Previsión de series temporales multivariable a partir de datos de calidad del aire de Seattle

En este instructivo, aprenderás a crear un modelo de serie temporal multivariable (ARIMA_PLUS_XREG) para realizar una previsión de series temporales mediante las siguientes tablas de muestra del conjunto de datos epa_historical_air_quality:

El conjunto de datos epa_historical_air_quality contiene información diaria de PM 2.5, la temperatura y la velocidad del viento recopilada de varias ciudades de EE.UU.

Objetivos

En este instructivo usarás lo siguiente:

La declaración CREATE MODEL, para crear un modelo de serie temporal
La función ML.ARIMA_EVALUATE, para inspeccionar la información de evaluación relacionada con ARIMA en el modelo
La función ML.ARIMA_COEFFICIENTS, para inspeccionar los coeficientes del modelo
La función ML.FORECAST, para prever las partículas PM 2.5 diarias
La función ML.EVALUATE, para evaluar el modelo con datos reales.
La función ML.EXPLAIN_FORECAST, que permite recuperar varios componentes de las series temporales (como la temporada, las tendencias y las atribuciones de atributos) que puedes usar para explicar los resultados de la previsión.

Costos

En este instructivo, se usan componentes facturables de Google Cloud, incluidos los siguientes:

BigQuery
BigQuery ML

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Para obtener más información sobre los costos de BigQuery ML, consulta los precios de BigQuery ML.

Antes de comenzar

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Paso uno: Crea tu conjunto de datos

Crea un conjunto de datos de BigQuery para almacenar tu modelo de AA:

En la consola de Google Cloud, ve a la página de BigQuery.

Ir a la página de BigQuery
En el panel Explorador, haz clic en el nombre de tu proyecto.
Haz clic en Ver acciones > Crear conjunto de datos.
En la página Crear conjunto de datos, haz lo siguiente:
- En ID del conjunto de datos, ingresa bqml_tutorial.
- En Tipo de ubicación, selecciona Multirregión y, luego, EE.UU. (varias regiones en Estados Unidos).
  
  Los conjuntos de datos públicos se almacenan en la multirregión US. Para que sea más simple, almacena tu conjunto de datos en la misma ubicación.
- Deja la configuración predeterminada restante como está y haz clic en Crear conjunto de datos.

Paso dos: Crea una tabla de series temporales con atributos adicionales

Los datos de PM2.5, temperatura y velocidad del viento están en tablas separadas. Para simplificar las siguientes consultas, puedes crear una tabla nueva bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily uniendo esas tablas con las siguientes columnas:

date: la fecha de la observación
PM2.5: el valor promedio de PM2.5 de cada día.
wind_speed: la velocidad del viento promedio de cada día
temperature: la temperatura más alta de cada día

La tabla nueva tiene datos diarios del 11/08/2009 al 31/01/2022.

En la siguiente consulta de GoogleSQL, la cláusula FROM bigquery-public-data.epa_historical_air_quality.*_daily_summary indica que consultas las tablas *_daily_summary en el conjunto de datos epa_historical_air_quality. Estas tablas son tablas particionadas.

#standardSQL
CREATE TABLE `bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily`
AS
WITH
  pm25_daily AS (
    SELECT
      avg(arithmetic_mean) AS pm25, date_local AS date
    FROM
      `bigquery-public-data.epa_historical_air_quality.pm25_nonfrm_daily_summary`
    WHERE
      city_name = 'Seattle'
      AND parameter_name = 'Acceptable PM2.5 AQI & Speciation Mass'
    GROUP BY date_local
  ),
  wind_speed_daily AS (
    SELECT
      avg(arithmetic_mean) AS wind_speed, date_local AS date
    FROM
      `bigquery-public-data.epa_historical_air_quality.wind_daily_summary`
    WHERE
      city_name = 'Seattle' AND parameter_name = 'Wind Speed - Resultant'
    GROUP BY date_local
  ),
  temperature_daily AS (
    SELECT
      avg(first_max_value) AS temperature, date_local AS date
    FROM
      `bigquery-public-data.epa_historical_air_quality.temperature_daily_summary`
    WHERE
      city_name = 'Seattle' AND parameter_name = 'Outdoor Temperature'
    GROUP BY date_local
  )
SELECT
  pm25_daily.date AS date, pm25, wind_speed, temperature
FROM pm25_daily
JOIN wind_speed_daily USING (date)
JOIN temperature_daily USING (date)

Para ejecutar la consulta, sigue estos pasos:

En la consola de Google Cloud, haz clic en el botón Redactar consulta nueva.
Ingresa la consulta de GoogleSQL anterior en el área de texto del Editor de consultas.
Haz clic en Ejecutar.

