Pythonで数値解析のソフトウェアを作成しているのですが、処理に時間が掛かっており高速化したいと考えています。
cProfileで解析したところ、以下のintegrate()とscipyのinterp1dという2つの関数で全体の約47%の処理時間を占めていることが分かりました(total: 54.4 s, integrate: 14.7 s, interp1d: 11.2 s)。
該当部分のコードを概略化したものを以下に示します。
# -*- coding:utf-8 -*-
import numpy as np
import pandas as pd
from scipy.interpolate import interp1d
def integrate(matrix, t, start_time=0.0):
time = np.array(matrix["time"])
matches = np.where(start_time <= time, True, False) * np.where(time <= t, True, False)
matched_time = time[matches]
dt = (matched_time - np.insert(matched_time, 0, 0)[0:len(matched_time)])[1:]
x = np.array(matrix["vel_x"])[matches]
y = np.array(matrix["vel_y"])[matches]
z = np.array(matrix["vel_z"])[matches]
return np.array([
np.sum(x[:len(matched_time)-1] * dt) + x[-1] * (t - matched_time[-1]),
np.sum(y[:len(matched_time)-1] * dt) + y[-1] * (t - matched_time[-1]),
np.sum(z[:len(matched_time)-1] * dt) + z[-1] * (t - matched_time[-1]),
])
if __name__ == "__main__":
data = pd.DataFrame([[0.0, 0.0, 0.0, 0.0], [1.0, 1.0, 0.5, 1.5], [2.0, 2.0, 4.0, 3.0], [3.0, 3.0, 9.0, 10.0]], columns=["time", "vel_x", "vel_y", "vel_z"])
print("data:\n", data)
#data:
# time vel_x vel_y vel_z
# 0 0.0 0.0 0.0 0.0
# 1 1.0 1.0 0.5 1.5
# 2 2.0 2.0 4.0 3.0
# 3 3.0 3.0 9.0 10.0
for t in np.arange(0, 3, 0.0001):
position = integrate(data, t)
vel_x_t = interp1d(data["time"], data["vel_x"], bounds_error=False, fill_value=(0, 0))(t) if isinstance(data, pd.DataFrame) else data
# sampling
if t == 2.5:
print("t: ", t)
print("integrate result(position):\n", position)
print("interpolate result(vel_x_t):\n", vel_x_t)
# t: 2.5
# integrate result(position):
# [2. 2.5 3. ]
# interpolate result(vel_x_t):
# 2.5
※ integrate()は以下の処理をしています。
「時刻tとその時の状態xを記録したデータがあるとき、ある時刻 t = t1 時点における状態xの積分値を算出する。」
integrateは当初for文による計算、その後pandasのapplyを使用して書いていましたが、
非常に時間がかかったので上記の通りnp.arrayで一旦取り出して処理する形に書き換えています。
interp1dの方は単純な処理ですので抜本的な高速化のアイデアも思いついていないところですが、
ループで呼び出しているため時間がかかっているのか、体感でもう少し早くても良いのになと思っているところです。
これらをより高速な処理に書き換えることは可能でしょうか?
よろしくお願いいたします。