python可视化篇之流式数据监控的实现

preface

流式数据的监控，以下主要是从算法的呈现出发，提供一种python的实现思路

其中：
1.python是2.X版本
2.提供两种实现思路，一是基于matplotlib的animation，一是基于matplotlib的ion

话不多说，先了解大概的效果，如下：

一、一点构思

在做此流数据输出可视化前，一直在捣鼓nupic框架，其内部HTM算法主要是一种智能的异常检测算法，是目前AI框架中垂直领域下的一股清流，但由于其实现的例子对应的流数据展示并非我想要的，故此借鉴后自己重新写了一个，主要是达到三个目的，一是展示真实数据的波动，二是展示各波动的异常得分，三是罗列异常的点。 

上述的输出结构并非重点，重点是其实时更新的机制，了解后即可自行定义。另，js对于这种流数据展示应该不难，所以本文主要立足的是算法的呈现角度以及python的实现。

二、matplotlib animation实现思路

http://matplotlib.org/api/animation_api.html 链接是matplotlib animation的官方api文档

（一）、骨架与实时更新

animation翻译过来就是动画，其动画展示核心主要有三个：1是动画的骨架先搭好，就是图像的边边框框这些，2是更新的过程，即传入实时数据时图形的变化方法，3是FuncAnimation方法结尾。

下面以一个小例子做进一步说明： 

1.对于动画的骨架：

# initial the figure.
x = []
y = []
fig = plt.figure(figsize=(18, 8), facecolor="white")
ax1 = fig.add_subplot(111)
p1, = ax1.plot(x, y, linestyle="dashed", color="red")

以上分别对应初始化空数据，初始化图形大小和背景颜色，插入子图（三个数字分别表示几行几列第几个位置），初始化图形（数据为空）。

import numpy as np
x = np.arange(0, 1000, 1)
y = np.random.normal(100, 10, 1000)

随机生成一些作图数据，下面定义update过程。

2.对于更新过程：

def update(i):
  x.append(xs[i])
  y.append(ys[i])
  ax1.set_xlim(min(x),max(x)+1)
  ax1.set_ylim(min(y),max(y)+1)
  p1.set_data(x,y)
  ax1.figure.canvas.draw()
  return p1

上述定义更新函数，参数i为每轮迭代从FuncAnimation方法frames参数传进来的数值，frames参数的指定下文会进一步说，x/y通过相应更新之后，对图形的x/y轴大小做相应的重设，再把数据通过set_data传进图形，注意ax1和p1的区别，最后再把上述的变化通过draw()方法绘制到界面上，返回p1给FuncAnimation方法。

3.对于FuncAnimation方法：

ani = FuncAnimation(fig=fig,func=update,frames=len(xs),interval=1)
plt.show()

FuncAnimation方法主要是与update函数做交互，将frames参数对应的数据逐条传进update函数，再由update函数返回的图形覆盖FuncAnimation原先的图形，fig参数即为一开始对应的参数，interval为每次更新的时间间隔，还有其他一些参数如blit=True控制图形精细，当界面较多子图时，为True可以使得看起来不会太卡，关键是frames参数，下面是官方给出的注释：

可为迭代数，可为函数，也可为空，上面我指定为数组的长度，其迭代则从0开始到最后该数值停止。

该例子最终呈现的效果如下：

了解大概的实现，细节就不在这里多说了。

（二）、animation的优缺点

animation的绘制的结果相比于下文的ion会更加的细腻，主要体现在FuncAnimation方法的一些参数的控制上。但是缺点也是明显，就是必须先有指定的数据或者指定的数据大小，显然这样对于预先无法知道数据的情况没法处理。所以换一种思路，在matplotlib ion打开的模式下，每次往模板插入数据都会进行相应的更新，具体看第二部分。

三、matplotlib ion实现思路

（一）、实时更新

matplotlib ion的实现也主要是三个核心，1是打开ion，2是实时更新机制，3是呈现在界面上。

1.对于打开ion：

ion全称是 interactive on（交互打开），其意为打开一个图形的交互接口，之后每次绘图都在之前打开的面板上操作，举个例子：

import matplotlib.pyplot as plt
plt.ion()
fig = plt.figure()
ax1 = fig.add_subplot(111)
line, = ax1.plot(t, v, linestyle="-", color="r")

