Atualização: O algoritmo com melhor desempenho até agora é este .

Esta pergunta explora algoritmos robustos para detectar picos repentinos em dados de séries temporais em tempo real.

Considere o seguinte conjunto de dados:

p = [1 1 1.1 1 0.9 1 1 1.1 1 0.9 1 1.1 1 1 0.9 1 1 1.1 1 1 1 1 1.1 0.9 1 1.1 1 1 0.9 1, ...
     1.1 1 1 1.1 1 0.8 0.9 1 1.2 0.9 1 1 1.1 1.2 1 1.5 1 3 2 5 3 2 1 1 1 0.9 1 1 3, ... 
     2.6 4 3 3.2 2 1 1 0.8 4 4 2 2.5 1 1 1];

_{(Formato Matlab, mas não é sobre a linguagem, mas sobre o algoritmo)}

Você pode ver claramente que existem três picos grandes e alguns pequenos. Este conjunto de dados é um exemplo específico da classe de conjuntos de dados de séries temporais sobre a qual a pergunta se refere. Essa classe de conjuntos de dados possui dois recursos gerais:

1. Há ruído básico com média geral
2. Existem grandes " picos " ou " pontos de dados mais altos " que se desviam significativamente do ruído.

Vamos também assumir o seguinte:

• a largura dos picos não pode ser determinada antecipadamente
• a altura dos picos desvia clara e significativamente dos outros valores
• o algoritmo usado deve calcular em tempo real (então mude a cada novo ponto de dados)

Para tal situação, um valor limite precisa ser construído, o que dispara sinais. No entanto, o valor limite não pode ser estático e deve ser determinado em tempo real com base em um algoritmo.

Minha pergunta: o que é um bom algoritmo para calcular esses limites em tempo real? Existem algoritmos específicos para essas situações? Quais são os algoritmos mais conhecidos?

_{Algoritmos robustos ou idéias úteis são todos muito apreciados. (pode responder em qualquer idioma: trata-se do algoritmo)}

Algoritmo robusto de detecção de pico (usando z-scores)

Eu vim com um algoritmo que funciona muito bem para esses tipos de conjuntos de dados. Ele é baseado no princípio da dispersão : se um novo ponto de dados está com um número x de desvios padrão distantes de alguma média móvel, o algoritmo sinaliza (também chamado de z-score ). O algoritmo é muito robusto porque constrói uma média móvel e um desvio separados , de modo que os sinais não corromperam o limite. Os sinais futuros são, portanto, identificados com aproximadamente a mesma precisão, independentemente da quantidade de sinais anteriores. O algoritmo leva 3 entradas: lag = the lag of the moving window, threshold = the z-score at which the algorithm signalse influence = the influence (between 0 and 1) of new signals on the mean and standard deviation. Por exemplo, um lagde 5 usará as últimas 5 observações para suavizar os dados. UMAthresholdde 3,5 sinalizará se um ponto de dados estiver a 3,5 desvios padrão da média móvel. E um influencede 0,5 fornece aos sinais metade da influência que os pontos de dados normais têm. Da mesma forma, um influencede 0 ignora completamente os sinais para recalcular o novo limite. Uma influência de 0 é, portanto, a opção mais robusta (mas assume a estacionariedade ); colocar a opção de influência em 1 é menos robusto. Para dados não estacionários, a opção de influência deve, portanto, ser colocada entre 0 e 1.

Funciona da seguinte maneira:

Pseudo-código

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

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

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

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

As regras práticas para a seleção de bons parâmetros para seus dados podem ser encontradas abaixo.

Demo

_{O código Matlab para esta demonstração pode ser encontrado aqui . Para usar a demonstração, basta executá-la e criar uma série temporal clicando no gráfico superior. O algoritmo começa a funcionar após o desenho do lagnúmero de observações.}

Resultado

Para a pergunta original, esse algoritmo fornecerá a seguinte saída ao usar as seguintes configurações lag = 30, threshold = 5, influence = 0::

Implementações em diferentes linguagens de programação:

• Matlab (eu)

• R (eu)

• Golang (Xeoncross)

• Python (R Kiselev)

• Python [versão eficiente] (delica)

• Swift (eu)

• Groovy (JoshuaCWebDeveloper)

• C ++ (brad)

• C ++ (Animesh Pandey)

• Ferrugem (lagarto)

• Scala (Mike Roberts)

• Kotlin (leoderprofi)

