Please use this identifier to cite or link to this item: https://hdl.handle.net/10216/168347
Author(s): Ricardo Cerqueira Inácio
Title: MAST: Meta-learning and Data Augmentation for Explainable Stress Testing
Issue Date: 2025-07-17
Abstract: The responsible deployment of forecasting models in real-world contexts, entails both a comprehensive evaluation, and the respective documentation of their robustness and reliability to diversified input conditions, specially on those that might lead them to abnormal behaviours. Time series forecasting models often exhibit degraded performance through exceptionally large errors, high uncertainty, or overconfidence (i.e., cases where the model is certain, but it incurs in large errors). Traditionally, stress testing approaches rely on manually designed scenarios, that are both realistic and challenging. However, those typically fail to systematically identify unknown stress factors, in which data characteristics might indicate relevant conditions. To overcome this limitation, this work proposes an approach for automatic stress testing of forecasting models. Based on model outputs: error scores and prediction intervals, the method systematically identifies and characterizes the input conditions that most likely induce stress. Specifically, a binary probabilistic classifier is developed, to predict the chances of forecasting model stress based on the structural properties of time series. Moreover, a data augmentation approach for synthetic time series data is implemented, based on oversampling or series generation, that improves the information about stress factors in the input space. This substantially enhances the capability of the classifier in predicting conditions for stress. In order to demonstrate how this approach is able to identify and explain input conditions that lead to manifestations of stress, namely large errors, high uncertainty, or hubris (i.e., overconfidence), feature-based explainability methods are employed. Also, a practical implementation of the methodology is presented, using an open source package developed in the context of this work.
Description: A implementação responsável de modelos de preditivos em contextos reais, implica uma avaliação exaustiva, acompanhada pela respetiva documentação da sua robustez e fiabilidade face às mais diversificadas caraterísticas dos dados de entrada, especialmente aquelas que levem a comportamentos anómalos. Os modelos de previsão de séries temporais manifestam frequentemente degradações de desempenho através de erros excecionalmente elevados, alta incerteza ou excesso de confiança (situações em que o modelo está confiante nas previsões, mas incorre em erros significativos). Tradicionalmente, as abordagens de "stress testing" baseiam-se em cenários produzidos manualmente, para serem simultaneamente realistas e desafiantes. No entanto, estas abordagens tendem a não identificar fatores de "stress" desconhecidos de forma sistemática, cujas características intrínsecas dos dados possam indicar disposições relevantes. Para ultrapassar esta limitação, este trabalho propõe uma metodologia para testes automáticos de "stress" em modelos de previsão de séries temporais. Baseando-se nos resultados dos modelos (erros cometidos e intervalos de previsão), esta abordagem identifica e caracteriza sistematicamente as condições dos dados que possam levar a situações de "stress". Concretamente, um modelo de classificação probabilístico binário é desenvolvido, para estimar a probabilidade de ocorrência de "stress" no modelo de previsão, baseando-se nas propriedades estruturais das séries temporais. Adicionalmente, implementa-se uma técnica de aumento de dados baseada na geração sintética de séries, ou "oversampling", o que permite enriquecer a informação sobre indicadores de "stress" nos dados de entrada. Isto melhora substancialmente a capacidade do classificador na identificação de condições propícias à ocorrência de "stress". Para demonstrar como esta abordagem consegue identificar e explicar condições que levam à manifestação de "stress", nomeadamente erros elevados, alta incerteza ou excesso de confiança, métodos de explicabilidade baseados em características (features) são utilizados. Por fim, apresenta-se uma implementação prática desta metodologia, recorrendo a um "software" de código aberto desenvolvido no âmbito deste trabalho.
Subject: Engenharia electrotécnica, electrónica e informática
Electrical engineering, Electronic engineering, Information engineering
Scientific areas: Ciências da engenharia e tecnologias::Engenharia electrotécnica, electrónica e informática
Engineering and technology::Electrical engineering, Electronic engineering, Information engineering
TID identifier: 204118956
URI: https://hdl.handle.net/10216/168347
Document Type: Dissertação
Rights: openAccess
License: https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/
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