Ответ 1

Надежный алгоритм обнаружения пиков (с использованием z-показателей)

Я построил алгоритм, который очень хорошо работает для этих типов наборов данных. Он основан на принципе дисперсии: если новый пункт данных находится на заданном x стандартном отклонении от некоторого скользящего среднего, алгоритм подает сигнал (также называемый z-счетом). Алгоритм очень надежен, потому что он создает отдельное скользящее среднее и отклонение, так что сигналы не нарушают порог. Поэтому будущие сигналы идентифицируются примерно с одинаковой точностью, независимо от количества предыдущих сигналов. Алгоритм принимает 3 входа: lag = the lag of the moving window, threshold = the z-score at which the algorithm signals и influence = the influence (between 0 and 1) of new signals on the mean and standard deviation. Например, lag из 5 будет использовать последние 5 наблюдений для сглаживания данных. threshold, равный 3,5, будет сигнализировать, если точка данных находится в 3,5 стандартных отклонениях от скользящего среднего. И influence 0,5 дает сигналы половину влияния, которое имеют нормальные точки данных. Аналогично, значение influence, равное 0, полностью игнорирует сигналы для пересчета нового порога. Поэтому влияние 0 является наиболее надежным вариантом (но предполагает стационарность); установка опции влияния на 1 наименее устойчива. Поэтому для нестационарных данных параметр влияния должен быть установлен где-то между 0 и 1.

Он работает следующим образом:

ПСЕВДОКОД

# 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

# Initialise 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
    # Make influence lower
    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

Эмпирические правила выбора хороших параметров для ваших данных можно найти ниже.

Демо

_{Код Matlab для этой демонстрации можно найти здесь. Чтобы использовать демо, просто запустите его и создайте временной ряд самостоятельно, нажав на верхнюю диаграмму. Алгоритм начинает работать после получения числа наблюдений lag.}

Результат

Для исходного вопроса этот алгоритм выдаст следующий вывод при использовании следующих настроек: lag = 30, threshold = 5, influence = 0:

Реализации на разных языках программирования:

• Матлаб (я)

• R (я)

• Голанг (Xeoncross)

• Питон (Р. Киселев)

• Свифт (я)

• Groovy (JoshuaCWebDeveloper)

• C++ (бред)

• C++ (Анимеш Пандей)

• Ржавчина (swizard)

• Scala (Майк Робертс)

• Котлин (leoderprofi)

• Рубин (Киммо Лехто)

• Фортран [для обнаружения резонанса] (THo)

• Джулия (Мэтт Кэмп)

• С# (Ocean Airdrop)

• C (DavidC)

• Java (takanuva15)

• JavaScript (Дирк Люсебринк)

• TypeScript (Джерри Гэмбл)

Практические рекомендации по настройке алгоритма

lag: параметр запаздывания определяет, насколько ваши данные будут сглажены и насколько адаптивен алгоритм к изменениям долгосрочного среднего значения данных. Чем больше стационарных ваших данных, тем больше задержек вы должны включить (это должно повысить надежность алгоритма). Если ваши данные содержат изменяющиеся во времени тренды, вы должны подумать о том, как быстро вы хотите, чтобы алгоритм адаптировался к этим тенденциям. То есть, если вы установите lag на 10, потребуется 10" периодов", прежде чем пороговое значение алгоритма будет откорректировано для любых систематических изменений в долгосрочном среднем. Поэтому выберите параметр lag в зависимости от поведения ваших данных в тренде и от того, насколько адаптивным вы хотите, чтобы алгоритм был.

influence: этот параметр определяет влияние сигналов на порог обнаружения алгоритма. Если задано значение 0, сигналы не влияют на порог, так что будущие сигналы обнаруживаются на основе порога, который рассчитывается со средним и стандартным отклонением, на которое не влияют предыдущие сигналы. Другой способ думать об этом состоит в том, что если вы установите влияние на 0, вы неявно предполагаете стационарность (т.е. независимо от того, сколько существует сигналов, временной ряд всегда возвращается к одному и тому же среднему значению в долгосрочной перспективе). Если это не так, вы должны поместить параметр влияния где-то между 0 и 1, в зависимости от степени, в которой сигналы могут систематически влиять на изменяющийся во времени тренд данных. Например, если сигналы приводят к структурному разрыву долгосрочного среднего значения временного ряда, параметр влияния должен быть высоким (близким к 1), чтобы порог мог быстро адаптироваться к этим изменениям.

