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使用 Kapacitor 进行自定义异常检测

每个人都有自己的异常检测算法,因此我们构建了 Kapacitor 以便轻松集成任何适合您领域的算法。Kapacitor 将这些自定义算法称为 UDF(用户定义函数)。本指南将引导您完成在 Kapacitor 中编写和使用自己的 UDF 所需的步骤。

如果您还没有完成,我们建议您在继续之前先阅读 Kapacitor 的入门指南

3D 打印

如果您拥有或最近购买了 3D 打印机,您可能知道 3D 打印需要在特定温度下进行才能确保打印质量。打印也可能花费很长时间(有些可能超过 24 小时),因此您无法一直盯着温度图表来确保打印顺利进行。此外,如果打印早期出现问题,您需要确保及时停止打印,以便重新开始,而不是在继续打印糟糕的打印品上浪费材料。

由于 3D 打印的物理限制,打印机软件通常设计为将温度保持在一定的容差范围内。为了方便论证,我们假设您不信任软件能做好本职工作(或想创建自己的逻辑),并希望在温度达到异常水平时收到警报。

3D 打印涉及三种温度

  1. 热端温度(打印前熔化塑料的地方)。
  2. 打印床温度(打印部件的地方)。
  3. 环境空气温度(打印机周围的空气)。

这三种温度都会影响打印质量(有些比其他更重要),但我们希望跟踪所有这些温度。

为了使我们的异常检测算法保持简单,让我们为接收到的每个数据窗口计算一个p 值,然后发出一个包含该p 值的数据点。为了计算p 值,我们将使用Welch t 检验。对于零假设,我们将声明一个新窗口来自与历史窗口相同的总体。如果p 值足够低,我们可以拒绝零假设,并得出结论该窗口一定来自与历史数据总体不同的数据,或者说是一个异常。这是一个过度简化的方法,但我们正在学习如何编写 UDF,而不是统计学。

编写用户定义函数 (UDF)

现在我们对要做什么有了一个想法,让我们来了解 Kapacitor 希望如何与我们的进程进行通信。从UDF README中,我们了解到 Kapacitor 将启动一个名为agent的进程。agent负责描述它拥有的选项,然后用一组选项初始化自己。当数据被 UDF 接收时,agent执行其计算,然后将结果数据返回给 Kapacitor。所有这些通信都通过 STDIN 和 STDOUT 使用协议缓冲区进行。截至目前,Kapacitor 已经用 Go 和 Python 实现了一些 agent,它们负责通信细节并提供一个用于执行实际工作的接口。在本指南中,我们将使用 Python agent。

Handler 接口

这是 agent 的 Python handler 接口

# The Agent calls the appropriate methods on the Handler as requests are read off STDIN.
#
# Throwing an exception will cause the Agent to stop and an ErrorResponse to be sent.
# Some *Response objects (like SnapshotResponse) allow for returning their own error within the object itself.
# These types of errors will not stop the Agent and Kapacitor will deal with them appropriately.
#
# The Handler is called from a single thread, meaning methods will not be called concurrently.
#
# To write Points/Batches back to the Agent/Kapacitor use the Agent.write_response method, which is thread safe.
class Handler(object):
    def info(self):
        pass
    def init(self, init_req):
        pass
    def snapshot(self):
        pass
    def restore(self, restore_req):
        pass
    def begin_batch(self):
        pass
    def point(self):
        pass
    def end_batch(self, end_req):
        pass

info方法

让我们从info方法开始。当 Kapacitor 启动时,它会调用info并期望返回有关此 UDF 如何工作的信息。具体来说,Kapacitor 期望 UDF 所需的边缘类型和提供的边缘类型。

请记住:在 Kapacitor 中,数据通过流或批次传输,因此 UDF 必须声明它期望什么。

此外,UDF 可以接受某些选项,以便单独配置它们。info响应可以包含选项列表、它们的名称和期望的参数。

对于我们的示例 UDF,我们需要知道三件事

  1. 要操作的字段。
  2. 要保留的历史窗口大小。
  3. 使用的显著性水平或alpha

下面是我们 handler 的info方法的实现,它定义了可用的边缘类型和选项。

...
    def info(self):
        """
        Respond with which type of edges we want/provide and any options we have.
        """
        response = udf_pb2.Response()

        # We will consume batch edges aka windows of data.
        response.info.wants = udf_pb2.BATCH
        # We will produce single points of data aka stream.
        response.info.provides = udf_pb2.STREAM

        # Here we can define options for the UDF.
        # Define which field we should process.
        response.info.options['field'].valueTypes.append(udf_pb2.STRING)

        # Since we will be computing a moving average let's make the size configurable.
        # Define an option 'size' that takes one integer argument.
        response.info.options['size'].valueTypes.append(udf_pb2.INT)

        # We need to know the alpha level so that we can ignore bad windows.
        # Define an option 'alpha' that takes one double valued argument.
        response.info.options['alpha'].valueTypes.append(udf_pb2.DOUBLE)

        return response
...

