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 1. adtk簡(jiǎn)介

智能運(yùn)維AIOps的數(shù)據(jù)基本上都是時(shí)間序列形式的，而異常檢測(cè)告警是AIOps中重要組成部分。筆者最近在處理時(shí)間序列數(shù)據(jù)時(shí)有使用到adtk這個(gè)python庫(kù)，在這里和大家做下分享。

什么是adtk?

adtk（Anomaly Detection Toolkit）是無(wú)監(jiān)督異常檢測(cè)的python工具包，它提供常用算法和處理函數(shù)：

•  簡(jiǎn)單有效的異常檢測(cè)算法（detector）
•  異常特征加工（transformers）
•  處理流程控制（Pipe）

2. 安裝

pip install adtk 

3. adtk數(shù)據(jù)要求

時(shí)間序列的數(shù)據(jù)主要包括時(shí)間和相應(yīng)的指標(biāo)（如cpu，內(nèi)存，數(shù)量等）。python中數(shù)據(jù)分析一般都是pandas的DataFrame，adtk要求輸入數(shù)據(jù)的索引必須是DatetimeIndex。

pandas提供了時(shí)間序列的時(shí)間生成和處理方法。

•  pd.date_range 

stamps = pd.date_range("2012-10-08 18:15:05", periods=4, freq="D")  
# DatetimeIndex(['2012-10-08 18:15:05', '2012-10-09 18:15:05',  
#           '2012-10-10 18:15:05', '2012-10-11 18:15:05'],  
#          dtype='datetime64[ns]', freq='D') 

•  pd.Timestamp 

tmp = pd.Timestamp("2018-01-05") + pd.Timedelta("1 day")  
 print(tmp, tmp.timestamp(), tmp.strftime('%Y-%m-%d'))  
 # 2018-01-06 00:00:00 1515196800.0 2018-01-06  
 pd.Timestamp( tmp.timestamp(), unit='s', tz='Asia/Shanghai')  
 # Timestamp('2018-01-06 08:00:00+0800', tz='Asia/Shanghai') 

•  pd.to_datetime

adtk提供是validate_series來(lái)驗(yàn)證時(shí)間序列數(shù)據(jù)的有效性，如是否按時(shí)間順序 

import pandas as pd  
from adtk.data import validate_series  
from adtk.visualization import plot  
df = pd.read_csv('./data/nyc_taxi.csv', index_col="timestamp", parse_dates=True)  
df = validate_series(df)  
plot(df) 

4. 異常特征加工（transformers）

adtk中transformers提供了許多時(shí)間序列特征加工的方法：

•  一般我們獲取時(shí)間序列的特征，通常會(huì)按照時(shí)間窗口在滑動(dòng)，采集時(shí)間窗口上的統(tǒng)計(jì)特征；
•  還有對(duì)于季節(jié)性趨勢(shì)做分解，區(qū)分哪些是季節(jié)性的部分，哪些是趨勢(shì)的部分
•  時(shí)間序列降維映射：對(duì)于細(xì)粒度的時(shí)間序列數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大，對(duì)于檢測(cè)算法來(lái)說(shuō)效率不高。降維方法能保留時(shí)間序列的主要趨勢(shì)等特征同時(shí)，降低維數(shù)，提供時(shí)間效率。這個(gè)對(duì)于用CNN的方式來(lái)進(jìn)行時(shí)間序列分類(lèi)特別有效，adtk主要提供基于pca的降維和重構(gòu)方法,主要應(yīng)用于多維時(shí)間序列。

4.1 滑動(dòng)窗口

atdk提供單個(gè)寬口RollingAggregate和2個(gè)窗口DoubleRollingAggregate的滑動(dòng)方式。統(tǒng)計(jì)特征支持均值，中位數(shù)，匯總，最大值，最小值，分位數(shù)， 方差，標(biāo)準(zhǔn)差，偏度，峰度，直方圖 等，['mean', 'median', 'sum', 'min', 'max', 'quantile', 'iqr', 'idr', 'count', 'nnz', 'nunique', 'std', 'var', 'skew', 'kurt', 'hist']其中

•  'iqr': 是分位數(shù) 75% 和 25%差值
•  'idr': 是分位數(shù) 90% 和 10%插值
•   RollingAggregate 

import pandas as pd  
  from adtk.data import validate_series  
  from adtk.transformer import RollingAggregate  
  from adtk.transformer import DoubleRollingAggregate  
  s = pd.read_csv('./data/nyc_taxi.csv', index_col="timestamp", parse_dates=True)  
  s = validate_series(s)  
  s_transformed = RollingAggregate(agg='quantile',agg_params={"q": [0.25, 0.75]}, window=5).transform(s) 

