Prognosen für eine einzelne Zeitreihe mit einem multivariaten Modell erstellen


In dieser Anleitung erfahren Sie, wie Sie mit einem multivariaten Zeitreihenmodell den zukünftigen Wert für eine bestimmte Spalte anhand der bisherigen Werte mehrerer Eingabefeatures prognostizieren.

In dieser Anleitung wird eine einzelne Zeitreihe prognostiziert. Die prognostizierten Werte werden einmal für jeden Zeitpunkt in den Eingabedaten berechnet.

In dieser Anleitung werden Daten aus dem öffentlichen Dataset bigquery-public-data.epa_historical_air_quality verwendet. Dieses Dataset enthält Informationen zu Tageswerten für Feinstaub (PM2.5), Temperatur und Windgeschwindigkeit, die in mehreren US-Städten erfasst wurden.

Lernziele

In dieser Anleitung werden Sie durch die folgenden Aufgaben geführt:

  • Erstellen eines Zeitreihenmodells zur Prognose von PM2.5-Werten mit der CREATE MODEL-Anweisung
  • Mit der Funktion ML.ARIMA_EVALUATE die ARIMA-Informationen (Autoregressive Integrated Moving Average) im Modell bewerten
  • Mit der ML.ARIMA_COEFFICIENTS-Funktion die Modellkoeffizienten prüfen
  • Die prognostizierten PM2.5-Werte mithilfe der Funktion ML.FORECAST aus dem Modell abrufen.
  • Die Genauigkeit des Modells mit der Funktion ML.EVALUATE bewerten.
  • Komponenten der Zeitreihe wie Saisonabhängigkeit, Trend und Feature-Attributionen mithilfe der Funktion ML.EXPLAIN_FORECAST abrufen Sie können diese Zeitreihenkomponenten prüfen, um die prognostizierten Werte zu erklären.

Kosten

In dieser Anleitung werden kostenpflichtige Komponenten von Google Cloud verwendet, darunter:

  • BigQuery
  • BigQuery ML

Weitere Informationen zu den Kosten von BigQuery finden Sie auf der Seite BigQuery-Preise.

Weitere Informationen zu den Kosten für BigQuery ML finden Sie unter BigQuery ML-Preise.

Vorbereitung

  1. Sign in to your Google Cloud account. If you're new to Google Cloud, create an account to evaluate how our products perform in real-world scenarios. New customers also get $300 in free credits to run, test, and deploy workloads.
  2. In the Google Cloud console, on the project selector page, select or create a Google Cloud project.

    Go to project selector

  3. Make sure that billing is enabled for your Google Cloud project.

  4. In the Google Cloud console, on the project selector page, select or create a Google Cloud project.

    Go to project selector

  5. Make sure that billing is enabled for your Google Cloud project.

  6. BigQuery ist in neuen Projekten automatisch aktiviert. Zum Aktivieren von BigQuery in einem vorhandenen Projekt wechseln Sie zu

    Enable the BigQuery API.

    Enable the API

    .

Erforderliche Berechtigungen

  • Sie benötigen die IAM-Berechtigung bigquery.datasets.create, um das Dataset zu erstellen.
  • Zum Erstellen der Verbindungsressource benötigen Sie die folgenden Berechtigungen:

    • bigquery.connections.create
    • bigquery.connections.get
  • Zum Erstellen des Modells benötigen Sie die folgenden Berechtigungen:

    • bigquery.jobs.create
    • bigquery.models.create
    • bigquery.models.getData
    • bigquery.models.updateData
    • bigquery.connections.delegate
  • Zum Ausführen von Inferenzen benötigen Sie die folgenden Berechtigungen:

    • bigquery.models.getData
    • bigquery.jobs.create

Weitere Informationen zu IAM-Rollen und Berechtigungen in BigQuery finden Sie unter Einführung in IAM.

Dataset erstellen

Erstellen Sie ein BigQuery-Dataset, um Ihr ML-Modell zu speichern:

  1. Rufen Sie in der Google Cloud Console die Seite „BigQuery“ auf.

    Zur Seite „BigQuery“

  2. Klicken Sie im Bereich Explorer auf den Namen Ihres Projekts.

  3. Klicken Sie auf Aktionen ansehen > Dataset erstellen.

    Dataset erstellen

  4. Führen Sie auf der Seite Dataset erstellen die folgenden Schritte aus:

    • Geben Sie unter Dataset-ID bqml_tutorial ein.

