数据分析-家用热水器用户行为分析与事件识别

import pandas as pd
import numpy as np
data = pd.read_excel('D:/人工智能&软件工程/数据挖掘与分析/data/original_data.xls')
data[u'发生时间'] = pd.to_datetime(data[u'发生时间'], format='%Y%m%d%H%M%S')  # 将该特征转成日期时间格式（***）
data = data[data[u'水流量'] > 0]  # 只要流量大于0的记录
# print len(data) #7679

data[u'用水停顿时间间隔'] = data[u'发生时间'].diff() / np.timedelta64(1, 'm')  # 将datetime64[ns]转成 以分钟为单位（*****）
data = data.fillna(0)  # 替换掉data[u'用水停顿时间间隔']的第一个空值
print(data.head())
data_explore = data.describe().T
data_explore['null'] = len(data)-data_explore['count']
explore = data_explore[['min','max','null']]
explore.columns = [u'最小值',u'最大值',u'空值数']
print(explore)

      热水器编号                发生时间 开关机状态 加热中 保温中 有无水流  实际温度 热水量  水流量 节能模式  \
2    R_00001 2014-10-19 07:01:56     关   关   关    无  30°C  0%    8    关   
56   R_00001 2014-10-19 07:38:16     关   关   关    无  30°C  0%    8    关   
381  R_00001 2014-10-19 09:46:38     关   关   关    无  29°C  0%   16    关   
382  R_00001 2014-10-19 09:46:40     关   关   关    无  29°C  0%   13    关   
384  R_00001 2014-10-19 09:47:15     关   关   关    有  29°C  0%   20    关   

    加热剩余时间 当前设置温度    用水停顿时间间隔  
2      0分钟   50°C    0.000000  
56     0分钟   50°C   36.333333  
381    0分钟   50°C  128.366667  
382    0分钟   50°C    0.033333  
384    0分钟   50°C    0.583333  
          最小值          最大值  空值数
水流量       8.0    77.000000  0.0
用水停顿时间间隔  0.0  2093.366667  0.0

import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
inputfile = 'D:/人工智能&软件工程/数据挖掘与分析/data/original_data.xls'  # 输入的数据文件
data = pd.read_excel(inputfile)  # 读取数据

# 查看有无水流的分布
# 数据提取
lv_non = pd.value_counts(data['有无水流'])['无']
lv_move = pd.value_counts(data['有无水流'])['有']
# 绘制条形图
fig = plt.figure(figsize=(6 ,5))  # 设置画布大小
plt.rcParams['font.sans-serif'] = 'SimHei'  # 设置中文显示
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False
plt.bar(x=['无','有'], height=[lv_non,lv_move], width=0.4, alpha=0.8,
      color='skyblue')
plt.xticks([index for index in range(2)], ['无','有'])
plt.xlabel('水流状态')
plt.ylabel('记录数')
plt.title('不同水流状态记录数学号：3041')
plt.show()
plt.close()
# 查看水流量分布
water = data['水流量']
# 绘制水流量分布箱型图
fig = plt.figure(figsize=(5 ,8))
plt.boxplot(water,
            patch_artist=True,
            labels = ['水流量'],  # 设置x轴标题
            boxprops = {'facecolor':'lightblue'})  # 设置填充颜色
plt.title('水流量分布箱线图学号：3041')
# 显示y坐标轴的底线
plt.grid(axis='y')
plt.show()

import pandas as pd
import numpy as np
data = pd.read_excel('D:/人工智能&软件工程/数据挖掘与分析/data/original_data.xls')
print('初始状态的数据形状为：', data.shape)
# 删除热水器编号、有无水流、节能模式属性
data.drop(labels=["热水器编号","有无水流","节能模式"],axis=1,inplace=True) 
print('删除冗余属性后的数据形状为：', data.shape)
data.to_csv('D:/人工智能&软件工程/数据挖掘与分析/tmp/water_heart学号：3041.csv',index=False)