当 Kapacitor 启动时,它会启动我们的 UDF 进程并请求info数据,然后关闭进程。Kapacitor 将记住每个 UDF 的这些信息。这样,Kapacitor 可以在 UDF 在任务中执行之前了解其可用选项。

init方法

接下来,让我们实现init方法,该方法在任务开始执行时被调用。init方法接收一组选定的选项,然后用于相应地配置 handler。作为响应,我们指示init请求是否成功,如果不成功,则提供任何错误消息(如果选项无效)。

...
    def init(self, init_req):
        """
        Given a list of options initialize this instance of the handler
        """
        success = True
        msg = ''
        size = 0
        for opt in init_req.options:
            if opt.name == 'field':
                self._field = opt.values[0].stringValue
            elif opt.name == 'size':
                size = opt.values[0].intValue
            elif opt.name == 'alpha':
                self._alpha = opt.values[0].doubleValue

        if size <= 1:
            success = False
            msg += ' must supply window size > 1'
        if self._field == '':
            success = False
            msg += ' must supply a field name'
        if self._alpha == 0:
            success = False
            msg += ' must supply an alpha value'

        # Initialize our historical window
        # We will define MovingStats in the next step
        self._history = MovingStats(size)

        response = udf_pb2.Response()
        response.init.success = success
        response.init.error = msg[1:]

        return response
...

当任务开始时,Kapacitor 会为 UDF 启动一个新进程,并调用init,传递 TICKscript 中指定的任何选项。初始化后,进程将保持运行,Kapacitor 将开始发送到达的数据。

BatchPoint方法

我们的任务需要一个batch边缘,这意味着它期望以批次或窗口的形式接收数据。要将一批数据发送到 UDF 进程,Kapacitor 首先调用begin_batch方法,该方法指示所有后续点都属于一个批次。批次完成后,将使用有关批次的元数据调用end_batch方法。

总的来说,这就是我们的 UDF 代码将对每个begin_batchpointend_batch调用所做的事情。

  • begin_batch:标记一个新批次的开始并为其初始化一个结构。
  • point:存储该点。
  • end_batch:执行t 检验,然后更新历史数据。

完整的 UDF 脚本

下面是完整的 UDF 实现,包括我们的infoinit和批处理方法(以及我们所需的所有其他内容)。


from kapacitor.udf.agent import Agent, Handler
from scipy import stats
import math
from kapacitor.udf import udf_pb2
import sys

class TTestHandler(Handler):
    """
    Keep a rolling window of historically normal data
    When a new window arrives use a two-sided t-test to determine
    if the new window is statistically significantly different.
    """
    def __init__(self, agent):
        self._agent = agent

        self._field = ''
        self._history = None

        self._batch = None

        self._alpha = 0.0

    def info(self):
        """
        Respond with which type of edges we want/provide and any options we have.
        """
        response = udf_pb2.Response()
        # We will consume batch edges aka windows of data.
        response.info.wants = udf_pb2.BATCH
        # We will produce single points of data aka stream.
        response.info.provides = udf_pb2.STREAM

        # Here we can define options for the UDF.
        # Define which field we should process
        response.info.options['field'].valueTypes.append(udf_pb2.STRING)

        # Since we will be computing a moving average let's make the size configurable.
        # Define an option 'size' that takes one integer argument.
        response.info.options['size'].valueTypes.append(udf_pb2.INT)

        # We need to know the alpha level so that we can ignore bad windows
        # Define an option 'alpha' that takes one double argument.
        response.info.options['alpha'].valueTypes.append(udf_pb2.DOUBLE)

        return response

    def init(self, init_req):
        """
        Given a list of options initialize this instance of the handler
        """
        success = True
        msg = ''
        size = 0
        for opt in init_req.options:
            if opt.name == 'field':
                self._field = opt.values[0].stringValue
            elif opt.name == 'size':
                size = opt.values[0].intValue
            elif opt.name == 'alpha':
                self._alpha = opt.values[0].doubleValue

        if size <= 1:
            success = False
            msg += ' must supply window size > 1'
        if self._field == '':
            success = False
            msg += ' must supply a field name'
        if self._alpha == 0:
            success = False
            msg += ' must supply an alpha value'