    • Wählen Sie als Standorttyp die Option Mehrere Regionen und dann USA (mehrere Regionen in den USA) aus.

      Die öffentlichen Datasets sind am multiregionalen Standort US gespeichert. Der Einfachheit halber sollten Sie Ihr Dataset am selben Standort speichern.

    • Übernehmen Sie die verbleibenden Standardeinstellungen unverändert und klicken Sie auf Dataset erstellen.

      Seite "Dataset erstellen"

Tabelle mit Eingabedaten erstellen

Erstellen Sie eine Datentabelle, mit der Sie das Modell trainieren und bewerten können. In dieser Tabelle werden Spalten aus mehreren Tabellen im Dataset bigquery-public-data.epa_historical_air_quality kombiniert, um tägliche Wetterdaten bereitzustellen. Außerdem erstellen Sie die folgenden Spalten, die als Eingabevariablen für das Modell verwendet werden:

  • date: das Datum der Beobachtung
  • pm25: der durchschnittliche PM2.5-Wert je Tag
  • wind_speed: durchschnittliche Windgeschwindigkeit je Tag
  • temperature: Temperatur: die Höchsttemperatur je Tag

In der folgenden GoogleSQL-Abfrage gibt die FROM bigquery-public-data.epa_historical_air_quality.*_daily_summary-Klausel an, dass Sie die *_daily_summary-Tabellen im epa_historical_air_quality-Dataset abfragen. Diese Tabellen sind partitionierte Tabellen.

So erstellen Sie die Tabelle mit den Eingabedaten:

  1. Öffnen Sie in der Google Cloud Console die Seite BigQuery.

    BigQuery aufrufen

  2. Fügen Sie die folgende Abfrage in den Abfrageeditor ein und klicken Sie auf Ausführen:

    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);

Eingabedaten visualisieren

Bevor Sie das Modell erstellen, können Sie Ihre Eingabezeitreihendaten optional visualisieren, um sich ein Bild von der Verteilung zu machen. Verwenden Sie dazu Looker Studio.

So visualisieren Sie die Zeitreihendaten:

  1. Öffnen Sie in der Google Cloud Console die Seite BigQuery.

    BigQuery aufrufen

  2. Fügen Sie die folgende Abfrage in den Abfrageeditor ein und klicken Sie auf Ausführen:

    SELECT
      *
    FROM
      `bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily`;
  3. Klicken Sie nach Abschluss der Abfrage auf Daten auswerten > Mit Looker Studio auswerten. Looker Studio wird in einem neuen Tab geöffnet. Führen Sie die folgenden Schritte in dem neuen Tab aus.

  4. Klicken Sie in Looker Studio auf Einfügen > Zeitreihendiagramm.

  5. Wählen Sie im Bereich Diagramm den Tab Einrichtung aus.

  6. Fügen Sie im Bereich Messwert die Felder pm25, temperature und wind_speed hinzu und entfernen Sie den Standardmesswert Anzahl der Datensätze. Das Diagramm sieht dann ungefähr so aus:

    Diagramm mit Wetterdaten im Zeitverlauf

    Im Diagramm sehen Sie, dass die Eingabezeitreihe ein wöchentliches saisonales Muster aufweist.

Zeitreihenmodell erstellen

Erstellen Sie ein Zeitreihenmodell, um Partikelwerte, die in der Spalte pm25 dargestellt sind, mit den Spaltenwerten pm25, wind_speed und temperature als Eingabevariablen vorherzusagen. Trainieren Sie das Modell mit den Luftqualitätsdaten aus der Tabelle bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily. Wählen Sie dazu die Daten aus, die zwischen dem 1. Januar 2012 und dem 31. Dezember 2020 erfasst wurden.

In der folgenden Abfrage gibt die Klausel OPTIONS(model_type='ARIMA_PLUS_XREG', time_series_timestamp_col='date', ...) an, dass Sie ein ARIMA-Modell mit externen Regressoren erstellen. Die Option auto_arima der CREATE MODEL-Anweisung ist standardmäßig auf TRUE festgelegt. Daher stimmt der auto.ARIMA-Algorithmus die Hyperparameter im Modell automatisch ab. Der Algorithmus passt Dutzende von Kandidatenmodellen an und wählt das beste Modell mit dem niedrigsten Akaike-Informationskriterium (AIC) aus. Die Option data_frequency der CREATE MODEL-Anweisungen hat standardmäßig den Wert AUTO_FREQUENCY. Daher wird die Datenhäufigkeit der Eingabezeitreihe automatisch im Trainingsprozess abgeleitet.