初始状态的数据形状为： (18840, 12)
删除冗余属性后的数据形状为： (18840, 9)

import pandas as pd
import numpy as np
# 读取数据
data = pd.read_csv('D:/人工智能&软件工程/数据挖掘与分析/tmp/water_heart学号：3041.csv')
# 划分用水事件
threshold = pd.Timedelta('4 min')  # 阈值为4分钟
data['发生时间'] = pd.to_datetime(data['发生时间'], format = '%Y%m%d%H%M%S')  # 转换时间格式
data = data[data['水流量'] > 0]  # 只要流量大于0的记录
sjKs = data['发生时间'].diff() > threshold  # 相邻时间向前差分，比较是否大于阈值
sjKs.iloc[0] = True  # 令第一个时间为第一个用水事件的开始事件
sjJs = sjKs.iloc[1:]  # 向后差分的结果
sjJs = pd.concat([sjJs,pd.Series(True)])  # 令最后一个时间作为最后一个用水事件的结束时间
# 创建数据框，并定义用水事件序列
sj = pd.DataFrame(np.arange(1,sum(sjKs)+1),columns = ["事件序号"])
sj["事件起始编号"] = data.index[sjKs == 1]+1  # 定义用水事件的起始编号
sj["事件终止编号"] = data.index[sjJs == 1]+1  # 定义用水事件的终止编号
print('当阈值为4分钟的时候事件数目为：',sj.shape[0])
sj.to_csv('D:/人工智能&软件工程/数据挖掘与分析/tmp/sj学号：3041.csv',index = False)

当阈值为4分钟的时候事件数目为： 172

n = 4  # 使用以后四个点的平均斜率
threshold = pd.Timedelta(minutes=5)  # 专家阈值
data['发生时间'] = pd.to_datetime(data['发生时间'], format='%Y%m%d%H%M%S')
data = data[data['水流量'] > 0]  # 只要流量大于0的记录
# 自定义函数：输入划分时间的时间阈值，得到划分的事件数
def event_num(ts):
    d = data['发生时间'].diff() > ts  # 相邻时间作差分，比较是否大于阈值
    return d.sum() + 1  # 这样直接返回事件数
dt = [pd.Timedelta(minutes=i) for i in np.arange(1, 9, 0.25)]
h = pd.DataFrame(dt, columns=['阈值'])  # 转换数据框，定义阈值列
h['事件数'] = h['阈值'].apply(event_num)  # 计算每个阈值对应的事件数
h['斜率'] = h['事件数'].diff()/0.25  # 计算每两个相邻点对应的斜率
h['斜率指标']= h['斜率'].abs().rolling(4).mean()  # 往前取n个斜率绝对值平均作为斜率指标
ts = h['阈值'][h['斜率指标'].idxmin() - n]
# 用idxmin返回最小值的Index，由于rolling_mean()计算的是前n个斜率的绝对值平均
# 所以结果要进行平移（-n）
if ts > threshold:
    ts = pd.Timedelta(minutes=4)
print('计算出的单次用水时长的阈值为：',ts)

计算出的单次用水时长的阈值为： 0 days 00:04:00

import pandas as pd
import numpy as np
data = pd.read_csv ('D:/人工智能&软件工程/数据挖掘与分析/tmp/water_heart学号：3041.csv')  # 读取热水器使用数据记录
sj = pd.read_csv('D:/人工智能&软件工程/数据挖掘与分析/tmp/sj学号：3041.csv')  # 读取用水事件记录
# 转换时间格式
data["发生时间"] = pd.to_datetime(data["发生时间"],format="%Y%m%d%H%M%S")


