【数据挖掘实战】——应用系统负载分析与容量预测(ARIMA模型)(数据 挖掘)

【数据挖掘实战】——应用系统负载分析与容量预测(ARIMA模型)

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项目地址：Datamining_project: 数据挖掘实战项目代码

目录

一、背景和挖掘目标

 1、问题背景

2、传统方法的不足

2、原始数据

3、挖掘目标 

二、分析方法与过程

1、初步分析

2、总体流程

第一步：数据抽取

第二步：探索分析

第三步：数据的预处理

3、构造容量预测模型

三、总结和思考

一、背景和挖掘目标 1、问题背景应用系统是由服务器、数据库、中间件、存储设备等组成。它在日常运行时，会对底层软硬件造成负荷。其中任何一种资源负载过大，都可能会引起应用系统性能下降甚至瘫痪。及时了解当前应用系统的负载情况，以便提前预防，确保系统安全稳定运行。应用系统的负载率：通过对一段时间内软硬件性能的运行状况进行综合评分而获得。负载率趋势：通过系统的当前负载率与历史平均负载率进行比较。应用系统的负载高或者负载趋势大的现象，代表系统目前处于高危工作环境中。如果系统管理员不及时进行相应的处理，系统很容易出现故障。本例重点分析磁盘容量，如果应用系统出现存储容量耗尽的情况，会导致应用系统负载率过高，最终引发故障。2、传统方法的不足系统负载分析的传统方法：通过监控采集到的性能数据以及所发出的告警事件，人为进行判断系统的负载情况。此方法虽然能够判断系统故障以及磁盘的容量情况，但是存在一些缺陷和不足：磁盘容量的情况没有提供预测的功能。只有当容量将要被耗尽时，会有告警提示。如果是告警服务器的磁盘容量被耗尽，此种情况下，系统即使出现故障，也不会有告警提示。不能提前知道系统负载的程度，只有当系统故障时，通过接受告警才得知。并且当系统真正故障的时，告警的发出大多数情况下会有一定的延迟。2、原始数据性能属性说明：针对采集的性能信息，对每个属性进行相应说明。

磁盘数据：包含应用系统、磁盘基本信息等。

3、挖掘目标 针对历史磁盘数据，采用数据挖掘的方法，预测应用系统服务器磁盘已使用空间大小；根据用户需求设置不同的预警等级，将预测值与容量值进行比较，对其结果进行预警判断，为系统管理员提供定制化的预警提示；二、分析方法与过程1、初步分析应用系统出现故障通常不是突然瘫痪造成的（除非对服务器直接断电），而是一个渐变的过程。例如系统长时间运行，数据会持续写入存储，存储空间逐渐变少，最终磁盘被写满而导致系统故障。在不考虑人为因素的影响时，存储空间随时间变化存在很强的关联性，且历史数据对未来的发展存在一定的影响，故可采用时间序列分析法对磁盘已使用空间进行预测分析。2、总体流程

第一步：数据抽取

磁盘使用情况的数据都存放在性能数据中，而监控采集的性能数据中存在大量的其他属性数据。故以属性的标识号(TARGET_ID)与采集指标的时间(COLLECTTIME)为条件，对性能数据进行抽取。

抽取10-01至11-16财务管理系统中某一台数据库服务器的磁盘的相关数据。第二步：探索分析

对数据进行周期性分析，探索数据的平稳性。

C盘和D盘的使用的大小。 

# -*- coding:utf-8 -*-import pandas as pdimport matplotlib.pyplot as pltdata = pd.read_excel('data/discdata.xls')str1 = 'C:\\'str2 = 'D:\\'dataC = data[(data['DESCRIPTION'] == '磁盘已使用大小') & (data['ENTITY'] == str1)]dataD = data[(data['DESCRIPTION'] == '磁盘已使用大小') & (data['ENTITY'] == str2)]dataC.plot(y='VALUE')dataD.plot(y='VALUE')plt.show()第三步：数据的预处理