threshold: пороговый параметр - это число стандартных отклонений от скользящего среднего, выше которого алгоритм будет классифицировать новый элемент данных как сигнал. Например, если новая точка данных на 4,0 стандартных отклонения выше скользящего среднего, а пороговый параметр установлен на 3,5, алгоритм будет идентифицировать точку данных как сигнал. Этот параметр должен быть установлен в зависимости от того, сколько сигналов вы ожидаете. Например, если ваши данные нормально распределены, пороговое значение (или: z-оценка), равное 3,5, соответствует вероятности передачи сигналов 0,00047 (из этой таблицы), что означает, что вы ожидаете сигнал один раз каждые 2128 точки данных (1/0,00047). Таким образом, пороговое значение напрямую влияет на то, насколько чувствителен алгоритм и, следовательно, также на частоту сигналов алгоритма. Изучите свои собственные данные и определите разумный порог, который подает сигнал алгоритму, когда вы этого хотите (здесь могут потребоваться пробные и ошибочные методы, чтобы получить хороший порог для ваших целей).

ПРЕДУПРЕЖДЕНИЕ. Приведенный выше код всегда проходит по всем точкам данных при каждом запуске. При реализации этого кода обязательно разбивайте вычисление сигнала на отдельную функцию (без цикла). Затем, когда прибудет новая точка данных, обновите filteredY, avgFilter и stdFilter один раз. Не пересчитывайте сигналы для всех данных каждый раз, когда появляется новый пункт данных (как в примере выше), который будет крайне неэффективным и медленным!

Другие способы изменить алгоритм (для потенциальных улучшений):

1. Используйте медиану вместо среднего
2. Используйте надежную меру масштаба, например MAD, вместо стандартного отклонения
3. Используйте поле сигнализации, чтобы сигнал не переключался слишком часто
4. Измените способ работы параметра влияния
5. Относитесь к сигналам вверх и вниз по-разному (асимметричная обработка)
6. Создайте отдельный параметр influence для среднего и стандартного значения (, как в этом переводе Swift)

(Известные) академические ссылки на этот ответ кару:

• Донс Э., Лереманс М., Орхуэла Дж. П., Авила-Паленсия И. де Назель А., Ньювенхуйсен М.,... & Наврот, т. (2019). Транспорт с наибольшей вероятностью может вызвать пиковое воздействие загрязнения воздуха в повседневной жизни: данные более 2000 дней личного мониторинга. Атмосферная среда, 213, 424-432.

• Schaible B.J., Snook K.R., Yin J., et al. (2019). Беседы в Twitter и сообщения английских СМИ о полиомиелите в пяти разных странах, с января 2014 года по апрель 2015 года. Журнал "Перманенте", 23, 18–181.

• Lima, B.M.R., Ramos, L.C.S., de Oliveira, T.E.A., da Fonseca, V.P. & Петриу, Э. М. (2019). Определение частоты сердечных сокращений с использованием мультимодального тактильного датчика и алгоритма обнаружения пиков на основе Z-показателя. CMBES Proceedings, 42.

• Ting, C., Field, R., Quach, T., Bauer, T. (2019). Обобщенное определение границ с использованием аналитики на основе сжатия. ICASSP 2019 - 2019 IEEE Международная конференция по акустике, обработке речи и сигналов (ICASSP), Брайтон, Великобритания, стр. 3522-3526.

• Khandakar, A., Chowdhury, M.E., Ahmed, R., Dhib, A., Mohammed, M., Al-Emadi, N.A. & Майкельсон Д. (2019). Портативная система для контроля и управления поведением водителя и использования мобильного телефона во время вождения. Sensors, 19 (7), 1563.

• Baskozos, G., Dawes, J.M., Austin, J.S., Antunes-Martins, A., McDermott L., Clark, A.J.,... & Оренго, C. (2019). Комплексный анализ экспрессии длинных некодирующих РНК в ганглиях дорсальных корешков выявляет специфичность типов клеток и нарушение регуляции после повреждения нерва. Боль, 160 (2), 463.

• Зайдель Т. Дж. (2018). Электронные интерфейсы для биологического анализа на основе бактерий. Докторская диссертация, Калифорнийский университет в Беркли.