        # Initialize our historical window
        self._history = MovingStats(size)

        response = udf_pb2.Response()
        response.init.success = success
        response.init.error = msg[1:]

        return response

    def begin_batch(self, begin_req):
        # create new window for batch
        self._batch = MovingStats(-1)

    def point(self, point):
        self._batch.update(point.fieldsDouble[self._field])

    def end_batch(self, batch_meta):
        pvalue = 1.0
        if self._history.n != 0:
            # Perform Welch's t test
            t, pvalue = stats.ttest_ind_from_stats(
                    self._history.mean, self._history.stddev(), self._history.n,
                    self._batch.mean, self._batch.stddev(), self._batch.n,
                    equal_var=False)


            # Send pvalue point back to Kapacitor
            response = udf_pb2.Response()
            response.point.time = batch_meta.tmax
            response.point.name = batch_meta.name
            response.point.group = batch_meta.group
            response.point.tags.update(batch_meta.tags)
            response.point.fieldsDouble["t"] = t
            response.point.fieldsDouble["pvalue"] = pvalue
            self._agent.write_response(response)

        # Update historical stats with batch, but only if it was normal.
        if pvalue > self._alpha:
            for value in self._batch._window:
                self._history.update(value)


class MovingStats(object):
    """
    Calculate the moving mean and variance of a window.
    Uses Welford's Algorithm.
    """
    def __init__(self, size):
        """
        Create new MovingStats object.
        Size can be -1, infinite size or > 1 meaning static size
        """
        self.size = size
        if not (self.size == -1 or self.size > 1):
            raise Exception("size must be -1 or > 1")


        self._window = []
        self.n = 0.0
        self.mean = 0.0
        self._s = 0.0

    def stddev(self):
        """
        Return the standard deviation
        """
        if self.n == 1:
            return 0.0
        return math.sqrt(self._s / (self.n - 1))

    def update(self, value):

        # update stats for new value
        self.n += 1.0
        diff = (value - self.mean)
        self.mean += diff / self.n
        self._s += diff * (value - self.mean)

        if self.n == self.size + 1:
            # update stats for removing old value
            old = self._window.pop(0)
            oldM = (self.n * self.mean - old)/(self.n - 1)
            self._s -= (old - self.mean) * (old - oldM)
            self.mean = oldM
            self.n -= 1

        self._window.append(value)

if __name__ == '__main__':
    # Create an agent
    agent = Agent()

    # Create a handler and pass it an agent so it can write points
    h = TTestHandler(agent)

    # Set the handler on the agent
    agent.handler = h

    # Anything printed to STDERR from a UDF process gets captured into the Kapacitor logs.
    print("Starting agent for TTestHandler", file=sys.stderr)
    agent.start()
    agent.wait()
    print("Agent finished", file=sys.stderr)

这信息量很大,但现在我们已经准备好配置 Kapacitor 来运行我们的代码了。确保已安装scipy$ pip3 install scipy)。创建一个临时目录以完成本指南的其余部分。

mkdir /tmp/kapacitor_udf
cd /tmp/kapacitor_udf

将上面的 UDF Python 脚本保存到/tmp/kapacitor_udf/ttest.py

为我们的 UDF 配置 Kapacitor

将此代码片段添加到您的 Kapacitor 配置文件中(通常位于/etc/kapacitor/kapacitor.conf

[udf]
[udf.functions]
    [udf.functions.tTest]
        # Run python
        prog = "/usr/bin/python3"
        # Pass args to python
        # -u for unbuffered STDIN and STDOUT
        # and the path to the script
        args = ["-u", "/tmp/kapacitor_udf/ttest.py"]
        # If the python process is unresponsive for 10s kill it
        timeout = "10s"
        # Define env vars for the process, in this case the PYTHONPATH
        [udf.functions.tTest.env]
            PYTHONPATH = "/tmp/kapacitor_udf/kapacitor/udf/agent/py"

在配置中,我们将函数调用为tTest。我们也将这样在 TICKscript 中引用它。

请注意,我们的 Python 脚本导入了Agent对象,并在配置中设置了PYTHONPATH。将 Kapacitor 源克隆到临时目录,以便我们可以将PYTHONPATH指向必需的 Python 代码。这通常是多余的,因为它只有两个 Python 文件,但这样更容易遵循。

git clone https://github.com/influxdata/kapacitor.git /tmp/kapacitor_udf/kapacitor

