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:

下面是我尝试为“Smoothed z-score算法”创建一个Ruby解决方案:

module ThresholdingAlgoMixin
  def mean(array)
    array.reduce(&:+) / array.size.to_f
  end

  def stddev(array)
    array_mean = mean(array)
    Math.sqrt(array.reduce(0.0) { |a, b| a.to_f + ((b.to_f - array_mean) ** 2) } / array.size.to_f)
  end

  def thresholding_algo(lag: 5, threshold: 3.5, influence: 0.5)
    return nil if size < lag * 2
    Array.new(size, 0).tap do |signals|
      filtered = Array.new(self)

      initial_slice = take(lag)
      avg_filter = Array.new(lag - 1, 0.0) + [mean(initial_slice)]
      std_filter = Array.new(lag - 1, 0.0) + [stddev(initial_slice)]
      (lag..size-1).each do |idx|
        prev = idx - 1
        if (fetch(idx) - avg_filter[prev]).abs > threshold * std_filter[prev]
          signals[idx] = fetch(idx) > avg_filter[prev] ? 1 : -1
          filtered[idx] = (influence * fetch(idx)) + ((1-influence) * filtered[prev])
        end

        filtered_slice = filtered[idx-lag..prev]
        avg_filter[idx] = mean(filtered_slice)
        std_filter[idx] = stddev(filtered_slice)
      end
    end
  end
end

以及示例用法:

test_data = [
  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
].extend(ThresholdingAlgoMixin)

puts test_data.thresholding_algo.inspect

# Output: [
#   0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0,
#   0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, -1, 0, 0, 0,
#   0, 0, 0, 0, 0, 0, 1, 0, 1, 1, 1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 1,
#   1, 1, 0, 0, 0, -1, -1, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0, 0
# ]

这是一个修改后的Fortran版本的z-score算法。 它是专门针对频率空间中传递函数的峰值(共振)检测进行修改的(每个更改在代码中都有一个小注释)。

如果在输入向量的下界附近存在共振,则第一个修改会向用户发出警告,该共振由高于某个阈值的标准偏差表示(在本例中为10%)。这仅仅意味着信号不够平坦,不足以使检测正确地初始化滤波器。

第二种修改是只将峰值的最大值添加到已找到的峰值中。这是通过将每个发现的峰值与其(滞后)前辈及其(滞后)后继者的大小进行比较来达到的。

第三个变化是尊重共振峰通常在共振频率周围表现出某种形式的对称性。因此,围绕当前数据点对称地计算平均值和std是很自然的(而不仅仅是针对之前的数据点)。这将导致更好的峰值检测行为。

这些修改的效果是,整个信号必须事先被函数知道,这是共振检测的通常情况(类似于Jean-Paul的Matlab示例,其中数据点是动态生成的,这是行不通的)。

function PeakDetect(y,lag,threshold, influence)
    implicit none
    ! Declaring part
    real, dimension(:), intent(in) :: y
    integer, dimension(size(y)) :: PeakDetect
    real, dimension(size(y)) :: filteredY, avgFilter, stdFilter
    integer :: lag, ii
    real :: threshold, influence

    ! Executing part
    PeakDetect = 0
    filteredY = 0.0
    filteredY(1:lag+1) = y(1:lag+1)
    avgFilter = 0.0
    avgFilter(lag+1) = mean(y(1:2*lag+1))
    stdFilter = 0.0
    stdFilter(lag+1) = std(y(1:2*lag+1))

    if (stdFilter(lag+1)/avgFilter(lag+1)>0.1) then ! If the coefficient of variation exceeds 10%, the signal is too uneven at the start, possibly because of a peak.
        write(unit=*,fmt=1001)
1001        format(1X,'Warning: Peak detection might have failed, as there may be a peak at the edge of the frequency range.',/)
    end if
    do ii = lag+2, size(y)
        if (abs(y(ii) - avgFilter(ii-1)) > threshold * stdFilter(ii-1)) then
            ! Find only the largest outstanding value which is only the one greater than its predecessor and its successor
            if (y(ii) > avgFilter(ii-1) .AND. y(ii) > y(ii-1) .AND. y(ii) > y(ii+1)) then
                PeakDetect(ii) = 1
            end if
            filteredY(ii) = influence * y(ii) + (1 - influence) * filteredY(ii-1)
        else
            filteredY(ii) = y(ii)
        end if
        ! Modified with respect to the original code. Mean and standard deviation are calculted symmetrically around the current point
        avgFilter(ii) = mean(filteredY(ii-lag:ii+lag))
        stdFilter(ii) = std(filteredY(ii-lag:ii+lag))
    end do
end function PeakDetect