So erstellen Sie das Modell:

  1. Öffnen Sie in der Google Cloud Console die Seite BigQuery.

    BigQuery aufrufen

  2. Fügen Sie die folgende Abfrage in den Abfrageeditor ein und klicken Sie auf Ausführen:

    CREATE OR REPLACE
      MODEL
        `bqml_tutorial.seattle_pm25_xreg_model`
      OPTIONS (
        MODEL_TYPE = 'ARIMA_PLUS_XREG',
        time_series_timestamp_col = 'date',  # Identifies the column that contains time points
        time_series_data_col = 'pm25')       # Identifies the column to forecast
    AS
    SELECT
      date,                                  # The column that contains time points
      pm25,                                  # The column to forecast
      temperature,                           # Temperature input to use in forecasting
      wind_speed                             # Wind speed input to use in forecasting
    FROM
      `bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily`
    WHERE
      date
      BETWEEN DATE('2012-01-01')
      AND DATE('2020-12-31');

    Die Abfrage dauert ungefähr 20 Sekunden. Anschließend wird das Modell seattle_pm25_xreg_model im Bereich Explorer angezeigt. Da die Abfrage eine CREATE MODEL-Anweisung zum Erstellen eines Modells verwendet, werden keine Abfrageergebnisse ausgegeben.

Kandidatenmodelle bewerten

Bewerten Sie die Zeitreihenmodelle mit der Funktion ML.ARIMA_EVALUATE. Die ML.ARIMA_EVALUATE-Funktion zeigt die Bewertungsmesswerte aller infrage kommenden Modelle an, die während der automatischen Hyperparameter-Abstimmung bewertet wurden.

So bewerten Sie das Modell:

  1. Öffnen Sie in der Google Cloud Console die Seite BigQuery.

    BigQuery aufrufen

  2. Fügen Sie die folgende Abfrage in den Abfrageeditor ein und klicken Sie auf Ausführen:

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

    Die Antwort sollte in etwa so aussehen:

    Bewertungsmesswerte für das Zeitreihenmodell.

    Die Ausgabespalten non_seasonal_p, non_seasonal_d, non_seasonal_q und has_drift definieren ein ARIMA-Modell in der Trainingspipeline. Die Ausgabespalten log_likelihood, AIC und variance sind für den ARIMA-Modellanpassungsprozess relevant.

    Der auto.ARIMA-Algorithmus verwendet den KPSS-Test, um den besten Wert für non_seasonal_d zu ermitteln, in diesem Fall 1. Wenn non_seasonal_d 1 ist, trainiert der auto.ARIMA-Algorithmus 42 verschiedene ARIMA-Kandidatenmodelle parallel. In diesem Beispiel sind alle 42 Kandidatenmodelle gültig. Die Ausgabe enthält daher 42 Zeilen, eine für jedes ARIMA-Kandidatenmodell. Wenn einige der Modelle ungültig sind, werden sie von der Ausgabe ausgeschlossen. Diese Kandidatenmodelle werden in aufsteigender Reihenfolge nach AIC zurückgegeben. Das Modell in der ersten Zeile hat den niedrigsten AIC und gilt als bestes Modell. Das beste Modell wird als endgültiges Modell gespeichert und verwendet, wenn Sie Funktionen wie ML.FORECAST auf dem Modell aufrufen.

    Die Spalte seasonal_periods enthält Informationen zum saisonalen Muster, das in den Zeitreihendaten identifiziert wurde. Es hat nichts mit der ARIMA-Modellierung zu tun und hat daher in allen Ausgabezeilen denselben Wert. Es wird ein wöchentliches Muster angezeigt, das mit den Ergebnissen übereinstimmt, die Sie gesehen haben, wenn Sie sich entschieden haben, die Eingabedaten zu visualisieren.

    Die Spalten has_holiday_effect, has_spikes_and_dips und has_step_changes enthalten Informationen zu den Eingabezeitreihendaten und haben keinen Bezug zur ARIMA-Modellierung. Diese Spalten werden zurückgegeben, weil der Wert der Option decompose_time_series in der CREATE MODEL-Anweisung TRUE ist. Außerdem haben diese Spalten in allen Ausgabezeilen dieselben Werte.