# 构造属性：总用水时长
timeDel = pd.Timedelta("1 sec")
sj["事件开始时间"] = data.iloc[sj["事件起始编号"]-1,0].values- timeDel
sj["事件结束时间"] = data.iloc[sj["事件终止编号"]-1,0].values + timeDel
sj['洗浴时间点'] = [i.hour for i in sj["事件开始时间"]]
sj["总用水时长"] = np.int64(sj["事件结束时间"] - sj["事件开始时间"])/1000000000 + 1


# 构造用水停顿事件
# 构造属性“停顿开始时间”、“停顿结束时间”
# 停顿开始时间指从有水流到无水流，停顿结束时间指从无水流到有水流
for i in range(len(data)-1):
    if (data.loc[i,"水流量"] != 0) & (data.loc[i + 1,"水流量"] == 0) :
        data.loc[i + 1,"停顿开始时间"] = data.loc[i +1, "发生时间"] - timeDel
    if (data.loc[i,"水流量"] == 0) & (data.loc[i + 1,"水流量"] != 0) :
        data.loc[i,"停顿结束时间"] = data.loc[i , "发生时间"] + timeDel
        
# 提取停顿开始时间与结束时间所对应行号，放在数据框Stop中
indStopStart = data.index[data["停顿开始时间"].notnull()]+1
indStopEnd = data.index[data["停顿结束时间"].notnull()]+1
Stop = pd.DataFrame(data={"停顿开始编号":indStopStart[:-1],
                            "停顿结束编号":indStopEnd[1:]}) 
# 计算停顿时长，并放在数据框stop中，停顿时长=停顿结束时间-停顿结束时间
Stop["停顿时长"] = np.int64(data.loc[indStopEnd[1:]-1,"停顿结束时间"].values-
                     data.loc[indStopStart[:-1]-1,"停顿开始时间"].values)/1000000000
# 将每次停顿与事件匹配,停顿的开始时间要大于事件的开始时间，
# 且停顿的结束时间要小于事件的结束时间
for i in range(len(sj)):
    Stop.loc[(Stop["停顿开始编号"] > sj.loc[i,"事件起始编号"]) & 
           (Stop["停顿结束编号"] < sj.loc[i,"事件终止编号"]),"停顿归属事件"]=i+1
             
# 删除停顿次数为0的事件
Stop = Stop[Stop["停顿归属事件"].notnull()]


# 构造属性 用水事件停顿总时长、停顿次数、停顿平均时长、
# 用水时长，用水/总时长
stopAgg =  Stop.groupby("停顿归属事件").agg({"停顿时长":sum,"停顿开始编号":len})
sj.loc[stopAgg.index - 1,"总停顿时长"] = stopAgg.loc[:,"停顿时长"].values
sj.loc[stopAgg.index-1,"停顿次数"] = stopAgg.loc[:,"停顿开始编号"].values
sj.fillna(0,inplace=True)  # 对缺失值用0插补
stopNo0 = sj["停顿次数"] != 0  # 判断用水事件是否存在停顿
sj.loc[stopNo0,"平均停顿时长"] = sj.loc[stopNo0,"总停顿时长"]/sj.loc[stopNo0,"停顿次数"] 
sj.fillna(0,inplace=True)  # 对缺失值用0插补
sj["用水时长"] = sj["总用水时长"] - sj["总停顿时长"]  # 定义属性用水时长
sj["用水/总时长"] = sj["用水时长"] / sj["总用水时长"]  # 定义属性 用水/总时长
print('用水事件用水时长与频率属性构造完成后数据的属性为：\n',sj.columns)
print('用水事件用水时长与频率属性构造完成后数据的前5行5列属性为：\n',
      sj.iloc[:5,:5])

