使用RAPID cuDF处理时间序列数据的常见步骤

这篇文章是 加速数据分析系列文章的一部分:

加速数据分析：使用 RAPID cuDF 加速数据探索讨论了 pandas 库如何在 Python 中提供高效、富有表现力的函数。

本文将带您了解使用 RAPID cuDF 处理时间序列数据的常见步骤

由于标准探索性数据分析（ EDA ）工作流程通常局限于单个核心，因此它得益于 RAPIDS cuDF 的加速计算，这是一个具有 pandas 类接口的加速数据分析库。众所周知，时间序列数据需要额外的数据处理，这会增加工作流程的时间和复杂性，使其成为利用 RAPIDS 的另一个很好的用例。

使用 RAPIDS cuDF ，您可以加快对不太大也不太小的“金发姑娘”数据集的时间序列处理。这些数据集在 pandas 上很繁重，但不需要像 Apache Spark 或 Dask 这样的完全分布式计算工具。

什么是时间序列数据？

本节介绍了依赖时间序列数据的 机器学习（ ML ）用例，以及何时考虑加速数据处理。

时间序列数据无处不在。时间戳在许多类型的数据源中都是一个变量，从天气测量和资产定价到产品购买信息等等。

时间戳具有所有级别的粒度，例如毫秒读数或月读数。当时间戳数据最终被用于复杂建模时，它就变成了时间序列数据，对其他变量进行索引，使模式变得可观察。

以下流行的 ML 用例在很大程度上依赖于时间序列数据，还有更多的依赖：

金融服务业欺诈异常检测

零售业的预测分析

用于天气预报的传感器读数

内容建议推荐系统

复杂的建模用例通常需要处理具有高分辨率历史数据的大型数据集，这些数据可能跨越数年至数十年，还需要处理实时流数据。时间序列数据需要经过转换，例如向上和向下重新采样数据，以使数据集之间的时间段一致，并被平滑到滚动窗口中，以消除模式噪声。

pandas 提供了简单、富有表现力的功能来管理这些操作，但您可能在自己的工作中观察到，单线程设计很快就会被所需的处理量所淹没。这尤其适用于需要快速数据处理周转的大型数据集或用例，而时间序列分析用例通常会这样做。 pandas 处理数据的后续等待时间可能会令人沮丧，并可能导致见解延迟。

因此，这些场景使 cuDF 非常适合时间序列数据分析。使用类似 pandas 的 API ，您可以以高达 40 倍的速度处理数十 GB 的数据，从而节省任何数据项目中最有价值的资产：您的时间。

RAPIDS cuDF 的时间序列

为了展示 RAPIDS cuDF 加速探索数据的好处，以及它是如何被轻易采用的，本文介绍了 Time Series Data Analysis 中的一个子集时间序列处理操作。这是一个强大的笔记本分析，对 RAPIDS GitHub 存储库中公开的真实天气读数数据集进行了分析。

在完整的分析中， RAPIDS cuDF 以 13 倍的加速执行（有关确切数字，请参阅本文后面的基准测试部分）。加速通常会随着整个工作流程变得更加复杂而增加。

从现实世界中推断，这种收益具有真正的影响。当一个小时的工作量可以在 5 分钟内完成时，你就可以有意义地为一天增加时间。

数据集

Meteonet 是一个现实的天气数据集，它汇集了 2016-2018 年巴黎各地气象站的读数，包括缺失和无效的数据。它的大小约为 12.5 GB 。

分析方法

对于这篇文章，假设你是一名数据科学家，第一次收到这些汇总数据，必须为气象用例做好准备。具体的用例是开放式的：它可以是气候模型中的预测、报告或输入。

当你回顾这篇文章时，大多数功能应该都很熟悉，因为它们的设计类似于 pandas 中的操作。此分析旨在执行以下任务：

格式化数据帧。

重新对时间序列进行采样。

运行滚动窗口分析。

这篇文章忽略了笔记本 Time Series Data Analysis Using cuDF . 中演示的端到端工作流程中解决的几个数据不一致

步骤 1. 格式化数据帧

首先，使用以下命令导入此分析中使用的包：

# Import the necessary packages
import cudf
import cupy as cp
import pandas as pd

接下来，读取 CSV 数据。

## Read in data
gdf = cudf.read_csv('./SE_data.csv')

首先关注感兴趣的气象参数：风速、温度和湿度。

gdf = gdf.drop(columns=['dd','precip','td','psl'])

