Mise à jour: L'algorithme le plus performant jusqu'à présent est celui-ci .

Cette question explore des algorithmes robustes pour détecter les pics soudains dans les données de série temporelle en temps réel.

Considérez l'ensemble de données suivant:

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];

_{(Format Matlab mais ce n'est pas la langue mais l'algorithme)}

Vous pouvez clairement voir qu'il y a trois grands pics et quelques petits pics. Cet ensemble de données est un exemple spécifique de la classe d'ensembles de données série temporelle sur laquelle porte la question. Cette classe d'ensembles de données présente deux caractéristiques générales:

1. Il y a un bruit de base avec une moyenne générale
2. Il existe de grands « pics » ou « points de données plus élevés » qui s'écartent considérablement du bruit.

Supposons également ce qui suit:

• la largeur des pics ne peut pas être déterminée à l'avance
• la hauteur des pics s'écarte clairement et significativement des autres valeurs
• l'algorithme utilisé doit calculer en temps réel (changez donc à chaque nouveau point de données)

Pour une telle situation, une valeur limite doit être construite qui déclenche des signaux. Cependant, la valeur limite ne peut pas être statique et doit être déterminée en temps réel sur la base d'un algorithme.

Ma question: quel est un bon algorithme pour calculer de tels seuils en temps réel? Existe-t-il des algorithmes spécifiques pour de telles situations? Quels sont les algorithmes les plus connus?

_{Des algorithmes robustes ou des informations utiles sont tous très appréciés. (peut répondre dans n'importe quelle langue: il s'agit de l'algorithme)}

Algorithme de détection de pic robuste (utilisant les z-scores)

J'ai trouvé un algorithme qui fonctionne très bien pour ces types de jeux de données. Il est basé sur le principe de la dispersion : si un nouveau point de donnée est un nombre x donné d'écarts-types à l'écart d'une moyenne mobile, l'algorithme signale (également appelé z-score ). L'algorithme est très robuste car il construit une moyenne et une déviation mobiles distinctes , de sorte que les signaux ne corrompent pas le seuil. Les signaux futurs sont donc identifiés avec approximativement la même précision, quelle que soit la quantité de signaux précédents. L'algorithme prend 3 entrées: lag = the lag of the moving window, threshold = the z-score at which the algorithm signalset influence = the influence (between 0 and 1) of new signals on the mean and standard deviation. Par exemple, un lagsur 5 utilisera les 5 dernières observations pour lisser les données. UNEthresholdde 3,5 signalera si un point de données est à 3,5 écarts-types de la moyenne mobile. Et une valeur influencede 0,5 donne aux signaux la moitié de l'influence des points de données normaux. De même, un influencede 0 ignore complètement les signaux pour recalculer le nouveau seuil. Une influence de 0 est donc l'option la plus robuste (mais suppose une stationnarité ); mettre l'option d'influence à 1 est moins robuste. Pour les données non stationnaires, l'option d'influence doit donc être placée quelque part entre 0 et 1.

Cela fonctionne comme suit:

Pseudocode

# Let y be a vector of timeseries data of at least length lag+2
# Let mean() be a function that calculates the mean
# Let std() be a function that calculates the standard deviaton
# Let absolute() be the absolute value function

# Settings (the ones below are examples: choose what is best for your data)
set lag to 5;          # lag 5 for the smoothing functions
set threshold to 3.5;  # 3.5 standard deviations for signal
set influence to 0.5;  # between 0 and 1, where 1 is normal influence, 0.5 is half

# Initialize variables
set signals to vector 0,...,0 of length of y;   # Initialize signal results
set filteredY to y(1),...,y(lag)                # Initialize filtered series
set avgFilter to null;                          # Initialize average filter
set stdFilter to null;                          # Initialize std. filter
set avgFilter(lag) to mean(y(1),...,y(lag));    # Initialize first value
set stdFilter(lag) to std(y(1),...,y(lag));     # Initialize first value

for i=lag+1,...,t do
  if absolute(y(i) - avgFilter(i-1)) > threshold*stdFilter(i-1) then
    if y(i) > avgFilter(i-1) then
      set signals(i) to +1;                     # Positive signal
    else
      set signals(i) to -1;                     # Negative signal
    end
    # Reduce influence of signal
    set filteredY(i) to influence*y(i) + (1-influence)*filteredY(i-1);
  else
    set signals(i) to 0;                        # No signal
    set filteredY(i) to y(i);
  end
  # Adjust the filters
  set avgFilter(i) to mean(filteredY(i-lag),...,filteredY(i));
  set stdFilter(i) to std(filteredY(i-lag),...,filteredY(i));
end

Vous trouverez ci-dessous des règles générales pour sélectionner de bons paramètres pour vos données.

Démo

_{Le code Matlab pour cette démo peut être trouvé ici . Pour utiliser la démo, il suffit de l'exécuter et de créer vous-même une série chronologique en cliquant sur le graphique supérieur. L'algorithme commence à fonctionner après avoir tracé le lagnombre d'observations.}

Résultat

Pour la question d'origine, cet algorithme donnera la sortie suivante lors de l'utilisation des paramètres suivants lag = 30, threshold = 5, influence = 0::

Implémentations dans différents langages de programmation:

• Matlab (moi)

• R (moi)

• Golang (Xeoncross)

• Python (R Kiselev)

• Python [version efficace] (delica)

• Swift (moi)

• Groovy (JoshuaCWebDeveloper)

• C ++ (brad)

• C ++ (Animesh Pandey)

• Rouille (magicien)

• Scala (Mike Roberts)

• Kotlin (leoderprofi)

• Rubis (Kimmo Lehto)

• Fortran [pour la détection de résonance] (THo)

• Julia (Matt Camp)

• C # (Ocean Airdrop)

• C (DavidC)

• Java (takanuva15)

• JavaScript (Dirk Lüsebrink)

• TypeScript (Jerry Gamble)

• Perl (Alen)

• PHP (radhoo)

Règles générales pour configurer l'algorithme

lag: le paramètre de décalage détermine le niveau de lissage de vos données et l'adaptation de l'algorithme aux changements de la moyenne à long terme des données. Plus vos données sont stationnaires , plus vous devez inclure de retards (cela devrait améliorer la robustesse de l'algorithme). Si vos données contiennent des tendances variant dans le temps, vous devez considérer la vitesse à laquelle vous souhaitez que l'algorithme s'adapte à ces tendances. Autrement dit, si vous mettez lagà 10, il faut 10 «périodes» avant que le seuil de l'algorithme ne soit ajusté à tout changement systématique de la moyenne à long terme. Choisissez donc le lagparamètre en fonction du comportement de tendance de vos données et de l'adaptation que vous souhaitez que l'algorithme soit.

influence: ce paramètre détermine l'influence des signaux sur le seuil de détection de l'algorithme. Si mis à 0, les signaux n'ont aucune influence sur le seuil, de sorte que les signaux futurs sont détectés sur la base d'un seuil calculé avec une moyenne et un écart type qui ne sont pas influencés par les signaux passés. Une autre façon de penser à cela est que si vous mettez l'influence à 0, vous supposez implicitement la stationnarité (c'est-à-dire quel que soit le nombre de signaux, la série temporelle revient toujours à la même moyenne sur le long terme). Si ce n'est pas le cas, vous devez placer le paramètre d'influence quelque part entre 0 et 1, selon la mesure dans laquelle les signaux peuvent systématiquement influencer la tendance variant dans le temps des données. Par exemple, si les signaux entraînent une rupture structurelle de la moyenne à long terme de la série chronologique, le paramètre d'influence doit être élevé (près de 1) afin que le seuil puisse s'adapter rapidement à ces changements.

threshold: le paramètre seuil est le nombre d'écarts-types par rapport à la moyenne mobile au-dessus desquels l'algorithme classera un nouveau point de donnée comme étant un signal. Par exemple, si un nouveau point de données est à 4,0 écarts-types au-dessus de la moyenne mobile et que le paramètre de seuil est défini sur 3,5, l'algorithme identifiera le point de données comme un signal. Ce paramètre doit être défini en fonction du nombre de signaux que vous attendez. Par exemple, si vos données sont normalement distribuées, un seuil (ou: z-score) de 3,5 correspond à une probabilité de signalisation de 0,00047 (à partir de ce tableau), ce qui implique que vous attendez un signal tous les 2128 points de données (1 / 0,00047). Le seuil influence donc directement la sensibilité de l'algorithme et donc aussi la fréquence des signaux de l'algorithme. Examinez vos propres données et déterminez un seuil raisonnable qui émet l'algorithme lorsque vous le souhaitez (certains essais et erreurs peuvent être nécessaires ici pour atteindre un bon seuil pour votre objectif).

AVERTISSEMENT: le code ci-dessus boucle toujours sur tous les points de données à chaque exécution. Lors de la mise en œuvre de ce code, assurez-vous de diviser le calcul du signal en une fonction distincte (sans la boucle). Puis , quand une nouvelle arrive du point de données, mise à jour filteredY, avgFilteret stdFilterune fois. Ne recalculez pas les signaux pour toutes les données chaque fois qu'il y a un nouveau point de données (comme dans l'exemple ci-dessus), ce serait extrêmement inefficace et lent!