•  DoubleRollingAggregate 提供了兩個(gè)窗口之間統(tǒng)計(jì)特征的差異特征，如前5分鐘和后5分鐘，均值的差值等。agg參數(shù)和RollingAggregate中一致，新增的參數(shù)diff主要衡量差距的函數(shù)： 

import pandas as pd  
from adtk.data import validate_series  
from adtk.transformer import DoubleRollingAggregate  
s = pd.read_csv('./data/ec2_cpu_utilization_53ea38.csv', index_col="timestamp", parse_dates=True)  
s = validate_series(s)  
s_transformed = DoubleRollingAggregate(  
    agg="median",  
    window=5,  
    diff="diff").transform(s) 

•  'diff': 后減去前
•  'rel_diff': Relative difference between values of aggregated metric (right minus left divided left). Only applicable if the aggregated metric is scalar.
•  'abs_rel_diff': （后-前）/前， 相對(duì)差值
•  'l1': l1正則
•  'l2': l2正則

4.2 季節(jié)性拆解

時(shí)間序列可拆解成趨勢(shì)性，季節(jié)性和殘差部分。atdk中ClassicSeasonalDecomposition提供了這三個(gè)部分拆解，并移除趨勢(shì)和季節(jié)性部分，返回殘差部分。

•  freq: 設(shè)置季節(jié)性的周期
•  trend：可以設(shè)置是否保留趨勢(shì)性 

from adtk.transformer import ClassicSeasonalDecomposition  
s = pd.read_csv('./data/nyc_taxi.csv', index_col="timestamp", parse_dates=True)  
s = validate_series(s) 
s_transformed = ClassicSeasonalDecomposition().fit_transform(s) 

s_transformed = ClassicSeasonalDecomposition(trend=True).fit_transform(s) 

4.3 降維和重構(gòu)

adtk提供的pca對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行降維到主成分PcaProjection和重構(gòu)方法PcaReconstruction。 

df = pd.read_csv('./data/generator.csv', index_col="Time", parse_dates=True)  
df = validate_series(df)  
from adtk.transformer import PcaProjection  
s = PcaProjection(k=1).fit_transform(df)  
plot(pd.concat([df, s], axis=1), ts_linewidth=1, ts_markersize=3, curve_group=[("Speed (kRPM)", "Power (kW)"), "pc0"]); 

from adtk.transformer import PcaReconstruction  
df_transformed = PcaReconstruction(k=1).fit_transform(df).rename(columns={"Speed (kRPM)": "Speed reconstruction (kRPM)", "Power (kW)": "Power reconstruction (kW)"}) 
plot(pd.concat([df, df_transformed], axis=1), ts_linewidth=1, ts_markersize=3, curve_group=[("Speed (kRPM)", "Power (kW)"), ("Speed reconstruction (kRPM)", "Power reconstruction (kW)")]); 
../_images/notebooks_demo_99_0.png 

5. 異常檢測(cè)算法（detector）

adtk提供的主要是無(wú)監(jiān)督或者基于規(guī)則的時(shí)間序列檢測(cè)算法，可以用于常規(guī)的異常檢測(cè)。

•  檢測(cè)離群點(diǎn) 離群點(diǎn)是和普通數(shù)據(jù)差異極大的數(shù)據(jù)點(diǎn)。adtk主要提供了包括 adtk.detector.ThresholdAD adtk.detector.QuantileAD adtk.detector.InterQuartileRangeAD adtk.detector.GeneralizedESDTestAD的檢測(cè)算法。
  •  ThresholdAD 

adtk.detector.ThresholdAD(low=None, high=None)  
 參數(shù)：  
 low：下限，小于此值，視為異常  
 high：上限，大于此值，視為異常  
 原理：通過(guò)認(rèn)為設(shè)定上下限來(lái)識(shí)別異常  
 總結(jié)：固定閾值算法  

from adtk.detector import ThresholdAD  
threshold_ad = ThresholdAD(high=30, low=15)  
anomalies = threshold_ad.detect(s) 

•  QuantileAD 

adtk.detector.QuantileAD(low=None, high=None)  
參數(shù)：  
low：分位下限，范圍(0,1)，當(dāng)low=0.25時(shí)，表示Q1  
high：分位上限，范圍(0,1)，當(dāng)low=0.25時(shí)，表示Q3  
原理：通過(guò)歷史數(shù)據(jù)計(jì)算出給定low與high對(duì)應(yīng)的分位值Q_low,Q_high，小于Q_low或大于Q_high，視為異常  
總結(jié)：分位閾值算法  

from adtk.detector import QuantileAD  
quantile_ad = QuantileAD(high=0.99, low=0.01)  
anomalies = quantile_ad.fit_detect(s) 