运行带 UDF 的 Kapacitor

重新启动 Kapacitor 守护进程,以确保所有配置都正确无误。

service kapacitor restart

检查日志(/var/log/kapacitor/journalctl -f -n 256 -u kapacitor.service),确保您看到“正在监听信号”一行并且没有发生任何错误。如果您没有看到该行,则表示 UDF 进程已挂起且无响应。它应该在超时后被终止,所以请给它一些时间来正确停止。停止后,您可以修复任何错误并重试。

TICKscript

如果一切都已正确启动,那么是时候编写我们的 TICKscript 来使用tTest UDF 方法了。

dbrp "printer"."autogen"

// This TICKscript monitors the three temperatures for a 3d printing job,
// and triggers alerts if the temperatures start to experience abnormal behavior.

// Define our desired significance level.
var alpha = 0.001

// Select the temperatures measurements
var data = stream
    |from()
        .measurement('temperatures')
    |window()
        .period(5m)
        .every(5m)

data
    //Run our tTest UDF on the hotend temperature
    @tTest()
        // specify the hotend field
        .field('hotend')
        // Keep a 1h rolling window
        .size(3600)
        // pass in the alpha value
        .alpha(alpha)
    |alert()
        .id('hotend')
        .crit(lambda: "pvalue" < alpha)
        .log('/tmp/kapacitor_udf/hotend_failure.log')

// Do the same for the bed and air temperature.
data
    @tTest()
        .field('bed')
        .size(3600)
        .alpha(alpha)
    |alert()
        .id('bed')
        .crit(lambda: "pvalue" < alpha)
        .log('/tmp/kapacitor_udf/bed_failure.log')

data
    @tTest()
        .field('air')
        .size(3600)
        .alpha(alpha)
    |alert()
        .id('air')
        .crit(lambda: "pvalue" < alpha)
        .log('/tmp/kapacitor_udf/air_failure.log')

请注意,我们调用了tTest三次。这意味着 Kapacitor 将启动三个不同的 Python 进程,并将各自的 init 选项传递给每个进程。

将此脚本保存为/tmp/kapacitor_udf/print_temps.tick并定义 Kapacitor 任务。

kapacitor define print_temps -tick print_temps.tick

确保任务已启用。

kapacitor enable print_temps

然后列出任务。

kapacitor list tasks
ID          Type      Status    Executing Databases and Retention Policies
print_temps stream    enabled   true      ["printer"."autogen"]

生成测试数据

为了模拟我们的打印机进行测试,我们将编写一个简单的 Python 脚本来生成温度。该脚本生成围绕目标温度正态分布的随机温度。在指定的时间,温度的变化和偏移量会发生变化,从而产生异常。

不用太担心这里的细节。使用真实数据来测试我们的 TICKscript 和 UDF 会更好,但这样更快(而且比 3D 打印机便宜得多)。

#!/usr/bin/env python

from numpy import random
from datetime import timedelta, datetime
import sys
import time
import requests


# Target temperatures in C
hotend_t = 220
bed_t = 90
air_t = 70

# Connection info
write_url = 'https://:9092/write?db=printer&rp=autogen&precision=s'
measurement = 'temperatures'

def temp(target, sigma):
    """
    Pick a random temperature from a normal distribution
    centered on target temperature.
    """
    return random.normal(target, sigma)

def main():
    hotend_sigma = 0
    bed_sigma = 0
    air_sigma = 0
    hotend_offset = 0
    bed_offset = 0
    air_offset = 0

    # Define some anomalies by changing sigma at certain times
    # list of sigma values to start at a specified iteration
    hotend_anomalies =[
        (0, 0.5, 0), # normal sigma
        (3600, 3.0, -1.5), # at one hour the hotend goes bad
        (3900, 0.5, 0), # 5 minutes later recovers
    ]
    bed_anomalies =[
        (0, 1.0, 0), # normal sigma
        (28800, 5.0, 2.0), # at 8 hours the bed goes bad
        (29700, 1.0, 0), # 15 minutes later recovers
    ]
    air_anomalies = [
        (0, 3.0, 0), # normal sigma
        (10800, 5.0, 0), # at 3 hours air starts to fluctuate more
        (43200, 15.0, -5.0), # at 12 hours air goes really bad
        (45000, 5.0, 0), # 30 minutes later recovers
        (72000, 3.0, 0), # at 20 hours goes back to normal
    ]

    # Start from 2016-01-01 00:00:00 UTC
    # This makes it easy to reason about the data later
    now = datetime(2016, 1, 1)
    second = timedelta(seconds=1)
    epoch = datetime(1970,1,1)