D'autres façons de modifier l'algorithme (pour des améliorations potentielles) sont:

1. Utilisez la médiane au lieu de la moyenne
2. Utilisez une mesure d'échelle robuste , comme le MAD, au lieu de l'écart-type
3. Utilisez une marge de signalisation, afin que le signal ne change pas trop souvent
4. Modifier le fonctionnement du paramètre d'influence
5. Traiter jusqu'à et vers le bas des signaux différemment (traitement asymétrique)
6. Créez un influenceparamètre séparé pour la moyenne et la std ( comme cela est fait dans cette traduction Swift )

Citations académiques (connues) de cette réponse StackOverflow:

• Yin, C. (2020). Répétition de dinucléotides dans le génome du coronavirus SARS-CoV-2: implications évolutives . ArXiv e-print, accessible depuis: https://arxiv.org/pdf/2006.00280.pdf

• Esnaola-Gonzalez, I., Gómez-Omella, M., Ferreiro, S., Fernandez, I., Lázaro, I., et García, E. (2020). Une plateforme IoT vers l'amélioration des chaînes de production avicole . Capteurs, 20 (6), 1549.

• Gao, S. et Calderon, DP (2020). Les régimes continus d'intégration cortico-motrice calibrent les niveaux d'excitation pendant la sortie de l'anesthésie . bioRxiv.

• Cloud, B., Tarien, B., Liu, A., Shedd, T., Lin, X., Hubbard, M., ... & Moore, JK (2019). Fusion de capteurs adaptative sur smartphone pour estimer les métriques cinématiques compétitives de l'aviron . PloS one, 14 (12).

• Ceyssens, F., Carmona, MB, Kil, D., Deprez, M., Tooten, E., Nuttin, B., ... & Puers, R. (2019). Enregistrement neuronal chronique avec des sondes de section subcellulaire utilisant des microaiguilles à dissolution de 0,06 mm² comme dispositif d'insertion . Sensors and Actuators B: Chemical , 284, p. 369-376.

• Dons, E., Laeremans, M., Orjuela, JP, Avila-Palencia, I., de Nazelle, A., Nieuwenhuijsen, M., ... & Nawrot, T. (2019). Les transports les plus susceptibles de provoquer des pics d'exposition à la pollution atmosphérique dans la vie de tous les jours: preuves de plus de 2000 jours de surveillance personnelle . Environnement atmosphérique , 213, 424-432.

• Schaible BJ, Snook KR, Yin J., et al. (2019). Conversations Twitter et reportages en anglais sur la poliomyélite dans cinq pays différents, janvier 2014 à avril 2015 . The Permanente Journal , 23, 18-181.

• Lima, B. (2019). Exploration de la surface d'un objet à l'aide d'un doigt robotique activé par le toucher (thèse de doctorat, Université d'Ottawa / Université d'Ottawa).

• Lima, BMR, Ramos, LCS, de Oliveira, TEA, da Fonseca, VP et Petriu, EM (2019). Détection de fréquence cardiaque L' utilisation d' un capteur tactile et un Multimodal Z-score basé crête algorithme de détection . Actes du CMBES , 42.

• Lima, BMR, de Oliveira, TEA, da Fonseca, VP, Zhu, Q., Goubran, M., Groza, VZ, & Petriu, EM (2019, juin). Détection de la fréquence cardiaque à l'aide d'un capteur tactile multimodal miniaturisé . En 2019 IEEE International Symposium on Medical Measurements and Applications (MeMeA) (pp. 1-6). IEEE.

• Ting, C., Field, R., Quach, T., Bauer, T. (2019). Détection généralisée des limites à l'aide d'analyses basées sur la compression . ICASSP 2019-2019 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP) , Brighton, Royaume-Uni, pp. 3522-3526.

• Carrier, EE (2019). Exploiter la compression dans la résolution de systèmes linéaires discrétisés . Thèse de doctorat , Université de l'Illinois à Urbana-Champaign.

• Khandakar, A., Chowdhury, ME, Ahmed, R., Dhib, A., Mohammed, M., Al-Emadi, NA, et Michelson, D. (2019). Système portable pour surveiller et contrôler le comportement du conducteur et l'utilisation d'un téléphone portable pendant la conduite . Capteurs , 19 (7), 1563.

• Baskozos, G., Dawes, JM, Austin, JS, Antunes-Martins, A., McDermott, L., Clark, AJ, ... & Orengo, C. (2019). Une analyse complète de l'expression longue d'ARN non codant dans le ganglion de la racine dorsale révèle une spécificité de type cellulaire et une dérégulation après une lésion nerveuse . Douleur , 160 (2), 463.

• Cloud, B., Tarien, B., Crawford, R., et Moore, J. (2018). Fusion de capteurs adaptative sur smartphone pour estimer les métriques cinématiques compétitives de l'aviron . Préimpressions engrXiv .

• Zajdel, TJ (2018). Interfaces électroniques pour la biodétection basée sur les bactéries . Thèse de doctorat , UC Berkeley.

• Perkins, P., Heber, S. (2018). Identification des ribosome Pause sites à l' aide d' un Z-score basée sur l' algorithme de détection de crête . IEEE 8th International Conference on Computational Advances in Bio and Medical Sciences (ICCABS) , ISBN: 978-1-5386-8520-4.

• Moore, J., Goffin, P., Meyer, M., Lundrigan, P., Patwari, N., Sward, K., et Wiese, J. (2018). Gestion des environnements à domicile grâce à la détection, l'annotation et la visualisation des données sur la qualité de l'air . Actes de l'ACM sur les technologies interactives, mobiles, portables et ubiquitaires , 2 (3), 128.

• Lo, O., Buchanan, WJ, Griffiths, P., et Macfarlane, R. (2018), Méthodes de mesure de la distance pour une meilleure détection des menaces internes , réseaux de sécurité et de communication , vol. 2018, article ID 5906368.

• Apurupa, NV, Singh, P., Chakravarthy, S., et Buduru, AB (2018). Une étude critique des modèles de consommation d'énergie dans les appartements indiens . Thèse de doctorat , IIIT-Delhi.

• Scirea, M. (2017). Génération de musique affective et son effet sur l'expérience du joueur . Thèse de doctorat , IT University of Copenhagen, Digital Design.

• Scirea, M., Eklund, P., Togelius, J., & Risi, S. (2017). Primal-improv: Vers une improvisation musicale co-évolutive . Informatique et génie électronique (PECO) , 2017 (pp.172-177). IEEE.

• Catalbas, MC, Cegovnik, T., Sodnik, J. et Gulten, A. (2017). Détection de fatigue du conducteur basée sur les mouvements oculaires saccadés , 10e Conférence internationale sur l'ingénierie électrique et électronique (ELECO), pp. 913-917.

Autres travaux utilisant l'algorithme

• Bernardi, D. (2019). Une étude de faisabilité sur l'association d'une smartwatch et d'un appareil mobile via des gestes multimodaux . Mémoire de maîtrise , Université Aalto.

• Lemmens, E. (2018). Détection des valeurs aberrantes dans les journaux d'événements à l'aide de méthodes statistiques , mémoire de maîtrise , Université d'Eindhoven.

• Willems, P. (2017). Ambiances affectives contrôlées par l'humeur pour les personnes âgées , mémoire de maîtrise , Université de Twente.

• Ciocirdel, GD et Varga, M. (2016). Prédiction électorale basée sur les pages vues de Wikipedia . Document de projet , Vrije Universiteit Amsterdam.

Autres applications de cet algorithme

• Machine Learning Financial Laboratory , package Python basé sur les travaux de De Prado, ML (2018). Progrès dans l'apprentissage automatique financier . John Wiley & Sons.

• Adafruit CircuitPlayground Library , Adafruit board (Adafruit Industries)

• Algorithme de suivi des étapes , application Android (jeeshnair)

Liens vers d'autres algorithmes de détection des pics

• Détection des pics en temps réel dans les séries chronologiques sinusoïdales bruyantes

Si vous utilisez cette fonction quelque part, merci de me créditer cette réponse. Si vous avez des questions concernant cet algorithme, postez-les dans les commentaires ci-dessous ou contactez-moi sur LinkedIn .

Voici l' implémentation Python/ numpyde l'algorithme de z-score lissé (voir réponse ci-dessus ). Vous pouvez trouver l' essentiel ici .

#!/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))

Ci-dessous, le test sur le même ensemble de données qui donne le même tracé que dans la réponse d'origine pour R/Matlab

# 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()

Une approche consiste à détecter les pics sur la base de l'observation suivante:

• Le temps t est un pic si (y (t)> y (t-1)) && (y (t)> y (t + 1))

Il évite les faux positifs en attendant la fin de la tendance haussière. Ce n'est pas exactement "en temps réel" dans le sens où il manquera le pic d'un dt. la sensibilité peut être contrôlée en exigeant une marge de comparaison. Il existe un compromis entre la détection bruyante et le délai de détection. Vous pouvez enrichir le modèle en ajoutant plus de paramètres:

• pic si (y (t) - y (t-dt)> m) && (y (t) - y (t + dt)> m)

où dt et m sont des paramètres pour contrôler la sensibilité par rapport à la temporisation

Voici ce que vous obtenez avec l'algorithme mentionné:

voici le code pour reproduire l'intrigue en python:

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()

En réglant m = 0.5, vous pouvez obtenir un signal plus propre avec un seul faux positif:

Dans le traitement du signal, la détection des pics se fait souvent par transformée en ondelettes. Vous effectuez essentiellement une transformation en ondelettes discrète sur vos données de série chronologique. Les passages par zéro dans les coefficients de détail renvoyés correspondront à des pics dans le signal de série temporelle. Vous obtenez différentes amplitudes de crête détectées à différents niveaux de coefficient de détail, ce qui vous donne une résolution à plusieurs niveaux.