• Perkins P., Heber S. (2018). Идентификация сайтов с рибосомными паузами с использованием алгоритма обнаружения пиков на основе Z-показателя. IEEE 8-я Международная конференция по вычислительным достижениям в био и медицинских науках (ICCABS), ISBN: 978-1-5386-8520-4.

• Мур Дж., Гоффин П., Мейер М., Лундриган П., Патвари Н., Свард К., & Визе, J. (2018). Управление домашней обстановкой с помощью зондирования, аннотирования и визуализации данных о качестве воздуха. Слушания ACM по интерактивным, мобильным, носимым и вездесущим технологиям, 2 (3), 128.

• Ло, О., Бьюкенен, У. Дж., Гриффитс, П. и Макфарлейн, Р. (2018), Методы измерения расстояния для улучшенного обнаружения угроз изнутри, Сети безопасности и связи, Vol. 2018, ID статьи 5906368.

• Апурупа, Н. В., Сингх, П., Чакраварти, С., & Будуру, А. Б. (2018). Критическое исследование моделей энергопотребления в индийских квартирах. Докторская диссертация, IIIT-Дели.

• Scirea, M. (2017). Генерация аффективной музыки и ее влияние на опыт игрока. Докторская диссертация, Университет ИТ в Копенгагене, Цифровой дизайн.

• Scirea M., Eklund P., Togelius J. & Риси, С. (2017). Первичная импровизация: на пути коэволюционной музыкальной импровизации. Информатика и электронная инженерия (CEEC), 2017 (стр. 172-177). IEEE.

• Catalbas, M.C., Cegovnik, T., Sodnik, J. и Gulten, A. (2017). Обнаружение усталости водителя на основе саккадических движений глаз, 10-я Международная конференция по электротехнике и электронике (ELECO), с. 913-917.

Другая работа с использованием алгоритма

• Бернарди Д. (2019). Технико-экономическое обоснование соединения умных часов и мобильного устройства с помощью мультимодальных жестов. Магистерская диссертация, Университет Аалто.

• Lemmens, E. (2018). Обнаружение выбросов в журналах событий с использованием статистических методов, магистерская работа, Университет Эйндховена.

• Виллемс, П. (2017). Настроение контролировало аффективную обстановку для пожилых людей, магистерская работа, Университет Твенте.

• Ciocirdel, G.D. и Varga, M. (2016). Прогнозирование выборов на основе просмотров страниц Википедии. Проектная документация, Vrije Universiteit Amsterdam.

Другие применения этого алгоритма

• Финансовая лаборатория машинного обучения, пакет Python, основанный на работе доктора Маркоса Лопеса де Прадо относительно его исследований в области достижений в области финансового машинного обучения

• Библиотека Adafruit CircuitPlayground, доска объявлений Adafruit (Adafruit Industries)

• Алгоритм отслеживания шагов, приложение для Android (jeeshnair)

Если вы используете эту функцию где-то, пожалуйста, укажите мне или этот ответ. Если у вас есть какие-либо вопросы относительно этого алгоритма, опубликуйте их в комментариях ниже или свяжитесь со мной на LinkedIn.

Ответ 2

Вот реализация Python/numpy сглаженного алгоритма z-счета (см. ответ выше). Вы можете найти суть здесь.

#!/usr/bin/env python
# Implementation of algorithm from /questions/23382/peak-signal-detection-in-realtime-timeseries-data/173212#173212
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))

Ниже приведен тест для того же набора данных, который дает тот же график, что и в исходном ответе для 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()

Ответ 3

Один из подходов заключается в обнаружении пиков на основе следующего наблюдения:

• Время t является пиком, если (y (t) > y (t-1)) && (y (t) > y (t + 1))

Он избегает ложных срабатываний, ожидая окончания восходящего тренда. Это не совсем "реальное время" в том смысле, что он пропустит пик на один дт. чувствительность можно контролировать, требуя разницы для сравнения. Существует компромисс между зашумленным обнаружением и задержкой времени обнаружения. Вы можете обогатить модель, добавив дополнительные параметры:

• пик, если (y (t) - y (t-dt) > m) && (y (t) - y (t + dt) > m)

где dt и m являются параметрами для управления чувствительностью и задержкой времени

Это то, что вы получаете с указанным алгоритмом:

вот код для воспроизведения сюжета в 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()

Установив m = 0.5, вы можете получить более чистый сигнал только с одним ложным положительным:

Ответ 4

В обработке сигналов обнаружение пиков часто выполняется с помощью вейвлет-преобразования. Вы в основном делаете дискретное вейвлет-преобразование в своих данных временных рядов. Нулевые пересечения в возвращаемых подробных коэффициентах будут соответствовать пикам в сигнале временных рядов. Вы получаете разные амплитуды пиков, обнаруженные на разных уровнях коэффициентов детализации, что дает вам многоуровневое разрешение.