    # 24 hours of temperatures once per second
    points = []
    for i in range(60*60*24+2):
        # update sigma values
        if len(hotend_anomalies) > 0 and i == hotend_anomalies[0][0]:
            hotend_sigma = hotend_anomalies[0][1]
            hotend_offset = hotend_anomalies[0][2]
            hotend_anomalies = hotend_anomalies[1:]

        if len(bed_anomalies) > 0 and i == bed_anomalies[0][0]:
            bed_sigma = bed_anomalies[0][1]
            bed_offset = bed_anomalies[0][2]
            bed_anomalies = bed_anomalies[1:]

        if len(air_anomalies) > 0 and i == air_anomalies[0][0]:
            air_sigma = air_anomalies[0][1]
            air_offset = air_anomalies[0][2]
            air_anomalies = air_anomalies[1:]

        # generate temps
        hotend = temp(hotend_t+hotend_offset, hotend_sigma)
        bed = temp(bed_t+bed_offset, bed_sigma)
        air = temp(air_t+air_offset, air_sigma)
        points.append("%s hotend=%f,bed=%f,air=%f %d" % (
            measurement,
            hotend,
            bed,
            air,
            (now - epoch).total_seconds(),
        ))
        now += second

    # Write data to Kapacitor
    r = requests.post(write_url, data='\n'.join(points))
    if r.status_code != 204:
        print >> sys.stderr, r.text
        return 1
    return 0

if __name__ == '__main__':
    exit(main())

将上面的脚本保存为/tmp/kapacitor_udf/printer_data.py

此 Python 脚本有两个 Python 依赖项:requestsnumpy。它们可以通过pip或您的包管理器轻松安装。

此时,我们已经准备好了一个任务和一个生成带有异常的假数据的脚本。现在我们可以创建一个假数据的录制,以便轻松迭代任务。

# Start the recording in the background
kapacitor record stream -task print_temps -duration 24h -no-wait
# List recordings to find the ID
kapacitor list recordings
ID                                   Type    Status    Size      Date
7bd3ced5-5e95-4a67-a0e1-f00860b1af47 stream  running   0 B       04 May 16 11:34 MDT
# Copy the ID and store it in a variable
rid=7bd3ced5-5e95-4a67-a0e1-f00860b1af47
# Run our python script to generate data
chmod +x ./printer_data.py
./printer_data.py

我们可以通过列出录制信息来验证它是否有效。我们的录制大小为1.6MB,所以您的录制大小也应该接近这个值。

$ kapacitor list recordings $rid
ID                                      Type    Status    Size      Date
7bd3ced5-5e95-4a67-a0e1-f00860b1af47    stream  finished  1.6 MB    04 May 16 11:44 MDT

检测异常

最后,让我们运行 play 来测试我们的任务,看看它是如何工作的。

kapacitor replay -task print_temps -recording $rid -rec-time

检查各个日志文件,看看算法是否捕捉到了异常。

cat /tmp/kapacitor_udf/{hotend,bed,air}_failure.log

根据上面的printer_data.py脚本,应该在以下时间出现异常:

  • 1 小时:热端
  • 8 小时:打印床
  • 12 小时:空气

也可能出现一些误报,但由于我们希望它能与真实数据(而不是我们干净的假数据)一起工作,因此在此阶段进行调整并没有太大帮助。

好了,就是这样。我们现在可以在打印温度偏离正常值时收到警报。希望您现在对 Kapacitor UDF 的工作原理有了更好的理解,并有一个良好的工作示例作为进一步使用 UDF 的起点。

框架已经就位,现在去连接一个适合您领域的真实异常检测算法吧!

扩展示例

有几件事情留给读者作为练习。

  1. 快照/恢复:Kapacitor 将定期快照您的 UDF 进程的状态,以便在进程重启时可以恢复。此处的示例具有snapshotrestore方法的实现。作为练习,请为TTestHandler handler 实现它们。

  2. 将算法从 t 检验更改为您领域更合适的算法。numpyscipy都有大量的算法。

  3. info请求返回的选项可以包含多个参数。修改field选项以接受三个字段名,并将TTestHandler更改为为每个字段维护历史数据和批次,而不是仅为一个字段。这样,只需要运行一个 ttest.py 进程。


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如果使用 Docker 来安装和运行 InfluxDB,latest 标签将指向 InfluxDB 3 Core。为避免意外升级,请在您的 Docker 部署中使用特定的版本标签。例如,如果使用 Docker 运行 InfluxDB v2,请将 latest 版本标签替换为 Docker pull 命令中的特定版本标签 — 例如

docker pull influxdb:2