更新:到目前为止表现最好的算法是这个。


这个问题探讨了在实时时间序列数据中检测突然峰值的稳健算法。

考虑以下示例数据:

这个数据的例子是Matlab格式的(但这个问题不是关于语言,而是关于算法):

p = [1 1 1.1 1 0.9 1 1 1.1 1 0.9 1 1.1 1 1 0.9 1 1 1.1 1 1 1 1 1.1 0.9 1 1.1 1 1 0.9, ...
     1 1.1 1 1 1.1 1 0.8 0.9 1 1.2 0.9 1 1 1.1 1.2 1 1.5 1 3 2 5 3 2 1 1 1 0.9 1 1, ... 
     3 2.6 4 3 3.2 2 1 1 0.8 4 4 2 2.5 1 1 1];

你可以清楚地看到有三个大峰和一些小峰。这个数据集是问题所涉及的时间序列数据集类的一个特定示例。这类数据集有两个一般特征:

有一种具有一般平均值的基本噪声 有很大的“峰值”或“更高的数据点”明显偏离噪声。

让我们假设以下情况:

峰的宽度不能事先确定 峰的高度明显偏离其他值 算法实时更新(因此每个新数据点都会更新)

对于这种情况,需要构造一个触发信号的边值。但是,边界值不能是静态的,必须通过算法实时确定。


我的问题是:什么是实时计算这些阈值的好算法?有没有针对这种情况的特定算法?最著名的算法是什么?


健壮的算法或有用的见解都受到高度赞赏。(可以用任何语言回答:这是关于算法的)


当前回答

这是一个Python实现的鲁棒峰值检测算法算法。

初始化和计算部分被分开,只有filtered_y数组被保留,它的最大大小等于延迟,因此内存没有增加。(结果与上述答案相同)。 为了绘制图形,还保留了标签数组。

我做了一个github要点。

import numpy as np
import pylab

def init(x, lag, threshold, influence):
    '''
    Smoothed z-score algorithm
    Implementation of algorithm from https://stackoverflow.com/a/22640362/6029703
    '''

    labels = np.zeros(lag)
    filtered_y = np.array(x[0:lag])
    avg_filter = np.zeros(lag)
    std_filter = np.zeros(lag)
    var_filter = np.zeros(lag)

    avg_filter[lag - 1] = np.mean(x[0:lag])
    std_filter[lag - 1] = np.std(x[0:lag])
    var_filter[lag - 1] = np.var(x[0:lag])

    return dict(avg=avg_filter[lag - 1], var=var_filter[lag - 1],
                std=std_filter[lag - 1], filtered_y=filtered_y,
                labels=labels)


def add(result, single_value, lag, threshold, influence):
    previous_avg = result['avg']
    previous_var = result['var']
    previous_std = result['std']
    filtered_y = result['filtered_y']
    labels = result['labels']

    if abs(single_value - previous_avg) > threshold * previous_std:
        if single_value > previous_avg:
            labels = np.append(labels, 1)
        else:
            labels = np.append(labels, -1)

        # calculate the new filtered element using the influence factor
        filtered_y = np.append(filtered_y, influence * single_value
                               + (1 - influence) * filtered_y[-1])
    else:
        labels = np.append(labels, 0)
        filtered_y = np.append(filtered_y, single_value)

    # update avg as sum of the previuos avg + the lag * (the new calculated item - calculated item at position (i - lag))
    current_avg_filter = previous_avg + 1. / lag * (filtered_y[-1]
            - filtered_y[len(filtered_y) - lag - 1])

    # update variance as the previuos element variance + 1 / lag * new recalculated item - the previous avg -
    current_var_filter = previous_var + 1. / lag * ((filtered_y[-1]
            - previous_avg) ** 2 - (filtered_y[len(filtered_y) - 1
            - lag] - previous_avg) ** 2 - (filtered_y[-1]
            - filtered_y[len(filtered_y) - 1 - lag]) ** 2 / lag)  # the recalculated element at pos (lag) - avg of the previuos - new recalculated element - recalculated element at lag pos ....

    # calculate standard deviation for current element as sqrt (current variance)
    current_std_filter = np.sqrt(current_var_filter)

    return dict(avg=current_avg_filter, var=current_var_filter,
                std=current_std_filter, filtered_y=filtered_y[1:],
                labels=labels)

lag = 30
threshold = 5
influence = 0

y = np.array([1,1,1.1,1,0.9,1,1,1.1,1,0.9,1,1.1,1,1,0.9,1,1,1.1,1,1,1,1,1.1,0.9,1,1.1,1,1,0.9,
       1,1.1,1,1,1.1,1,0.8,0.9,1,1.2,0.9,1,1,1.1,1.2,1,1.5,1,3,2,5,3,2,1,1,1,0.9,1,1,3,
       2.6,4,3,3.2,2,1,1,0.8,4,4,2,2.5,1,1,1])

# Run algo with settings from above
result = init(y[:lag], lag=lag, threshold=threshold, influence=influence)

i = open('quartz2', 'r')
for i in y[lag:]:
    result = add(result, i, lag, threshold, influence)