数据清洗：实际业务中，监控系统会每天定时对磁盘的信息进行收集，但是磁盘容量属性一般情况下都是一个定值（不考虑中途扩容的情况），因此磁盘原始数据中会存在磁盘容量的重复数据。

剔除磁盘容量的重复数据。将所有服务器的磁盘容量作为一个固定值，方便模型预警时需要。

属性构造：因每台服务器的磁盘信息可以通过表中NAME，TARGET_ID，ENTITY三个属性进行区分，且每台服务器的上述三个属性值是不变的，所以可以将三个属性的值进行合并。 （实质是将行转换成列）。

# -*-coding: utf-8-*-import pandas as pddef attr_trans(x): result = pd.Series(index=['SYS_NAME', 'CWXT_DB:184:C:\\', 'CWXT_DB:184:D:\\', 'COLLECTTIME']) result['SYS_NAME'] = x['SYS_NAME'].iloc[0] result['COLLECTTIME'] = x['COLLECTTIME'].iloc[0] result['CWXT_DB:184:C:\\'] = x['VALUE'].iloc[0] result['CWXT_DB:184:D:\\'] = x['VALUE'].iloc[1] return resultdiscfile = 'data/discdata.xls'transformeddata = 'data/discdata_processed.xls'data = pd.read_excel(discfile)data = data[data['TARGET_ID'] == 184].copy()# 按时间分组data_group = data.groupby('COLLECTTIME')data_processed = data_group.apply(attr_trans)data_processed.to_excel(transformeddata, index=False)3、构造容量预测模型

平稳性检验：为了确定原始数据序列中没有随机趋势或趋势，需要对数据进行平稳性检验，否则将会产生“伪回归”的现象。方法：单位跟检验或者观察时序图。白噪声检验：为了验证序列中有用的信息是否已被提取完毕，需要对序列进行白噪声检验。如果序列检验为白噪声序列，就说明序列中有用的信息已经被提取完毕了，剩下的全是随机扰动，无法进行预测和使用。方法：一般采用LB统计量检验方法。模型识别：通过AIC、BIC信息准则或者观测自相关图和偏自相关图确定P、Q的参数，识别其模型属于AR、MA和ARMA中的哪一种模型。参数估计：估计模型的其他参数。可以采用极大似然估计、条件最小二乘法确定。模型检验：检测模型残差序列是否属于白噪声序列。