Paso tres (opcional): Visualiza la serie temporal que deseas prever

Antes de crear el modelo, es útil ver cómo se ve la serie temporal de entrada. Puedes hacerlo mediante Looker Studio.

En la siguiente consulta de GoogleSQL, la cláusula FROM bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily indica que consultas la tabla seattle_air_quality_daily en el conjunto de datos bqml_tutorial que acabas de crear.

#standardSQL
SELECT
  *
FROM
  `bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily`

Para ejecutar la consulta, sigue estos pasos:

En la consola de Google Cloud, haz clic en el botón Redactar consulta nueva.
Ingresa la siguiente consulta de GoogleSQL en el área de texto del Editor de consultas.
```
#standardSQL
SELECT
 *
FROM
 `bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily`
```
Haz clic en Ejecutar.

Después de que se ejecuta esta consulta, el resultado es similar a la siguiente captura de pantalla. En la captura de pantalla, puedes ver que esta serie temporal tiene 3960 datos. Haz clic en el botón Explorar datos y, luego, en Explorar con Looker Studio. Looker Studio se abre en una pestaña nueva. Completa los siguientes pasos en la pestaña nueva.

En el panel Gráfico, elige Gráfico de serie temporal (Time series chart):

En el panel SETUP, debajo del panel Gráfico, ve a la sección Métrica. Agrega los campos pm25, temperatura y wind_speed y, luego, quita la métrica predeterminada Conteo de registros. También puedes establecer un período personalizado, p. ej., del 1 de enero de 2019 al 31 de diciembre de 2021 para acortar la serie temporal. Esto se muestra en la siguiente figura.

Después de completar estos pasos, aparecerá el siguiente gráfico. El gráfico muestra que la serie temporal de entrada tiene un patrón estacional semanal.

Paso cuatro: Crea un modelo de serie temporal

A continuación, crea un modelo de serie temporal con los datos de calidad del aire anteriores. En la siguiente consulta de GoogleSQL, se crea un modelo que se usa para prever pm25.

La cláusula CREATE MODEL crea y entrena un modelo llamado bqml_tutorial.seattle_pm25_xreg_model.

#standardSQL
CREATE OR REPLACE
  MODEL
    `bqml_tutorial.seattle_pm25_xreg_model`
  OPTIONS (
    MODEL_TYPE = 'ARIMA_PLUS_XREG',
    time_series_timestamp_col = 'date',
    time_series_data_col = 'pm25')
AS
SELECT
  date,
  pm25,
  temperature,
  wind_speed
FROM
  `bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily`
WHERE
  date
  BETWEEN DATE('2012-01-01')
  AND DATE('2020-12-31')

La cláusula OPTIONS(model_type='ARIMA_PLUS_XREG', time_series_timestamp_col='date', ...) indica que creas un modelo ARIMA con un modelo de regresores externos. De forma predeterminada, auto_arima=TRUE, por lo que el algoritmo auto.ARIMA ajusta de forma automática los hiperparámetros en los modelos ARIMA_PLUS_XREG. El algoritmo se adapta a decenas de modelos de candidatos y elige el mejor con el criterio de información Akaike (AIC) más bajo. Además, debido a que el valor predeterminado es data_frequency='AUTO_FREQUENCY', el proceso de entrenamiento infiere de forma automática la frecuencia de datos de la serie temporal de entrada.

Ejecuta la consulta CREATE MODEL para crear y entrenar el modelo:

En la consola de Google Cloud, haz clic en el botón Redactar consulta nueva.
Ingresa la consulta de GoogleSQL anterior en el área de texto del Editor de consultas.
Haz clic en Ejecutar.

La consulta toma unos 20 segundos en completarse, después de eso, tu modelo (seattle_pm25_xreg_model) aparece en el panel de navegación. Debido a que en la consulta se usa una declaración CREATE MODEL para crear un modelo, no se muestran los resultados.

Paso cinco: Inspecciona las métricas de evaluación de todos los modelos evaluados

Después de crear el modelo, puedes usar la función ML.ARIMA_EVALUATE para ver las métricas de evaluación de todos los modelos candidatos que se evaluaron durante el proceso de ajuste automático de hiperparámetros.