打开交互接口，初始化图形。

2.对于实时更新机制：

import numpy as np
ys = np.random.normal(100, 10, 1000)

def p(a, b):
  t.append(a)
  v.append(b)
  ax1.set_xlim(min(t), max(t) + 1)
  ax1.set_ylim(min(v), max(v) + 1)
  line.set_data(t, v)
  plt.pause(0.001)
  ax1.figure.canvas.draw()

for i in xrange(len(ys)):
  p(i, ys[i])

随机生成一组数据，定义作图函数p（包含pause表示暂定时延，最好有，防止界面卡死），传入数据实时更新。

3.对于界面最终呈现

plt.ioff()
plt.show()

ioff是关闭交互模式，就像open打开文件产生的句柄，最好也有个close关掉。

最终效果如下：

（二）、ion的优缺点

animation可以在细节上控制比ion更加细腻，这也是ion没有的一点，但是单就无需预先指定数据这一点，ion也无疑是能把流数据做得更加好。

四、最后

贴一下两种方法在最开始那种图的做法，ion我定义成类，这样每次调用只需穿入参数就可以。

animation版本

# _*_ coding:utf-8 _*_

import os
import csv
import datetime
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.animation import FuncAnimation
from matplotlib.dates import DateFormatter
import matplotlib.ticker as ticker

# read the file
filePath = os.path.join(os.getcwd(), "data/anomalyDetect_output.csv")
file = open(filePath, "r")
allData = csv.reader(file)
# skip the first three columns
allData.next()
allData.next()
allData.next()
# cache the data
data = [line for line in allData]
# for i in data: print i

# take out the target value
timestamp = [line[0] for line in data]
value = [line[1:] for line in data]


# format the time style 2016-12-01 00:00:00
def timestampFormat(t):
  result = datetime.datetime.strptime(t, "%Y-%m-%d %H:%M:%S")
  return result


# take out the data
timestamp = map(timestampFormat, timestamp)
value_a = [float(x[0]) for x in value]
predict_a = [float(x[1]) for x in value]
anomalyScore_a = [float(x[2]) for x in value]

# initial the size of the figure
fig = plt.figure(figsize=(18, 8), facecolor="white")
fig.subplots_adjust(left=0.06, right=0.70)
ax1 = fig.add_subplot(2, 1, 1)
ax2 = fig.add_subplot(2, 1, 2)
ax3 = fig.add_axes([0.8, 0.1, 0.2, 0.8], frameon=False)

# initial plot
p1, = ax1.plot_date([], [], fmt="-", color="red", label="actual")
ax1.legend(loc="upper right", frameon=False)
ax1.grid(True)
p2, = ax2.plot_date([], [], fmt="-", color="red", label="anomaly score")
ax2.legend(loc="upper right", frameon=False)
ax2.axhline(0.8, color='black', lw=2)
# add the x/y label
ax2.set_xlabel("date time")
ax2.set_ylabel("anomaly score")
ax1.set_ylabel("value")
# add the table in ax3
col_labels = ["date time", 'actual value', 'predict value', 'anomaly score']
ax3.text(0.05, 0.99, "anomaly value table", size=12)
ax3.set_xticks([])
ax3.set_yticks([])

# axis format
dateFormat = DateFormatter("%m/%d %H:%M")
ax1.xaxis.set_major_formatter(ticker.FuncFormatter(dateFormat))
ax2.xaxis.set_major_formatter(ticker.FuncFormatter(dateFormat))


# define the initial function
def init():
  p1.set_data([], [])
  p2.set_data([], [])
  return p1, p2


# initial data for the update function
x1 = []
x2 = []
x1_2 = []
y1_2 = []
x1_3 = []
y1_3 = []
y1 = []
y2 = []
highlightList = []
turnOn = True
tableValue = [[0, 0, 0, 0]]


# update function
def stream(i):
  # update the main graph(contains actual value and predicted value)
  # add the data
  global turnOn, highlightList, ax3

  x1.append(timestamp[i])
  y1.append(value_a[i])
  # update the axis
  minAxis = max(x1) - datetime.timedelta(days=1)
  ax1.set_xlim(minAxis, max(x1))
  ax1.set_ylim(min(y1), max(y1))
  ax1.figure.canvas.draw()
  p1.set_data(x1, y1)

  # update the anomaly graph(contains anomaly score)
  x2.append(timestamp[i])
  y2.append(anomalyScore_a[i])
  ax2.set_xlim(minAxis, max(x2))
  ax2.set_ylim(min(y2), max(y2))

  # update the scatter
  if anomalyScore_a[i] >= 0.8:
    x1_3.append(timestamp[i])
    y1_3.append(value_a[i])
    ax1.scatter(x1_3, y1_3, s=50, color="black")

