在该领域的应用及其研究进展。文章首先介绍了深度时序数据异常检测的定义与应用；其次，提出了深度时序数据异常检测面临的9个问题与挑战，并将时序数据异常分为10类，枚举了16种典型的时序数据异常检测数据集，其中包括5种社交网络舆情安全领域相关数据集；再次，文章将深度时序数据异常检测模型进行分类研究，分析总结了近50个相关模型，其中包括基于半监督增量学习的社交网络不良信息发布者异常检测，进一步地，文章依据深度学习模型的学习模式将模型划分为基于重构、基于预测、基于重构与预测融合3种类型，并对这些模型的优缺点及应用场景进行综合分析；最后，文章从8个方面展望了深度时序异常检测技术的未来研究方向，分析了每个方向的潜在研究价值及技术瓶颈。

关键词: 深度学习, 时序数据, 异常检测, 模型分类, 社交网络

Abstract:

Anomaly detection for time series data is an important area of data mining and network security research. This paper focuses on time series anomaly detection techniques, employing literature survey and comparison analysis to thoroughly examine the applications and research progress of deep learning models in this domain. The research firstly introduced the definition and applications of deep time series anomaly detection, followed by an identification of the nine key challenges faced in this area. Time series anomalies were categorized into ten types, and sixteen typical anomaly detection datasets were enumerated, including five datasets related to social network public opinion security. Deep time series anomaly detection models were classified, the paper categorized and summarized nearly fifty relevant models, including those based on semi-supervised incremental learning for detecting abnormal information disseminators in social networks. Furthermore, the research classified these models into three categories according to their learning modes: reconstruction-based, prediction-based, and a fusion model, their advantages, disadvantages and applications were compared. Finally, the research outlined future research directions for deep time series anomaly detection in eight key areas, providing comprehensive perspects on potential advancements in the fields, potential values and technological bottlenecks were analyzed.

Key words: deep learning, time series data, anomaly detection, model classification, social network

中图分类号:

TP309

陈红松, 刘新蕊, 陶子美, 王志恒. 基于深度学习的时序数据异常检测研究综述[J]. 信息网络安全, 2025, 25(3): 364-391.

CHEN Hongsong, LIU Xinrui, TAO Zimei, WANG Zhiheng. A Survey of Anomaly Detection Model for Time Series Data Based on Deep Learning[J]. Netinfo Security, 2025, 25(3): 364-391.