用水事件用水时长与频率属性构造完成后数据的属性为：
 Index(['事件序号', '事件起始编号', '事件终止编号', '事件开始时间', '事件结束时间', '洗浴时间点', '总用水时长',
       '总停顿时长', '停顿次数', '平均停顿时长', '用水时长', '用水/总时长'],
      dtype='object')
用水事件用水时长与频率属性构造完成后数据的前5行5列属性为：
    事件序号  事件起始编号  事件终止编号              事件开始时间              事件结束时间
0     1       3       3 2014-10-19 07:01:55 2014-10-19 07:01:57
1     2      57      57 2014-10-19 07:38:15 2014-10-19 07:38:17
2     3     382     385 2014-10-19 09:46:37 2014-10-19 09:47:16
3     4     405     405 2014-10-19 11:50:16 2014-10-19 11:50:18
4     5     408     408 2014-10-19 13:56:20 2014-10-19 13:56:22

data["水流量"] = data["水流量"] / 60 # 原单位L/min，现转换为L/sec
sj["总用水量"] = 0 # 给总用水量赋一个初始值0
for i in range(len(sj)):
    Start = sj.loc[i,"事件起始编号"]-1
    End = sj.loc[i,"事件终止编号"]-1
    if Start != End:
        for j in range(Start,End):
            if data.loc[j,"水流量"] != 0:
                sj.loc[i,"总用水量"] = (data.loc[j + 1,"发生时间"] - 
                                    data.loc[j,"发生时间"]).seconds* \
                                    data.loc[j,"水流量"] + sj.loc[i,"总用水量"]
        sj.loc[i,"总用水量"] = sj.loc[i,"总用水量"] + data.loc[End,"水流量"] * 2
    else:
        sj.loc[i,"总用水量"] = data.loc[Start,"水流量"] * 2
        
sj["平均水流量"] = sj["总用水量"] / sj["用水时长"] # 定义属性 平均水流量
# 构造属性：水流量波动
# 水流量波动=∑(((单次水流的值-平均水流量)^2)*持续时间)/用水时长
sj["水流量波动"] = 0 # 给水流量波动赋一个初始值0
for i in range(len(sj)):
    Start = sj.loc[i,"事件起始编号"] - 1
    End = sj.loc[i,"事件终止编号"] - 1
    for j in range(Start,End + 1):
        if data.loc[j,"水流量"] != 0:
            slbd = (data.loc[j,"水流量"] - sj.loc[i,"平均水流量"])**2
            slsj = (data.loc[j + 1,"发生时间"] - data.loc[j,"发生时间"]).seconds
            sj.loc[i,"水流量波动"] = slbd * slsj + sj.loc[i,"水流量波动"]
    sj.loc[i,"水流量波动"] = sj.loc[i,"水流量波动"] / sj.loc[i,"用水时长"]   


# 构造属性：停顿时长波动
# 停顿时长波动=∑(((单次停顿时长-平均停顿时长)^2)*持续时间)/总停顿时长
sj["停顿时长波动"] = 0 # 给停顿时长波动赋一个初始值0
for i in range(len(sj)):
    if sj.loc[i,"停顿次数"] > 1: # 当停顿次数为0或1时，停顿时长波动值为0，故排除
        for j in Stop.loc[Stop["停顿归属事件"] == (i+1),"停顿时长"].values:
            sj.loc[i,"停顿时长波动"] = ((j - sj.loc[i,"平均停顿时长"])**2) * j + \
                                     sj.loc[i,"停顿时长波动"]
        sj.loc[i,"停顿时长波动"] = sj.loc[i,"停顿时长波动"] / sj.loc[i,"总停顿时长"]


print('用水量和波动属性构造完成后数据的属性为：\n',sj.columns)
print('用水量和波动属性构造完成后数据的前5行5列属性为：\n',sj.iloc[:5,:5])

