R语言时间序列分解和异常检测方法应用案例
原文链接：http://tecdat.cn/?p=3232
我们最近有一个很棒的机会与一位客户合作，要求构建一个适合他们需求的异常检测算法。业务目标是准确地检测各种营销数据的异常情况，这些数据包括跨多个客户和Web源数千个时间序列的网站操作和营销反馈。异常检测算法，该算法基于时间并可从一个到多个时间序列进行扩展。
案例研究
我们与许多教授数据科学的客户合作，并利用我们的专业知识加速业务发展。
我们的客户遇到了一个具有挑战性的问题：按时间顺序检测每日或每周数据的时间序列异常。异常表示异常事件，可能是营销域中的Web流量增加或IT域中的故障服务器。无论如何，标记这些不寻常的事件确保业务顺利运行非常重要。其中一个挑战是客户处理的不是一个时间序列，而是需要针对这些极端事件进行分析。
anomalize
这里有四个简单步骤的工作要点。
第1步：安装
install.packages("tidyverse")
第2步：加载
library(tidyverse)
第3步：收集时间序列数据
tidyverse\_cran\_downloads
## # A tibble: 6,375 x 3
## # Groups: package \[15\]
## date count package
##
## 1 2017-01-01 873. tidyr
## 2 2017-01-02 1840. tidyr
## 3 2017-01-03 2495. tidyr
## 4 2017-01-04 2906. tidyr
## 5 2017-01-05 2847. tidyr
## 6 2017-01-06 2756. tidyr
## 7 2017-01-07 1439. tidyr
## 8 2017-01-08 1556. tidyr
## 9 2017-01-09 3678. tidyr
## 10 2017-01-10 7086. tidyr
## # ... with 6,365 more rows
第4步：异常化
使用功能及时发现异常情况。
异常检测工作流程
其中包括：
用时间序列分解
用检测异常
异常下限和上限转换
时间序列分解
第一步是使用时间序列分解。“计数”列被分解为“观察”，“季节”，“趋势”和“剩余”列。时间序列分解的默认值是method = "stl"，使用平滑器进行季节性分解。
## # A time tibble: 6,375 x 6
## # Index: date
## # Groups: package \[15\]
## package date observed season trend remainder
##
## 1 tidyr 2017-01-01 873. -2761. 5053. -1418.
## 2 tidyr 2017-01-02 1840. 901. 5047. -4108.
## 3 tidyr 2017-01-03 2495. 1460. 5041. -4006.
## 4 tidyr 2017-01-04 2906. 1430. 5035. -3559.
## 5 tidyr 2017-01-05 2847. 1239. 5029. -3421.
## 6 tidyr 2017-01-06 2756. 367. 5024. -2635.
## 7 tidyr 2017-01-07 1439. -2635. 5018. -944.
## 8 tidyr 2017-01-08 1556. -2761. 5012. -695.
## 9 tidyr 2017-01-09 3678. 901. 5006. -2229.
## 10 tidyr 2017-01-10 7086. 1460. 5000. 626.
## # ... with 6,365 more rows
frequency并trend自动为您选择。此外，可以通过输入基于时间的周期（例如“1周”或“2个季度”）来更改选择，可以确定有多少观察属于时间跨度。
异常检测
下一步是对分解的数据执行异常检测。产生了三个新列：“remainder\_l1”（下限），“remainder\_l2”（上限）和“异常”（是/否标志）。默认方法是method = "iqr"，在检测异常时快速且相对准确。
## # Groups: package \[15\]
## package date observed season trend remainder remainder_l1
##
## 1 tidyr 2017-01-01 873. -2761. 5053. -1418. -3748.
## 2 tidyr 2017-01-02 1840. 901. 5047. -4108. -3748.
## 3 tidyr 2017-01-03 2495. 1460. 5041. -4006. -3748.
## 4 tidyr 2017-01-04 2906. 1430. 5035. -3559. -3748.
## 5 tidyr 2017-01-05 2847. 1239. 5029. -3421. -3748.
## 6 tidyr 2017-01-06 2756. 367. 5024. -2635. -3748.
## 7 tidyr 2017-01-07 1439. -2635. 5018. -944. -3748.
## 8 tidyr 2017-01-08 1556. -2761. 5012. -695. -3748.
## 9 tidyr 2017-01-09 3678. 901. 5006. -2229. -3748.
## 10 tidyr 2017-01-10 7086. 1460. 5000. 626. -3748.
## # ... with 6,365 more rows, and 2 more variables: remainder_l2 ,
## # anomaly
现在尝试另一个绘图功能。它只适用于单个时间序列。“季节”消除每周的季节性。趋势是平滑的。最后，检测最重要的异常值。
tidyverse\_cran\_downloads %>%
time_decompose(count, method = "stl", frequency = "auto", trend = "auto") %>%
anomalize(remainder, method = "iqr", alpha = 0.05, max_anoms = 0.2) %>%
plot\_anomaly\_decomposition() +
异常下限和上限
最后一步是围绕“观察”值创建下限和上限。创建了两个新列：“recomposed\_l1”（下限）和“recomposed\_l2”（上限）。
## # A time tibble: 6,375 x 11
## # Index: date
## # Groups: package \[15\]
## package date observed season trend remainder remainder_l1
##
## 1 tidyr 2017-01-01 873. -2761. 5053. -1418. -3748.
## 2 tidyr 2017-01-02 1840. 901. 5047. -4108. -3748.
## 3 tidyr 2017-01-03 2495. 1460. 5041. -4006. -3748.
## 4 tidyr 2017-01-04 2906. 1430. 5035. -3559. -3748.
## 5 tidyr 2017-01-05 2847. 1239. 5029. -3421. -3748.
## 6 tidyr 2017-01-06 2756. 367. 5024. -2635. -3748.
## 7 tidyr 2017-01-07 1439. -2635. 5018. -944. -3748.
## 8 tidyr 2017-01-08 1556. -2761. 5012. -695. -3748.
## 9 tidyr 2017-01-09 3678. 901. 5006. -2229. -3748.
## 10 tidyr 2017-01-10 7086. 1460. 5000. 626. -3748.
## # ... with 6,365 more rows, and 4 more variables: remainder_l2 ,
## # anomaly , recomposed\_l1 , recomposed\_l2
让我们看一下“lubridate”数据。我们可以plot\_anomalies()和设置time\_recomposed = TRUE。此功能适用于单个和分组数据。
time_decompose(count, method = "stl", frequency = "auto", trend = "auto") %>%
anomalize(remainder, method = "iqr", alpha = 0.05, max_anoms = 0.2) %>%
time_recompose() %>%
# 绘制异常分解
plot\_anomalies(time\_recomposed = TRUE) +
ggtitle("Lubridate Downloads: Anomalies Detected")
预测
forecast是在执行预测之前有效收集异常值的好方法。它使用基于STL的离群值检测方法。它非常快，因为最多有两次迭代来确定异常值带。
结论
R软件非常有效地用于检测异常的许多传统预测时间序列。但是，速度是一个问题，特别是在尝试扩展到多个时间序列时。
我们从中了解到所有软件包的最佳组合：
分解方法：我们包括两个时间序列分解方法:( "stl"使用Loess的传统季节分解）和"twitter"（使用中间跨度的季节分解）。
异常检测方法：我们包括两种异常检测方法:( "iqr"使用类似于3X IQR的方法forecast::tsoutliers()）和"gesd"（使用Twitter使用的GESD方法AnomalyDetection）。
有问题欢迎下方留言！