# -*- coding:utf-8 -*-import pandas as pddef stationarityTest(): ''' 平稳性检验 :return: ''' discfile = 'data/discdata_processed.xls' predictnum = 5 data = pd.read_excel(discfile) data = data.iloc[: len(data) - predictnum] # 平稳性检验 from statsmodels.tsa.stattools import adfuller as ADF diff = 0 adf = ADF(data['CWXT_DB:184:D:\\']) while adf[1] > 0.05: diff = diff + 1 adf = ADF(data['CWXT_DB:184:D:\\'].diff(diff).dropna()) print(u'原始序列经过%s阶差分后归于平稳，p值为%s' % (diff, adf[1]))def whitenoiseTest(): ''' 白噪声检验 :return: ''' discfile = 'data/discdata_processed.xls' data = pd.read_excel(discfile) data = data.iloc[: len(data) - 5] # 白噪声检验 from statsmodels.stats.diagnostic import acorr_ljungbox [[lb], [p]] = acorr_ljungbox(data['CWXT_DB:184:D:\\'], lags=1) if p < 0.05: print(u'原始序列为非白噪声序列，对应的p值为：%s' % p) else: print(u'原始该序列为白噪声序列，对应的p值为：%s' % p) [[lb], [p]] = acorr_ljungbox(data['CWXT_DB:184:D:\\'].diff().dropna(), lags=1) if p < 0.05: print(u'一阶差分序列为非白噪声序列，对应的p值为：%s' % p) else: print(u'一阶差分该序列为白噪声序列，对应的p值为：%s' % p)def findOptimalpq(): ''' 得到模型参数 :return: ''' discfile = 'data/discdata_processed.xls' data = pd.read_excel(discfile, index_col='COLLECTTIME') data = data.iloc[: len(data) - 5] xdata = data['CWXT_DB:184:D:\\'] from statsmodels.tsa.arima_model import ARIMA # 定阶 # 一般阶数不超过length/10 pmax = int(len(xdata) / 10) qmax = int(len(xdata) / 10) # bic矩阵 bic_matrix = [] for p in range(pmax + 1): tmp = [] for q in range(qmax + 1): try: tmp.append(ARIMA(xdata, (p, 1, q)).fit().bic) except: tmp.append(None) bic_matrix.append(tmp) bic_matrix = pd.DataFrame(bic_matrix) # 先用stack展平，然后用idxmin找出最小值位置。 p, q = bic_matrix.stack().astype('float64').idxmin() print(u'BIC最小的p值和q值为：%s、%s' % (p, q))def arimaModelCheck(): ''' 模型检验 :return: ''' discfile = 'data/discdata_processed.xls' # 残差延迟个数 lagnum = 12 data = pd.read_excel(discfile, index_col='COLLECTTIME') data = data.iloc[: len(data) - 5] xdata = data['CWXT_DB:184:D:\\'] # 建立ARIMA(0,1,1)模型 from statsmodels.tsa.arima_model import ARIMA # 建立并训练模型 arima = ARIMA(xdata, (0, 1, 1)).fit() # 预测 xdata_pred = arima.predict(typ='levels') # 计算残差 pred_error = (xdata_pred - xdata).dropna() from statsmodels.stats.diagnostic import acorr_ljungbox # 白噪声检验 lb, p = acorr_ljungbox(pred_error, lags=lagnum) # p值小于0.05，认为是非白噪声。 h = (p < 0.05).sum() if h > 0: print(u'模型ARIMA(0,1,1)不符合白噪声检验') else: print(u'模型ARIMA(0,1,1)符合白噪声检验')def calErrors(): ''' 误差计算 :return: ''' # 参数初始化 file = 'data/predictdata.xls' data = pd.read_excel(file) # 计算误差 abs_ = (data[u'预测值'] - data[u'实际值']).abs() mae_ = abs_.mean() # mae rmse_ = ((abs_ ** 2).mean()) ** 0.5 mape_ = (abs_ / data[u'实际值']).mean() print(u'平均绝对误差为：%0.4f，\n均方根误差为：%0.4f，\n平均绝对百分误差为：%0.6f。' % (mae_, rmse_, mape_))stationarityTest()whitenoiseTest()findOptimalpq()arimaModelCheck()calErrors()

模型预测：应用模型进行预测，获取未来5天的预测值。为了方便比较，将单位换算成GB。

模型评价：

采用三个衡量模型预测精度的统计量指标：平均绝对误差、均方根误差、平均绝对百分误差，从不同侧面反映了算法的预测精度。

模型应用：

计算预测使用率：根据模型预测得到的值，计算预测使用率。设定预警等级：根据业务应用一般设置的阈值，也可以根据管理员要求进行相应的调整。发布预警信息三、总结和思考监控不仅能够获取软硬件的性能数据，同时也能检测到软硬件的日志事件，并通过告警的方式提示用户。因此管理员在维护系统的过程中，特别关注应用系统类别的告警。一旦系统发生故障，则会影响整个公司的运作。但是在监控收集性能以及事件的过程中，会存在各类型告警误告情况。(注：应用系统发生误告时系统实际处于正常阶段)根据历史每天的各种类型的告警数，通过相关性进行检验判断哪些类型告警与应用系统真正故障有关。通过相关类型的告警，预测明后两天的告警数。针对历史的告警数与应用系统的关系，判断系统未来是否发生故障。可通过时序算法预测未来相关类型的告警数，然后采用分类预测算法对预测值进行判断，判断系统未来是否发生故障。