Polars Calculating Number of Concurrent Event in a Timeseries

I have a timeseries:

ts = pl.DataFrame(
    {
        "timestamp": [0, 1, 2, 3, 4, 5],
        "start_index": [0, None, None, 3, None, None],
        "end_index": [4, None, None, 4, None, None],
        }
    )

for each timestamp index, I want to calculate the number of concurrent events. For example,

  • At timestamp 0, we have an event starting at the end of timestamp 0 and ends at the end of timestamp 4, for a span of [1, 2, 3, 4].
  • At timestamp 3 we have another event starting at end of timestamp 3 and ends at 4, for a span of [4].

The first event’s span overlaps with the second event during timestamp 3-4 therefore the number of concurrent event at timestamp 4 is 2. We assign 0 to the observations that do not have an active event.

Expected output:

shape: (6, 4)
┌───────────┬─────────────┬───────────┬────────────────────────────┐
│ timestamp ┆ start_index ┆ end_index ┆ number_of_concurrent_event │
│ ---       ┆ ---         ┆ ---       ┆ ---                        │
│ i64       ┆ i64         ┆ i64       ┆ i64                        │
╞═══════════╪═════════════╪═══════════╪════════════════════════════╡
│ 0         ┆ 0           ┆ 4         ┆ 0                          │
│ 1         ┆ null        ┆ null      ┆ 1                          │
│ 2         ┆ null        ┆ null      ┆ 1                          │
│ 3         ┆ 3           ┆ 4         ┆ 1                          │
│ 4         ┆ null        ┆ null      ┆ 2                          │
│ 5         ┆ null        ┆ null      ┆ 0                          │
└───────────┴─────────────┴───────────┴────────────────────────────┘

2

A signal analysis trick is to map all the start of events to +1 and the end
of events to -1 and cumulative sum everything between.
In your data, since your events can end simultaneously we’ll
need to step through a .value_counts() to grab the correct number of ending
events at a given timestamp.

This has the advantage of not needing to generate a sparser timeseries and only relies on the dense timepoints that already exist.

import polars as pl
from polars import col

ts = pl.DataFrame({
    "timestamp": [0, 1, 2, 3, 4, 5],
    "start_index": [0, None, None, 3, None, None],
    "end_index": [4, None, None, 4, None, None],
})

print(
    ts
    .join(
        ts.select(
            col('end_index').filter(col('end_index').is_not_null())
            .value_counts()
        ).unnest('end_index'),
        left_on='timestamp',
        right_on='end_index',
        how='outer',
    )
    .select(
        *ts.columns,

        col('start_index').is_not_null().cast(pl.Int32)
        .add(col('count').mul(-1).fill_null(0))
        .shift(fill_value=0) # offsets the start/stop by 1 row
        .cum_sum()
        .alias('concurrent')
    )
    # shape: (6, 4)
    # ┌───────────┬─────────────┬───────────┬────────────┐
    # │ timestamp ┆ start_index ┆ end_index ┆ concurrent │
    # │ ---       ┆ ---         ┆ ---       ┆ ---        │
    # │ i64       ┆ i64         ┆ i64       ┆ i64        │
    # ╞═══════════╪═════════════╪═══════════╪════════════╡
    # │ 0         ┆ 0           ┆ 4         ┆ 0          │
    # │ 1         ┆ null        ┆ null      ┆ 1          │
    # │ 2         ┆ null        ┆ null      ┆ 1          │
    # │ 3         ┆ 3           ┆ 4         ┆ 1          │
    # │ 4         ┆ null        ┆ null      ┆ 2          │
    # │ 5         ┆ null        ┆ null      ┆ 0          │
    # └───────────┴─────────────┴───────────┴────────────┘

)

Here is a more generic approach if your data can have events that begin at the same start_index.

import polars as pl
from polars import col

ts = pl.DataFrame({
    "timestamp": [0, 1, 2, 3, 4, 5],
    "start_index": [0, None, None, 3, None, None],
    "end_index": [4, None, None, 4, None, None],
})

print(
    pl.concat(
        items=[
            ts,

            ts.select( # count the starting indices
                col('start_index').value_counts()
                .struct.rename_fields(['timestamp', 'starts'])
            ).unnest('start_index'),

            ts.select( # count the ending indices
                col('end_index').value_counts()
                .struct.rename_fields(['timestamp', 'ends'])
            ).unnest('end_index'),
        ],
        how='align'
    )
    .drop_nulls('timestamp')
    .select(
        *ts.columns,
        concurrent=(
            pl.sum_horizontal(col('starts'), -1 * col('ends'))
            .shift(fill_value=0)
            .cum_sum()
        )
    )
)

I would start out creating a new frame that converts the start_index to end_index into individual rows. From that I’d do an outer_coalesce join to the original and then group by the timestamp taking the non-null count of the original_timestamp as the concurrent events.