    Die Spalte error_message enthält alle Fehler, die bei der auto.ARIMA-Anpassung aufgetreten sind. Ein möglicher Grund für Fehler ist, dass die ausgewählten Spalten non_seasonal_p, non_seasonal_d, non_seasonal_q und has_drift die Zeitachse nicht stabilisieren können. Wenn Sie die Fehlermeldung aller Kandidatenmodelle abrufen möchten, legen Sie beim Erstellen des Modells die Option show_all_candidate_models auf TRUE fest.

    Weitere Informationen zu den Ausgabespalten finden Sie unter ML.ARIMA_EVALUATE-Funktion.

Koeffizienten des Modells prüfen

Prüfen Sie mit der Funktion ML.ARIMA_COEFFICIENTS die Koeffizienten des Zeitreihenmodells.

So rufen Sie die Koeffizienten des Modells ab:

  1. Öffnen Sie in der Google Cloud Console die Seite BigQuery.

    BigQuery aufrufen

  2. Fügen Sie die folgende Abfrage in den Abfrageeditor ein und klicken Sie auf Ausführen:

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

    Die Antwort sollte in etwa so aussehen:

    Koeffizienten für das Zeitreihenmodell.

    Die Ausgabespalte ar_coefficients enthält die Modellkoeffizienten des autoregressiven (AR) Teils des ARIMA-Modells. Ähnlich enthält die Ausgabespalte ma_coefficients die Modellkoeffizienten des gleitenden Durchschnitts (Moving Average, MA) des ARIMA-Modells. Beide Spalten enthalten Arrays, deren Länge non_seasonal_p bzw. non_seasonal_q entspricht. In der Ausgabe der Funktion ML.ARIMA_EVALUATE haben Sie gesehen, dass das beste Modell einen non_seasonal_p-Wert von 0 und einen non_seasonal_q-Wert von 5 hat. Daher ist in der Ausgabe von ML.ARIMA_COEFFICIENTS der Wert ar_coefficients ein leeres Array und der Wert ma_coefficients ein Array mit fünf Elementen. Der Wert intercept_or_drift ist der konstante Begriff im ARIMA-Modell.

    In den Ausgabespalten processed_input, weight und category_weights sind die Gewichtungen für jedes Feature und der Achsenabschnitt im linearen Regressionsmodell zu sehen. Wenn es sich um ein numerisches Feature handelt, wird die Gewichtung in der weight-Spalte angezeigt. Wenn es sich bei dem Feature um ein kategorisches Feature handelt, ist category_weights ein Array von Strukturwerten, wobei jeder Strukturwert den Namen und das Gewicht einer bestimmten Kategorie enthält.

    Weitere Informationen zu den Ausgabespalten finden Sie unter ML.ARIMA_COEFFICIENTS-Funktion.

Mit dem Modell Daten prognostizieren

Mit der Funktion ML.FORECAST können Sie zukünftige Zeitreihenwerte prognostizieren.

In der folgenden GoogleSQL-Abfrage gibt die STRUCT(30 AS horizon, 0.8 AS confidence_level)-Klausel an, dass die Abfrage 30 zukünftige Zeitpunkte prognostiziert und ein Vorhersageintervall mit einem Konfidenzniveau von 80 % generiert.

So prognostizieren Sie Daten mit dem Modell:

  1. Öffnen Sie in der Google Cloud Console die Seite BigQuery.

    BigQuery aufrufen

  2. Fügen Sie die folgende Abfrage in den Abfrageeditor ein und klicken Sie auf Ausführen:

    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')
        ));

    Die Antwort sollte in etwa so aussehen:

    Die prognostizierten Ergebnisse aus dem Zeitreihenmodell.

    Die Ausgabezeilen sind nach dem Wert der Spalte forecast_timestamp in chronologischer Reihenfolge angeordnet. Bei der Zeitreihenprognose ist das Vorhersageintervall, das durch die Spaltenwerte prediction_interval_lower_bound und prediction_interval_upper_bound dargestellt wird, genauso wichtig wie der Spaltenwert forecast_value. Der Wert forecast_value ist der Mittelpunkt des Vorhersageintervalls. Das Vorhersageintervall hängt von den Spaltenwerten standard_error und confidence_level ab.