Ответ 5

Мы попытались использовать сглаженный алгоритм z-показателя в нашем наборе данных, что приводит к избыточной или недостаточной чувствительности (в зависимости от того, как настроены параметры), с небольшим промежуточным положением. В сигнале трафика на наших сайтах мы наблюдали низкочастотную базовую линию, которая представляет суточный цикл, и даже с наилучшими возможными параметрами (показанными ниже), он по-прежнему прерывался, особенно на 4-й день, потому что большинство точек данных были признаны аномальными.

Основываясь на оригинальном алгоритме z-счета, мы нашли способ решить эту проблему с помощью обратной фильтрации. Детали измененного алгоритма и его применения в атрибуции рекламы на телевидении публикуются в блоге нашей команды.

Ответ 6

В вычислительной топологии идея постоянных гомологий приводит к эффективному, быстрому, как сортировка чисел, решению. Он не только обнаруживает пики, но и количественно определяет "значимость" пиков естественным образом, что позволяет вам выбирать пики, которые важны для вас.

Краткое изложение алгоритма. В одномерной установке (временной ряд, действительный сигнал) алгоритм может быть легко описан следующим рисунком:

Думайте о графике функции (или его подуровне) как о пейзаже и рассматривайте снижение уровня воды, начиная с бесконечности уровня (или 1,8 на этом рисунке). Пока уровень падает, на локальных максимумах всплывают острова. На локальных минимумах эти острова сливаются воедино. Одной из деталей этой идеи является то, что остров, появившийся позднее, слился с более старым островом. "Постоянство" острова - это время его рождения за вычетом времени смерти. Длина синих столбцов изображает постоянство, которое является вышеупомянутым "значением" пика.

Эффективность. Нетрудно найти реализацию, которая выполняется за линейное время - фактически это один простой цикл - после сортировки значений функции. Таким образом, эта реализация должна быть быстрой на практике и легко реализуемой.

Рекомендации. Описание всей истории и ссылки на мотивацию из постоянной гомологии (область вычислительной алгебраической топологии) можно найти здесь: https://www.sthu.org/blog/13-perstopology-peakdetection/index.html.

Ответ 7

Найден еще один алгоритм Г. Х. Пальшикара в Простые алгоритмы для обнаружения пиков в временных рядах.

Алгоритм выглядит следующим образом:

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

Преимущества

• В документе представлены 5 различные алгоритмы обнаружения пиков
• Алгоритмы работают с необработанными данными временного ряда (не требуется сглаживание)

Недостатки

• Затрудняюсь заранее определить k и h
• Пики не могут быть плоскими (например, третий пик в моих тестовых данных)

Пример:

Ответ 8

Вот реализация алгоритма Smoothed z-score (выше) в Голанге. Он принимает кусочек []int16 (образцы 16-битных PCM). Здесь вы можете найти суть.

/*
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)))
}

Ответ 9

Эта проблема похожа на ту, с которой я столкнулся в гибридном/встроенном системном курсе, но это было связано с обнаружением сбоев, когда вход от датчика шумный. Мы использовали фильтр Калмана для оценки/прогнозирования скрытого состояния системы, а затем использовали статистический анализ для определения вероятности возникновения ошибки. Мы работали с линейными системами, но существуют нелинейные варианты. Я помню, что подход был удивительно адаптивным, но для этого потребовалась модель динамики системы.

Ответ 10

Вот реализация С++ сглаженного алгоритма z-score из этого ответа

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;
}

Ответ 11

Следуя от предлагаемого решения от Jean-Paul, я применил его алгоритм в С#

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;
    }
}

Пример использования:

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);

Ответ 12

Здесь реализация C сглаженного Z-показателя @Jean-Paul для микроконтроллера Arduino, используемого для считывания показаний акселерометра и определения направления удара слева или справа. Это работает очень хорошо, так как это устройство возвращает отклоненный сигнал. Вот этот вход для этого алгоритма обнаружения пика от устройства - показывает удар справа, а затем удар слева. Вы можете увидеть начальный всплеск, а затем колебание датчика.