Nous avons tenté d'utiliser l'algorithme de score z lissé sur notre jeu de données, ce qui entraîne une sur-sensibilité ou une sous-sensibilité (selon la façon dont les paramètres sont réglés), avec peu de compromis. Dans le signal de trafic de notre site, nous avons observé une ligne de base à basse fréquence qui représente le cycle quotidien et même avec les meilleurs paramètres possibles (indiqués ci-dessous), elle s'est toujours interrompue surtout le 4ème jour car la plupart des points de données sont reconnus comme anomalie .

En s'appuyant sur l'algorithme d'origine du score z, nous avons trouvé un moyen de résoudre ce problème en filtrant à l'envers. Les détails de l'algorithme modifié et son application sur l'attribution du trafic commercial TV sont publiés sur notre blog d'équipe .

En topologie informatique, l'idée d'une homologie persistante conduit à une solution efficace - rapide comme le tri des nombres -. Il ne détecte pas seulement les pics, il quantifie la «signification» des pics d'une manière naturelle qui vous permet de sélectionner les pics qui sont importants pour vous.

Résumé de l'algorithme. Dans un cadre à une dimension (série chronologique, signal à valeur réelle), l'algorithme peut être facilement décrit par la figure suivante:

Considérez le graphique de fonction (ou son ensemble de sous-niveaux) comme un paysage et envisagez une baisse du niveau d'eau à partir du niveau infini (ou 1,8 sur cette image). Alors que le niveau diminue, des maxima locaux apparaissent. Aux minima locaux, ces îles fusionnent. Un détail de cette idée est que l'île qui est apparue plus tard dans le temps est fusionnée avec l'île qui est plus ancienne. La "persistance" d'une île est son heure de naissance moins son heure de mort. Les longueurs des barres bleues représentent la persistance, qui est la «signification» mentionnée ci-dessus d'un pic.

Efficacité. Il n'est pas trop difficile de trouver une implémentation qui s'exécute en temps linéaire - en fait, c'est une boucle simple et simple - après le tri des valeurs de fonction. Cette implémentation doit donc être rapide dans la pratique et facilement implémentée également.

Références. Une synthèse de toute l'histoire et des références à la motivation de l'homologie persistante (un domaine de la topologie algébrique informatique) peut être trouvée ici: https://www.sthu.org/blog/13-perstopology-peakdetection/index.html

Trouvé un autre algorithme de GH Palshikar dans Simple Algorithms for Peak Detection in Time-Series .

L'algorithme va comme ceci:

algorithm peak1 // one peak detection algorithms that uses peak function S1 

input T = x1, x2, …, xN, N // input time-series of N points 
input k // window size around the peak 
input h // typically 1 <= h <= 3 
output O // set of peaks detected in T 

begin 
O = empty set // initially empty 

    for (i = 1; i < n; i++) do
        // compute peak function value for each of the N points in T 
        a[i] = S1(k,i,xi,T); 
    end for 

    Compute the mean m' and standard deviation s' of all positive values in array a; 

    for (i = 1; i < n; i++) do // remove local peaks which are “small” in global context 
        if (a[i] > 0 && (a[i] – m') >( h * s')) then O = O + {xi}; 
        end if 
    end for 

    Order peaks in O in terms of increasing index in T 

    // retain only one peak out of any set of peaks within distance k of each other 

    for every adjacent pair of peaks xi and xj in O do 
        if |j – i| <= k then remove the smaller value of {xi, xj} from O 
        end if 
    end for 
end

Les avantages

• L'article fournit 5 algorithmes différents pour la détection des pics
• Les algorithmes fonctionnent sur les données brutes des séries temporelles (aucun lissage nécessaire)

Désavantages

• Difficile à déterminer ket à l' havance
• Les pics ne peuvent pas être plats (comme le troisième pic de mes données de test)

Exemple:

Voici une implémentation de l'algorithme Smoothed z-score (ci-dessus) à Golang. Il suppose une tranche de []int16(échantillons PCM 16 bits). Vous pouvez trouver un résumé ici .

/*
Settings (the ones below are examples: choose what is best for your data)
set lag to 5;          # lag 5 for the smoothing functions
set threshold to 3.5;  # 3.5 standard deviations for signal
set influence to 0.5;  # between 0 and 1, where 1 is normal influence, 0.5 is half
*/

// ZScore on 16bit WAV samples
func ZScore(samples []int16, lag int, threshold float64, influence float64) (signals []int16) {
    //lag := 20
    //threshold := 3.5
    //influence := 0.5

    signals = make([]int16, len(samples))
    filteredY := make([]int16, len(samples))
    for i, sample := range samples[0:lag] {
        filteredY[i] = sample
    }
    avgFilter := make([]int16, len(samples))
    stdFilter := make([]int16, len(samples))

    avgFilter[lag] = Average(samples[0:lag])
    stdFilter[lag] = Std(samples[0:lag])

    for i := lag + 1; i < len(samples); i++ {

        f := float64(samples[i])

        if float64(Abs(samples[i]-avgFilter[i-1])) > threshold*float64(stdFilter[i-1]) {
            if samples[i] > avgFilter[i-1] {
                signals[i] = 1
            } else {
                signals[i] = -1
            }
            filteredY[i] = int16(influence*f + (1-influence)*float64(filteredY[i-1]))
            avgFilter[i] = Average(filteredY[(i - lag):i])
            stdFilter[i] = Std(filteredY[(i - lag):i])
        } else {
            signals[i] = 0
            filteredY[i] = samples[i]
            avgFilter[i] = Average(filteredY[(i - lag):i])
            stdFilter[i] = Std(filteredY[(i - lag):i])
        }
    }

    return
}

// Average a chunk of values
func Average(chunk []int16) (avg int16) {
    var sum int64
    for _, sample := range chunk {
        if sample < 0 {
            sample *= -1
        }
        sum += int64(sample)
    }
    return int16(sum / int64(len(chunk)))
}

Voici une implémentation C ++ de l'algorithme de score z lissé de cette réponse

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;
}

Ce problème ressemble à celui que j'ai rencontré dans un cours sur les systèmes hybrides / embarqués, mais qui était lié à la détection de défauts lorsque l'entrée d'un capteur est bruyante. Nous avons utilisé un filtre de Kalman pour estimer / prédire l'état caché du système, puis avons utilisé une analyse statistique pour déterminer la probabilité qu'un défaut se soit produit . Nous travaillions avec des systèmes linéaires, mais des variantes non linéaires existent. Je me souviens que l'approche était étonnamment adaptative, mais elle nécessitait un modèle de la dynamique du système.

Implémentation C ++

#include <iostream>
#include <vector>
#include <algorithm>
#include <unordered_map>
#include <cmath>
#include <iterator>
#include <numeric>

using namespace std;

typedef long double ld;
typedef unsigned int uint;
typedef std::vector<ld>::iterator vec_iter_ld;

/**
 * Overriding the ostream operator for pretty printing vectors.
 */
template<typename T>
std::ostream &operator<<(std::ostream &os, std::vector<T> vec) {
    os << "[";
    if (vec.size() != 0) {
        std::copy(vec.begin(), vec.end() - 1, std::ostream_iterator<T>(os, " "));
        os << vec.back();
    }
    os << "]";
    return os;
}

/**
 * This class calculates mean and standard deviation of a subvector.
 * This is basically stats computation of a subvector of a window size qual to "lag".
 */
class VectorStats {
public:
    /**
     * Constructor for VectorStats class.
     *
     * @param start - This is the iterator position of the start of the window,
     * @param end   - This is the iterator position of the end of the window,
     */
    VectorStats(vec_iter_ld start, vec_iter_ld end) {
        this->start = start;
        this->end = end;
        this->compute();
    }

    /**
     * This method calculates the mean and standard deviation using STL function.
     * This is the Two-Pass implementation of the Mean & Variance calculation.
     */
    void compute() {
        ld sum = std::accumulate(start, end, 0.0);
        uint slice_size = std::distance(start, end);
        ld mean = sum / slice_size;
        std::vector<ld> diff(slice_size);
        std::transform(start, end, diff.begin(), [mean](ld x) { return x - mean; });
        ld sq_sum = std::inner_product(diff.begin(), diff.end(), diff.begin(), 0.0);
        ld std_dev = std::sqrt(sq_sum / slice_size);

        this->m1 = mean;
        this->m2 = std_dev;
    }

    ld mean() {
        return m1;
    }

    ld standard_deviation() {
        return m2;
    }

private:
    vec_iter_ld start;
    vec_iter_ld end;
    ld m1;
    ld m2;
};