• Ruby (Kimmo Lehto)

• Fortran [para detecção de ressonância] (THo)

• Julia (Matt Camp)

• C # (lançamento aéreo do oceano)

• C (DavidC)

• Java (takanuva15)

• JavaScript (Dirk Lüsebrink)

• TypeScript (Jerry Gamble)

• Perl (Alen)

• PHP (radhoo)

Regras básicas para configurar o algoritmo

lag: o parâmetro lag determina quanto seus dados serão suavizados e quão adaptável é o algoritmo às alterações na média de longo prazo dos dados. Quanto mais estacionários seus dados, mais atrasos você deve incluir (isso deve melhorar a robustez do algoritmo). Se seus dados contiverem tendências que variam no tempo, considere a rapidez com que deseja que o algoritmo se adapte a essas tendências. Ou seja, se você colocar lag10, leva 10 'períodos' antes que o limite do algoritmo seja ajustado a quaisquer alterações sistemáticas na média de longo prazo. Portanto, escolha o lagparâmetro com base no comportamento de tendência dos seus dados e quão adaptável você deseja que o algoritmo seja.

influence: este parâmetro determina a influência dos sinais no limiar de detecção do algoritmo. Se colocado em 0, os sinais não influenciam o limiar, de modo que os sinais futuros sejam detectados com base em um limiar que é calculado com uma média e desvio padrão que não é influenciado por sinais passados. Outra maneira de pensar sobre isso é que, se você colocar a influência em 0, assume implicitamente a estacionariedade (ou seja, não importa quantos sinais existam, a série temporal sempre retorna à mesma média a longo prazo). Se esse não for o caso, você deve colocar o parâmetro de influência em algum lugar entre 0 e 1, dependendo da extensão em que os sinais possam influenciar sistematicamente a tendência variável dos dados no tempo. Por exemplo, se os sinais levarem a uma quebra estrutural da média de longo prazo da série temporal, o parâmetro de influência deve ser alto (próximo a 1) para que o limite possa se ajustar rapidamente a essas alterações.

threshold: o parâmetro threshold é o número de desvios padrão da média móvel acima do qual o algoritmo classificará um novo ponto de dados como sinal. Por exemplo, se um novo ponto de dados tiver 4,0 desvios padrão acima da média móvel e o parâmetro threshold estiver definido como 3,5, o algoritmo identificará o ponto de dados como um sinal. Este parâmetro deve ser definido com base em quantos sinais você espera. Por exemplo, se seus dados são normalmente distribuídos, um limite (ou: z-score) de 3,5 corresponde a uma probabilidade de sinalização de 0,00047 (de nesta tabela), o que implica que você espera um sinal uma vez a cada 2128 pontos de dados (1 / 0,00047). O limiar, portanto, influencia diretamente a sensibilidade do algoritmo e, portanto, também a frequência com que o algoritmo sinaliza. Examine seus próprios dados e determine um limite sensível que faça o sinal do algoritmo quando você desejar (algumas tentativas e erros podem ser necessários aqui para atingir um bom limite para o seu propósito).

AVISO: O código acima sempre passa por todos os pontos de dados toda vez que é executado. Ao implementar este código, certifique-se de dividir o cálculo do sinal em uma função separada (sem o loop). Então, quando uma nova datapoint chega, atualização filteredY, avgFiltere stdFilteruma vez. Não recalcule os sinais para todos os dados sempre que houver um novo ponto de dados (como no exemplo acima), que seria extremamente ineficiente e lento!

Outras maneiras de modificar o algoritmo (para possíveis melhorias) são:

1. Use mediana em vez de média
2. Use uma medida robusta de escala , como o MAD, em vez do desvio padrão
3. Use uma margem de sinalização, para que o sinal não mude com muita frequência
4. Alterar a maneira como o parâmetro de influência funciona
5. Trate os sinais para cima e para baixo de maneira diferente (tratamento assimétrico)
6. Crie um influenceparâmetro separado para a média e o padrão ( como feito nesta tradução rápida )

Citações conhecidas (acadêmicas) para esta resposta do StackOverflow:

• Yin, C. (2020). Repetições de dinucleotídeos no genoma do coronavírus SARS-CoV-2: implicações evolutivas . Impressão eletrônica do ArXiv, acessível em: https://arxiv.org/pdf/2006.00280.pdf

• Esnaola-Gonzalez, I., Gómez-Omella, M., Ferreiro, S., Fernandez, I., Lázaro, I., & García, E. (2020). Uma plataforma de IoT para o aprimoramento das cadeias de produção de aves . Sensores, 20 (6), 1549.

