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arxiv.org·2026/10/22·Jingbo Wang / Kegeng Tang 等
针对非线性多变量时序因果发现中候选边按 d(d−1) 增长、逐目标拟合代价高的问题,SCDM 以共享参数元学习把每个目标变量预测视为同一动力系统中的任务,共同学习非线性时序预测器与因果强度矩阵 W:每个元 episode 只采样一批目标任务,经 K 步支持集临时适应后用查询损失更新共享参数,训练后通过 ∣Wj,i∣ 或源隔离读出转为连续有向分数;作者给出完全观测延迟系统下误差之和小于 Δmin/2 时阈值化恢复图的定理。受控与模拟 fMRI 等中等规模实验与 UnCLe、PCMCI 持平或领先,在大规模 voxel-level fMRI 基准上 AUROC 达 0.645、AUPRC 富集 4.01 倍,超过 CUTS+ 与 UnCLe;在 3,000 传感器 LargeST 上 56.96 秒完成、显存 6.9GB,其他方法超时或内存溢出。消融表明目标子采样降训练成本不损恢复,支持/查询目标使共享参数对留出目标的适应优于联合多任务训练。局限是观测方法依赖无隐混淆、正确滞后与无瞬时效应,共线源会使分数移向相关非父节点。
为什么重要 为大规模时序系统(交通、脑影像)提供可落地的非线性因果发现路径,避免逐目标拟合的 O(d2) 开销适合 做大规模时序因果发现(交通、脑影像、金融)的算法工程师
从非线性多变量时间序列中进行因果发现在高维系统中具有挑战性,因为候选有向关系的数量随变量数量呈二次增长。现有方法通常受限于逐目标模型拟合、重复条件检验或昂贵的图搜索过程。
我们提出 SCDM,一种用于可扩展时序因果发现的共享参数元学习框架。SCDM 将每个目标变量视为一个任务,同时跨任务学习共享的时间预测器和共享的因果强度矩阵。每个 meta-episode 只更新目标变量任务的一个子集,使模型能够在不进行穷举式逐目标优化的情况下,在整个系统中积累结构证据。
训练后,图读出步骤将学习到的预测器转换为连续的有向因果分数,用于阈值无关评估。我们还提供了一个有限误差恢复原理,表明在完全观测的延迟系统假设和正风险差距条件下,当统计误差、元优化误差和读出误差低于总体边缘时,对 SCDM 分数进行阈值处理可以恢复图结构。
在受控合成、神经影像启发、高维和真实世界时间基准上的实验表明,SCDM 在大型时序系统中具有竞争力的因果恢复能力和更好的可扩展性。
Causal discovery from nonlinear multivariate time series is challenging in high-dimensional systems, where the number of candidate directed relations grows quadratically with the number of variables.
Existing methods are often limited by target-wise model fitting, repeated conditional testing, or expensive graph-search procedures.
We propose SCDM, a shared-parameter meta-learning framework for scalable temporal causal discovery.
SCDM treats each target variable as a task while learning a shared temporal predictor and a shared causal-strength matrix across tasks.
Each meta-episode updates only a subset of target-variable tasks, allowing the model to accumulate structural evidence across the full system without exhaustive target-wise optimization.
After training, a post-training graph readout converts the learned predictor into continuous directed causal scores for threshold-independent evaluation.
We also provide a finite-error recovery principle showing that, under fully observed delayed-system assumptions and a positive risk-gap condition, thresholding SCDM scores recovers the graph when statistical, meta-optimization, and readout errors are below the population margin.
Experiments on controlled synthetic, neuroimaging-inspired, high-dimensional, and real-world temporal benchmarks demonstrate competitive causal recovery and improved scalability in large temporal systems.
完成时间
±4.23 s
GPU 峰值
A100 80 GB
候选有向对
3000 传感器
基线最佳
349 s 后内存溢出
注释 · UnCLe OOM、CUTS+/JRNGC/cMLP 均超 80 分钟时限出自 §5.4 表 3
注释 · AUPRC 富集倍数:



EVIDENCE / METHODS
表格
模拟 fMRI 上
| 方法 | fMRI AUROC | fMRI AUPRC | EEG AUROC | EEG AUPRC |
|---|---|---|---|---|
| 0.867 | 0.728 | 0.717 | 0.476 | |
| UnCLe | 0.661 | 0.268 | 0.571 | 0.155 |
| PCMCI | 0.569 | 0.160 | 0.743 | 0.390 |
| GVAR | 0.619 | 0.219 | 0.750 | 0.344 |
| cMLP | 0.624 | 0.240 | 0.656 | 0.258 |
| TCDF | 0.585 | 0.178 | 0.685 | 0.224 |
| CUTS+ | 0.532 | 0.141 | 0.589 | 0.160 |
注释 · NC8 和 EEG 上
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