/**
 * This is the implementation of the Smoothed Z-Score Algorithm.
 * This is direction translation of https://stackoverflow.com/a/22640362/1461896.
 *
 * @param input - input signal
 * @param lag - the lag of the moving window
 * @param threshold - the z-score at which the algorithm signals
 * @param influence - the influence (between 0 and 1) of new signals on the mean and standard deviation
 * @return a hashmap containing the filtered signal and corresponding mean and standard deviation.
 */
unordered_map<string, vector<ld>> z_score_thresholding(vector<ld> input, int lag, ld threshold, ld influence) {
    unordered_map<string, vector<ld>> output;

    uint n = (uint) input.size();
    vector<ld> signals(input.size());
    vector<ld> filtered_input(input.begin(), input.end());
    vector<ld> filtered_mean(input.size());
    vector<ld> filtered_stddev(input.size());

    VectorStats lag_subvector_stats(input.begin(), input.begin() + lag);
    filtered_mean[lag - 1] = lag_subvector_stats.mean();
    filtered_stddev[lag - 1] = lag_subvector_stats.standard_deviation();

    for (int i = lag; i < n; i++) {
        if (abs(input[i] - filtered_mean[i - 1]) > threshold * filtered_stddev[i - 1]) {
            signals[i] = (input[i] > filtered_mean[i - 1]) ? 1.0 : -1.0;
            filtered_input[i] = influence * input[i] + (1 - influence) * filtered_input[i - 1];
        } else {
            signals[i] = 0.0;
            filtered_input[i] = input[i];
        }
        VectorStats lag_subvector_stats(filtered_input.begin() + (i - lag), filtered_input.begin() + i);
        filtered_mean[i] = lag_subvector_stats.mean();
        filtered_stddev[i] = lag_subvector_stats.standard_deviation();
    }

    output["signals"] = signals;
    output["filtered_mean"] = filtered_mean;
    output["filtered_stddev"] = filtered_stddev;

    return output;
};

int main() {
    vector<ld> input = {1.0, 1.0, 1.1, 1.0, 0.9, 1.0, 1.0, 1.1, 1.0, 0.9, 1.0, 1.1, 1.0, 1.0, 0.9, 1.0, 1.0, 1.1, 1.0,
                        1.0, 1.0, 1.0, 1.1, 0.9, 1.0, 1.1, 1.0, 1.0, 0.9, 1.0, 1.1, 1.0, 1.0, 1.1, 1.0, 0.8, 0.9, 1.0,
                        1.2, 0.9, 1.0, 1.0, 1.1, 1.2, 1.0, 1.5, 1.0, 3.0, 2.0, 5.0, 3.0, 2.0, 1.0, 1.0, 1.0, 0.9, 1.0,
                        1.0, 3.0, 2.6, 4.0, 3.0, 3.2, 2.0, 1.0, 1.0, 0.8, 4.0, 4.0, 2.0, 2.5, 1.0, 1.0, 1.0};

    int lag = 30;
    ld threshold = 5.0;
    ld influence = 0.0;
    unordered_map<string, vector<ld>> output = z_score_thresholding(input, lag, threshold, influence);
    cout << output["signals"] << endl;
}

Dans la continuité de la solution proposée par @ Jean-Paul, j'ai implémenté son algorithme en C #

public class ZScoreOutput
{
    public List<double> input;
    public List<int> signals;
    public List<double> avgFilter;
    public List<double> filtered_stddev;
}

public static class ZScore
{
    public static ZScoreOutput StartAlgo(List<double> input, int lag, double threshold, double influence)
    {
        // init variables!
        int[] signals = new int[input.Count];
        double[] filteredY = new List<double>(input).ToArray();
        double[] avgFilter = new double[input.Count];
        double[] stdFilter = new double[input.Count];

        var initialWindow = new List<double>(filteredY).Skip(0).Take(lag).ToList();

        avgFilter[lag - 1] = Mean(initialWindow);
        stdFilter[lag - 1] = StdDev(initialWindow);

        for (int i = lag; i < input.Count; i++)
        {
            if (Math.Abs(input[i] - avgFilter[i - 1]) > threshold * stdFilter[i - 1])
            {
                signals[i] = (input[i] > avgFilter[i - 1]) ? 1 : -1;
                filteredY[i] = influence * input[i] + (1 - influence) * filteredY[i - 1];
            }
            else
            {
                signals[i] = 0;
                filteredY[i] = input[i];
            }

            // Update rolling average and deviation
            var slidingWindow = new List<double>(filteredY).Skip(i - lag).Take(lag+1).ToList();

            var tmpMean = Mean(slidingWindow);
            var tmpStdDev = StdDev(slidingWindow);

            avgFilter[i] = Mean(slidingWindow);
            stdFilter[i] = StdDev(slidingWindow);
        }

        // Copy to convenience class 
        var result = new ZScoreOutput();
        result.input = input;
        result.avgFilter       = new List<double>(avgFilter);
        result.signals         = new List<int>(signals);
        result.filtered_stddev = new List<double>(stdFilter);

        return result;
    }

    private static double Mean(List<double> list)
    {
        // Simple helper function! 
        return list.Average();
    }

    private static double StdDev(List<double> values)
    {
        double ret = 0;
        if (values.Count() > 0)
        {
            double avg = values.Average();
            double sum = values.Sum(d => Math.Pow(d - avg, 2));
            ret = Math.Sqrt((sum) / (values.Count() - 1));
        }
        return ret;
    }
}

Exemple d'utilisation:

var input = new List<double> {1.0, 1.0, 1.1, 1.0, 0.9, 1.0, 1.0, 1.1, 1.0, 0.9, 1.0,
    1.1, 1.0, 1.0, 0.9, 1.0, 1.0, 1.1, 1.0, 1.0, 1.0, 1.0, 1.1, 0.9, 1.0, 1.1, 1.0, 1.0, 0.9,
    1.0, 1.1, 1.0, 1.0, 1.1, 1.0, 0.8, 0.9, 1.0, 1.2, 0.9, 1.0, 1.0, 1.1, 1.2, 1.0, 1.5, 1.0,
    3.0, 2.0, 5.0, 3.0, 2.0, 1.0, 1.0, 1.0, 0.9, 1.0, 1.0, 3.0, 2.6, 4.0, 3.0, 3.2, 2.0, 1.0,
    1.0, 0.8, 4.0, 4.0, 2.0, 2.5, 1.0, 1.0, 1.0};

int lag = 30;
double threshold = 5.0;
double influence = 0.0;

var output = ZScore.StartAlgo(input, lag, threshold, influence);

Voici une implémentation C du Smoothed Z-score de @ Jean-Paul pour le microcontrôleur Arduino utilisé pour prendre des mesures d'accéléromètre et décider si la direction d'un impact est venue de la gauche ou de la droite. Cela fonctionne très bien car cet appareil renvoie un signal rebondi. Voici cette entrée pour cet algorithme de détection des pics de l'appareil - montrant un impact de la droite suivi d'un impact de la gauche. Vous pouvez voir le pic initial puis l'oscillation du capteur.

#include <stdio.h>
#include <math.h>
#include <string.h>


#define SAMPLE_LENGTH 1000

float stddev(float data[], int len);
float mean(float data[], int len);
void thresholding(float y[], int signals[], int lag, float threshold, float influence);


void thresholding(float y[], int signals[], int lag, float threshold, float influence) {
    memset(signals, 0, sizeof(float) * SAMPLE_LENGTH);
    float filteredY[SAMPLE_LENGTH];
    memcpy(filteredY, y, sizeof(float) * SAMPLE_LENGTH);
    float avgFilter[SAMPLE_LENGTH];
    float stdFilter[SAMPLE_LENGTH];

    avgFilter[lag - 1] = mean(y, lag);
    stdFilter[lag - 1] = stddev(y, lag);

    for (int i = lag; i < SAMPLE_LENGTH; i++) {
        if (fabsf(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];
        } else {
            signals[i] = 0;
        }
        avgFilter[i] = mean(filteredY + i-lag, lag);
        stdFilter[i] = stddev(filteredY + i-lag, lag);
    }
}

float mean(float data[], int len) {
    float sum = 0.0, mean = 0.0;

    int i;
    for(i=0; i<len; ++i) {
        sum += data[i];
    }

    mean = sum/len;
    return mean;


}

float stddev(float data[], int len) {
    float the_mean = mean(data, len);
    float standardDeviation = 0.0;

    int i;
    for(i=0; i<len; ++i) {
        standardDeviation += pow(data[i] - the_mean, 2);
    }

    return sqrt(standardDeviation/len);
}

int main() {
    printf("Hello, World!\n");
    int lag = 100;
    float threshold = 5;
    float influence = 0;
    float y[]=  {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,       2.6,4,3,3.2,2,1,1,0.8,4,4,2,2.5,1,1,1,1.2,1,1.5,1,3,2,5,3,2,1,1,1,0.9,1,1,3,
       2.6,4,3,3.2,2,1,1,0.8,4,4,2,2.5,1,1,1}

    int signal[SAMPLE_LENGTH];

    thresholding(y, signal,  lag, threshold, influence);

    return 0;
}

Son résultat avec influence = 0

Pas génial mais ici avec influence = 1

ce qui est très bon.

Voici une implémentation Java réelle basée sur la réponse Groovy publiée précédemment. (Je sais qu'il y a déjà des implémentations Groovy et Kotlin publiées, mais pour quelqu'un comme moi qui n'a fait que Java, c'est un vrai tracas de comprendre comment convertir entre d'autres langages et Java).