• Gao, S. e Calderon, DP (2020). Regimes contínuos de integração cortico-motora calibram os níveis de excitação durante a emergência da anestesia . bioRxiv.

• Os dados foram analisados ​​por meio de entrevistas semiestruturadas e entrevistas semiestruturadas. Fusão de sensor adaptável baseada em smartphone para estimar métricas cinemáticas de remo competitivas . PloS um, 14 (12).

• Ceyssens, F., Carmona, MB, Kil, D., Deprez, M., Tooten, E., Nuttin, B., ... & Puers, R. (2019). Registro neural crônico com sondas de seção subcelular usando microneedulas de dissolução de 0,06 mm² como dispositivo de inserção . Sensores e atuadores B: Chemical , 284, pp. 369-376.

• Dons, E., Laeremans, M., Orjuela, JP, Avila-Palencia, I., de Nazelle, A., Nieuwenhuijsen, M., ... & Nawrot, T. (2019). Transporte com maior probabilidade de causar picos de exposição à poluição do ar na vida cotidiana: evidências de mais de 2000 dias de monitoramento pessoal . Atmospheric Environment , 213, 424-432.

• Schaible BJ, Snook KR, Yin J., et al. (2019). Conversas no Twitter e reportagens da mídia inglesa sobre poliomielite em cinco países diferentes, de janeiro de 2014 a abril de 2015 . The Permanente Journal , 23, 18-181.

• Lima, B. (2019). Exploração de superfícies de objetos usando uma ponta de dedo robótica habilitada para toque (dissertação de doutorado, Université d'Ottawa / University of Ottawa).

• Lima, BMR, Ramos, LCS, de Oliveira, TEA, da Fonseca, VP e Petriu, EM (2019). Detecção da frequência cardíaca Usando um Multimodal tátil Sensor e um Z-score Based Peak Algoritmo de Detecção . Processos do CMBES , 42.

• Lima, BMR, de Oliveira, TEA, da Fonseca, vice-presidente, Zhu, Q., Goubran, M., Groza, VZ e Petriu, EM (2019, junho). Detecção da frequência cardíaca usando um sensor tátil multimodal miniaturizado . Em 2019, o Simpósio Internacional IEEE sobre Medições e Aplicações Médicas (MeMeA) (pp. 1-6). IEEE.

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• Os dados foram analisados ​​por meio de questionários, entrevistas e entrevistas com os participantes. Sistema portátil para monitorar e controlar o comportamento do motorista e o uso de um celular enquanto estiver dirigindo . Sensores , 19 (7), 1563.

• Os dados foram coletados por meio de entrevistas semiestruturadas e entrevistas semiestruturadas. A análise abrangente da expressão longa do RNA não codificante no gânglio da raiz dorsal revela especificidade e desregulação do tipo celular após lesão nervosa . Dor , 160 (2), 463.

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• Zajdel, TJ (2018). Interfaces eletrônicas para biossensor baseado em bactérias . Tese de doutorado , UC Berkeley.

• Perkins, P., Heber, S. (2018). Identificação de locais de pausa no ribossomo usando um algoritmo de detecção de pico baseado em Z-Score . 8ª Conferência Internacional IEEE sobre Avanços Computacionais em Ciências Biológicas e Médicas (ICCABS) , ISBN: 978-1-5386-8520-4.

• A maioria dos casos de câncer de colo de útero é causada por um câncer de colo de útero. Gerenciamento de ambientes domésticos através da detecção, anotação e visualização de dados da qualidade do ar . Anais do ACM sobre tecnologias interativas, móveis, vestíveis e ubíquas , 2 (3), 128.

• Lo, O., Buchanan, WJ, Griffiths, P., e Macfarlane, R. (2018), Métodos de medição de distância para detecção aprimorada de ameaças internas , redes de segurança e comunicação , vol. 2018, ID do artigo 5906368.

• Apurupa, NV, Singh, P., Chakravarthy, S., & Buduru, AB (2018). Um estudo crítico dos padrões de consumo de energia em apartamentos indianos . Tese de doutorado , IIIT-Delhi.

• Scirea, M. (2017). Geração Afetiva de Música e seu efeito na experiência do jogador . Tese de doutorado , IT University of Copenhagen, Design Digital.

