我们尝试在我们的数据集上使用平滑的z-score算法，这导致了过度敏感或不敏感(取决于参数如何调整)，几乎没有中间地带。在我们站点的交通信号中，我们观察到一个低频基线，它代表了每天的周期，即使有最好的可能参数(如下所示)，它仍然在第4天下降，特别是因为大多数数据点被认为是异常的。

在原始z-score算法的基础上，我们提出了一种通过反向滤波来解决这个问题的方法。改进后的算法及其在电视商业流量归因中的应用详见我们的团队博客。

我允许自己创建一个javascript版本。也许会有帮助。javascript应该是上面给出的伪代码的直接转录。可用的npm包和github repo:

https://github.com/crux/smoothed-z-score @joe_six / smoothed-z-score-peak-signal-detection

Javascript的翻译:

// javascript port of: https://stackoverflow.com/questions/22583391/peak-signal-detection-in-realtime-timeseries-data/48895639#48895639

function sum(a) {
    return a.reduce((acc, val) => acc + val)
}

function mean(a) {
    return sum(a) / a.length
}

function stddev(arr) {
    const arr_mean = mean(arr)
    const r = function(acc, val) {
        return acc + ((val - arr_mean) * (val - arr_mean))
    }
    return Math.sqrt(arr.reduce(r, 0.0) / arr.length)
}

function smoothed_z_score(y, params) {
    var p = params || {}
    // init cooefficients
    const lag = p.lag || 5
    const threshold = p.threshold || 3.5
    const influence = p.influece || 0.5

    if (y === undefined || y.length < lag + 2) {
        throw ` ## y data array to short(${y.length}) for given lag of ${lag}`
    }
    //console.log(`lag, threshold, influence: ${lag}, ${threshold}, ${influence}`)

    // init variables
    var signals = Array(y.length).fill(0)
    var filteredY = y.slice(0)
    const lead_in = y.slice(0, lag)
    //console.log("1: " + lead_in.toString())

    var avgFilter = []
    avgFilter[lag - 1] = mean(lead_in)
    var stdFilter = []
    stdFilter[lag - 1] = stddev(lead_in)
    //console.log("2: " + stdFilter.toString())

    for (var i = lag; i < y.length; i++) {
        //console.log(`${y[i]}, ${avgFilter[i-1]}, ${threshold}, ${stdFilter[i-1]}`)
        if (Math.abs(y[i] - avgFilter[i - 1]) > (threshold * stdFilter[i - 1])) {
            if (y[i] > avgFilter[i - 1]) {
                signals[i] = +1 // positive signal
            } else {
                signals[i] = -1 // negative signal
            }
            // 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
        const y_lag = filteredY.slice(i - lag, i)
        avgFilter[i] = mean(y_lag)
        stdFilter[i] = stddev(y_lag)
    }

    return signals
}

module.exports = smoothed_z_score

下面是这个答案的平滑z-score算法的c++实现

std::vector<int> smoothedZScore(std::vector<float> input)
{   
    //lag 5 for the smoothing functions
    int lag = 5;
    //3.5 standard deviations for signal
    float threshold = 3.5;
    //between 0 and 1, where 1 is normal influence, 0.5 is half
    float influence = .5;

    if (input.size() <= lag + 2)
    {
        std::vector<int> emptyVec;
        return emptyVec;
    }

    //Initialise variables
    std::vector<int> signals(input.size(), 0.0);
    std::vector<float> filteredY(input.size(), 0.0);
    std::vector<float> avgFilter(input.size(), 0.0);
    std::vector<float> stdFilter(input.size(), 0.0);
    std::vector<float> subVecStart(input.begin(), input.begin() + lag);
    avgFilter[lag] = mean(subVecStart);
    stdFilter[lag] = stdDev(subVecStart);

    for (size_t i = lag + 1; i < input.size(); i++)
    {
        if (std::abs(input[i] - avgFilter[i - 1]) > threshold * stdFilter[i - 1])
        {
            if (input[i] > avgFilter[i - 1])
            {
                signals[i] = 1; //# Positive signal
            }
            else
            {
                signals[i] = -1; //# Negative signal
            }
            //Make influence lower
            filteredY[i] = influence* input[i] + (1 - influence) * filteredY[i - 1];
        }
        else
        {
            signals[i] = 0; //# No signal
            filteredY[i] = input[i];
        }
        //Adjust the filters
        std::vector<float> subVec(filteredY.begin() + i - lag, filteredY.begin() + i);
        avgFilter[i] = mean(subVec);
        stdFilter[i] = stdDev(subVec);
    }
    return signals;
}

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。

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:

函数scipy.signal。Find_peaks，顾名思义，在这方面很有用。但是要得到好的峰值提取，必须了解其参数宽度、阈值、距离和突出度。

根据我的测试和文档，突出的概念是“有用的概念”，可以保留好的峰值，丢弃噪声峰值。

什么是(地形)突出?它是“从山顶下降到任何更高地形所需的最低高度”，如下图所示:

这个想法是:

突出位置越高，山峰就越“重要”。