用水量和波动属性构造完成后数据的属性为：
 Index(['事件序号', '事件起始编号', '事件终止编号', '事件开始时间', '事件结束时间', '洗浴时间点', '总用水时长',
       '总停顿时长', '停顿次数', '平均停顿时长', '用水时长', '用水/总时长', '总用水量', '平均水流量', '水流量波动',
       '停顿时长波动'],
      dtype='object')
用水量和波动属性构造完成后数据的前5行5列属性为：
    事件序号  事件起始编号  事件终止编号              事件开始时间              事件结束时间
0     1       3       3 2014-10-19 07:01:55 2014-10-19 07:01:57
1     2      57      57 2014-10-19 07:38:15 2014-10-19 07:38:17
2     3     382     385 2014-10-19 09:46:37 2014-10-19 09:47:16
3     4     405     405 2014-10-19 11:50:16 2014-10-19 11:50:18
4     5     408     408 2014-10-19 13:56:20 2014-10-19 13:56:22

sj_bool = (sj['用水时长'] >100) & (sj['总用水时长'] > 120) & (sj['总用水量'] > 5)
sj_final = sj.loc[sj_bool,:]
sj_final.to_excel('D:/人工智能&软件工程/数据挖掘与分析/tmp/sj_final学号：3041.xlsx',index=False)
print('筛选出候选洗浴事件前的数据形状为：',sj.shape)
print('筛选出候选洗浴事件后的数据形状为：',sj_final.shape)

筛选出候选洗浴事件前的数据形状为： (172, 16)
筛选出候选洗浴事件后的数据形状为： (75, 16)

import numpy as np
import pandas as pd
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.neural_network import MLPClassifier
import joblib
## 读取数据
Xtrain = pd.read_excel('D:/人工智能&软件工程/数据挖掘与分析/tmp/sj_final.xlsx')
ytrain = pd.read_excel('D:/人工智能&软件工程/数据挖掘与分析/data/water_heater_log.xlsx')
test = pd.read_excel('D:/人工智能&软件工程/数据挖掘与分析/data/test_data.xlsx')
## 训练集测试集区分。
x_train, x_test, y_train, y_test = \
Xtrain.iloc[:,5:],test.iloc[:,4:-1],\
ytrain.iloc[:,-1],test.iloc[:,-1]
## 标准化
stdScaler = StandardScaler().fit(x_train)
x_stdtrain = stdScaler.transform(x_train)
x_stdtest = stdScaler.transform(x_test)
## 建立模型
bpnn = MLPClassifier(hidden_layer_sizes = (17,10), 
    max_iter = 200, solver = 'lbfgs',random_state=45)
bpnn.fit(x_stdtrain, y_train)
## 保存模型
joblib.dump(bpnn,'water_heater_nnet.m')
print('构建的模型为：\n',bpnn)

构建的模型为：
 MLPClassifier(hidden_layer_sizes=(17, 10), random_state=45, solver='lbfgs')
神经网络预测结果评价报告：
               precision    recall  f1-score   support

           0       0.39      0.92      0.55        12
           1       0.95      0.54      0.69        37

    accuracy                           0.63        49
   macro avg       0.67      0.73      0.62        49
weighted avg       0.82      0.63      0.66        49

from sklearn.metrics import classification_report
from sklearn.metrics import roc_curve
from sklearn.metrics import accuracy_score
import matplotlib.pyplot as plt
bpnn = joblib.load('water_heater_nnet.m') ## 加载模型
y_pred = bpnn.predict(x_stdtest) # 返回预测结果
print('神经网络预测结果评价报告：\n',
    classification_report(y_test,y_pred))
## 绘制roc曲线图
plt.rcParams['font.sans-serif'] = 'SimHei' ##显示中文
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False ##显示负号
fpr, tpr, thresholds = roc_curve(y_pred,y_test) ## 求出TPR和FPR
plt.figure(figsize=(6,4))## 创建画布
plt.plot(fpr,tpr)## 绘制曲线
plt.title('用户用水事件识别ROC曲线学号：3041')##标题
plt.xlabel('FPR')## x轴标签
plt.ylabel('TPR')## y轴标签
plt.savefig('用户用水事件识别ROC曲线学号：3041.png')## 保存图片
plt.show()## 显示图形