# Plot result
pylab.subplot(211)
pylab.plot(np.arange(1, len(y) + 1), y)
pylab.subplot(212)
pylab.step(np.arange(1, len(y) + 1), result['labels'], color='red',
           lw=2)
pylab.ylim(-1.5, 1.5)
pylab.show()

其他回答

一种方法是根据以下观察来检测峰:

时间t是一个峰值(y (t) > y (t - 1)) & & ((t) > y (t + 1))

它通过等待上升趋势结束来避免误报。它并不完全是“实时”的,因为它会比峰值差一个dt。灵敏度可以通过要求比较的裕度来控制。在噪声检测和时延检测之间存在一种折衷。 您可以通过添加更多参数来丰富模型:

峰如果y (y (t) - (t-dt) > m) && (y (t) - y (t + dt) > m)

dt和m是控制灵敏度和延时的参数

这是你用上述算法得到的结果:

下面是在python中重现图的代码:

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
input = np.array([ 1. ,  1. ,  1. ,  1. ,  1. ,  1. ,  1. ,  1.1,  1. ,  0.8,  0.9,
    1. ,  1.2,  0.9,  1. ,  1. ,  1.1,  1.2,  1. ,  1.5,  1. ,  3. ,
    2. ,  5. ,  3. ,  2. ,  1. ,  1. ,  1. ,  0.9,  1. ,  1. ,  3. ,
    2.6,  4. ,  3. ,  3.2,  2. ,  1. ,  1. ,  1. ,  1. ,  1. ])
signal = (input > np.roll(input,1)) & (input > np.roll(input,-1))
plt.plot(input)
plt.plot(signal.nonzero()[0], input[signal], 'ro')
plt.show()

通过设置m = 0.5,你可以得到一个更清晰的信号,只有一个假阳性:

c++ (Qt)演示端口,交互式参数

我已经将这个算法的演示应用程序移植到c++ (Qt)上。

代码可以在GitHub上找到这里。带有安装程序的Windows(64位)构建在发布页面上。最后,我将添加一些文档和其他发布版本。

您不能绘制点,但可以从文本文件中导入它们(用空格分隔点——换行也算作空格)。您还可以调整算法参数,实时查看效果。这对于针对特定数据集调整算法以及探索参数如何影响结果非常有用。


上面的截图有些过时;从那以后,我添加了两个原始算法中没有的实验性选项:

反向处理数据集的选项(似乎至少改善了功率谱的结果)。 选项,为峰值设置硬性最小阈值。

我还在窗口中间添加了一个笨拙的缩放/平移条,只需用鼠标拖动它来缩放和平移。

模糊的构建指令:

在发布页面上有一个Windows安装程序(64位),但如果你想从源代码构建它,要点是:

安装Qt的构建工具,然后将qmake && make放在与.pro文件相同的目录下,或者 安装Qt Creator,打开.pro文件,选择任何默认的构建配置,然后按下构建和/或运行按钮(Creator的左下角)。

我只测试过Qt5。我有91%的信心,如果你手动配置组件,Qt Creator安装程序会让你安装Qt5(如果你手动配置组件,你还需要确认是否安装了Qt Charts)。Qt6可能是一个流畅的构建,也可能不是。有一天,我将测试Qt4和Qt6,使这些文档更好。也许吧。

下面是平滑z-score算法的Python / numpy实现(见上面的答案)。你可以在这里找到要点。

#!/usr/bin/env python
# Implementation of algorithm from https://stackoverflow.com/a/22640362/6029703
import numpy as np
import pylab

def thresholding_algo(y, lag, threshold, influence):
    signals = np.zeros(len(y))
    filteredY = np.array(y)
    avgFilter = [0]*len(y)
    stdFilter = [0]*len(y)
    avgFilter[lag - 1] = np.mean(y[0:lag])
    stdFilter[lag - 1] = np.std(y[0:lag])
    for i in range(lag, len(y)):
        if abs(y[i] - avgFilter[i-1]) > threshold * stdFilter [i-1]:
            if y[i] > avgFilter[i-1]:
                signals[i] = 1
            else:
                signals[i] = -1

            filteredY[i] = influence * y[i] + (1 - influence) * filteredY[i-1]
            avgFilter[i] = np.mean(filteredY[(i-lag+1):i+1])
            stdFilter[i] = np.std(filteredY[(i-lag+1):i+1])
        else:
            signals[i] = 0
            filteredY[i] = y[i]
            avgFilter[i] = np.mean(filteredY[(i-lag+1):i+1])
            stdFilter[i] = np.std(filteredY[(i-lag+1):i+1])

    return dict(signals = np.asarray(signals),
                avgFilter = np.asarray(avgFilter),
                stdFilter = np.asarray(stdFilter))

下面是在同一个数据集上的测试,它产生的图与R/Matlab的原始答案相同

# Data
y = np.array([1,1,1.1,1,0.9,1,1,1.1,1,0.9,1,1.1,1,1,0.9,1,1,1.1,1,1,1,1,1.1,0.9,1,1.1,1,1,0.9,
       1,1.1,1,1,1.1,1,0.8,0.9,1,1.2,0.9,1,1,1.1,1.2,1,1.5,1,3,2,5,3,2,1,1,1,0.9,1,1,3,
       2.6,4,3,3.2,2,1,1,0.8,4,4,2,2.5,1,1,1])