En la siguiente consulta de GoogleSQL, la cláusula FROM usa la función ML.ARIMA_EVALUATE en el modelo, bqml_tutorial.seattle_pm25_xreg_model. De forma predeterminada, esta consulta muestra las métricas de evaluación de todos los modelos candidatos.

Para ejecutar la ML.ARIMA_EVALUATE, sigue estos pasos:

En la consola de Google Cloud, haz clic en el botón Redactar consulta nueva.

Ingresa la siguiente consulta de GoogleSQL en el área de texto del Editor de consultas.

#standardSQL
SELECT
 *
FROM
 ML.ARIMA_EVALUATE(MODEL `bqml_tutorial.seattle_pm25_xreg_model`)

Haz clic en Ejecutar.
Cuando la consulta finalice, haga clic en la pestaña Resultados (Results) debajo del área de texto de la consulta. Los resultados deberían ser similares a los de la siguiente captura de pantalla:

Los resultados incluyen las siguientes columnas:
- non_seasonal_p
- non_seasonal_d
- non_seasonal_q
- has_drift
- log_likelihood
- AIC
- variance
- seasonal_periods
- has_holiday_effect
- has_spikes_and_dips
- has_step_changes
- error_message
Las siguientes cuatro columnas (non_seasonal_{p,d,q} y has_drift) definen un modelo ARIMA en la canalización de entrenamiento. Las tres métricas posteriores (log_likelihood, AIC y variance) son relevantes para el proceso de ajuste del modelo ARIMA.

El algoritmo auto.ARIMA primero usa la prueba de KPSS para decidir que el mejor valor de non_seasonal_d es 1. Cuando non_seasonal_d es 1, auto.ARIMA entrena 42 candidatos diferentes de modelos ARIMA en paralelo. Ten en cuenta que, cuando non_seasonal_d no es 1, auto.ARIMA entrena 21 modelos candidatos diferentes. En este ejemplo, los 42 modelos candidatos son válidos. Por lo tanto, el resultado contiene 42 filas y cada una está asociada con un candidato de modelo ARIMA. Ten en cuenta que, para algunas series temporales, algunos modelos candidatos no son válidos, ya que no son invertibles o no son fijos. Estos modelos no válidos se excluyen del resultado, lo que hará que tenga menos de 42 filas. Estos modelos candidatos se ordenan por AIC en orden ascendente. El modelo de la primera fila tiene el AIC más bajo y se considera el mejor modelo. El mejor modelo se guarda como el modelo final y se usa cuando llamas a ML.FORECAST, ML.EVALUATE, y ML.ARIMA_COEFFICIENTS como se muestra en los siguientes pasos.

La columna seasonal_periods es el patrón estacional dentro de la serie temporal de entrada. No tiene nada que ver con el modelo ARIMA, por lo tanto, tiene el mismo valor en todas las filas de salida. Informa un patrón semanal, que está dentro de nuestras expectativas, como se describe en el paso dos.

Las columnas has_holiday_effect, has_spikes_and_dips y has_step_changes solo se propagan cuando decompose_time_series=TRUE. Se relacionan con el efecto, los aumentos y las disminuciones de las festividades, y los cambios de pasos dentro de la serie temporal de entrada, que no están relacionados con el modelo ARIMA. Por lo tanto, todas son iguales en todas las filas de salida, excepto en los modelos con fallas.

La columna error_message muestra el posible error generado durante el proceso de ajuste auto.ARIMA. Un motivo posible es que las columnas non_seasonal_p, non_seasonal_d, non_seasonal_q y has_drift seleccionadas no pueden estabilizar la serie temporal. Para recuperar el mensaje de error posible de todos los modelos candidatos, configura show_all_candidate_models=true.

Paso seis: Inspecciona los coeficientes del modelo

La función ML.ARIMA_COEFFICIENTS recupera los coeficientes del modelo ARIMA, bqml_tutorial.seattle_pm25_xreg_model. ML.ARIMA_COEFFICIENTS toma el modelo como la única entrada.

Ejecuta la consulta ML.ARIMA_COEFFICIENTS:

En la consola de Google Cloud, haz clic en el botón Redactar consulta nueva.

Ingresa la siguiente consulta de GoogleSQL en el área de texto del Editor de consultas.

#standardSQL
SELECT
 *
FROM
 ML.ARIMA_COEFFICIENTS(MODEL `bqml_tutorial.seattle_pm25_xreg_model`)

Haz clic en Ejecutar.

