Python实现Prophet时间序列数据建模与异常值检测(Prophet算法)项目实战

说明：这是一个机器学习实战项目（附带数据+代码+文档+视频讲解），如需数据+代码+文档+视频讲解可以直接到文章最后获取。

1.项目背景

Prophet由facebook开源的基于python和R语言的数据预测工具，基于时间和变量值结合时间序列分解和机器学习的拟合来做的；其强大的对于当变量的预测能力，可以解决大部分的实际场景中的对单项值的预测。在时间序列分析领域，一般会把时间序列拆分成几个部分，分别是S(t)季节项，趋势项T(t)，剩余项T(t)，一般我们算法模型有两种，加法模型和乘法模型；同时乘法模型我们发现取对后也可以分解成加法模型。

Prophet适用于具有明显的内在规律的商业行为数据,例如：有如下特征的业务问题：

1.有至少几个月（最好是一年）的每小时、每天或每周观察的历史数据；

2.有多种人类规模级别的较强的季节性趋势：每周的一些天和每年的一些时间；

3.有事先知道的以不定期的间隔发生的重要节假日（比如国庆节）；

4.缺失的历史数据或较大的异常数据的数量在合理范围内；

5.有历史趋势的变化（比如因为产品发布）；

6.对于数据中蕴含的非线性增长的趋势都有一个自然极限或饱和状态。

2.数据获取

本次建模数据来源于网络(本项目撰写人整理而成)，数据项统计如下：

数据详情如下(部分展示)：

3.数据预处理

3.1 用Pandas工具查看数据

使用Pandas工具的head()方法查看前五行数据：

从上图可以看到，总共有9个字段。

关键代码：

3.2缺失值统计

使用Pandas工具的info()方法统计每个特征缺失情况：

从上图可以看到，数据不存在缺失值，总数据量为355条。

关键代码：

3.3描述性统计分析

通过Pandas工具的describe()方法来来统计变量的平均值、标准差、最大值、最小值、分位数等信息：

 

 关键代码如下：

4.探索性数据分析

4.1 PM2变量时间序列图

用Pandas工具的plot()方法进行统计绘图，如下：

从图中可以看到，变量PM2在2020年12月20日到2021年2月8日波动性最大；其它时间数值相对稳定。

4.2 PM2变量分布直方图

 

从图中可以看到，PM2变量成一定的偏态分布。

4.3 相关性分析

通过Pandas工具的corr()方法和seaborn工具的heatmap()方法绘制相关性热力图：

从图中可以看到，正数为正相关，负数为负相关，绝对值越大相关性越强。

5.特征工程

5.1 构建时间序列数据框

构建只包含PM2和DATE的数据框。关键代码如下：

6.构建Prophet时间序列模型

主要使用Prophet算法，用于时间序列预测与异常值检测。

6.1模型参数

 

7.模型预测

输出预测结果前5行：

 其中yhat列为预测值，yhat_lower和yhat_upper为95%置信区间的下边界和上边界预测值。

8.异常值检测

输出异常值的前5行：

 

从上图可以看出，异常值的数量总共13个。

从上图可以看到，阴影部分为95%置信区间的上下边界区域，异常值主要分布在95%置信区间上边界上面。

9.结论与展望

综上所述，本文采用了Prophet时间序列模型，最终证明了我们提出的模型效果良好。

# 本次机器学习项目实战所需的资料，项目资源如下：
 
# 项目说明：
# 链接：https://pan.baidu.com/s/1sdM58c_SAfoSbWD29tilxA 
# 提取码：ttve
 
# 用Pandas工具查看数据
print(data.head())
 
# 数据缺失值统计
print('****************************************')
print(data.info())
 
print('****************************************')
print(data.describe().round(4))  # 保留4位小数点
 
# 构建时间序列数据框
df_data = pd.DataFrame({"y": data['PM2']})
df_data["ds"] = data['DATE']
 
# PM2变量时间序列图
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']  # 指定默认字体
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 解决保存图像是负号'-'显示为方块的问题
df_data.plot(x="ds", y="y", style="b-o", figsize=(14, 7))
plt.xlabel('时间')
plt.ylabel('样\n本\n值\n', rotation=0, verticalalignment='bottom',
           horizontalalignment='left', labelpad=19, y=0.36)
plt.grid()
plt.title('PM2变量时间序列图')
plt.show()