•  InterQuartileRangeAD 

adtk.detector.InterQuartileRangeAD(c=3.0)  
參數(shù)：  
c：分位距的系數(shù)，用來(lái)確定上下限，可為float，也可為(float,float)  
原理： 
當(dāng)c為float時(shí)，通過(guò)歷史數(shù)據(jù)計(jì)算出 Q3+c*IQR 作為上限值，大于上限值視為異常  
當(dāng)c=(float1,float2)時(shí)，通過(guò)歷史數(shù)據(jù)計(jì)算出 (Q1-c1*IQR, Q3+c2*IQR) 作為正常范圍，不在正常范圍視為異常  
總結(jié)：箱線圖算法  

from adtk.detector import InterQuartileRangeAD  
iqr_ad = InterQuartileRangeAD(c=1.5)  
anomalies = iqr_ad.fit_detect(s) 

•  GeneralizedESDTestAD   

adtk.detector.GeneralizedESDTestAD(alpha=0.05)  
   參數(shù)：  
   alpha：顯著性水平 (Significance level)，alpha越小，表示識(shí)別出的異常約有把握是真異常  
   原理:將樣本點(diǎn)的值與樣本的均值作差后除以樣本標(biāo)準(zhǔn)差，取最大值，通過(guò)t分布計(jì)算閾值，對(duì)比閾值確定異常點(diǎn)  
   計(jì)算步驟簡(jiǎn)述：  
   設(shè)置顯著水平alpha，通常取0.05  
   指定離群比例h，若h=5%，則表示50各樣本中存在離群點(diǎn)數(shù)為2  
   計(jì)算數(shù)據(jù)集的均值mu與標(biāo)準(zhǔn)差sigma，將所有樣本與均值作差，取絕對(duì)值，再除以標(biāo)準(zhǔn)差，找出最大值，得到esd_1  
   在剩下的樣本點(diǎn)中，重復(fù)步驟3，可以得到h個(gè)esd值  
   為每個(gè)esd值計(jì)算critical value: lambda_i (采用t分布計(jì)算)  
   統(tǒng)計(jì)每個(gè)esd是否大于lambda_i，大于的認(rèn)為你是異常  

from adtk.detector import GeneralizedESDTestAD  
esd_ad = GeneralizedESDTestAD(alpha=0.3)  
anomalies = esd_ad.fit_detect(s) 

•  突變：Spike and Level Shift 異常的表現(xiàn)形式不是離群點(diǎn)，而是通過(guò)和臨近點(diǎn)的比較，即突增或者突降。adtk提供adtk.detector.PersistAD 和 adtk.detector.LevelShiftAD檢測(cè)方法
  
  •  PersistAD   

adtk.detector.PersistAD(window=1, c=3.0, side='both', min_periods=None, agg='median')  
   參數(shù)：  
   window：參考窗長(zhǎng)度，可為int, str  
   c：分位距倍數(shù)，用于確定上下限范圍  
   side：檢測(cè)范圍，為'positive'時(shí)檢測(cè)突增，為'negative'時(shí)檢測(cè)突降，為'both'時(shí)突增突降都檢測(cè)  
   min_periods：參考窗中最小個(gè)數(shù)，小于此個(gè)數(shù)將會(huì)報(bào)異常，默認(rèn)為None，表示每個(gè)時(shí)間點(diǎn)都得有值  
   agg：參考窗中的統(tǒng)計(jì)量計(jì)算方式，因?yàn)楫?dāng)前值是與參考窗中產(chǎn)生的統(tǒng)計(jì)量作比較，所以得將參考窗中的數(shù)據(jù)計(jì)算成統(tǒng)計(jì)量，默認(rèn)'median'，表示去參考窗的中位值  
   原理：  
   用滑動(dòng)窗口遍歷歷史數(shù)據(jù)，將窗口后的一位數(shù)據(jù)與參考窗中的統(tǒng)計(jì)量做差，得到一個(gè)新的時(shí)間序列s1;  
   計(jì)算s1的(Q1-c*IQR, Q3+c*IQR) 作為正常范圍； 
   若當(dāng)前值與它參考窗中的統(tǒng)計(jì)量之差，不在2中的正常范圍內(nèi)，視為異常。  
   調(diào)參：  
   window：越大，模型越不敏感，不容易被突刺干擾  
   c：越大，對(duì)于波動(dòng)大的數(shù)據(jù)，正常范圍放大較大，對(duì)于波動(dòng)較小的數(shù)據(jù)，正常范圍放大較小  
   min_periods：對(duì)缺失值的容忍程度，越大，越不允許有太多的缺失值  
   agg：統(tǒng)計(jì)量的聚合方式，跟統(tǒng)計(jì)量的特性有關(guān)，如 'median'不容易受極端值影響  
   總結(jié)：先計(jì)算一條新的時(shí)間序列，再用箱線圖作異常檢測(cè)  

from adtk.detector import PersistAD  
persist_ad = PersistAD(c=3.0, side='positive')  
anomalies = persist_ad.fit_detect(s) 