图/表 22

表1

图1

图2

图3

表2

图4

图5

图6

表3

基于重构的时序数据异常检测模型研究

序号	文献	模型	任务	数据集	模型性能	研究亮点	存在的问题与挑战
1	文献^[40] （2019）	MAD- GAN	水处理和水分配时序异常检测	SWaT和WADI	F1分数为0.81和0.62	使用一种称为 DR -score 的新型异常分数，通过鉴别和重建来检测异常	依然可能出现“梯度失稳”和“模式崩溃”问题
2	文献^[41] （2019）	MSC- RED	多变量时序异常检测	Synthetic、Power Plant	F1分数为0.89	构造多尺度特征矩阵，开发基于注意力的卷积长短时记忆网络来捕获时间模式	强调数据的时间依赖性，对特征间相关性的建模能力较弱
3	文献^[42] （2020）	GAD	网络拓扑中大规模 KPI异常检测	洛杉矶高速路数据集	F1分数为0.9698，AUC值为0.9722	门框卷积和图卷积组成编码器提取KPI的时空特征	未来可考虑无人驾驶网络、智能机器人集群等基于拓扑图的智能运维场景
4	文献^[12] （2021）	MM- GAN	心律失常和时序信号异常检测	MIT-BIH心电图数据集和UCR时间序列数据集	AUC分别为0.956和0.9186（UCR中最高）	使用WT进行模态转换，采用自适应卷积的编码器	多个模态的引入可能会使编解码过程比较复杂困难
5	文献^[43] （2021）	Inter- Fusion	多变量时序异常检测	SWAT、WADI、SMD、ASD	总体最佳F1评分为0.9433	利用具有特定结构的HVAE同时对MTS中的度量依赖和时间依赖进行建模	未来可研究在制造业和信息技术系统领域中部署
6	文献^[44] （2021）	GTA	多元时间序列异常检测	WADI、 SMAP、 MSL、 SWaT	F1分数为0.91	连接学习策略基于 Gumbel-softmax 采样方法来学习传感器之间的双向链接	探索如何与在线学习策略相结合，应用于未来工作的移动物联网场景
7	文献^[45] （2022）	TranAD	多元时间序列异常检测	NAB、UCR、 MBA、SMAP、 MSL、SWaT、 WADI、SMD、 MSDS	F1 分数最高可达0.9780	基于焦点分数的自适应来实现鲁棒的多模态特征提取和对抗训练以获得稳定性	未来可将该方法扩展到其他变压器模型，以允许模型泛化到数据的不同时间趋势
8	文献^[46] （2022）	LSTM-GAN	多元时间序列数据异常检测	SWaT、SMD、 MSL、SMAP	检测性能提升了 4.4%~16.6%	采用自编码器架构，解决了GAN存在的梯度不稳定和模式崩溃等问题	采用Bi-LSTM 来建模数据的时间依赖性，可能会带来较大的计算成本
9	文献^[10] （2022）	VAE-WGAN	时序异常检测	KDD99-sub、 SMAP、MSL、 SWaT	准确率总评为0.7625，F1分数为0.7067	使用 Wasserstein距离代替f 散度，使用滑动窗口自适应的阈值设定方法	未来考虑将该方法拓展到基于网络流量的入侵检测系统
10	文献^[47] （2022）	CAE	多变量时序异常检测	SMAP、 SMD、 MSL	F1分数高达0.9376	利用注意力机制来捕捉时间依赖，采用上下文对比的方法学习位置信息	未考虑各种数据集中长尾问题的改进方法，阈值是指定的，并非动态选择
11	文献^[17] （2022）	GReLeN	时间序列异常检测	SWaT、WADI、SMD、PSM	总评F1分数最高为0.855	采用图神经网络和随机图关系学习策略来捕捉传感器间的相关性	对异常数据进行诊断，要求结果具有明显特征
12	文献^[48] （2023）	STAD-GAN（重构）	多变量时序异常检测	SMAP、SMD、MSL、SWaT、WADI、KDD99	平均F1分数为0.881	采用自训练的教师—学生框架进行优化，教师模型生成可靠的高质量伪标签	可能仍存在“梯度失稳”和“模式崩溃”问题
13	文献^[49] （2023）	WAGAN	传感器时序异常检测	SWaT	F1分数为0.9436，召回率为0.9965	使用多级离散小波变换分解重构传感器数据，引入注意力机制和多层LSTM网络	阈值选择的方法不佳，后续应考虑根据训练结果动态选择阈值
14	文献^[50] （2023）	BTAD	多变量时序异常检测	SMD、SWaT、SMAP、MBA、NAB、MSDS	F1分数均高于其他基线模型，最高可达0.9957	利用双变压器结构提取数据集关联特征	进一步提高BTAD检测性能的方法，探索如何降低双变压器结构的性能开销
15	文献^[51]（2023）	VAE-BiLSTM	工业多变量时序异常检测	机器采集	建模的工业过程作为一个集合的子过程产生了更好的鉴别力	以KPI的形式捕获先验知识，对AE的子过程性能进行了统计分析	未来考虑无监督训练集的构造和无监督机器学习体系结构的评价指标
16	文献^[52] （2023）	ST-MTS-AD	多变量时序异常检测	SMD、SMAP、 MSL、SWaT	F1分数高达0.9819	基于 Transformer 编码器生成的时序特征实现隐空间中随机变量间的长时依赖性	研究如何基于 Transformer 编码器实现隐空间中随机变量间的非马尔可夫动态性