#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;
}

Её результат с влиянием = 0

Не отлично, но здесь с влиянием = 1

что очень хорошо

Ответ 13

Реализация С++

#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;
}

Ответ 14

Вот моя попытка создать Ruby-решение для "Сглаженного z-score algo" из принятого ответа:

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

И пример использования:

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
# ]

Ответ 15

Думал, что предоставил бы Джулию реализацию алгоритма для других. Суть можно найти здесь

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)

Ответ 16

Приложение 1 к первоначальному ответу: переводы Matlab и R

Код 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

Пример:

% 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]);

Код 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])
  stdFilter[lag] <- sd(y[0:lag])
  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])
    stdFilter[i] <- sd(filteredY[(i-lag):i])
  }
  return(list("signals"=signals,"avgFilter"=avgFilter,"stdFilter"=stdFilter))
}

Пример:

# 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)

Этот код (оба языка) даст следующий результат для данных исходного вопроса:

Приложение 2 к первоначальному ответу: демонстрационный код Matlab

(нажмите, чтобы создать данные)

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

Ответ 17

Вот реализация Groovy (Java) сглаженного алгоритма z-оценки (см. ответ выше).

/**
 * "Smoothed zero-score alogrithm" shamelessly copied from /questions/23382/peak-signal-detection-in-realtime-timeseries-data/173212#173212
 *  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
    ]
}

Ниже приведен тест на том же наборе данных, который дает те же результаты, что и над реализацией Python/numpy.

    // 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]
        }
    }

Ответ 18

Вот (неидиоматическая) версия Scala сглаженного алгоритма z-оценки:

/**
  * 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
}

Здесь тест, который возвращает те же результаты, что и версии Python и 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 здесь

Ответ 19

Мне нужно что-то подобное в моем проекте Android. Я думал, что могу вернуть реализацию Котлина.

/**
* 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)
}

Пример проекта с графами проверки можно найти в github.

Ответ 20

Вот измененная версия алгоритма z-score от Fortran. Он специально изменен для обнаружения пика (резонанса) в передаточных функциях в частотном пространстве (каждое изменение имеет небольшой комментарий в коде).

Первая модификация дает предупреждение пользователю, если есть резонанс вблизи нижней границы входного вектора, обозначенный стандартным отклонением выше определенного порога (в данном случае 10%). Это просто означает, что сигнал недостаточно плоский, чтобы детектирование было правильно инициализировано фильтрами.

Вторая модификация заключается в том, что к найденным пикам добавляется только самое высокое значение пика. Это достигается путем сравнения каждого найденного пикового значения с величиной его предшественников (лаг) и его (отстающих) преемников.

Третье изменение состоит в том, чтобы учитывать, что резонансные пики обычно проявляют некоторую форму симметрии вокруг резонансной частоты. Поэтому естественно вычислять среднее и std симметрично вокруг текущей точки данных (а не только для предшественников). Это приводит к лучшему обнаружению пиков.

Модификации влияют на то, что весь сигнал должен быть известен функции заранее, что является обычным случаем для обнаружения резонанса (что-то вроде примера Matlab Jean-Paul, где точки данных генерируются "на лету", не будет работать).

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

Для моего приложения алгоритм работает как шарм!

Ответ 21

Итеративная версия в python/numpy для ответа fooobar.com/questions/23382/... здесь. Этот код быстрее, чем вычисление среднего и стандартного отклонения для каждой задержки для больших данных (100000+).

def peak_detection_smoothed_zscore_v2(x, lag, threshold, influence):
    '''
    iterative smoothed z-score algorithm
    Implementation of algorithm from /questions/23382/peak-signal-detection-in-realtime-timeseries-data/173212#173212
    '''
    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)

Ответ 22

Если у вас есть данные в таблице базы данных, вот SQL-версия простого алгоритма 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)

Ответ 23

Вот фактическая реализация Java, основанная на ответе Groovy, опубликованном ранее. (Я знаю, что уже есть реализованные реализации Groovy и Kotlin, но для кого-то вроде меня, кто только делал Java, очень сложно выяснить, как конвертировать между другими языками и Java).