Los resultados deberían verse así:

Los resultados incluyen las siguientes columnas:
- ar_coefficients
- ma_coefficients
- intercept_or_drift
- processed_input
- weight
- category_weights.category
- category_weights.weight
ar_coefficients muestra los coeficientes del modelo de la parte autorregresiva (AR) del modelo ARIMA. De manera similar, ma_coefficients muestra los coeficientes del modelo de la parte de promedio móvil (MA). Ambos son arrays, cuyas longitudes son iguales a non_seasonal_p y non_seasonal_q, respectivamente. A partir del resultado de ML.ARIMA_EVALUATE, el mejor modelo de la fila superior tiene un non_seasonal_p de 0 y un non_seasonal_q de 5. Por lo tanto, ar_coefficients es un array vacío y ma_coefficients es un arreglo de longitud 5. El intercept_or_drift es el término constante en el modelo ARIMA.

processed_input y la columna weight y category_weights correspondiente muestran los pesos de cada atributo y la intercepción en el modelo de regresión lineal. Si el atributo es numérico, el peso se encuentra en la columna weight. Si el atributo es categórico, category_weights es un ARRAY de STRUCT, en el que STRUCT contiene los nombres y los pesos de las categorías.

Paso siete: Usa el modelo para prever la serie temporal

La función ML.FORECAST prevé valores de series temporales futuras con un intervalo de predicción mediante el modelo bqml_tutorial.seattle_pm25_xreg_model y los valores de atributos futuros.

En la siguiente consulta de GoogleSQL, la cláusula STRUCT(30 AS horizon, 0.8 AS confidence_level) indica que la consulta prevé 30 puntos futuros y genera un intervalo de predicción con un nivel de confianza del 80%. ML.FORECAST toma el modelo, los valores de atributos futuros y algunos argumentos opcionales.

Para ejecutar la consulta ML.FORECAST, sigue estos pasos:

En la consola de Google Cloud, haz clic en el botón Redactar consulta nueva.

Ingresa la siguiente consulta de GoogleSQL en el área de texto del Editor de consultas.

#standardSQL
SELECT
*
FROM
ML.FORECAST(
MODEL `bqml_tutorial.seattle_pm25_xreg_model`,
STRUCT(30 AS horizon, 0.8 AS confidence_level),
(
  SELECT
    date,
    temperature,
    wind_speed
  FROM
    `bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily`
  WHERE
    date > DATE('2020-12-31')
))

Haz clic en Ejecutar.

Los resultados deberían verse así:

Los resultados incluyen las siguientes columnas:
- forecast_timestamp
- forecast_value
- standard_error
- confidence_level
- prediction_interval_lower_bound
- prediction_interval_upper_bound
Las filas de salida se ordenan en orden cronológico de forecast_timestamp. En la previsión de series temporales, el intervalo de confianza, que capturan los límites inferior y superior, es tan importante como el forecast_value. El forecast_value es el punto medio del intervalo de confianza. El intervalo de confianza depende del standard_error y el confidence_level.

Paso ocho: Evalúa la exactitud de la previsión con datos reales

Para evaluar la exactitud de la previsión con los datos reales, puedes usar la función ML.EVALUATE con tu modelo, bqml_tutorial.seattle_pm25_xreg_model y la tabla de datos reales.

Para ejecutar la consulta ML.EVALUATE, sigue estos pasos:

En la consola de Google Cloud, haz clic en el botón Redactar consulta nueva.

Ingresa la siguiente consulta de GoogleSQL en el área de texto del Editor de consultas.

#standardSQL
SELECT
*
FROM
ML.EVALUATE(
MODEL `bqml_tutorial.seattle_pm25_xreg_model`,
(
  SELECT
    date,
    pm25,
    temperature,
    wind_speed
  FROM
    `bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily`
  WHERE
    date > DATE('2020-12-31')
),
STRUCT(
  TRUE AS perform_aggregation,
  30 AS horizon))

El segundo parámetro son los datos reales con las funciones futuras, que se usan para pronosticar los valores futuros y compararlos con los datos reales. El tercer parámetro es un struct de parámetros para esta función.

Haz clic en Ejecutar.

Los resultados deberían verse así:

Paso nueve: Explica los resultados de la previsión

Para comprender cómo se prevén las series temporales, la función ML.EXPLAIN_FORECAST prevé valores de series temporales futuras con un intervalo de predicción a través del modelo bqml_tutorial.seattle_pm25_xreg_model y, al mismo tiempo. time muestra todos los componentes separados de la serie temporal.