表3

图7

图8

图9

表4

基于预测的时序数据异常检测模型研究

序号	文献	模型	任务	数据集	模型性能	研究亮点	存在的问题或挑战
1	文献^[53] （2018）	LSTM-NDT	对航天器发回的遥测数据进行异常检测	MSL、SMAP	F0.5分数分别为0.69、0.71	提出一种不依赖于稀缺标签或错误参数假设的动态阈值方法	需要对信道异常相关性数学函数提供复杂系统行为异常洞察
2	文献^[54] （2021）	TCN	航天器遥测数据异常检测，实现高检出率、低误检率、强可解释性	Voltage1、Voltage2、Current1	ACC和TPR的平均值分别为96%和98%	利用TCN算法提取遥测数据的特征并进行预测，利用静态阈值判断法确定潜在异常	目前TCN仅仅是理论模型，在实际应用中的结果并没有得到，尚不能肯定其效果
3	文献^[55] （2021）	LSTM+AD	用于单变量时间序列数据的不和谐搜索	ECG数据集	与其他模型相比，在几个ECG数据集上F1分数均达到了最高	LSTMAD不依赖先验知识，对滑动窗口长度不敏感	LSTM网络的合理性有待进一步论证。未来将进一步设计合理的参数搜索策略，以提高模型性能
4	文献^[56] （2021）	BGOA-EANNs	航空航天系统数据异常检测	PHM08预后挑战赛数据集和GEO采集的电力系统数据集	F1分数在0.94以上	将BGOA和ANN结合，分别作为模型的特征选择和预测部分	在之后需要考虑对更多不同类型、不同模式、多变量样本以及其他空间环境真实条件的异常检测的结合
5	文献^[57] （2021）	GCN	社会事件预测	GDELT	F1分数为95%	提出一种基于实体交互图序列的预测模型，解决了建模事件相关性弱的问题	下一步的研究重点是区分实体对之间的交互类型，建立多图实体交互序列，实现对社会事件更加准确和可解释的预测
6	文献^[58] （2022）	Bi-ConvL- STM+Bi-LSTM+ BrEWMA	对多维时序数据进行异常检测	Yahoo Webscope A2	F1分数为0.8946	使用堆叠的中值滤波处理数据中的点异常，设计双向卷积LSTM网络，以及通过BrEWMA预测误差	需要进一步探索超参数选择和优化、在线训练等技术，进一步提高异常检测的精度和效率
7	文献^[59] （2022）	因果多元+TCN	卫星遥测数据异常检测，解决基于预测的异常检测方法存在误报率高、可解释性差的问题	SMAP、MSL、AIops-KPI	F1分数分别为0.8743、0.8387、0.9092	利用异常传递熵构造因果网络和多特征输入时域卷积网络	需要解决减少训练时间和降低复杂度的问题，进一步探究其与数据挖掘技术的结合
8	文献^[60] （2022）	改进LSTM	轨道交通系统异常检测	真实地铁运行环境中30天收集的数据	F1分数为0.8022	改进LSTM不依赖于稀缺异常标签，而是动态确定一个预测误差阈值来识别异常	将所提出方案的实现研究扩展到嵌入式设备，以减少检测延迟，满足实时应用场景需求
9	文献^[61] （2022）	GCN	遥测数据异常检测	PSR 数据集	F1分数为97.17%	提出一种计算单变量异常评分和综合异常评分的方法来定位异常变量	GCN方法以消耗更多运行时间为代价提供了更好的性能，还需要研究降低计算时间的方法和策略
10	文献^[62] （2022）	CN-FA-LSTM	遥测数据异常检测	SMAP、MSL	F1分数分别为0.8854和0.9214	通过计算归一化修正条件传递熵构建遥测参数因果网络	研究基于因果关系的卫星遥测数据建模和异常检测方法
11	文献^[63] （2022）	GTA	多变量时间序列异常检测	SWaT、WADI、SMAP、MSL	F1分数分别为0.91、0.84、0.91和0.90	引入影响传播卷积和一种多分支注意机制来取代原来的多头自注意方法	需探索更多关于将这种方法与在线学习策略相结合的方法，以便在未来的工作中将其应用于移动物联网场景
12	文献^[64] （2023）	GRU+ 注意力	从多维工业控制时间序列数据中自动学习传感器之间的潜在相关性，提高检测性能，帮助用户推断检测异常的根本原因	SWaT、WADI	F1分数分别为0.7496、0.4828	在GRU的基础上保留了捕获时间序列依赖关系的优势，解决了梯度消失和梯度爆炸的问题	探索不同的并行机制额外的架构和模型，并且在更复杂的场景下进行进一步的实验
13	文献^[65] （2023）	ATCN	遥测数据异常检测	SMAP、MSL	F1分数分别为0.9272和0.9613	利用动态图注意力来建模变量之间的复杂相关性，并捕获长期关系	在航天器上的异常检测方法一般都是在线的模型，此模型需要计划研究在线训练模型
14	文献^[66] （2023）	GDN+DA	多变量时间序列异常检测	MSL、WADI和SWaT	F1分数分别为88.45%、96.53%和74.18%	将图偏差网络和注意力机制进行结合	没有和其他几个较好的模型进行比较，只是针对GDN来展开的，需要更多的对比实验以说明其性能
15	文献^[67] (2023)	LightGBM	基于时间上下文进行时间序列预测	M5 Forecas-ting	在每个数据集上的MSE（1011）和RMSE（104）均达到了最小值	首次在时变和侧信息依赖的上下文中，在3种不同的权值约束下求出基学习器的最优组合权值	仅在3个数据集上进行了实验测试，还需要考虑更多的数据集
16	文献^[68] （2023）	MDGCN	社会垃圾邮件检测	Twitter SH、1KS- 10KN	F1分数为90%	MDGCN集成了图卷积网络和马尔可夫随机场的优点，在学习特征表示的同时对关系用户的依赖性进行建模	模型中采用的EM算法导致时间成本加倍