(Les résultats correspondent aux graphiques d'autres personnes)

Implémentation d'algorithme

import java.util.ArrayList;
import java.util.Collections;
import java.util.HashMap;
import java.util.List;

import org.apache.commons.math3.stat.descriptive.SummaryStatistics;

public class SignalDetector {

    public HashMap<String, List> analyzeDataForSignals(List<Double> data, int lag, Double threshold, Double influence) {

        // init stats instance
        SummaryStatistics stats = new SummaryStatistics();

        // the results (peaks, 1 or -1) of our algorithm
        List<Integer> signals = new ArrayList<Integer>(Collections.nCopies(data.size(), 0));

        // filter out the signals (peaks) from our original list (using influence arg)
        List<Double> filteredData = new ArrayList<Double>(data);

        // the current average of the rolling window
        List<Double> avgFilter = new ArrayList<Double>(Collections.nCopies(data.size(), 0.0d));

        // the current standard deviation of the rolling window
        List<Double> stdFilter = new ArrayList<Double>(Collections.nCopies(data.size(), 0.0d));

        // init avgFilter and stdFilter
        for (int i = 0; i < lag; i++) {
            stats.addValue(data.get(i));
        }
        avgFilter.set(lag - 1, stats.getMean());
        stdFilter.set(lag - 1, Math.sqrt(stats.getPopulationVariance())); // getStandardDeviation() uses sample variance
        stats.clear();

        // loop input starting at end of rolling window
        for (int i = lag; i < data.size(); i++) {

            // if the distance between the current value and average is enough standard deviations (threshold) away
            if (Math.abs((data.get(i) - avgFilter.get(i - 1))) > threshold * stdFilter.get(i - 1)) {

                // this is a signal (i.e. peak), determine if it is a positive or negative signal
                if (data.get(i) > avgFilter.get(i - 1)) {
                    signals.set(i, 1);
                } else {
                    signals.set(i, -1);
                }

                // filter this signal out using influence
                filteredData.set(i, (influence * data.get(i)) + ((1 - influence) * filteredData.get(i - 1)));
            } else {
                // ensure this signal remains a zero
                signals.set(i, 0);
                // ensure this value is not filtered
                filteredData.set(i, data.get(i));
            }

            // update rolling average and deviation
            for (int j = i - lag; j < i; j++) {
                stats.addValue(filteredData.get(j));
            }
            avgFilter.set(i, stats.getMean());
            stdFilter.set(i, Math.sqrt(stats.getPopulationVariance()));
            stats.clear();
        }

        HashMap<String, List> returnMap = new HashMap<String, List>();
        returnMap.put("signals", signals);
        returnMap.put("filteredData", filteredData);
        returnMap.put("avgFilter", avgFilter);
        returnMap.put("stdFilter", stdFilter);

        return returnMap;

    } // end
}

Méthode principale

import java.text.DecimalFormat;
import java.util.ArrayList;
import java.util.Arrays;
import java.util.HashMap;
import java.util.List;

public class Main {

    public static void main(String[] args) throws Exception {
        DecimalFormat df = new DecimalFormat("#0.000");

        ArrayList<Double> data = new ArrayList<Double>(Arrays.asList(1d, 1d, 1.1d, 1d, 0.9d, 1d, 1d, 1.1d, 1d, 0.9d, 1d,
                1.1d, 1d, 1d, 0.9d, 1d, 1d, 1.1d, 1d, 1d, 1d, 1d, 1.1d, 0.9d, 1d, 1.1d, 1d, 1d, 0.9d, 1d, 1.1d, 1d, 1d,
                1.1d, 1d, 0.8d, 0.9d, 1d, 1.2d, 0.9d, 1d, 1d, 1.1d, 1.2d, 1d, 1.5d, 1d, 3d, 2d, 5d, 3d, 2d, 1d, 1d, 1d,
                0.9d, 1d, 1d, 3d, 2.6d, 4d, 3d, 3.2d, 2d, 1d, 1d, 0.8d, 4d, 4d, 2d, 2.5d, 1d, 1d, 1d));

        SignalDetector signalDetector = new SignalDetector();
        int lag = 30;
        double threshold = 5;
        double influence = 0;

        HashMap<String, List> resultsMap = signalDetector.analyzeDataForSignals(data, lag, threshold, influence);
        // print algorithm params
        System.out.println("lag: " + lag + "\t\tthreshold: " + threshold + "\t\tinfluence: " + influence);

        System.out.println("Data size: " + data.size());
        System.out.println("Signals size: " + resultsMap.get("signals").size());

        // print data
        System.out.print("Data:\t\t");
        for (double d : data) {
            System.out.print(df.format(d) + "\t");
        }
        System.out.println();

        // print signals
        System.out.print("Signals:\t");
        List<Integer> signalsList = resultsMap.get("signals");
        for (int i : signalsList) {
            System.out.print(df.format(i) + "\t");
        }
        System.out.println();

        // print filtered data
        System.out.print("Filtered Data:\t");
        List<Double> filteredDataList = resultsMap.get("filteredData");
        for (double d : filteredDataList) {
            System.out.print(df.format(d) + "\t");
        }
        System.out.println();

        // print running average
        System.out.print("Avg Filter:\t");
        List<Double> avgFilterList = resultsMap.get("avgFilter");
        for (double d : avgFilterList) {
            System.out.print(df.format(d) + "\t");
        }
        System.out.println();

        // print running std
        System.out.print("Std filter:\t");
        List<Double> stdFilterList = resultsMap.get("stdFilter");
        for (double d : stdFilterList) {
            System.out.print(df.format(d) + "\t");
        }
        System.out.println();

        System.out.println();
        for (int i = 0; i < signalsList.size(); i++) {
            if (signalsList.get(i) != 0) {
                System.out.println("Point " + i + " gave signal " + signalsList.get(i));
            }
        }
    }
}

Résultats

lag: 30     threshold: 5.0      influence: 0.0
Data size: 74
Signals size: 74
Data:           1.000   1.000   1.100   1.000   0.900   1.000   1.000   1.100   1.000   0.900   1.000   1.100   1.000   1.000   0.900   1.000   1.000   1.100   1.000   1.000   1.000   1.000   1.100   0.900   1.000   1.100   1.000   1.000   0.900   1.000   1.100   1.000   1.000   1.100   1.000   0.800   0.900   1.000   1.200   0.900   1.000   1.000   1.100   1.200   1.000   1.500   1.000   3.000   2.000   5.000   3.000   2.000   1.000   1.000   1.000   0.900   1.000   1.000   3.000   2.600   4.000   3.000   3.200   2.000   1.000   1.000   0.800   4.000   4.000   2.000   2.500   1.000   1.000   1.000   
Signals:        0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   1.000   0.000   1.000   1.000   1.000   1.000   1.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   1.000   1.000   1.000   1.000   1.000   1.000   0.000   0.000   0.000   1.000   1.000   1.000   1.000   0.000   0.000   0.000   
Filtered Data:  1.000   1.000   1.100   1.000   0.900   1.000   1.000   1.100   1.000   0.900   1.000   1.100   1.000   1.000   0.900   1.000   1.000   1.100   1.000   1.000   1.000   1.000   1.100   0.900   1.000   1.100   1.000   1.000   0.900   1.000   1.100   1.000   1.000   1.100   1.000   0.800   0.900   1.000   1.200   0.900   1.000   1.000   1.100   1.200   1.000   1.000   1.000   1.000   1.000   1.000   1.000   1.000   1.000   1.000   1.000   0.900   1.000   1.000   1.000   1.000   1.000   1.000   1.000   1.000   1.000   1.000   0.800   0.800   0.800   0.800   0.800   1.000   1.000   1.000   
Avg Filter:     0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   1.003   1.003   1.007   1.007   1.003   1.007   1.010   1.003   1.000   0.997   1.003   1.003   1.003   1.000   1.003   1.010   1.013   1.013   1.013   1.010   1.010   1.010   1.010   1.010   1.007   1.010   1.010   1.003   1.003   1.003   1.007   1.007   1.003   1.003   1.003   1.000   1.000   1.007   1.003   0.997   0.983   0.980   0.973   0.973   0.970   
Std filter:     0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.000   0.060   0.060   0.063   0.063   0.060   0.063   0.060   0.071   0.073   0.071   0.080   0.080   0.080   0.077   0.080   0.087   0.085   0.085   0.085   0.083   0.083   0.083   0.083   0.083   0.081   0.079   0.079   0.080   0.080   0.080   0.077   0.077   0.075   0.075   0.075   0.073   0.073   0.063   0.071   0.080   0.078   0.083   0.089   0.089   0.086   

Point 45 gave signal 1
Point 47 gave signal 1
Point 48 gave signal 1
Point 49 gave signal 1
Point 50 gave signal 1
Point 51 gave signal 1
Point 58 gave signal 1
Point 59 gave signal 1
Point 60 gave signal 1
Point 61 gave signal 1
Point 62 gave signal 1
Point 63 gave signal 1
Point 67 gave signal 1
Point 68 gave signal 1
Point 69 gave signal 1
Point 70 gave signal 1