real function mean(y)
    !> @brief Calculates the mean of vector y
    implicit none
    ! Declaring part
    real, dimension(:), intent(in) :: y
    integer :: N
    ! Executing part
    N = max(1,size(y))
    mean = sum(y)/N
end function mean

real function std(y)
    !> @brief Calculates the standard deviation of vector y
    implicit none
    ! Declaring part
    real, dimension(:), intent(in) :: y
    integer :: N
    ! Executing part
    N = max(1,size(y))
    std = sqrt((N*dot_product(y,y) - sum(y)**2) / (N*(N-1)))
end function std

对于我的应用程序,算法的工作就像一个魅力!

这种z-scores方法在峰值检测方面非常有效,也有助于异常值的去除。异常值对话经常讨论每个点的统计价值和变化数据的伦理。

但是,在来自易出错的串行通信或易出错的传感器的重复错误传感器值的情况下,错误或虚假读数中没有统计值。它们需要被识别并移除。

从视觉上看,错误是显而易见的。下图中的直线显示了需要删除的内容。但是用算法识别和消除错误是相当具有挑战性的。z分数效果很好。

下图是通过串行通信从传感器获得的值。偶尔的串行通信错误,传感器错误或两者都导致重复的,明显错误的数据点。

z-score峰值检测器能够在虚假数据点上发出信号,并生成一个干净的结果数据集,同时保留正确数据的特征:

我为Jean-Paul最受欢迎的答案写了一个Go包。它假设y值的类型为float64。

github.com/MicahParks/peakdetect

下面的示例使用了这个包,并基于上面提到的流行答案中的R示例。它在编译时没有任何依赖关系,试图保持较低的内存占用,并且在有新数据点进入时不重新处理过去的点。该项目有100%的测试覆盖率,主要来自上述R示例的输入和输出。但是,如果有人发现任何错误,请打开一个GitHub问题。

编辑:我对v0.0.5进行了性能改进,似乎快了10倍!它使用Welford的方法进行初始化,并使用类似的方法计算滞后期(滑动窗口)的平均值和总体标准偏差。特别感谢另一个帖子的回答:https://stackoverflow.com/a/14638138/14797322

下面是基于R例子的Golang例子:

package main

import (
    "fmt"
    "log"

    "github.com/MicahParks/peakdetect"
)

// This example is the equivalent of the R example from the algorithm's author.
// https://stackoverflow.com/a/54507329/14797322
func main() {
    data := []float64{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}

    // Algorithm configuration from example.
    const (
        lag       = 30
        threshold = 5
        influence = 0
    )

    // Create then initialize the peak detector.
    detector := peakdetect.NewPeakDetector()
    err := detector.Initialize(influence, threshold, data[:lag]) // The length of the initial values is the lag.
    if err != nil {
        log.Fatalf("Failed to initialize peak detector.\nError: %s", err)
    }

    // Start processing new data points and determine what signal, if any they produce.
    //
    // This method, .Next(), is best for when data is being processed in a stream, but this simply iterates over a slice.
    nextDataPoints := data[lag:]
    for i, newPoint := range nextDataPoints {
        signal := detector.Next(newPoint)
        var signalType string
        switch signal {
        case peakdetect.SignalNegative:
            signalType = "negative"
        case peakdetect.SignalNeutral:
            signalType = "neutral"
        case peakdetect.SignalPositive:
            signalType = "positive"
        }

        println(fmt.Sprintf("Data point at index %d has the signal: %s", i+lag, signalType))
    }

    // This method, .NextBatch(), is a helper function for processing many data points at once. It's returned slice
    // should produce the same signal outputs as the loop above.
    signals := detector.NextBatch(nextDataPoints)
    println(fmt.Sprintf("1:1 ratio of batch inputs to signal outputs: %t", len(signals) == len(nextDataPoints)))
}