(Результаты совпадают с графиками других людей)

Алгоритм реализации

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
}

Основной метод

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));
            }
        }
    }
}

Результаты

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

Ответ 24

Если граничное значение или другие критерии зависят от будущих значений, то единственным решением (без машины времени или другим знанием будущих значений) является отсрочка любого решения до тех пор, пока у вас не будет достаточно будущих значений. Если вы хотите, чтобы уровень выше среднего, который охватывает, например, 20 очков, тогда вам нужно подождать, пока у вас не будет на 19 очков раньше любого пикового решения, иначе следующий новый пункт может полностью сбросить ваш порог 19 очков назад.

В вашем текущем сюжете нет пиков... если вы как-то заранее не узнаете, что самая следующая точка - это не 1e99, которая после изменения размера вашего графика Y будет плоской до этой точки.

Ответ 25

Вместо сравнения максимумов со средним можно сравнить максимумы с соседними минимумами, где минимумы определяются только над порогом шума. Если локальный максимум равен > 3 раза (или другому доверительному коэффициенту) или соседним минимумам, то максимальные значения являются пиком. Определение пика более точно с более широкими движущимися окнами. В приведенном выше примере вычисляется центрированное по середине окна, кстати, а не вычисление в конце окна (== lag).

Обратите внимание, что максимум следует рассматривать как увеличение сигнала до и уменьшение после.

Ответ 26

Функция scipy.signal.find_peaks, как следует из ее названия, полезна для этого. Но важно хорошо понимать его параметры width, threshold, distance и, прежде всего, prominence чтобы получить хороший пик извлечения.

Согласно моим тестам и документации, концепция значимости является "полезной концепцией" для сохранения хороших пиков и устранения шумовых пиков.

Что такое (топографическая) известность? Это "минимальная высота, необходимая для спуска, чтобы добраться от вершины к любой более высокой местности", как это можно увидеть здесь:

Идея заключается в следующем:

Чем выше известность, тем "важнее" пик.

Ответ 27

Версия Python, которая работает с потоками в реальном времени (не пересчитывает все точки данных по прибытии каждой новой точки данных). Вы можете настроить то, что возвращает функция класса - для моих целей мне просто нужны были сигналы.

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]

Ответ 28

Объектно-ориентированная версия алгоритма z-счета с использованием mordern C+++

template<typename T>
class FindPeaks{
private:
    std::vector<T> m_input_signal;                      // stores input vector
    std::vector<T> m_array_peak_positive;               
    std::vector<T> m_array_peak_negative;               

public:
    FindPeaks(const std::vector<T>& t_input_signal): m_input_signal{t_input_signal}{ }

    void estimate(){
        int lag{5};
        T threshold{ 5 };                                                                                       // set a threshold
        T influence{ 0.5 };                                                                                    // value between 0 to 1, 1 is normal influence and 0.5 is half the influence

        std::vector<T> filtered_signal(m_input_signal.size(), 0.0);                                             // placeholdered for smooth signal, initialie with all zeros
        std::vector<int> signal(m_input_signal.size(), 0);                                                          // vector that stores where the negative and positive located
        std::vector<T> avg_filtered(m_input_signal.size(), 0.0);                                                // moving averages
        std::vector<T> std_filtered(m_input_signal.size(), 0.0);                                                // moving standard deviation

        avg_filtered[lag] = findMean(m_input_signal.begin(), m_input_signal.begin() + lag);                         // pass the iteartor to vector
        std_filtered[lag] = findStandardDeviation(m_input_signal.begin(), m_input_signal.begin() + lag);

        for (size_t iLag = lag + 1; iLag < m_input_signal.size(); ++iLag) {                                         // start index frm 
            if (std::abs(m_input_signal[iLag] - avg_filtered[iLag - 1]) > threshold * std_filtered[iLag - 1]) {     // check if value is above threhold             
                if ((m_input_signal[iLag]) > avg_filtered[iLag - 1]) {
                    signal[iLag] = 1;                                                                               // assign positive signal
                }
                else {
                    signal[iLag] = -1;                                                                                  // assign negative signal
                }
                filtered_signal[iLag] = influence * m_input_signal[iLag] + (1 - influence) * filtered_signal[iLag - 1];        // exponential smoothing
            }
            else {
                signal[iLag] = 0;                                                                                         // no signal
                filtered_signal[iLag] = m_input_signal[iLag];
            }

            avg_filtered[iLag] = findMean(filtered_signal.begin() + (iLag - lag), filtered_signal.begin() + iLag);
            std_filtered[iLag] = findStandardDeviation(filtered_signal.begin() + (iLag - lag), filtered_signal.begin() + iLag);