Annexe 1 à la réponse originale: Matlabet Rtraductions

Code Matlab

function [signals,avgFilter,stdFilter] = ThresholdingAlgo(y,lag,threshold,influence)
% Initialise signal results
signals = zeros(length(y),1);
% Initialise filtered series
filteredY = y(1:lag+1);
% Initialise filters
avgFilter(lag+1,1) = mean(y(1:lag+1));
stdFilter(lag+1,1) = std(y(1:lag+1));
% Loop over all datapoints y(lag+2),...,y(t)
for i=lag+2:length(y)
    % If new value is a specified number of deviations away
    if abs(y(i)-avgFilter(i-1)) > threshold*stdFilter(i-1)
        if y(i) > avgFilter(i-1)
            % Positive signal
            signals(i) = 1;
        else
            % Negative signal
            signals(i) = -1;
        end
        % Make influence lower
        filteredY(i) = influence*y(i)+(1-influence)*filteredY(i-1);
    else
        % No signal
        signals(i) = 0;
        filteredY(i) = y(i);
    end
    % Adjust the filters
    avgFilter(i) = mean(filteredY(i-lag:i));
    stdFilter(i) = std(filteredY(i-lag:i));
end
% Done, now return results
end

Exemple:

% Data
y = [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;

% Get results
[signals,avg,dev] = ThresholdingAlgo(y,lag,threshold,influence);

figure; subplot(2,1,1); hold on;
x = 1:length(y); ix = lag+1:length(y);
area(x(ix),avg(ix)+threshold*dev(ix),'FaceColor',[0.9 0.9 0.9],'EdgeColor','none');
area(x(ix),avg(ix)-threshold*dev(ix),'FaceColor',[1 1 1],'EdgeColor','none');
plot(x(ix),avg(ix),'LineWidth',1,'Color','cyan','LineWidth',1.5);
plot(x(ix),avg(ix)+threshold*dev(ix),'LineWidth',1,'Color','green','LineWidth',1.5);
plot(x(ix),avg(ix)-threshold*dev(ix),'LineWidth',1,'Color','green','LineWidth',1.5);
plot(1:length(y),y,'b');
subplot(2,1,2);
stairs(signals,'r','LineWidth',1.5); ylim([-1.5 1.5]);

Code R

ThresholdingAlgo <- function(y,lag,threshold,influence) {
  signals <- rep(0,length(y))
  filteredY <- y[0:lag]
  avgFilter <- NULL
  stdFilter <- NULL
  avgFilter[lag] <- mean(y[0:lag], na.rm=TRUE)
  stdFilter[lag] <- sd(y[0:lag], na.rm=TRUE)
  for (i in (lag+1):length(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]
    } else {
      signals[i] <- 0
      filteredY[i] <- y[i]
    }
    avgFilter[i] <- mean(filteredY[(i-lag):i], na.rm=TRUE)
    stdFilter[i] <- sd(filteredY[(i-lag):i], na.rm=TRUE)
  }
  return(list("signals"=signals,"avgFilter"=avgFilter,"stdFilter"=stdFilter))
}

Exemple:

# Data
y <- c(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)

lag       <- 30
threshold <- 5
influence <- 0

# Run algo with lag = 30, threshold = 5, influence = 0
result <- ThresholdingAlgo(y,lag,threshold,influence)

# Plot result
par(mfrow = c(2,1),oma = c(2,2,0,0) + 0.1,mar = c(0,0,2,1) + 0.2)
plot(1:length(y),y,type="l",ylab="",xlab="") 
lines(1:length(y),result$avgFilter,type="l",col="cyan",lwd=2)
lines(1:length(y),result$avgFilter+threshold*result$stdFilter,type="l",col="green",lwd=2)
lines(1:length(y),result$avgFilter-threshold*result$stdFilter,type="l",col="green",lwd=2)
plot(result$signals,type="S",col="red",ylab="",xlab="",ylim=c(-1.5,1.5),lwd=2)

Ce code (les deux langues) donnera le résultat suivant pour les données de la question d'origine:

Annexe 2 à la réponse originale: Matlabcode de démonstration

(cliquez pour créer des données)

function [] = RobustThresholdingDemo()

%% SPECIFICATIONS
lag         = 5;       % lag for the smoothing
threshold   = 3.5;     % number of st.dev. away from the mean to signal
influence   = 0.3;     % when signal: how much influence for new data? (between 0 and 1)
                       % 1 is normal influence, 0.5 is half      
%% START DEMO
DemoScreen(30,lag,threshold,influence);

end

function [signals,avgFilter,stdFilter] = ThresholdingAlgo(y,lag,threshold,influence)
signals = zeros(length(y),1);
filteredY = y(1:lag+1);
avgFilter(lag+1,1) = mean(y(1:lag+1));
stdFilter(lag+1,1) = std(y(1:lag+1));
for i=lag+2:length(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;
        end
        filteredY(i) = influence*y(i)+(1-influence)*filteredY(i-1);
    else
        signals(i) = 0;
        filteredY(i) = y(i);
    end
    avgFilter(i) = mean(filteredY(i-lag:i));
    stdFilter(i) = std(filteredY(i-lag:i));
end
end

% Demo screen function
function [] = DemoScreen(n,lag,threshold,influence)
figure('Position',[200 100,1000,500]);
subplot(2,1,1);
title(sprintf(['Draw data points (%.0f max)      [settings: lag = %.0f, '...
    'threshold = %.2f, influence = %.2f]'],n,lag,threshold,influence));
ylim([0 5]); xlim([0 50]);
H = gca; subplot(2,1,1);
set(H, 'YLimMode', 'manual'); set(H, 'XLimMode', 'manual');
set(H, 'YLim', get(H,'YLim')); set(H, 'XLim', get(H,'XLim'));
xg = []; yg = [];
for i=1:n
    try
        [xi,yi] = ginput(1);
    catch
        return;
    end
    xg = [xg xi]; yg = [yg yi];
    if i == 1
        subplot(2,1,1); hold on;
        plot(H, xg(i),yg(i),'r.'); 
        text(xg(i),yg(i),num2str(i),'FontSize',7);
    end
    if length(xg) > lag
        [signals,avg,dev] = ...
            ThresholdingAlgo(yg,lag,threshold,influence);
        area(xg(lag+1:end),avg(lag+1:end)+threshold*dev(lag+1:end),...
            'FaceColor',[0.9 0.9 0.9],'EdgeColor','none');
        area(xg(lag+1:end),avg(lag+1:end)-threshold*dev(lag+1:end),...
            'FaceColor',[1 1 1],'EdgeColor','none');
        plot(xg(lag+1:end),avg(lag+1:end),'LineWidth',1,'Color','cyan');
        plot(xg(lag+1:end),avg(lag+1:end)+threshold*dev(lag+1:end),...
            'LineWidth',1,'Color','green');
        plot(xg(lag+1:end),avg(lag+1:end)-threshold*dev(lag+1:end),...
            'LineWidth',1,'Color','green');
        subplot(2,1,2); hold on; title('Signal output');
        stairs(xg(lag+1:end),signals(lag+1:end),'LineWidth',2,'Color','blue');
        ylim([-2 2]); xlim([0 50]); hold off;
    end
    subplot(2,1,1); hold on;
    for j=2:i
        plot(xg([j-1:j]),yg([j-1:j]),'r'); plot(H,xg(j),yg(j),'r.');
        text(xg(j),yg(j),num2str(j),'FontSize',7);
    end
end
end

Voici ma tentative de création d'une solution Ruby pour le "Algo z-score lissé" à partir de la réponse acceptée:

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

Et exemple d'utilisation:

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
# ]

Une version itérative en python / numpy pour la réponse https://stackoverflow.com/a/22640362/6029703 est ici. Ce code est plus rapide que la moyenne informatique et l'écart type à chaque décalage pour les données volumineuses (100000+).

def peak_detection_smoothed_zscore_v2(x, lag, threshold, influence):
    '''
    iterative smoothed z-score algorithm
    Implementation of algorithm from https://stackoverflow.com/a/22640362/6029703
    '''
    import numpy as np
    labels = np.zeros(len(x))
    filtered_y = np.array(x)
    avg_filter = np.zeros(len(x))
    std_filter = np.zeros(len(x))
    var_filter = np.zeros(len(x))

    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])
    for i in range(lag, len(x)):
        if abs(x[i] - avg_filter[i - 1]) > threshold * std_filter[i - 1]:
            if x[i] > avg_filter[i - 1]:
                labels[i] = 1
            else:
                labels[i] = -1
            filtered_y[i] = influence * x[i] + (1 - influence) * filtered_y[i - 1]
        else:
            labels[i] = 0
            filtered_y[i] = x[i]
        # update avg, var, std
        avg_filter[i] = avg_filter[i - 1] + 1. / lag * (filtered_y[i] - filtered_y[i - lag])
        var_filter[i] = var_filter[i - 1] + 1. / lag * ((filtered_y[i] - avg_filter[i - 1]) ** 2 - (
            filtered_y[i - lag] - avg_filter[i - 1]) ** 2 - (filtered_y[i] - filtered_y[i - lag]) ** 2 / lag)
        std_filter[i] = np.sqrt(var_filter[i])

    return dict(signals=labels,
                avgFilter=avg_filter,
                stdFilter=std_filter)