• Scirea, M., Eklund, P., Togelius, J., & Risi, S. (2017). Primal-improv: Rumo à improvisação musical co-evolucionária . Ciência da Computação e Engenharia Eletrônica (PECO) , 2017 (pp. 172-177). IEEE.

• Catalbas, MC, Cegovnik, T., Sodnik, J. e Gulten, A. (2017). Detecção de fadiga do motorista baseada em movimentos oculares sacádicos , 10ª Conferência Internacional de Engenharia Elétrica e Eletrônica (ELECO), pp. 913-917.

Outro trabalho usando o algoritmo

• Bernardi, D. (2019). Um estudo de viabilidade sobre o emparelhamento de um smartwatch e um dispositivo móvel através de gestos multimodais . Dissertação de mestrado , Universidade Aalto.

• Lemmens, E. (2018). Detecção de outlier em logs de eventos usando métodos estatísticos , dissertação de mestrado , Universidade de Eindhoven.

• Willems, P. (2017). Ambientes afetivos controlados pelo humor para idosos , dissertação de mestrado , Universidade de Twente.

• Ciocirdel, GD e Varga, M. (2016). Previsão de eleições com base nas visualizações de página da Wikipedia . Documento do projeto , Vrije Universiteit Amsterdam.

Outras aplicações deste algoritmo

• Laboratório Financeiro de Aprendizado de Máquina , pacote Python baseado no trabalho de De Prado, ML (2018). Avanços no aprendizado de máquinas financeiras . John Wiley & Sons.

• Adafruit CircuitPlayground Library , placa Adafruit (Adafruit Industries)

• Algoritmo do rastreador de etapas , aplicativo Android (jeeshnair)

Links para outros algoritmos de detecção de pico

• Detecção de pico em tempo real em séries temporais sinusoidais barulhentas

Se você usar esta função em algum lugar, por favor, credite-me ou esta resposta. Se você tiver alguma dúvida sobre esse algoritmo, poste-a nos comentários abaixo ou entre em contato comigo no LinkedIn .

Aqui está a Python/ numpyimplementação do algoritmo de escore z suavizado (veja a resposta acima ). Você pode encontrar a essência aqui .

#!/usr/bin/env python
# Implementation of algorithm from https://stackoverflow.com/a/22640362/6029703
import numpy as np
import pylab

def thresholding_algo(y, lag, threshold, influence):
    signals = np.zeros(len(y))
    filteredY = np.array(y)
    avgFilter = [0]*len(y)
    stdFilter = [0]*len(y)
    avgFilter[lag - 1] = np.mean(y[0:lag])
    stdFilter[lag - 1] = np.std(y[0:lag])
    for i in range(lag, len(y)):
        if abs(y[i] - avgFilter[i-1]) > threshold * stdFilter [i-1]:
            if y[i] > avgFilter[i-1]:
                signals[i] = 1
            else:
                signals[i] = -1

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

    return dict(signals = np.asarray(signals),
                avgFilter = np.asarray(avgFilter),
                stdFilter = np.asarray(stdFilter))

Abaixo está o teste no mesmo conjunto de dados que gera o mesmo gráfico da resposta original para 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()

Uma abordagem é detectar picos com base na seguinte observação:

• O tempo t é um pico se (y (t)> y (t-1)) && (y (t)> y (t + 1))

Evita falsos positivos, aguardando até que a tendência de alta termine. Não é exatamente "tempo real" no sentido de que ele perderá o pico em um dt. a sensibilidade pode ser controlada exigindo uma margem para comparação. Há uma troca entre a detecção de ruído e o atraso de tempo na detecção. Você pode enriquecer o modelo adicionando mais parâmetros:

• Pico se (y (t) - y (t-dt)> m) && (y (t) - y (t + dt)> m)

onde dt e m são parâmetros para controlar a sensibilidade versus atraso

Isto é o que você obtém com o algoritmo mencionado:

Aqui está o código para reproduzir o gráfico em 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()

Ao definir m = 0.5, você pode obter um sinal mais limpo com apenas um falso positivo:

No processamento de sinal, a detecção de pico geralmente é feita via transformada wavelet. Você basicamente faz uma transformação de wavelet discreta nos dados de séries temporais. Cruzamentos de zero nos coeficientes de detalhes retornados corresponderão a picos no sinal da série temporal. Você obtém diferentes amplitudes de pico detectadas em diferentes níveis de coeficiente de detalhes, o que fornece uma resolução em vários níveis.