表4

图10

图11

图12

表5

基于融合的时序数据异常检测模型研究

序号	文献	模型	任务	数据集	模型性能	研究亮点	可能存在的问题及挑战
1	文献^[70] （2020）	MTAD-GAT	多元时间序列数据异常检测	MAP、MSL、TSA	F1分数为 79.8%~ 90.1%	首次利用两个并行的图关注层来动态学习不同时间序列和时间戳之间的关系	通过图注意网络捕获特征依赖，但在一定程度上忽略了时间信息
2	文献^[71] （2021）	MCRA	多元时间序列数据异常检测	人工数据集、真实的房屋监测数据集	准确率为98.6%	提出了一种基于正态训练集的异常值阈值设置策略，该策略有助于确定多变量时间序列中的异常事件	可以在模型中加入注意机制，建立一个对噪声不敏感的多变量时间序列异常检测框架
3	文献^[72] （2021）	HF²-VAD	视频异常检测	UCSD Ped2、CUHK Avenue、ShanghaiTech	AUROC为 76.2%~ 99.3%	以重构的光流作为条件，设计了条件变分自动编码器来捕获视频帧与光流场之间的相关性	该方法在远离的异常目标检测上存在失败案例。推测场景是一个非常重要的变量
4	文献^[73] （2021）	NSIBF	多元时间序列数据异常检测	PUMP、WADI、SWaT	F1分数为90%~92%	提出了一种基于神经网络系统辨识和贝叶斯滤波的时间序列异常检测方法，该方法对CPS中的过程和传感器噪声具有鲁棒性	进一步丰富NSIBF在物联网中的应用场景
5	ZHANG^[69] （2021）	CAE-M	多传感器时间序列信号异常检测	PAMAP2、CAP、Mental Fatigue Dataset	F1分数为 96.08%~ 99.62%	为减少噪声数据的影响，用最大平均偏差惩罚对深度卷积编码器进行改进	着重基于点的细粒度异常检测方法，并通过设计适当的稀疏运算，进一步改善该多传感器数据异常检测方法
6	文献^[74] （2022）	结合预测和重构	视频异常检测	CUHK、UCSD	AUC为84.2%~ 95.5%	结合预测模型与重构模型用于视频异常检测，预测模块能够扩大正常与异常的区分度，重构模型使网络提高了对噪声的鲁棒性	尝试聚焦于视频帧中的局部图像，将整体视频帧与局部目标相结合，以提升监控视频中自动监控的监控效率
7	文献^[75] （2022）	SLMR	多元时间序列数据异常检测	SMAP、MSL、SWaT	F1分数为91.6%~ 96.6%	多尺度卷积提取短期依赖模式，捕捉时间尺度上丰富的信息，过滤原始数据，减少了不相关信息对结果的影响	该方案对窗口长度比较敏感（尤其是针对SWaT数据集），稳定性有待增强
8	文献^[76] （2022）	MemAE-P	多元时间序列数据异常检测	PUMP、SWaT、WADI	F1分数为87.9%~ 91.5%	为克服自动编码器在CPS异常检测中的过度泛化问题，引入了一个记忆模块，使重构收敛于正常样本	扩展当前工作解决复杂CPS中的噪声可能对模型的影响