Je pensais que je fournirais mon implémentation Julia de l'algorithme pour les autres. L'essentiel peut être trouvé ici

using Statistics
using Plots
function SmoothedZscoreAlgo(y, lag, threshold, influence)
    # Julia implimentation of http://stackoverflow.com/a/22640362/6029703
    n = length(y)
    signals = zeros(n) # init signal results
    filteredY = copy(y) # init filtered series
    avgFilter = zeros(n) # init average filter
    stdFilter = zeros(n) # init std filter
    avgFilter[lag - 1] = mean(y[1:lag]) # init first value
    stdFilter[lag - 1] = std(y[1:lag]) # init first value

    for i in range(lag, stop=n-1)
        if abs(y[i] - avgFilter[i-1]) > threshold*stdFilter[i-1]
            if y[i] > avgFilter[i-1]
                signals[i] += 1 # postive signal
            else
                signals[i] += -1 # negative signal
            end
            # Make influence lower
            filteredY[i] = influence*y[i] + (1-influence)*filteredY[i-1]
        else
            signals[i] = 0
            filteredY[i] = y[i]
        end
        avgFilter[i] = mean(filteredY[i-lag+1:i])
        stdFilter[i] = std(filteredY[i-lag+1:i])
    end
    return (signals = signals, avgFilter = avgFilter, stdFilter = stdFilter)
end


# Data
y = [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

results = SmoothedZscoreAlgo(y, lag, threshold, influence)
upper_bound = results[:avgFilter] + threshold * results[:stdFilter]
lower_bound = results[:avgFilter] - threshold * results[:stdFilter]
x = 1:length(y)

yplot = plot(x,y,color="blue", label="Y",legend=:topleft)
yplot = plot!(x,upper_bound, color="green", label="Upper Bound",legend=:topleft)
yplot = plot!(x,results[:avgFilter], color="cyan", label="Average Filter",legend=:topleft)
yplot = plot!(x,lower_bound, color="green", label="Lower Bound",legend=:topleft)
signalplot = plot(x,results[:signals],color="red",label="Signals",legend=:topleft)
plot(yplot,signalplot,layout=(2,1),legend=:topleft)

Voici une implémentation Groovy (Java) de l'algorithme de score z lissé ( voir la réponse ci-dessus ).

/**
 * "Smoothed zero-score alogrithm" shamelessly copied from https://stackoverflow.com/a/22640362/6029703
 *  Uses a rolling mean and a rolling deviation (separate) to identify peaks in a vector
 *
 * @param y - The input vector to analyze
 * @param lag - The lag of the moving window (i.e. how big the window is)
 * @param threshold - The z-score at which the algorithm signals (i.e. how many standard deviations away from the moving mean a peak (or signal) is)
 * @param influence - The influence (between 0 and 1) of new signals on the mean and standard deviation (how much a peak (or signal) should affect other values near it)
 * @return - The calculated averages (avgFilter) and deviations (stdFilter), and the signals (signals)
 */

public HashMap<String, List<Object>> thresholdingAlgo(List<Double> y, Long lag, Double threshold, Double influence) {
    //init stats instance
    SummaryStatistics stats = new SummaryStatistics()

    //the results (peaks, 1 or -1) of our algorithm
    List<Integer> signals = new ArrayList<Integer>(Collections.nCopies(y.size(), 0))
    //filter out the signals (peaks) from our original list (using influence arg)
    List<Double> filteredY = new ArrayList<Double>(y)
    //the current average of the rolling window
    List<Double> avgFilter = new ArrayList<Double>(Collections.nCopies(y.size(), 0.0d))
    //the current standard deviation of the rolling window
    List<Double> stdFilter = new ArrayList<Double>(Collections.nCopies(y.size(), 0.0d))
    //init avgFilter and stdFilter
    (0..lag-1).each { stats.addValue(y[it as int]) }
    avgFilter[lag - 1 as int] = stats.getMean()
    stdFilter[lag - 1 as int] = Math.sqrt(stats.getPopulationVariance()) //getStandardDeviation() uses sample variance (not what we want)
    stats.clear()
    //loop input starting at end of rolling window
    (lag..y.size()-1).each { i ->
        //if the distance between the current value and average is enough standard deviations (threshold) away
        if (Math.abs((y[i as int] - avgFilter[i - 1 as int]) as Double) > threshold * stdFilter[i - 1 as int]) {
            //this is a signal (i.e. peak), determine if it is a positive or negative signal
            signals[i as int] = (y[i as int] > avgFilter[i - 1 as int]) ? 1 : -1
            //filter this signal out using influence
            filteredY[i as int] = (influence * y[i as int]) + ((1-influence) * filteredY[i - 1 as int])
        } else {
            //ensure this signal remains a zero
            signals[i as int] = 0
            //ensure this value is not filtered
            filteredY[i as int] = y[i as int]
        }
        //update rolling average and deviation
        (i - lag..i-1).each { stats.addValue(filteredY[it as int] as Double) }
        avgFilter[i as int] = stats.getMean()
        stdFilter[i as int] = Math.sqrt(stats.getPopulationVariance()) //getStandardDeviation() uses sample variance (not what we want)
        stats.clear()
    }

    return [
        signals  : signals,
        avgFilter: avgFilter,
        stdFilter: stdFilter
    ]
}

Vous trouverez ci-dessous un test sur le même ensemble de données qui donne les mêmes résultats que l' implémentation Python / numpy ci - dessus .

    // Data
    def y = [1d, 1d, 1.1d, 1d, 0.9d, 1d, 1d, 1.1d, 1d, 0.9d, 1d, 1.1d, 1d, 1d, 0.9d, 1d, 1d, 1.1d, 1d, 1d,
         1d, 1d, 1.1d, 0.9d, 1d, 1.1d, 1d, 1d, 0.9d, 1d, 1.1d, 1d, 1d, 1.1d, 1d, 0.8d, 0.9d, 1d, 1.2d, 0.9d, 1d,
         1d, 1.1d, 1.2d, 1d, 1.5d, 1d, 3d, 2d, 5d, 3d, 2d, 1d, 1d, 1d, 0.9d, 1d,
         1d, 3d, 2.6d, 4d, 3d, 3.2d, 2d, 1d, 1d, 0.8d, 4d, 4d, 2d, 2.5d, 1d, 1d, 1d]

    // Settings
    def lag = 30
    def threshold = 5
    def influence = 0


    def thresholdingResults = thresholdingAlgo((List<Double>) y, (Long) lag, (Double) threshold, (Double) influence)

    println y.size()
    println thresholdingResults.signals.size()
    println thresholdingResults.signals

    thresholdingResults.signals.eachWithIndex { x, idx ->
        if (x) {
            println y[idx]
        }
    }

Voici une version Scala (non idiomatique) de l' algorithme de score z lissé :

/**
  * Smoothed zero-score alogrithm shamelessly copied from https://stackoverflow.com/a/22640362/6029703
  * Uses a rolling mean and a rolling deviation (separate) to identify peaks in a vector
  *
  * @param y - The input vector to analyze
  * @param lag - The lag of the moving window (i.e. how big the window is)
  * @param threshold - The z-score at which the algorithm signals (i.e. how many standard deviations away from the moving mean a peak (or signal) is)
  * @param influence - The influence (between 0 and 1) of new signals on the mean and standard deviation (how much a peak (or signal) should affect other values near it)
  * @return - The calculated averages (avgFilter) and deviations (stdFilter), and the signals (signals)
  */
private def smoothedZScore(y: Seq[Double], lag: Int, threshold: Double, influence: Double): Seq[Int] = {
  val stats = new SummaryStatistics()

  // the results (peaks, 1 or -1) of our algorithm
  val signals = mutable.ArrayBuffer.fill(y.length)(0)

  // filter out the signals (peaks) from our original list (using influence arg)
  val filteredY = y.to[mutable.ArrayBuffer]

  // the current average of the rolling window
  val avgFilter = mutable.ArrayBuffer.fill(y.length)(0d)

  // the current standard deviation of the rolling window
  val stdFilter = mutable.ArrayBuffer.fill(y.length)(0d)

  // init avgFilter and stdFilter
  y.take(lag).foreach(s => stats.addValue(s))

  avgFilter(lag - 1) = stats.getMean
  stdFilter(lag - 1) = Math.sqrt(stats.getPopulationVariance) // getStandardDeviation() uses sample variance (not what we want)

  // loop input starting at end of rolling window
  y.zipWithIndex.slice(lag, y.length - 1).foreach {
    case (s: Double, i: Int) =>
      // if the distance between the current value and average is enough standard deviations (threshold) away
      if (Math.abs(s - avgFilter(i - 1)) > threshold * stdFilter(i - 1)) {
        // this is a signal (i.e. peak), determine if it is a positive or negative signal
        signals(i) = if (s > avgFilter(i - 1)) 1 else -1
        // filter this signal out using influence
        filteredY(i) = (influence * s) + ((1 - influence) * filteredY(i - 1))
      } else {
        // ensure this signal remains a zero
        signals(i) = 0
        // ensure this value is not filtered
        filteredY(i) = s
      }

