複雑系力学システムにおける異常検知:埋め込み理論と物理学に基づいた一貫性を利用した体系的枠組み

複雑系力学システムにおける異常検知:埋め込み理論と物理学に基づいた一貫性を利用した体系的枠組み

なぜ重要か: 企業や社会への影響が見込まれ、一般メディアにも波及する可能性があります。

ソースを読む(export.arxiv.org)

arXiv:2502.19307v3発表種類:差し替え

概要:複雑な力学系における異常検知は、産業およびサイバーフィジカルインフラの信頼性、安全性、効率性を確保するために不可欠です。予知保全は高コストな故障を防止するのに役立ち、デジタル化されたシステムがますます増大する脅威に直面する中、サイバーセキュリティ監視は極めて重要になっています。これらのシステムの多くは振動的な挙動と境界運動を示し、物理的整合性原理を遵守しながら構造化された時間的依存関係を捉える異常検知方法が必要です。本研究では、古典的な埋め込み理論と物理学に基づいた整合性原理に基づいた、システム理論的アプローチによる異常検知手法を提案します。我々は、従来の埋め込み手法を複雑なシステムダイナミクスに拡張するフラクタル・ホイットニー埋め込みの存在定理に基づいています。さらに、システムの進化を捉える埋め込み戦略として状態導関数ペアを導入します。時間的コヒーレンスを強制するために、潜在変数の近似導関数をそれらの動的表現と合わせるTDC-Lossを取り入れたTemporal Differential Consistency Autoencoder(TDC-AE)を開発しました。ターボファンエンジンの劣化に関するベンチマークであるC-MAPSSデータセットの2つのサブセット(FD001、FD003)で本手法を評価しました。TDC-AEはLSTMと同等以上の性能を示し、Transformerを上回り、MAC演算を約100倍削減することに成功しました。これは、軽量なエッジコンピューティングに特に適しています。我々の知見は、異常が安定したシステムダイナミクスを破壊し、異常検知のための堅牢な信号を提供するという仮説を支持しています。

原文(英語)を表示

Title (EN): Anomaly Detection in Complex Dynamical Systems: A Systematic Framework Using Embedding Theory and Physics-Inspired Consistency

arXiv:2502.19307v3 Announce Type: replace-cross
Abstract: Anomaly detection in complex dynamical systems is essential for ensuring reliability, safety, and efficiency in industrial and cyber-physical infrastructures. Predictive maintenance helps prevent costly failures, while cybersecurity monitoring has become critical as digitized systems face growing threats. Many of these systems exhibit oscillatory behaviors and bounded motion, requiring anomaly detection methods that capture structured temporal dependencies while adhering to physical consistency principles. In this work, we propose a system-theoretic approach to anomaly detection, grounded in classical embedding theory and physics-inspired consistency principles. We build upon the Fractal Whitney Embedding Prevalence Theorem that extends traditional embedding techniques to complex system dynamics. Additionally, we introduce state-derivative pairs as an embedding strategy to capture system evolution. To enforce temporal coherence, we develop a Temporal Differential Consistency Autoencoder (TDC-AE), incorporating a TDC-Loss that aligns the approximated derivatives of latent variables with their dynamic representations. We evaluate our method on two subsets (FD001, FD003) of the C-MAPSS dataset, a benchmark for turbofan engine degradation. TDC-AE machtes LSTMs and outperforms Transformers while achieving a nearly 100x reduction in MAC operations, making it particularly suited for lightweight edge computing. Our findings support the hypothesis that anomalies disrupt stable system dynamics, providing a robust signal for anomaly detection.

Published: 2025-09-24 19:00 UTC


コメントする