9	文献^[77] （2022）	FuSAGNet	多元时间序列数据异常检测	SWaT、WADI、HAI	F1分数为60.7%~ 83.7%	该框架在稀疏约束下联合优化重构和预测，同时捕捉传感器生成的高维时间序列之间的相互依赖性	由于单层SAE的相当简单的体系结构，该框架在精度方面表现相对较差，尤其是在WADI上
10	文献^[78] （2022）	Decomposed Transformer	多元时间序列数据异常检测	SMD、SMAP、MSL、SWaT、PSM	F1分数为89.4%~ 95.2%	引入频率关注度模型来分离和表示时间序列的周期性	改进所提出的建模和学习策略，以扩大正常点和异常点之间的距离
11	文献^[79] （2022）	VAE-TCN	多元时间序列数据异常检测	SMD、SMAP、MSL、SWaT、PSM	F1分数为90%~ 95%	提出一种基于VAE-TCN的KPI（关键性能指标）序列异常检测混合模型，该模型可以并行地对局部性和长期依赖性建模	充分利用TCN、变压器等模型来提高KPI异常检测能力
12	文献^[80] （2022）	GTAD	工业数据异常检测	MSL、SMAP、SMD	F1分数分别为0.9544、0.9634和0.9732	考虑了序列之间的相关性和时间依赖性	首先，需要扩展到其他GNN框架，用于时间序列异常检测；其次，此论文提供了一种异常诊断和分析异常根源的机制，未来还需要进行进一步的研究以完善此机制
13	文献^[81] （2022）	MTAP-DK	工业设备异常检测	IOV、AIC	F1分数分别为0.8876和0.7952	提出知识提取模块，利用领域知识和历史数据提取出符合实际情况的领域方程	在文章中仅验证了MTAP-DK模型在复杂领域知识模块的异常检测效果，欠缺在非复杂领域中的实验结果论证其是一个好模型
14	文献^[82] （2022）	MTAD:LSTM-VAE	航天器异常检测	在轨航天器的电力子系统获得的数据集	F1分数为99%	捕获了数据中的空间和时间相关性，这对于区分正常值与异常是重要的	未来将使用更多的数据集进行评估。将为各种代理任务添加权重，以研究这些权重的变化对模型性能的影响
15	文献^[83] （2022）	VGCRN	多变量时间序列异常检测	DND、SMD、MSL、SMAP	F1分数为85%~91%	开发了一种向上-向下推理方案，用于精确推理，并通过引入联合优化目标来整合基于预测和基于重建的模型的优点	探索VGCRN的更多可能性，使它能够探索MTS的层次信息
16	文献^[84] （2023）	HST-GNN	多变量时序数据的异常检测	PSM、SMD、SWaT、WADI	F1分数为 86.4%~ 99.9%	通过引入系统级特征，使得该模型能够检测到早期的异常数据，降低了模型对于早期异常的漏检率	该框架对计算机资源要求较高，且传感器数据可能包含敏感信息，因此在异常检测中需要考虑隐私和安全问题