      // update rolling average and deviation
      stats.clear()
      filteredY.slice(i - lag, i).foreach(s => stats.addValue(s))
      avgFilter(i) = stats.getMean
      stdFilter(i) = Math.sqrt(stats.getPopulationVariance) // getStandardDeviation() uses sample variance (not what we want)
  }

  println(y.length)
  println(signals.length)
  println(signals)

  signals.zipWithIndex.foreach {
    case(x: Int, idx: Int) =>
      if (x == 1) {
        println(idx + " " + y(idx))
      }
  }

  val data =
    y.zipWithIndex.map { case (s: Double, i: Int) => Map("x" -> i, "y" -> s, "name" -> "y", "row" -> "data") } ++
    avgFilter.zipWithIndex.map { case (s: Double, i: Int) => Map("x" -> i, "y" -> s, "name" -> "avgFilter", "row" -> "data") } ++
    avgFilter.zipWithIndex.map { case (s: Double, i: Int) => Map("x" -> i, "y" -> (s - threshold * stdFilter(i)), "name" -> "lower", "row" -> "data") } ++
    avgFilter.zipWithIndex.map { case (s: Double, i: Int) => Map("x" -> i, "y" -> (s + threshold * stdFilter(i)), "name" -> "upper", "row" -> "data") } ++
    signals.zipWithIndex.map { case (s: Int, i: Int) => Map("x" -> i, "y" -> s, "name" -> "signal", "row" -> "signal") }

  Vegas("Smoothed Z")
    .withData(data)
    .mark(Line)
    .encodeX("x", Quant)
    .encodeY("y", Quant)
    .encodeColor(
      field="name",
      dataType=Nominal
    )
    .encodeRow("row", Ordinal)
    .show

  return signals
}

Voici un test qui renvoie les mêmes résultats que les versions Python et Groovy:

val y = List(1d, 1d, 1.1d, 1d, 0.9d, 1d, 1d, 1.1d, 1d, 0.9d, 1d, 1.1d, 1d, 1d, 0.9d, 1d, 1d, 1.1d, 1d, 1d,
  1d, 1d, 1.1d, 0.9d, 1d, 1.1d, 1d, 1d, 0.9d, 1d, 1.1d, 1d, 1d, 1.1d, 1d, 0.8d, 0.9d, 1d, 1.2d, 0.9d, 1d,
  1d, 1.1d, 1.2d, 1d, 1.5d, 1d, 3d, 2d, 5d, 3d, 2d, 1d, 1d, 1d, 0.9d, 1d,
  1d, 3d, 2.6d, 4d, 3d, 3.2d, 2d, 1d, 1d, 0.8d, 4d, 4d, 2d, 2.5d, 1d, 1d, 1d)

val lag = 30
val threshold = 5d
val influence = 0d

smoothedZScore(y, lag, threshold, influence)

Gist here

J'avais besoin de quelque chose comme ça dans mon projet Android. J'ai pensé que je pourrais rendre l' implémentation de Kotlin .

/**
* Smoothed zero-score alogrithm shamelessly copied from https://stackoverflow.com/a/22640362/6029703
* Uses a rolling mean and a rolling deviation (separate) to identify peaks in a vector
*
* @param y - The input vector to analyze
* @param lag - The lag of the moving window (i.e. how big the window is)
* @param threshold - The z-score at which the algorithm signals (i.e. how many standard deviations away from the moving mean a peak (or signal) is)
* @param influence - The influence (between 0 and 1) of new signals on the mean and standard deviation (how much a peak (or signal) should affect other values near it)
* @return - The calculated averages (avgFilter) and deviations (stdFilter), and the signals (signals)
*/
fun smoothedZScore(y: List<Double>, lag: Int, threshold: Double, influence: Double): Triple<List<Int>, List<Double>, List<Double>> {
    val stats = SummaryStatistics()
    // the results (peaks, 1 or -1) of our algorithm
    val signals = MutableList<Int>(y.size, { 0 })
    // filter out the signals (peaks) from our original list (using influence arg)
    val filteredY = ArrayList<Double>(y)
    // the current average of the rolling window
    val avgFilter = MutableList<Double>(y.size, { 0.0 })
    // the current standard deviation of the rolling window
    val stdFilter = MutableList<Double>(y.size, { 0.0 })
    // init avgFilter and stdFilter
    y.take(lag).forEach { s -> stats.addValue(s) }
    avgFilter[lag - 1] = stats.mean
    stdFilter[lag - 1] = Math.sqrt(stats.populationVariance) // getStandardDeviation() uses sample variance (not what we want)
    stats.clear()
    //loop input starting at end of rolling window
    (lag..y.size - 1).forEach { i ->
        //if the distance between the current value and average is enough standard deviations (threshold) away
        if (Math.abs(y[i] - avgFilter[i - 1]) > threshold * stdFilter[i - 1]) {
            //this is a signal (i.e. peak), determine if it is a positive or negative signal
            signals[i] = if (y[i] > avgFilter[i - 1]) 1 else -1
            //filter this signal out using influence
            filteredY[i] = (influence * y[i]) + ((1 - influence) * filteredY[i - 1])
        } else {
            //ensure this signal remains a zero
            signals[i] = 0
            //ensure this value is not filtered
            filteredY[i] = y[i]
        }
        //update rolling average and deviation
        (i - lag..i - 1).forEach { stats.addValue(filteredY[it]) }
        avgFilter[i] = stats.getMean()
        stdFilter[i] = Math.sqrt(stats.getPopulationVariance()) //getStandardDeviation() uses sample variance (not what we want)
        stats.clear()
    }
    return Triple(signals, avgFilter, stdFilter)
}

un exemple de projet avec des graphiques de vérification peut être trouvé sur github .

Voici une version modifiée de Fortran de l'algorithme z-score . Il est modifié spécifiquement pour la détection de crête (résonance) dans les fonctions de transfert dans l'espace des fréquences (chaque changement a un petit commentaire dans le code).

La première modification donne un avertissement à l'utilisateur s'il y a une résonance près de la limite inférieure du vecteur d'entrée, indiquée par un écart-type supérieur à un certain seuil (10% dans ce cas). Cela signifie simplement que le signal n'est pas suffisamment plat pour que la détection initialise correctement les filtres.

La deuxième modification est que seule la valeur la plus élevée d'un pic est ajoutée aux pics trouvés. Ceci est atteint en comparant chaque valeur de crête trouvée à la magnitude de ses prédécesseurs (décalés) et de ses successeurs (décalés).

Le troisième changement consiste à respecter le fait que les pics de résonance montrent généralement une certaine forme de symétrie autour de la fréquence de résonance. Il est donc naturel de calculer la moyenne et la std symétriquement autour du point de données actuel (plutôt que juste pour les prédécesseurs). Il en résulte un meilleur comportement de détection des pics.

Les modifications ont pour effet que l'ensemble du signal doit être connu de la fonction au préalable, ce qui est le cas habituel pour la détection de résonance (quelque chose comme l'exemple Matlab de Jean-Paul où les points de données sont générés à la volée ne fonctionnera pas).

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

Pour mon application, l'algorithme fonctionne comme un charme!

Si vous avez vos données dans une table de base de données, voici une version SQL d'un simple algorithme z-score:

with data_with_zscore as (
    select
        date_time,
        value,
        value / (avg(value) over ()) as pct_of_mean,
        (value - avg(value) over ()) / (stdev(value) over ()) as z_score
    from {{tablename}}  where datetime > '2018-11-26' and datetime < '2018-12-03'
)


-- select all
select * from data_with_zscore 

-- select only points greater than a certain threshold
select * from data_with_zscore where z_score > abs(2)

Version Python qui fonctionne avec les flux en temps réel (ne recalcule pas tous les points de données à l'arrivée de chaque nouveau point de données). Vous voudrez peut-être modifier ce que la fonction de classe renvoie - pour mes besoins, j'avais juste besoin des signaux.

import numpy as np

class real_time_peak_detection():
    def __init__(self, array, lag, threshold, influence):
        self.y = list(array)
        self.length = len(self.y)
        self.lag = lag
        self.threshold = threshold
        self.influence = influence
        self.signals = [0] * len(self.y)
        self.filteredY = np.array(self.y).tolist()
        self.avgFilter = [0] * len(self.y)
        self.stdFilter = [0] * len(self.y)
        self.avgFilter[self.lag - 1] = np.mean(self.y[0:self.lag]).tolist()
        self.stdFilter[self.lag - 1] = np.std(self.y[0:self.lag]).tolist()

    def thresholding_algo(self, new_value):
        self.y.append(new_value)
        i = len(self.y) - 1
        self.length = len(self.y)
        if i < self.lag:
            return 0
        elif i == self.lag:
            self.signals = [0] * len(self.y)
            self.filteredY = np.array(self.y).tolist()
            self.avgFilter = [0] * len(self.y)
            self.stdFilter = [0] * len(self.y)
            self.avgFilter[self.lag - 1] = np.mean(self.y[0:self.lag]).tolist()
            self.stdFilter[self.lag - 1] = np.std(self.y[0:self.lag]).tolist()
            return 0

        self.signals += [0]
        self.filteredY += [0]
        self.avgFilter += [0]
        self.stdFilter += [0]

        if abs(self.y[i] - self.avgFilter[i - 1]) > self.threshold * self.stdFilter[i - 1]:
            if self.y[i] > self.avgFilter[i - 1]:
                self.signals[i] = 1
            else:
                self.signals[i] = -1

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

        return self.signals[i]

Je me suis permis d'en créer une version javascript. Cela pourrait-il être utile. Le javascript doit être la transcription directe du pseudocode donné ci-dessus. Disponible en tant que package npm et repo github:

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

Traduction Javascript:

// javascript port of: /programming/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