# Settings: lag = 30, threshold = 5, influence = 0
lag = 30
threshold = 5
influence = 0

# Run algo with settings from above
result = thresholding_algo(y, lag=lag, threshold=threshold, influence=influence)

# Plot result
pylab.subplot(211)
pylab.plot(np.arange(1, len(y)+1), y)

pylab.plot(np.arange(1, len(y)+1),
           result["avgFilter"], color="cyan", lw=2)

pylab.plot(np.arange(1, len(y)+1),
           result["avgFilter"] + threshold * result["stdFilter"], color="green", lw=2)

pylab.plot(np.arange(1, len(y)+1),
           result["avgFilter"] - threshold * result["stdFilter"], color="green", lw=2)

pylab.subplot(212)
pylab.step(np.arange(1, len(y)+1), result["signals"], color="red", lw=2)
pylab.ylim(-1.5, 1.5)
pylab.show()

@Jean-Paul Smoothed Z Score算法的Dart版本:

class SmoothedZScore {
  int lag = 5;
  num threshold = 10;
  num influence = 0.5;

  num sum(List<num> a) {
    num s = 0;
    for (int i = 0; i < a.length; i++) s += a[i];
    return s;
  }

  num mean(List<num> a) {
    return sum(a) / a.length;
  }

  num stddev(List<num> arr) {
    num arrMean = mean(arr);
    num dev = 0;
    for (int i = 0; i < arr.length; i++) dev += (arr[i] - arrMean) * (arr[i] - arrMean);
    return sqrt(dev / arr.length);
  }

  List<int> smoothedZScore(List<num> y) {
    if (y.length < lag + 2) {
      throw 'y data array too short($y.length) for given lag of $lag';
    }

    // init variables
    List<int> signals = List.filled(y.length, 0);
    List<num> filteredY = List<num>.from(y);
    List<num> leadIn = y.sublist(0, lag);

    var avgFilter = List<num>.filled(y.length, 0);
    var stdFilter = List<num>.filled(y.length, 0);
    avgFilter[lag - 1] = mean(leadIn);
    stdFilter[lag - 1] = stddev(leadIn);

    for (var i = lag; i < y.length; i++) {
      if ((y[i] - avgFilter[i - 1]).abs() > (threshold * stdFilter[i - 1])) {
        signals[i] = y[i] > avgFilter[i - 1] ? 1 : -1;
        // make influence lower
        filteredY[i] = influence * y[i] + (1 - influence) * filteredY[i - 1];
      } else {
        signals[i] = 0; // no signal
        filteredY[i] = y[i];
      }

      // adjust the filters
      List<num> yLag = filteredY.sublist(i - lag, i);
      avgFilter[i] = mean(yLag);
      stdFilter[i] = stddev(yLag);
    }

    return signals;
  }
}

另外,这个算法对我来说也很好…

sensitivity = 4; dwindow = 4; k = dwindow; data = [1., 1., 1., 1., 1., 1., 1., 1.1, 1., 0.8, 0.9, 1., 1.2, 0.9, 1., 1., 1.1, 1.2, 1., 1.5, 1., 3., 2., 5., 3., 2., 1., 1., 1., 0.9, 1., 1., 3., 2.6, 4., 3., 3.2, 2., 1., 1., 1., 1., 1. ]; //data = data.concat(data); //data = data.concat(data); var data1 = [{ name: 'original source', y: data }]; Plotly.newPlot('stage1', data1, { title: 'Sensor data', yaxis: { title: 'signal' } }); filtered = data.map((a,b,c)=>a>=Math.max(...c.slice(b-k,b))?a**3:0); var data2 = [{ name: 'filtered source', y: filtered }]; Plotly.newPlot('stage2', data2, { title: 'Filtered data<br>aₙ = aₙ³', yaxis: { title: 'signal' } }); dwindow = 6; k = dwindow; detected = filtered.map((a,b,c)=>a>Math.max(...c.slice(2))/sensitivity).map((a,b,c)=>(b>k) && c.slice(b-k,b).indexOf(a)==-1 ); var data3 = [{ name: 'detected peaks', y: detected }]; Plotly.newPlot('stage3', data3, { title: 'Maximum in a window of 6', yaxis: { title: 'signal' } }); dwindow = 10; k = dwindow; detected = filtered.map((a, b, c) => a > Math.max(...c.slice(2)) / 20).map((a, b, c) => (b > k) && c.slice(b - k, b).indexOf(a) == -1) var data4 = [{ name: 'detected peaks', y: detected }]; Plotly.newPlot('stage4', data4, { title: 'Maximum in a window of 10', yaxis: { title: 'signal' } }); <script src="https://cdn.jsdelivr.net/npm/plotly.js@2.16.5/dist/plotly.min.js"></script> <div id="stage1"></div> <div id="stage2"></div> <div id="stage3"></div> <div id="stage4"></div>