  # update the high light
  if anomalyScore_a[i] >= 0.8:
    highlightList.append(i)
    turnOn = True
  else:
    turnOn = False
  if len(highlightList) != 0 and turnOn is False:

    ax2.axvspan(timestamp[min(highlightList)] - datetime.timedelta(minutes=10),
          timestamp[max(highlightList)] + datetime.timedelta(minutes=10),
          color='r',
          edgecolor=None,
          alpha=0.2)
    highlightList = []
    turnOn = True
  p2.set_data(x2, y2)

  # add the table in ax3
  # update the anomaly tabel
  if anomalyScore_a[i] >= 0.8:
    ax3.remove()
    ax3 = fig.add_axes([0.8, 0.1, 0.2, 0.8], frameon=False)
    ax3.text(0.05, 0.99, "anomaly value table", size=12)
    ax3.set_xticks([])
    ax3.set_yticks([])
    tableValue.append([timestamp[i].strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S"), value_a[i], predict_a[i], anomalyScore_a[i]])
    if len(tableValue) >= 40: tableValue.pop(0)
    ax3.table(cellText=tableValue, colWidths=[0.35] * 4, colLabels=col_labels, loc=1, cellLoc="center")

  return p1, p2


# main animated function
anim = FuncAnimation(fig, stream, init_func=init, frames=len(timestamp), interval=0)

plt.show()
file.close()

ion版本

#! /usr/bin/python

import os
import csv
import datetime
import matplotlib.pyplot as plt
from matplotlib.animation import FuncAnimation
from matplotlib.dates import DateFormatter
import matplotlib.ticker as ticker


class streamDetectionPlot(object):
  """
  Anomaly plot output.
  """

  # initial the figure parameters.
  def __init__(self):
    # Turn matplotlib interactive mode on.
    plt.ion()
    # initial the plot variable.
    self.timestamp = []
    self.actualValue = []
    self.predictValue = []
    self.anomalyScore = []
    self.tableValue = [[0, 0, 0, 0]]
    self.highlightList = []
    self.highlightListTurnOn = True
    self.anomalyScoreRange = [0, 1]
    self.actualValueRange = [0, 1]
    self.predictValueRange = [0, 1]
    self.timestampRange = [0, 1]
    self.anomalyScatterX = []
    self.anomalyScatterY = []

    # initial the figure.
    global fig
    fig = plt.figure(figsize=(18, 8), facecolor="white")
    fig.subplots_adjust(left=0.06, right=0.70)
    self.actualPredictValueGraph = fig.add_subplot(2, 1, 1)
    self.anomalyScoreGraph = fig.add_subplot(2, 1, 2)
    self.anomalyValueTable = fig.add_axes([0.8, 0.1, 0.2, 0.8], frameon=False)

  # define the initial plot method.
  def initPlot(self):
    # initial two lines of the actualPredcitValueGraph.
    self.actualLine, = self.actualPredictValueGraph.plot_date(self.timestamp, self.actualValue, fmt="-",
                                 color="red", label="actual value")
    self.predictLine, = self.actualPredictValueGraph.plot_date(self.timestamp, self.predictValue, fmt="-",
                                  color="blue", label="predict value")
    self.actualPredictValueGraph.legend(loc="upper right", frameon=False)
    self.actualPredictValueGraph.grid(True)

    # initial two lines of the anomalyScoreGraph.
    self.anomalyScoreLine, = self.anomalyScoreGraph.plot_date(self.timestamp, self.anomalyScore, fmt="-",
                                 color="red", label="anomaly score")
    self.anomalyScoreGraph.legend(loc="upper right", frameon=False)
    self.baseline = self.anomalyScoreGraph.axhline(0.8, color='black', lw=2)

    # set the x/y label of the first two graph.
    self.anomalyScoreGraph.set_xlabel("datetime")
    self.anomalyScoreGraph.set_ylabel("anomaly score")
    self.actualPredictValueGraph.set_ylabel("value")

    # configure the anomaly value table.
    self.anomalyValueTableColumnsName = ["timestamp", "actual value", "expect value", "anomaly score"]
    self.anomalyValueTable.text(0.05, 0.99, "Anomaly Value Table", size=12)
    self.anomalyValueTable.set_xticks([])
    self.anomalyValueTable.set_yticks([])