隔离感兴趣的参数后，执行一系列快速检查。通过将日期列转换为日期时间数据类型来启动第一次转换。然后，打印出前五行，以可视化您正在处理的内容，并评估表格数据集的大小。

# Change the date column to the datetime data type. Look at the DataFrame info
gdf['date'] = cudf.to_datetime(gdf['date'])
gdf.head()
Gdf.shape

	number_sta	lat	lon	height_sta	date	ff	hu	t
0	1027003	45.83	5.11	196.0	2016-01-01		98.0	279.05
1	1033002	46.09	5.81	350.0	2016-01-01	0.0	99.0	278.35
2	1034004	45.77	5.69	330.0	2016-01-01	0.0	100.0	279.15
3	1072001	46.20	5.29	260.0	2016-01-01			276.55
4	1089001	45.98	5.33	252.0	2016-01-01	0.0	95.0	279.55

表 1 。显示数据集前五行的输出结果

输出

DataFrame 形状（ 127515796 ， 8 ）显示 12751579 六行乘八列。现在已经知道了数据集的大小和形状，您可以开始更深入地研究数据采样的频率。

## Investigate the sampling frequency with the diff() function to calculate the time diff
## dt.seconds, which is used to find the seconds value in the datetime frame. Then apply the 
## max() function to calculate the maximum date value of the series.
delta_mins = gdf['date'].diff().dt.seconds.max()/60
print(f"The dataset collection covers from {gdf['date'].min()} to {gdf['date'].max()} with {delta_mins} minute sampling interval")

数据集涵盖了从2016-01-01T00:00:00.000000000到2018-12-31T23:54:00.000000000的传感器读数，采样间隔为 6 分钟。确认数据集中表示了预期的日期和时间。

在完成对数据集的基本审查后，开始使用特定于时间序列的格式。首先将时间增量分隔成单独的列。

gdf['year'] = gdf['date'].dt.year
gdf['month'] = gdf['date'].dt.month
gdf['day'] = gdf['date'].dt.day
gdf['hour'] = gdf['date'].dt.hour
gdf['mins'] = gdf['date'].dt.minute
gdf.tail

现在，数据在年末被分为年、月和日的列。这使得以不同的增量对数据进行切片要简单得多。

	number_sta	lat	lon	height_sta	date	ff	hu	t	year	month	day	hour	mins
127515791	84086001	43.811	5.146	672.0	2018-12-31 23:54:00	3.7	85.0	276.95	2018	12	31	23	54
127515792	84087001	44.145	4.861	55.0	2018-12-31 23:54:00	11.4	80.0	281.05	2018	12	31	23	54
127515793	84094001	44.289	5.131	392.0	2018-12-31 23:54:00	3.6	68.0	280.05	2018	12	31	23	54
127515794	84107002	44.041	5.493	836.0	2018-12-31 23:54:00	0.6	91.0	270.85	2018	12	31	23	54
127515795	84150001	44.337	4.905	141.0	2018-12-31 23:54:00	6.7	84.0	280.45	2018	12	31	23	54

表 2 。以时间增量分隔为列的输出结果

通过选择要分析的特定时间范围和电台，对更新后的 DataFrame 进行实验。

# Use the cupy.logical_and(...) function to select the data from a specific time range.
import pandas as pd
start_time = pd.Timestamp('2017-02-01T00')
end_time = pd.Timestamp('2018-11-01T00')
station_id = 84086001
gdf_period = gdf.loc[cp.logical_and(cp.logical_and(gdf['date']>start_time,gdf['date']