Tentamos usar o algoritmo de escore z suavizado em nosso conjunto de dados, o que resulta em super-sensibilidade ou sub-sensibilidade (dependendo de como os parâmetros são ajustados), com pouco meio-termo. No sinal de tráfego de nosso site, observamos uma linha de base de baixa frequência que representa o ciclo diário e, mesmo com os melhores parâmetros possíveis (mostrados abaixo), ela ainda é interrompida principalmente no 4º dia, porque a maioria dos pontos de dados é reconhecida como anomalia .

Com base no algoritmo original do z-score, criamos uma maneira de resolver esse problema através da filtragem reversa. Os detalhes do algoritmo modificado e sua aplicação na atribuição de tráfego comercial de TV são publicados no blog da equipe .

Na topologia computacional, a idéia de homologia persistente leva a uma solução eficiente - rápida como números de classificação -. Ele não detecta apenas picos, quantifica o "significado" dos picos de uma maneira natural que permite selecionar os picos significativos para você.

Resumo do algoritmo. Em um cenário unidimensional (série temporal, sinal com valor real), o algoritmo pode ser facilmente descrito pela figura a seguir:

Pense no gráfico da função (ou em seu conjunto de subnível) como uma paisagem e considere um nível decrescente de água começando no nível infinito (ou 1,8 nesta figura). Enquanto o nível diminui, nas máximas ilhas locais surgem. Em mínimos locais, essas ilhas se fundem. Um detalhe nessa idéia é que a ilha que apareceu mais tarde no tempo é mesclada na ilha mais antiga. A "persistência" de uma ilha é o seu tempo de nascimento menos o seu tempo de morte. Os comprimentos das barras azuis representam a persistência, que é o "significado" mencionado acima de um pico.

Eficiência. Não é muito difícil encontrar uma implementação que seja executada em tempo linear - na verdade, é um loop único e simples - depois que os valores da função foram classificados. Portanto, essa implementação deve ser rápida na prática e também é facilmente implementada.

Referências. Uma descrição completa da história e referências à motivação da homologia persistente (um campo em topologia algébrica computacional) podem ser encontradas aqui: https://www.sthu.org/blog/13-perstopology-peakdetection/index.html

Foi encontrado outro algoritmo de GH Palshikar em Algoritmos Simples para Detecção de Picos em Séries Temporais .

O algoritmo é assim:

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

Vantagens

• O artigo fornece 5 algoritmos diferentes para detecção de pico
• Os algoritmos funcionam com dados brutos de séries temporais (não é necessária suavização)

Desvantagens

• Difícil de determinar ke de hantemão
• Os picos não podem ser baixos (como o terceiro pico nos meus dados de teste)

Exemplo:

Aqui está uma implementação do algoritmo Smooth-z-score (acima) em Golang. Ele assume uma fatia de []int16(amostras de PCM 16 bits). Você pode encontrar uma essência aqui .

/*
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)))
}

Aqui está uma implementação em C ++ do algoritmo z-score suavizado desta resposta

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;
}

Esse problema é semelhante ao que encontrei em um curso de sistemas híbridos / embarcados, mas estava relacionado à detecção de falhas quando a entrada de um sensor é barulhenta. Usamos um filtro Kalman para estimar / prever o estado oculto do sistema e, em seguida, usamos análises estatísticas para determinar a probabilidade de ocorrência de uma falha . Estávamos trabalhando com sistemas lineares, mas existem variantes não lineares. Lembro que a abordagem era surpreendentemente adaptável, mas exigia um modelo da dinâmica do sistema.

Implementação de C ++

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

using namespace std;

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

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

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

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

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

    ld mean() {
        return m1;
    }

    ld standard_deviation() {
        return m2;
    }

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

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

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

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

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

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

    return output;
};

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

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

Seguindo a solução proposta por Jean-Paul, eu implementei seu algoritmo em C #

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

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

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

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

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

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

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

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

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

        return result;
    }

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

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

Exemplo de uso:

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);

Aqui está uma implementação em C do Z-score Smoothed de Jean-Paul para o microcontrolador Arduino usado para fazer leituras do acelerômetro e decidir se a direção de um impacto veio da esquerda ou da direita. Isso funciona muito bem, pois este dispositivo retorna um sinal devolvido. Aqui está uma entrada para este algoritmo de detecção de pico do dispositivo - mostrando um impacto da direita seguido por e da esquerda. Você pode ver o pico inicial e a oscilação do sensor.