    # axis format.
    self.dateFormat = DateFormatter("%m/%d %H:%M")
    self.actualPredictValueGraph.xaxis.set_major_formatter(ticker.FuncFormatter(self.dateFormat))
    self.anomalyScoreGraph.xaxis.set_major_formatter(ticker.FuncFormatter(self.dateFormat))


  # define the output method.
  def anomalyDetectionPlot(self, timestamp, actualValue, predictValue, anomalyScore):

    # update the plot value of the graph.
    self.timestamp.append(timestamp)
    self.actualValue.append(actualValue)
    self.predictValue.append(predictValue)
    self.anomalyScore.append(anomalyScore)

    # update the x/y range.
    self.timestampRange = [min(self.timestamp), max(self.timestamp)+datetime.timedelta(minutes=10)]
    self.actualValueRange = [min(self.actualValue), max(self.actualValue)+1]
    self.predictValueRange = [min(self.predictValue), max(self.predictValue)+1]

    # update the x/y axis limits
    self.actualPredictValueGraph.set_ylim(
      min(self.actualValueRange[0], self.predictValueRange[0]),
      max(self.actualValueRange[1], self.predictValueRange[1])
    )
    self.actualPredictValueGraph.set_xlim(
      self.timestampRange[1] - datetime.timedelta(days=1),
      self.timestampRange[1]
    )
    self.anomalyScoreGraph.set_xlim(
      self.timestampRange[1]- datetime.timedelta(days=1),
      self.timestampRange[1]
    )
    self.anomalyScoreGraph.set_ylim(
      self.anomalyScoreRange[0],
      self.anomalyScoreRange[1]
    )

    # update the two lines of the actualPredictValueGraph.
    self.actualLine.set_xdata(self.timestamp)
    self.actualLine.set_ydata(self.actualValue)
    self.predictLine.set_xdata(self.timestamp)
    self.predictLine.set_ydata(self.predictValue)

    # update the line of the anomalyScoreGraph.
    self.anomalyScoreLine.set_xdata(self.timestamp)
    self.anomalyScoreLine.set_ydata(self.anomalyScore)

    # update the scatter.
    if anomalyScore >= 0.8:
      self.anomalyScatterX.append(timestamp)
      self.anomalyScatterY.append(actualValue)
      self.actualPredictValueGraph.scatter(
        self.anomalyScatterX,
        self.anomalyScatterY,
        s=50,
        color="black"
      )

    # update the highlight of the anomalyScoreGraph.
    if anomalyScore >= 0.8:
      self.highlightList.append(timestamp)
      self.highlightListTurnOn = True
    else:
      self.highlightListTurnOn = False
    if len(self.highlightList) != 0 and self.highlightListTurnOn is False:
      self.anomalyScoreGraph.axvspan(
        self.highlightList[0] - datetime.timedelta(minutes=10),
        self.highlightList[-1] + datetime.timedelta(minutes=10),
        color="r",
        edgecolor=None,
        alpha=0.2
      )
      self.highlightList = []
      self.highlightListTurnOn = True

    # update the anomaly value table.
    if anomalyScore >= 0.8:
      # remove the table and then replot it
      self.anomalyValueTable.remove()
      self.anomalyValueTable = fig.add_axes([0.8, 0.1, 0.2, 0.8], frameon=False)
      self.anomalyValueTableColumnsName = ["timestamp", "actual value", "expect value", "anomaly score"]
      self.anomalyValueTable.text(0.05, 0.99, "Anomaly Value Table", size=12)
      self.anomalyValueTable.set_xticks([])
      self.anomalyValueTable.set_yticks([])
      self.tableValue.append([
        timestamp.strftime("%Y-%m-%d %H:%M:%S"),
        actualValue,
        predictValue,
        anomalyScore
      ])
      if len(self.tableValue) >= 40: self.tableValue.pop(0)
      self.anomalyValueTable.table(cellText=self.tableValue,
                     colWidths=[0.35] * 4,
                     colLabels=self.anomalyValueTableColumnsName,
                     loc=1,
                     cellLoc="center"
                     )

    # plot pause 0.0001 second and then plot the next one.
    plt.pause(0.0001)
    plt.draw()

  def close(self):
    plt.ioff()
    plt.show()

下面是ion版本的调用：

graph = stream_detection_plot.streamDetectionPlot()
graph.initPlot()

for i in xrange(len(timestamp)):
  graph.anomalyDetectionPlot(timestamp[i],value_a[i],predict_a[i],anomalyScore_a[i])

graph.close()

具体为实例化类，初始化图形，传入数据作图，关掉。

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