# Лабораторная работа №2: Обнаружение аномалий с помощью автокодировщиков Выполнили: Фонов А.Д., Хнытченков А.М. Вариант 3 ### Цель работы Получить практические навыки создания, обучения и применения искусственных нейронных сетей типа автокодировщик. Исследовать влияние архитектуры автокодировщика и количества эпох обучения на области в пространстве признаков, распознаваемые автокодировщиком после обучения. Научиться оценивать качество обучения автокодировщика на основе ошибки реконструкции и новых метрик EDCA. Научиться решать актуальную задачу обнаружения аномалий в данных с помощью автокодировщика как одноклассового классификатора. ## ЗАДАНИЕ 1: Работа с двумерными синтетическими данными ### Импорт библиотек и настройка окружения ```python import os os.chdir('/content/drive/MyDrive/Colab Notebooks/is_lab2') import lab02_lib import numpy as np ``` **Описание:** Импортируются необходимые библиотеки и устанавливаются параметры для варианта 2. ### Генерация индивидуального набора двумерных данных ```python k = 3 data = lab02_lib.datagen(k, k, 1000, 2) print('Исходныеданные:') print(data) print('Размерностьданных:') print(data.shape) ``` **Результат выполнения:** ``` Исходные данные: k = 3 data = lab02_lib.datagen(k, k, 1000, 2) print('Исходныеданные:') print(data) print('Размерностьданных:') print(data.shape) ``` ![Синтетические данные](./out/train_set.png) ### Создание и обучение автокодировщика AE1 ```python epoch = 1000 patience = 100 ae_trainned, IRE_array, IREth = lab02_lib.create_fit_save_ae(data, 'out/AE_1.h5','out/AE_1_ire_th.txt', epoch, True, patience) print(f"IREth: {IREth}") lab02_lib.ire_plot('training', IRE_array, IREth, 'AE1') ``` ![Результаты AE1](./out/IRE_trainingAE1.png) IREth: 1.71 ### Создание и обучение автокодировщика AE2 ```python patience = 500 ae2_trained, IRE2, IREth2= lab02_lib.create_fit_save_ae(data,'out/AE2.h5','out/AE2_ire_th.txt', 3000, True, patience) lab02_lib.ire_plot('training', IRE2, IREth2, 'AE2') print(f"IREth: {IREth2}") ``` ![Результаты AE2](./out/IRE_trainingAE2.png) IREth: 0.44 ### Расчет характеристик качества обучения автокодировщиков ```python numb_square= 20 xx,yy,Z1=lab02_lib.square_calc(numb_square,data, ae_trainned ,IREth,'1',True) ``` **Результат выполнения:** ![AE1 Граница класса](./out/AE1_train_def.png) ``` amount: 18 amount_ae: 101 ``` ![Площадь обучающего множества и площадь деформированного множества](./out/XtXd_1.png) ![Избыток. Дефицит. Покрытие](./out/XtXd_1_metrics.png) ``` Оценка качества AE1 IDEAL = 0. Excess: 4.611111111111111 IDEAL = 0. Deficit: 0.0 IDEAL = 1. Coating: 1.0 summa: 1.0 IDEAL = 1. Extrapolation precision (Approx): 0.1782178217821782 ``` ```python xx,yy,Z2=lab02_lib.square_calc(numb_square,data,ae2_trained,IREth2,'1',True) ``` **Результат выполнения:** ![AE2 Граница класса](./out/image.png) ``` amount: 19 amount_ae: 40 ``` ![Площадь обучающего множества и площадь деформированного множества](./out/image%20copy.png) ![Избыток. Дефицит. Покрытие](./out/image%20copy%202.png) ``` Оценка качества AE2 IDEAL = 0. Excess: 1.0 IDEAL = 0. Deficit: 0.0 IDEAL = 1. Coating: 1.0 summa: 1.0 IDEAL = 1. Extrapolation precision (Approx): 0.5 ``` ```python lab02_lib.plot2in1(data,xx,yy,Z1,Z2) ``` ![Сравнение AE1 и AE2](./out/AE1_AE2_train_def.png) ### Тестирование автокодировщиков ```python data_test= np.loadtxt('data_test.txt', dtype=float) lab02_lib.anomaly_detection_ae(predicted_labels1, ire1, IREth) lab02_lib.ire_plot('test', ire1, IREth, 'AE1') lab02_lib.anomaly_detection_ae(predicted_labels2, ire2, IREth2) lab02_lib.ire_plot('test', ire1, IREth, 'AE2') ``` ![Сравнение результатов классификации](./out/AE1_AE2_train_def_anomalies.png) --- ## ЗАДАНИЕ 2: Работа с реальными данными WBC ### Загрузка и изучение данных WBC ```python # Загрузка выборок train = np.loadtxt('WBC_train.txt', dtype=float) test = np.loadtxt('WBC_test.txt', dtype=float) ``` **Описание:** Загружаются данные WBC, которые содержат измерения для случаев рака молочной железы. ### Создание и обучение автокодировщика ```python from time import time start = time() ae3_trained, IRE3, IREth3= lib.create_fit_save_ae(train,'out/AE3.h5','out/AE3_ire_th.txt', 50000, False, 5000, early_stopping_delta = 0.01) IREth3 = np.percentile(IRE3, 95) print("Время на обучение: ", time() - start) print("Порог IREth3:", IREth3) ``` **Результаты обучения:** Время на обучение: 192.4243025779724 Порог IREth3: 0.4819999999999999 ```python predicted_labels3, ire3 = lib.predict_ae(ae3_trained, test, IREth3) ``` ### Тестирование автокодировщика ```python lib.anomaly_detection_ae(predicted_labels3, ire3, IREth3) lib.ire_plot('test', ire3, IREth3, 'AE3') ``` **Описание:** Применяется обученный автокодировщик к тестовой выборке для обнаружения аномалий. **Результаты обнаружения аномалий:** ``` i Labels IRE IREth 0 [1.] [0.56] 0.48 1 [1.] [1.12] 0.48 2 [0.] [0.48] 0.48 3 [1.] [0.73] 0.48 4 [1.] [0.9] 0.48 5 [1.] [0.97] 0.48 6 [1.] [0.6] 0.48 7 [1.] [1.31] 0.48 8 [0.] [0.34] 0.48 9 [1.] [0.69] 0.48 10 [1.] [0.73] 0.48 11 [1.] [1.32] 0.48 12 [0.] [0.36] 0.48 13 [1.] [0.72] 0.48 14 [0.] [0.41] 0.48 15 [1.] [0.84] 0.48 16 [1.] [0.76] 0.48 17 [1.] [0.56] 0.48 18 [1.] [1.71] 0.48 19 [1.] [1.31] 0.48 20 [0.] [0.42] 0.48 Обнаружено 16.0 аномалий ``` ![Результаты тестирования AE3](WBC_test_results.png) --- ## ИТОГОВЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ### Таблица 1 - Результаты задания №1 | Модель | Количество скрытых слоев | Количество нейронов в скрытых слоях | Количество эпох обучения | Ошибка MSE_stop | Порог ошибки реконструкции | Значение показателя Excess | Значение показателя Approx | Количество обнаруженных аномалий | |--------|--------------------------|-------------------------------------|--------------------------|-----------------|----------------------------|----------------------------|----------------------------|----------------------------------| | AE1 | 1 | 1 | 300 | 2.0432 | 2.3 | 13.947368421052632 | 0.06690140845070422 | - | | AE2 | 5 | 3-2-1-2-3 | 500 | 0.0196 | 0.515 | 1.105263157894737 | 0.475 | - | ### Таблица 2 - Результаты задания №2 | Dataset name | Количество скрытых слоев | Количество нейронов в скрытых слоях | Количество эпох обучения | Ошибка MSE_stop | Порог ошибки реконструкции | % обнаруженных аномалий | |--------------|--------------------------|-------------------------------------|--------------------------|-----------------|----------------------------|-------------------------| | WBC | 9 | 28-24-20-16-12-16-20-24-28 | 50000 | 0.0003 | 0.482 | 76.2% | --- ## ВЫВОДЫ ### Требования к данным для обучения: - Данные должны быть нормализованными для сохранения стабильности обучения - В обучающей выборке не должно быть аномальных образцов - Размер выборки должен быть достаточным для обучения (минимум несколько сотен образцов) ### Требования к архитектуре автокодировщика: - **Простая архитектура (AE1)**: подходит для простых задач, быстро обучается, но может не улавливать сложные зависимости - **Сложная архитектура (AE2)**: лучше аппроксимирует данные, но требует больше времени на обучение - **Еще более сложная архитектура (AE3)**: позволяет наиболее точно обнаруживать аномалии и свести ошибку к минимуму, но тратит на обучение много времени из-за большого кол-ва эпох ### Требования к количеству эпох обучения: - **AE1 (300 эпох)**: недостаточно для качественного обучения - **AE2 (500 эпох)**: обеспечивает хорошую сходимость - Для реальных данных (WBC) необходимо 50000 эпох ### Требования к ошибке MSE_stop: - **AE1**: 2.0432 - слишком высокая, указывает на недообучение - **AE2**: 0.0196 - приемлемая для синтетических данных - **WBC**: 0.0003 - отличная для реальных данных ### Требования к порогу обнаружения аномалий: - Порог 95-го перцентиля обеспечивает разумный баланс - **AE1**: 2.3 - слишком высокий, может пропускать аномалии - **AE2**: 0.515 - более чувствительный к аномалиям - **WBC**: 0.482 - подходящий для реальных данных ### Характеристики качества обучения EDCA: - Более сложная архитектура (AE2) показывает лучшие результаты - Увеличение количества эпох обучения улучшает качество аппроксимации - Для качественного обнаружения аномалий необходимо тщательно подбирать параметры модели