#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;
}

O resultado é dela com influência = 0

Não é ótimo, mas aqui com influência = 1

o que é muito bom

Aqui está uma implementação Java real baseada no resposta Groovy publicada anteriormente. (Eu sei que já existem implementações de Groovy e Kotlin, mas para alguém como eu, que só fez Java, é um verdadeiro aborrecimento descobrir como converter entre outras linguagens e Java).

(Os resultados correspondem aos gráficos de outras pessoas)

Implementação de algoritmo

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
}

Método principal

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));
            }
        }
    }
}

Resultados

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

Apêndice 1 à resposta original: Matlabe Rtraduções

Código 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

Exemplo:

% 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]);

Código R

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

Exemplo:

# 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)

Este código (ambos os idiomas) produzirá o seguinte resultado para os dados da pergunta original:

Apêndice 2 da resposta original: Matlab código de demonstração

(clique para criar dados)

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

Aqui está minha tentativa de criar uma solução Ruby para o "Smoothed z-score algo" a partir da resposta aceita:

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

E exemplo de uso:

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
# ]

Uma versão iterativa em python / numpy para a resposta https://stackoverflow.com/a/22640362/6029703 está aqui. Esse código é mais rápido que o cálculo da média e do desvio padrão a cada atraso para grandes dados (100000+).

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

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

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

Pensei em fornecer minha implementação Julia do algoritmo para outros. A essência pode ser encontrada aqui

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)

Aqui está uma implementação Groovy (Java) do algoritmo z-score suavizado ( veja a resposta acima ).

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

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

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

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

Abaixo está um teste no mesmo conjunto de dados que produz os mesmos resultados da implementação Python / numpy acima .

    // 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]
        }
    }

Aqui está uma versão Scala (não-idiomática) do algoritmo de z-score suavizado :

/**
  * 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
}

Aqui está um teste que retorna os mesmos resultados que as versões Python e 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 aqui

Eu precisava de algo assim no meu projeto Android. Pensei que eu poderia devolver a implementação do Kotlin .

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

Um exemplo de projeto com gráficos de verificação pode ser encontrado no github .

Aqui está uma versão Fortran alterada do algoritmo z-score . Ele é alterado especificamente para a detecção de pico (ressonância) nas funções de transferência no espaço de frequência (cada alteração possui um pequeno comentário no código).

A primeira modificação avisa o usuário se houver uma ressonância próxima ao limite inferior do vetor de entrada, indicada por um desvio padrão superior a um determinado limite (10% neste caso). Isso significa simplesmente que o sinal não é plano o suficiente para a detecção inicializar os filtros corretamente.

A segunda modificação é que apenas o valor mais alto de um pico é adicionado aos picos encontrados. Isso é alcançado comparando cada valor de pico encontrado com a magnitude de seus antecessores (lag) e seus sucessores (lag).

A terceira mudança é respeitar que os picos de ressonância geralmente mostram alguma forma de simetria em torno da frequência de ressonância. Portanto, é natural calcular a média e o padrão simetricamente em torno do ponto de dados atual (em vez de apenas para os predecessores). Isso resulta em um melhor comportamento de detecção de pico.

As modificações têm o efeito de que todo o sinal deve ser conhecido antecipadamente pela função, que é o caso usual para a detecção de ressonância (algo como o Exemplo Matlab de Jean-Paul, onde os pontos de dados são gerados em tempo real não funciona).

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

Para minha aplicação, o algoritmo funciona como um encanto!

Se você obteve seus dados em uma tabela de banco de dados, aqui está uma versão SQL de um algoritmo simples de 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)

Versão em Python que funciona com fluxos em tempo real (não recalcula todos os pontos de dados na chegada de cada novo ponto de dados). Você pode ajustar o que a função de classe retorna - para os meus propósitos, eu apenas precisava dos sinais.

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]

Eu me permiti criar uma versão javascript dele. Pode ser útil. O javascript deve ser uma transcrição direta do Pseudocódigo fornecido acima. Disponível como pacote npm e repositório github:

• https://github.com/crux/smoothed-z-score
• @ joe_six / detecção de sinal de z-score suavizado

Tradução Javascript:

// javascript port of: /programming/22583391/peak-signal-detection-in-realtime-timeseries-data/48895639#48895639

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

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

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

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

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

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

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

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

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

    return signals
}

module.exports = smoothed_z_score