表5

图13

图14

图15

表6

表7

参考文献 89

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文献	问题定义	模型分类	目前挑战	未来展望
文献[7]	提出5种异常	根据1种分类方法进行总结	从6个方面提出了挑战	研究方向	是否包含潜在价值	是否包含技术瓶颈
文献[7]	提出5种异常	根据1种分类方法进行总结	从6个方面提出了挑战	只从1个方面详细介绍未来的研究方向	是	是
文献[8]	提出3种异常	根据1种分类方法进行总结	从3个方面提出了挑战	提出3个方面的未来研究方向	是	否
文献[9]	提出3种异常	根据3种分类方法进行总结	从3个方面提出了挑战	未深入提出未来研究方向	是	否
本文	提出10种异常	根据3种分类方法进行总结	从9个方面提出了挑战	从8个方面详细介绍未来研究方向	是	是

序号	数据集	发表年份	多变量/单变量	样本数/个	维度	应用领域
1	SMD	2019年	多变量	1416825	38	服务器计算机监控
2	MBD	2018年	多变量	8640	26	服务器机器监控
3	Car-Hacking	2019年	多变量	—	—	车联网
4	CICIDS2017	2017年	多变量	2830540	83	车联网
5	SWaT	2016年	多变量	946719	51	工业控制系统
6	WADI	2017年	多变量	957372	127	工业控制系统
7	GHL	2016年	多变量	200001	22	工业控制系统
8	SKAB	2020年	多变量	46860	11	工业领域
9	MSL	2018年	多变量	132046	55	航空航天
10	SMAP	2015年	多变量	562800	25	环境管理
11	Webscope S5	2015年	单变量	572966	1	多领域
12	GDELT	不断更新	多变量	—	—	社交网络舆情安全
13	MicroblogPCU	2015年	多变量/单变量	221579	20	社交网络舆情安全
14	Social-Spammer-Heterogeneous	2015年	多变量	858247099	9	社交网络舆情安全
15	Apontador	2014年	多变量	7076	61	社交网络舆情安全
16	News Headline Sentiment Dataset	2020年	单变量	93239	3	社交网络舆情安全

名称	代表模型	优点	缺点	应用场景及性能比较
基于重构的深度时序异常检测模型	GAN、AE	普遍无需添加标签，只需学习正常数据集中的分布特征	增加神经网络的层数导致整体复杂度变高；大部分模型无法同时有效学习到指标度量间表示和时间依赖性；对于点异常，检测性能差	应用场景：适合较为平稳、规律的数据集，特别是对大规模数据集进行无监督检测时较为有效 SWaT数据集实验效果： F1分数为0.943^[49] 模型效率：对于大规模时序数据，其计算开销可能较大，尤其是数据量巨大时
基于预测的深度时序异常检测模型	GRU、LSTM、TCN	能够处理复杂多变的数据集，并实现实时监测的性能	训练时需要大量的数据集；模型的解释性较差；同时计算开销较大	应用场景：适用于时序数据变化较大的场景，能够应对复杂的动态变化 SWaT数据集实验效果： F1分数为0.910^[63] 模型效率：对于短期异常检测较为合适，但如果时序数据非常长，训练时间和计算资源会显著增加
基于融合的深度时序异常检测模型	MTAD-GAT、 VAE-TCN	联合优化目标，提高异常检测效率	设计更加复杂，并可能带来较昂贵的时间成本和计算成本	应用场景：适用于复杂度较高的场景，尤其是需要同时处理多种特征（如时间序列和图结构数据）时非常有效 SWaT数据集实验效果： F1分数为0.916^[75] 模型效率：虽然效果较好，但可能带来较高的计算开销，适合对实时性要求不高的场景