DataFrame 已成功准备，包含 13 个变量和 146039 行。

步骤 2. 对时间序列重新采样

现在已经设置了 DataFrame ，运行一个简单的重新采样操作。尽管数据每 6 分钟更新一次，但在这种情况下，必须对数据进行整形，使其进入日常节奏。

首先将日期设置为索引，以便其余变量随时间调整。每 6 分钟对样本中的数据进行一次下采样，每天一个记录，每天为每个变量生成一个记录。保留每天每个变量的最大值作为当天的记录。

## Set "date" as the index. See what that does?
gdf_period.set_index("date", inplace=True)
## Now, resample by daylong intervals and check the max data during the resampled period. 
## Use .reset_index() to reset the index instead of date.
gdf_day_max = gdf_period.resample('D').max().bfill().reset_index()
gdf_day_max.head()

数据现在以每日增量提供。请参阅该表以检查操作是否产生了所需的结果。

	date	number_sta	lat	lon	height_sta	ff	hu	t	year	month	day	hour	mins
0	2017-02-01	84086001	43.81	5.15	672.0	8.1	98.0	283.05	2017	2	1	23	54
1	2017-02-02	84086001	43.81	5.15	672.0	14.1	98.0	283.85	2017	2	2	23	54
2	2017-02-03	84086001	43.81	5.15	672.0	10.1	99.0	281.45	2017	2	3	23	54
3	2017-02-04	84086001	43.81	5.15	672.0	12.5	99.0	284.35	2017	2	4	23	54
4	2017-02-05	84086001	43.81	5.15	672.0	7.3	99.0	280.75	2017	2	5	23	54

表 3 。下采样数据集的前五行的输出

步骤 3. 运行滚动窗口分析

在上一个重新采样示例中，点是基于时间进行采样的。但是，也可以使用滚动窗口根据频率平滑数据。

在下面的示例中，在数据上取一个长度为三的滚动窗口。再次，保留每个变量的最大值。

# Specify the rolling window.
gdf_3d_max = gdf_day_max.rolling('3d',min_periods=1).max()
gdf_3d_max.reset_index(inplace=True)
gdf_3d_max.head()

滚动窗口可用于对数据进行去噪，并评估数据随时间的稳定性。

	date	number_sta	lat	lon	height_sta	ff	hu	t	year	month	day	hour	mins
0	2017-02-01	84086001	43.81	5.15	672.0	8.1	98.0	283.05	2017	2	1	23	54
1	2017-02-02	84086001	43.81	5.15	672.0	14.1	98.0	283.85	2017	2	2	23	54
2	2017-02-03	84086001	43.81	5.15	672.0	14.1	99.0	283.85	2017	2	3	23	54
3	2017-02-04	84086001	43.81	5.15	672.0	14.1	99.0	283.35	2017	2	4	23	54
4	2017-02-05	84086001	43.81	5.15	672.0	12.5	99.0	283.35	2017	2	5	23	54

[体积x117]

这篇文章向您介绍了时间序列数据处理的常见步骤。虽然以天气数据集为例，但这些步骤适用于所有形式的时间序列数据。该过程与您现在的时间序列分析代码类似。

性能加速

当使用 Meteonet 天气数据集运行完整的笔记本电脑时，我们使用 RAPIDS 23.02 在 NVIDIA RTX A6000 GPU 上实现了 13 倍的加速（图 1 ）。

[体积x118]

Pandas on CPU (Intel Core i7-7800X CPU)	User: 2 min 32 sec Sys: 27.3 sec Total: 3 min
RAPIDS cuDF on NVIDIA A6000 GPUs	User: 5.33 sec Sys: 8.67 sec Total: 14 sec

表 5 。性能比较显示完整笔记本电脑的 12.8 倍加速效果

主要收获

时间序列分析是分析的核心部分，与其他变量相比，它需要额外的处理。使用 RAPIDS cuDF ，您可以更快地管理处理步骤，并使用您习惯的 pandas 功能缩短洞察时间。