        }

        for (size_t iSignal = 0; iSignal < m_input_signal.size(); ++iSignal) {
            if (signal[iSignal] == 1) {
                m_array_peak_positive.emplace_back(m_input_signal[iSignal]);                                        // store the positive peaks
            }
            else if (signal[iSignal] == -1) {
                m_array_peak_negative.emplace_back(m_input_signal[iSignal]);                                         // store the negative peaks
            }
        }
        printVoltagePeaks(signal, m_input_signal);

    }

    std::pair< std::vector<T>, std::vector<T> > get_peaks()
    {
        return std::make_pair(m_array_peak_negative, m_array_peak_negative);
    }

};


template<typename T1, typename T2 >
void printVoltagePeaks(std::vector<T1>& m_signal, std::vector<T2>& m_input_signal) {
    std::ofstream output_file("./voltage_peak.csv");
    std::ostream_iterator<T2> output_iterator_voltage(output_file, ",");
    std::ostream_iterator<T1> output_iterator_signal(output_file, ",");
    std::copy(m_input_signal.begin(), m_input_signal.end(), output_iterator_voltage);
    output_file << "\n";
    std::copy(m_signal.begin(), m_signal.end(), output_iterator_signal);
}

template<typename iterator_type>
typename std::iterator_traits<iterator_type>::value_type findMean(iterator_type it, iterator_type end)
{
    /* function that receives iterator to*/
    typename std::iterator_traits<iterator_type>::value_type sum{ 0.0 };
    int counter = 0;
    while (it != end) {
        sum += *(it++);
        counter++;
    }
    return sum / counter;
}

template<typename iterator_type>
typename std::iterator_traits<iterator_type>::value_type findStandardDeviation(iterator_type it, iterator_type end)
{
    auto mean = findMean(it, end);
    typename std::iterator_traits<iterator_type>::value_type sum_squared_error{ 0.0 };
    int counter{ 0 };
    while (it != end) {
        sum_squared_error += std::pow((*(it++) - mean), 2);
        counter++;
    }
    auto standard_deviation = std::sqrt(sum_squared_error / (counter - 1));
    return standard_deviation;
}

Ответ 29

Я позволил себе создать его версию на JavaScript. Это может быть полезно. Javascript должен быть прямой транскрипцией псевдокода, приведенного выше. Доступен в виде пакета npm и репозитория github:

• https://github.com/crux/smoothed-z-score
• @Пик сигнала обнаружения сглажены-Z-балл joe_six/

Перевод Javascript:

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

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

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

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

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

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

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

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

    for (var i = lag; i < y.length; i++) {
        //console.log('${y[i]}, ${avgFilter[i-1]}, ${threshold}, ${stdFilter[i-1]}')
        if (Math.abs(y[i] - avgFilter[i - 1]) > (threshold * stdFilter[i - 1])) {
            if (y[i] > avgFilter[i - 1]) {
                signals[i] = +1 // positive signal
            } else {
                signals[i] = -1 // negative signal
            }
            // make influence lower
            filteredY[i] = influence * y[i] + (1 - influence) * filteredY[i - 1]
        } else {
            signals[i] = 0 // no signal
            filteredY[i] = y[i]
        }

        // adjust the filters
        const y_lag = filteredY.slice(i - lag, i)
        avgFilter[i] = mean(y_lag)
        stdFilter[i] = stddev(y_lag)
    }

    return signals
}

module.exports = smoothed_z_score

Ответ 30

Я не могу комментировать, но у меня есть запрос: потому что предложение не делится на стандартное отклонение в соответствии с формой z-счета?

for i in range(lag, len(y)):
    if abs(y[i] - avgFilter[i-1] ) > threshold * stdFilter [i-1]:

так не должно быть...:

for i in range(lag, len(y)):
    if abs(y[i] - avgFilter[i-1] / stdFilter[i-1] ) > threshold * stdFilter [i-1]:

может я вообще не понимаю