Al igual que la función ML.FORECAST, la cláusula STRUCT(30 AS horizon, 0.8 AS confidence_level) indica que la consulta prevé 30 puntos temporales futuros y genera un intervalo de predicción con una confianza del 80%. La función ML.EXPLAIN_FORECAST toma el modelo, los valores de atributos futuros y algunos argumentos opcionales como entrada.

Para ejecutar la consulta ML.EXPLAIN_FORECAST, sigue estos pasos:

En la consola de Google Cloud, haz clic en el botón Redactar consulta nueva.

Ingresa la siguiente consulta de GoogleSQL en el área de texto del Editor de consultas.

#standardSQL
SELECT
  *
FROM
  ML.EXPLAIN_FORECAST(
    MODEL `bqml_tutorial.seattle_pm25_xreg_model`,
    STRUCT(30 AS horizon, 0.8 AS confidence_level),
    (
      SELECT
        date,
        temperature,
        wind_speed
      FROM
        `bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily`
      WHERE
        date > DATE('2020-12-31')
    ))

Haz clic en Ejecutar.

La consulta toma menos de un segundo en completarse. Los resultados deberían verse como estos:

Los resultados incluyen las siguientes columnas:
- time_series_timestamp
- time_series_type
- time_series_data
- time_series_adjusted_data
- standard_error
- confidence_level
- prediction_interval_lower_bound
- prediction_interval_lower_bound
- trend
- seasonal_period_yearly
- seasonal_period_quarterly
- seasonal_period_monthly
- seasonal_period_weekly
- seasonal_period_daily
- holiday_effect
- spikes_and_dips
- step_changes
- residual
- attribution_temperature
- attribution_wind_speed
- attribution___INTERCEPT__
Las filas de salida se ordenan en orden cronológico de time_series_timestamp. Los diferentes componentes se enumeran como columnas del resultado. Para obtener más información, consulta ML.EXPLAIN_FORECAST.

Realiza una limpieza

Para evitar que se apliquen cargos a tu cuenta de Google Cloud por los recursos usados en este instructivo, borra el proyecto que contiene los recursos o conserva el proyecto y borra los recursos individuales.

Puedes borrar el proyecto que creaste.
De lo contrario, puedes mantener el proyecto y borrar el conjunto de datos.

Borra tu conjunto de datos

Borrar tu proyecto quita todos sus conjuntos de datos y tablas. Si prefieres volver a usar el proyecto, puedes borrar el conjunto de datos que creaste en este instructivo:

Si es necesario, abre la página de BigQuery en la consola de Google Cloud.

Ir a la página de BigQuery
En el panel de navegación, haz clic en el conjunto de datos bqml_tutorial que creaste.
Haz clic en Borrar conjunto de datos en el lado derecho de la ventana. Esta acción borra el conjunto de datos, la tabla y todos los datos.
En el cuadro de diálogo Borrar conjunto de datos, ingresa el nombre del conjunto de datos (bqml_tutorial) y, luego, haz clic en Borrar para confirmar el comando de borrado.

Borra tu proyecto

Para borrar el proyecto, haz lo siguiente:

Precaución: Borrar un proyecto tiene las siguientes consecuencias:

Se borra todo en el proyecto. Si usaste un proyecto existente para las tareas de este documento, cuando lo borres, también se borrará cualquier otro trabajo que hayas realizado en el proyecto.
Se pierden los ID personalizados de proyectos. Cuando creaste este proyecto, es posible que hayas creado un ID del proyecto personalizado que desees utilizar en el futuro. Para conservar las URL que utilizan el ID del proyecto, como una URL appspot.com, borra los recursos seleccionados dentro del proyecto en lugar de borrar todo el proyecto.

Si planeas explorar varias infraestructuras, instructivos y guías de inicio rápido la reutilización de proyectos puede ayudarte a evitar exceder los límites de las cuotas del proyecto.

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¿Qué sigue?

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Obtén información sobre cómo acelerar ARIMA_PLUS para habilitar el pronóstico de 1 millón de series temporales en horas.
Para obtener más información sobre el aprendizaje automático, consulta el Curso intensivo de aprendizaje automático.
Para obtener una descripción general de BigQuery ML, consulta Introducción a BigQuery ML.
Para obtener más información sobre la consola de Google Cloud, consulta Usa la consola de Google Cloud.