•  LevelShiftAD 

adtk.detector.LevelShiftAD(window, c=6.0, side='both', min_periods=None)  
 參數(shù)：  
 window：支持(10,5)，表示使用兩個(gè)相鄰的滑動(dòng)窗，左側(cè)的窗中的中位值表示參考值，右側(cè)窗中的中位值表示當(dāng)前值  
 c：越大，對(duì)于波動(dòng)大的數(shù)據(jù)，正常范圍放大較大，對(duì)于波動(dòng)較小的數(shù)據(jù)，正常范圍放大較小，默認(rèn)6.0  
 side：檢測(cè)范圍，為'positive'時(shí)檢測(cè)突增，為'negative'時(shí)檢測(cè)突降，為'both'時(shí)突增突降都檢測(cè)  
 min_periods：參考窗中最小個(gè)數(shù)，小于此個(gè)數(shù)將會(huì)報(bào)異常，默認(rèn)為None，表示每個(gè)時(shí)間點(diǎn)都得有值  
 原理： 
 該模型用于檢測(cè)突變情況，相比于PersistAD，其抗抖動(dòng)能力較強(qiáng)，不容易出現(xiàn)誤報(bào)  

from adtk.detector import LevelShiftAD  
level_shift_ad = LevelShiftAD(c=6.0, side='both', window=5)  
anomalies = level_shift_ad.fit_detect(s) 

•  季節(jié)性
  
  •  adtk.detector.SeasonalAD 

adtk.detector.SeasonalAD(freq=None, side='both', c=3.0, trend=False)  
SeasonalAD主要是根據(jù)ClassicSeasonalDecomposition來(lái)處理，判斷。  
參數(shù)：  
freq：季節(jié)性周期  
c：越大，對(duì)于波動(dòng)大的數(shù)據(jù)，正常范圍放大較大，對(duì)于波動(dòng)較小的數(shù)據(jù)，正常范圍放大較小，默認(rèn)6.0  
side：檢測(cè)范圍，為'positive'時(shí)檢測(cè)突增，為'negative'時(shí)檢測(cè)突降，為'both'時(shí)突增突降都檢測(cè)  
trend： 是否考慮趨勢(shì)      

from adtk.detector import SeasonalAD  
      seasonal_ad = SeasonalAD(c=3.0, side="both")  
      anomalies = seasonal_ad.fit_detect(s)  
      plot(s, anomaly=anomalies, ts_markersize=1, anomaly_color='red', anomaly_tag="marker", anomaly_markersize=2); 

•  pipe 組合算法   

from adtk.pipe import Pipeline  
   steps = [  
       ("deseasonal", ClassicSeasonalDecomposition()),  
       ("quantile_ad", QuantileAD(high=0.995, low=0.005))  
   ] 
   pipeline = Pipeline(steps)  
   anomalies = pipeline.fit_detect(s)  
   plot(s, anomaly=anomalies, ts_markersize=1, anomaly_markersize=2, anomaly_tag="marker", anomaly_color='red'); 

6. 總結(jié)

本文介紹了時(shí)間序列異常檢測(cè)的無(wú)監(jiān)督算法工具包ADTK。ADTK提供了簡(jiǎn)單的異常檢測(cè)算法和時(shí)間序列特征加工函數(shù)，希望對(duì)你有幫助。總結(jié)如下：

•  adtk要求輸入數(shù)據(jù)為datetimeIndex，validate_series來(lái)驗(yàn)證數(shù)據(jù)有效性，使得時(shí)間有序
•  adtk單窗口和double窗口滑動(dòng)，加工統(tǒng)計(jì)特征
•  adtk分解時(shí)間序列的季節(jié)部分，獲得時(shí)間序列的殘差部分，可根據(jù)這個(gè)判斷異常點(diǎn)
•  adtk支持離群點(diǎn)、突變和季節(jié)性異常檢測(cè)。通過(guò)fit_detect 獲取異常點(diǎn)序列，也可以通過(guò)Pipeline聯(lián)通多部異常檢測(cè)算法