(
    ts
    .filter(pl.col('start_index').is_not_null() & pl.col('end_index').is_not_null())
    .select(
        original_timestamp="timestamp", 
        timestamp=pl.int_ranges(
            pl.col('start_index')+1,
            pl.col('end_index')+1
            )
        )
    .explode('timestamp')
    .join(ts, 
          on='timestamp', 
          how='outer_coalesce'
          )
    .group_by('timestamp',maintain_order=True)
    .agg(
        pl.col('start_index','end_index').drop_nulls().first(), 
        pl.col('original_timestamp').is_not_null().sum()
        )
)
shape: (6, 4)
┌───────────┬─────────────┬───────────┬────────────────────────────┐
│ timestamp ┆ start_index ┆ end_index ┆ number_of_concurrent_event │
│ ---       ┆ ---         ┆ ---       ┆ ---                        │
│ i64       ┆ i64         ┆ i64       ┆ u32                        │
╞═══════════╪═════════════╪═══════════╪════════════════════════════╡
│ 0         ┆ 0           ┆ 4         ┆ 0                          │
│ 1         ┆ null        ┆ null      ┆ 1                          │
│ 2         ┆ null        ┆ null      ┆ 1                          │
│ 3         ┆ 3           ┆ 4         ┆ 1                          │
│ 4         ┆ null        ┆ null      ┆ 2                          │
│ 5         ┆ null        ┆ null      ┆ 0                          │
└───────────┴─────────────┴───────────┴────────────────────────────┘

I think this is basically the same as @Cameron-Riddell’s approach – just expressed a little differently.

ts = ts.with_columns(starts = pl.col("start_index").is_not_null())

(
   ts.join(ts, left_on="timestamp", right_on="end_index", how="left")
     .rename({"starts_right": "ends"})
     .group_by("timestamp", maintain_order=True)
     .agg(
        pl.exclude("starts", "ends").first(),
        pl.col("starts", "ends").sum()
     )  
     .with_columns(
        concurrent = (pl.col("starts") + (pl.col("ends") * -1)).cum_sum().shift()
     )
)
shape: (6, 8)
┌───────────┬─────────────┬───────────┬─────────────────┬───────────────────┬────────┬──────┬────────────┐
│ timestamp ┆ start_index ┆ end_index ┆ timestamp_right ┆ start_index_right ┆ starts ┆ ends ┆ concurrent │
│ ---       ┆ ---         ┆ ---       ┆ ---             ┆ ---               ┆ ---    ┆ ---  ┆ ---        │
│ i64       ┆ i64         ┆ i64       ┆ i64             ┆ i64               ┆ u32    ┆ u32  ┆ i64        │
╞═══════════╪═════════════╪═══════════╪═════════════════╪═══════════════════╪════════╪══════╪════════════╡
│ 0         ┆ 0           ┆ 4         ┆ null            ┆ null              ┆ 1      ┆ 0    ┆ null       │
│ 1         ┆ null        ┆ null      ┆ null            ┆ null              ┆ 0      ┆ 0    ┆ 1          │
│ 2         ┆ null        ┆ null      ┆ null            ┆ null              ┆ 0      ┆ 0    ┆ 1          │
│ 3         ┆ 3           ┆ 4         ┆ null            ┆ null              ┆ 1      ┆ 0    ┆ 1          │
│ 4         ┆ null        ┆ null      ┆ 0               ┆ 0                 ┆ 0      ┆ 2    ┆ 2          │
│ 5         ┆ null        ┆ null      ┆ null            ┆ null              ┆ 0      ┆ 0    ┆ 0          │
└───────────┴─────────────┴───────────┴─────────────────┴───────────────────┴────────┴──────┴────────────┘

Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức sự kiện 5 sao Thông tin về chúng tôi Dịch vụ sinh nhật bé trai Dịch vụ sinh nhật bé gái Sự kiện trọn gói Các tiết mục giải trí Dịch vụ bổ trợ Tiệc cưới sang trọng Dịch vụ khai trương Tư vấn tổ chức sự kiện Hình ảnh sự kiện Cập nhật tin tức Liên hệ ngay Thuê chú hề chuyên nghiệp Tiệc tất niên cho công ty Trang trí tiệc cuối năm Tiệc tất niên độc đáo Sinh nhật bé Hải Đăng Sinh nhật đáng yêu bé Khánh Vân Sinh nhật sang trọng Bích Ngân Tiệc sinh nhật bé Thanh Trang Dịch vụ ông già Noel Xiếc thú vui nhộn Biểu diễn xiếc quay đĩa Dịch vụ tổ chức tiệc uy tín Khám phá dịch vụ của chúng tôi Tiệc sinh nhật cho bé trai Trang trí tiệc cho bé gái Gói sự kiện chuyên nghiệp Chương trình giải trí hấp dẫn Dịch vụ hỗ trợ sự kiện Trang trí tiệc cưới đẹp Khởi đầu thành công với khai trương Chuyên gia tư vấn sự kiện Xem ảnh các sự kiện đẹp Tin mới về sự kiện Kết nối với đội ngũ chuyên gia Chú hề vui nhộn cho tiệc sinh nhật Ý tưởng tiệc cuối năm Tất niên độc đáo Trang trí tiệc hiện đại Tổ chức sinh nhật cho Hải Đăng Sinh nhật độc quyền Khánh Vân Phong cách tiệc Bích Ngân Trang trí tiệc bé Thanh Trang Thuê dịch vụ ông già Noel chuyên nghiệp Xem xiếc khỉ đặc sắc Xiếc quay đĩa thú vị
Trang chủ Giới thiệu Sinh nhật bé trai Sinh nhật bé gái Tổ chức sự kiện Biểu diễn giải trí Dịch vụ khác Trang trí tiệc cưới Tổ chức khai trương Tư vấn dịch vụ Thư viện ảnh Tin tức - sự kiện Liên hệ Chú hề sinh nhật Trang trí YEAR END PARTY công ty Trang trí tất niên cuối năm Trang trí tất niên xu hướng mới nhất Trang trí sinh nhật bé trai Hải Đăng Trang trí sinh nhật bé Khánh Vân Trang trí sinh nhật Bích Ngân Trang trí sinh nhật bé Thanh Trang Thuê ông già Noel phát quà Biểu diễn xiếc khỉ Xiếc quay đĩa
Thiết kế website Thiết kế website Thiết kế website Cách kháng tài khoản quảng cáo Mua bán Fanpage Facebook Dịch vụ SEO Tổ chức sinh nhật