    Weitere Informationen zu den Ausgabespalten finden Sie unter ML.FORECAST-Funktion.

Genauigkeit der Prognosen bewerten

Mit der Funktion ML.EVALUATE können Sie die Vorhersagegenauigkeit des Modells bewerten.

In der folgenden GoogleSQL-Abfrage enthält die zweite SELECT-Anweisung die Daten mit den zukünftigen Features, die für die Prognose der zukünftigen Werte mit den tatsächlichen Daten verwendet werden.

So bewerten Sie die Genauigkeit des Modells:

  1. Öffnen Sie in der Google Cloud Console die Seite BigQuery.

    BigQuery aufrufen

  2. Fügen Sie die folgende Abfrage in den Abfrageeditor ein und klicken Sie auf Ausführen:

    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));

    Die Ergebnisse sollten in etwa so aussehen:

    Bewertungsmesswerte für das Modell.

    Weitere Informationen zu den Ausgabespalten finden Sie unter ML.EVALUATE-Funktion.

Prognoseergebnisse erklären

Mit der Funktion ML.EXPLAIN_FORECAST können Sie zusätzlich zu Prognosedaten auch Erklärbarkeitsmesswerte abrufen. Die Funktion ML.EXPLAIN_FORECAST prognostiziert zukünftige Zeitreihenwerte und gibt auch alle einzelnen Komponenten der Zeitreihe zurück.

Ähnlich wie bei der Funktion ML.FORECAST gibt die Klausel STRUCT(30 AS horizon, 0.8 AS confidence_level), die in der Funktion ML.EXPLAIN_FORECAST verwendet wird, an, dass die Abfrage 30 zukünftige Zeitpunkte prognostiziert und ein Vorhersageintervall mit einer Konfidenz von 80% generiert.

So erklären Sie die Ergebnisse des Modells:

  1. Öffnen Sie in der Google Cloud Console die Seite BigQuery.

    BigQuery aufrufen

  2. Fügen Sie die folgende Abfrage in den Abfrageeditor ein und klicken Sie auf Ausführen:

    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')
        ));

    Die Antwort sollte in etwa so aussehen:

    Die ersten neun Ausgabespalten mit prognostizierten Daten und Prognoseerläuterungen. Die zehnte bis siebzehnte Ausgabespalte mit prognostizierten Daten und Prognoseerläuterungen. Die letzten sechs Ausgabespalten mit prognostizierten Daten und Erklärungen zur Prognose.

    Die Ausgabezeilen sind nach dem Spaltenwert time_series_timestamp chronologisch sortiert.

    Weitere Informationen zu den Ausgabespalten finden Sie unter ML.EXPLAIN_FORECAST-Funktion.

Bereinigen

Damit Ihrem Google Cloud-Konto die in dieser Anleitung verwendeten Ressourcen nicht in Rechnung gestellt werden, löschen Sie entweder das Projekt, das die Ressourcen enthält, oder Sie behalten das Projekt und löschen die einzelnen Ressourcen.

  • Sie können das von Ihnen erstellte Projekt löschen.
  • Sie können das Projekt aber auch behalten und das Dataset löschen.

Dataset löschen

Wenn Sie Ihr Projekt löschen, werden alle Datasets und Tabellen entfernt. Wenn Sie das Projekt wieder verwenden möchten, können Sie das in dieser Anleitung erstellte Dataset löschen:

  1. Rufen Sie, falls erforderlich, die Seite "BigQuery" in der Google Cloud Console auf.

    Zur Seite "BigQuery"

  2. Wählen Sie im Navigationsbereich das Dataset bqml_tutorial aus, das Sie erstellt haben.

  3. Klicken Sie rechts im Fenster auf Delete dataset (Dataset löschen). Dadurch werden das Dataset, die Tabelle und alle Daten gelöscht.

  4. Bestätigen Sie im Dialogfeld Dataset löschen den Löschbefehl. Geben Sie dazu den Namen des Datasets (bqml_tutorial) ein und klicken Sie auf Löschen.

Projekt löschen

So löschen Sie das Projekt:

  1. In the Google Cloud console, go to the Manage resources page.

    Go to Manage resources

  2. In the project list, select the project that you want to delete, and then click Delete.
  3. In the dialog, type the project ID, and then click Shut down to delete the project.

Nächste Schritte