NILMTK——经典数据集REDD介绍和使用

配置了NILMTK包的环境之后，想找数据测试一下，在NILMTK官网的API Docs里边发现dataset_converters模块中有内置的数据集处理函数，如图：

将数据转换成HDF文件，这些数据都是比较优秀的，其中，常用的数据集是REDD和UK_DALE。

1. REDD数据集

目前版本的下载地址为: http://redd.csail.mit.edu，需要向作者发送邮件，才能获取用户名和密码进行下载！

论文为：J. Zico Kolter and Matthew J. Johnson. REDD: A public data set for energy disaggregation research. In proceedings of the SustKDD workshop on Data Mining Applications in Sustainability, 2011. [pdf]

数据集的文件为：

文件主要包含低频功率数据和高频电压电流数据

low_freq：1Hz功率数据

high_freq:校准和分组之后的电压电流波形数据

high_freq_row:原生电压电流波形数据

（1)low_freq的文件目录

总共收集了6个家庭的数据，labels记录了每个channel的设备类型，channel是记录每个channel的UTC时间戳的功率数据。

labels：

channel（一秒一个点）：

（2）high_freq的文件目录

总共收集了6个家庭的数据，current_1记录了第一电源的电流数据，current_1记录了第二电源的电流数据，voltage记录了电压数据。

需要注意的是：

a、十进制的UTC时间戳，与低频的UTC时间戳是一样的格式，但是这个允许有小数部分。

b、循环计数，虽然它在文件中表示为双精度，但实际上它是一个整数，表示该特定波形保留多少交流周期。

c、在等间隔的周期中，275个十进制数值，表示波形的数值

下载完数据集之后，可通过dataset_converters 的函数将数据改为HDF格式：

from nilmtk.dataset_converters import convert_redd
 
convert_redd(r'C:\Users\admin\Anaconda3\nilm_metadata\low_freq',r'C:\Users\admin\Anaconda3\nilm_metadata\low_freq\redd_low_new.h5')

2. REDD数据集的使用

a、负荷分解算法

通过NILMTK官网的API知道负荷分解包的算法有组合优化（CombinatorialOptimisation）、因子隐马尔可夫(FHMM)、Hart 1985（Hart 1985 algorithm），常用的是CO和FHMM。

b、负荷分解实现

以下例子是通过CO和FHMM计算的，文件获取在：

CO：http://nilmtk.github.io/nilmtk/master/_modules/nilmtk/disaggregate/combinatorial_optimisation.html#CombinatorialOptimisation

FHMM：nilmtk.legacy.disaggregate文件下的fhmm_exact文件。

获取数据：

from __future__ import print_function, division
import pandas as pd
import numpy as np
from nilmtk.dataset import DataSet
#from nilmtk.metergroup import MeterGroup
#from nilmtk.datastore import HDFDataStore
#from nilmtk.timeframe import TimeFrame
from nilmtk.disaggregate.combinatorial_optimisation import CombinatorialOptimisation
from nilmtk.legacy.disaggregate.fhmm_exact import FHMM

train = DataSet('C:/Users/admin/PycharmProjects/nilmtktest/low_freq/redd_low.h5')  # 读取数据集
test = DataSet('C:/Users/admin/PycharmProjects/nilmtktest/low_freq/redd_low.h5') # 读取数据集
building = 1  ## 选择家庭house
train.set_window(end="30-4-2011")  ## 划分数据集，2011年4月20号之前的作为训练集
test.set_window(start="30-4-2011") ## 四月40号之后的作为测试集

## elec包含了这个家庭中的所有的电器信息和总功率信息,building=1-6个家庭
train_elec = train.buildings[1].elec  
test_elec = test.buildings[1].elec

top_5_train_elec = train_elec.submeters().select_top_k(k=5)  ## 选择用电量排在前5的来进行训练和测试

选取了第一个家庭，用电量在前5的电器数据进行测试。

计算：

def predict(clf, test_elec, sample_period, timezone):   ## 定义预测的方法
    pred = {}
    gt= {}
    #获取总的负荷数据
    for i, chunk in enumerate(test_elec.mains().load(sample_period=sample_period)):
        chunk_drop_na = chunk.dropna()   ### 丢到缺省值
        pred[i] = clf.disaggregate_chunk(chunk_drop_na)  #### 分解，disaggregate_chunk #通过调用这个方法实现分解，这部分代码在下面可以见到
        gt[i]={}  ## 这是groudtruth，即真实的单个电器的消耗功率

        for meter in test_elec.submeters().meters:
            # Only use the meters that we trained on (this saves time!)    
            gt[i][meter] = next(meter.load(sample_period=sample_period))  
        gt[i] = pd.DataFrame({k:v.squeeze() for k,v in gt[i].items()}, index=next(iter(gt[i].values())).index).dropna()   #### 上面这一块主要是为了得到pandas格式的gt数据

    # If everything can fit in memory
    gt_overall = pd.concat(gt)   
    gt_overall.index = gt_overall.index.droplevel()
    pred_overall = pd.concat(pred)
    pred_overall.index = pred_overall.index.droplevel()

    # Having the same order of columns
    gt_overall = gt_overall[pred_overall.columns]

    #Intersection of index
    gt_index_utc = gt_overall.index.tz_convert("UTC")
    pred_index_utc = pred_overall.index.tz_convert("UTC")
    common_index_utc = gt_index_utc.intersection(pred_index_utc)


    common_index_local = common_index_utc.tz_convert(timezone)
    gt_overall = gt_overall.ix[common_index_local]
    pred_overall = pred_overall.ix[common_index_local]
    appliance_labels = [m.label() for m in gt_overall.columns.values]
    gt_overall.columns = appliance_labels
    pred_overall.columns = appliance_labels
 
    return gt_overall, pred_overall

classifiers = { 'CO':CombinatorialOptimisation(),'FHMM':FHMM()}   ### 设置了两种算法，一种是CO，一种是FHMM
predictions = {}
sample_period = 120  ## 采样周期是两分钟
for clf_name, clf in classifiers.items():
    print("*"*20)
    print(clf_name)
    print("*" *20)
    clf.train(top_5_train_elec, sample_period=sample_period)  ### 训练部分
    gt, predictions[clf_name] = predict(clf, test_elec, 120, train.metadata['timezone'])

先用clf.train训练这5种电器的特征规律，然后在用总的功率数据进行各种电器特征分解。gt记录了每个电器的功率数据，采样周期是两分钟一个点，后边根据预测的电器种类选取了用电量排名比较高的5种电器。

predictions变量记录了两个算法的计算结果：

评估：

def compute_rmse(gt, pred):   ### 评估指标 rmse
    from sklearn.metrics import mean_squared_error
    rms_error = {}
    for appliance in gt.columns:
        rms_error[appliance] = np.sqrt(mean_squared_error(gt[appliance], pred[appliance])) ## 评价指标的定义很简单，就是均方根误差
    return pd.Series(rms_error)
rmse = {}
for clf_name in classifiers.keys():
    rmse[clf_name] = compute_rmse(gt, predictions[clf_name])
rmse = pd.DataFrame(rmse)

计算结果为：

参考博客：https://blog.csdn.net/baidu_36161077/article/details/81144037

NILMTK——经典数据集REDD介绍和使用

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