Prévoir une seule série temporelle avec un modèle univarié

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Ce tutoriel vous explique comment utiliser un modèle de série temporelle univariée pour prévoir la valeur future d'une colonne donnée en fonction des valeurs historiques de cette colonne.

Ce tutoriel prévoit une seule série temporelle. Les valeurs de prévision sont calculées une fois pour chaque point temporel des données d'entrée.

Ce tutoriel utilise les données de l'exemple de table bigquery-public-data.google_analytics_sample.ga_sessions publique. Ce tableau contient des données d'e-commerce masquées provenant du Google Merchandise Store.

Objectifs

Ce tutoriel vous guide à travers les tâches suivantes:

• Créer un modèle de série temporelle pour prévoir le trafic du site à l'aide de l'instruction CREATE MODEL
• Évaluer les informations de la moyenne mobile intégrée autorégressive (ARIMA) dans le modèle à l'aide de la fonction ML.ARIMA_EVALUATE.
• Inspecter les coefficients du modèle à l'aide de la fonction ML.ARIMA_COEFFICIENTS
• Récupérez les informations sur le trafic du site prévues à partir du modèle à l'aide de la fonction ML.FORECAST.
• Récupération des composants de la série temporelle, tels que la saisonnalité et la tendance, à l'aide de la fonction ML.EXPLAIN_FORECAST. Vous pouvez inspecter ces composants de série temporelle afin d'expliquer les valeurs prévues.

Coûts

Ce tutoriel utilise des composants facturables de Google Cloud, y compris les suivants:

• BigQuery
• BigQuery ML

Pour plus d'informations sur les coûts de BigQuery, consultez la page Tarifs de BigQuery.

Pour en savoir plus sur les coûts associés à BigQuery ML, consultez la page Tarifs de BigQuery ML.

Avant de commencer

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.

   Note: If you don't plan to keep the resources that you create in this procedure, create a project instead of selecting an existing project. After you finish these steps, you can delete the project, removing all resources associated with the 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.

   Note: If you don't plan to keep the resources that you create in this procedure, create a project instead of selecting an existing project. After you finish these steps, you can delete the project, removing all resources associated with the project.

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

6. BigQuery est automatiquement activé dans les nouveaux projets. Pour activer BigQuery dans un projet préexistant, accédez à .

   Enable the BigQuery API.

   Enable the API

Autorisations requises

• Pour créer l'ensemble de données, vous devez disposer de l'autorisation IAM bigquery.datasets.create.

• Pour créer la ressource de connexion, vous devez disposer des autorisations suivantes :

  • bigquery.connections.create
  • bigquery.connections.get

• Pour créer le modèle, vous avez besoin des autorisations suivantes :

  • bigquery.jobs.create
  • bigquery.models.create
  • bigquery.models.getData
  • bigquery.models.updateData
  • bigquery.connections.delegate

• Pour exécuter une inférence, vous devez disposer des autorisations suivantes :

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

Pour plus d'informations sur les rôles et les autorisations IAM dans BigQuery, consultez la page Présentation d'IAM.

Créer un ensemble de données

Vous allez créer un ensemble de données BigQuery pour stocker votre modèle de ML :

1. Dans la console Google Cloud , accédez à la page BigQuery.

   Accéder à la page "BigQuery"

2. Dans le volet Explorateur, cliquez sur le nom de votre projet.

3. Cliquez sur Afficher les actions > Créer un ensemble de données.

   

4. Sur la page Créer un ensemble de données, procédez comme suit :

   • Dans le champ ID de l'ensemble de données, saisissez bqml_tutorial.

   • Pour Type d'emplacement, sélectionnez Multirégional, puis sélectionnez US (plusieurs régions aux États-Unis).

     Les ensembles de données publics sont stockés dans l'emplacement multirégional US. Par souci de simplicité, stockez votre ensemble de données dans le même emplacement.

   • Conservez les autres paramètres par défaut, puis cliquez sur Créer un ensemble de données.

     

Visualiser les données d'entrée

Avant de créer le modèle, vous pouvez éventuellement visualiser vos données de série temporelle d'entrée pour avoir une idée de la distribution. Pour ce faire, utilisez Looker Studio.

Pour visualiser les données de série temporelle:

SQL

Dans la requête GoogleSQL suivante, l'instruction SELECT analyse la colonne date de la table d'entrée avec le type TIMESTAMP et la renomme parsed_date. Elle utilise la clause SUM(...) et la clause GROUP BY date pour créer une valeur totals.visits quotidienne.

1. Dans la console Google Cloud , accédez à la page BigQuery.

   Accéder à BigQuery

2. Dans l'éditeur de requête, collez la requête suivante, puis cliquez sur Exécuter:

   SELECT
   PARSE_TIMESTAMP("%Y%m%d", date) AS parsed_date,
   SUM(totals.visits) AS total_visits
   FROM
   `bigquery-public-data.google_analytics_sample.ga_sessions_*`
   GROUP BY date;

   1. Une fois la requête terminée, cliquez sur Explorer les données > Explorer avec Looker Studio. Looker Studio s'ouvre dans un nouvel onglet. Procédez comme suit dans le nouvel onglet.

   2. Dans Looker Studio, cliquez sur Insérer > Graphique de séries temporelles.

   3. Dans le volet Graphique, sélectionnez l'onglet Configuration.

   4. Dans la section Métrique, ajoutez le champ total_visits, puis supprimez la métrique par défaut Record Count (Nombre d'enregistrements). Le graphique obtenu ressemble à ceci:

      

      En examinant le graphique, vous pouvez voir que la série temporelle d'entrée présente une tendance saisonnière hebdomadaire.

      Remarque :Pour en savoir plus sur l'assistance Looker Studio, consultez la page Intégrations de l'assistance Looker avec Google Cloud.

BigQuery DataFrames

Avant d'essayer cet exemple, suivez les instructions de configuration pour BigQuery DataFrames du guide de démarrage rapide de BigQuery DataFrames. Pour en savoir plus, consultez la documentation de référence sur BigQuery DataFrames.

Pour vous authentifier auprès de BigQuery, configurez le service Identifiants par défaut de l'application. Pour en savoir plus, consultez Configurer l'ADC pour un environnement de développement local.

import bigframes.pandas as bpd

# Start by loading the historical data from BigQuerythat you want to analyze and forecast.
# This clause indicates that you are querying the ga_sessions_* tables in the google_analytics_sample dataset.
# Read and visualize the time series you want to forecast.
df = bpd.read_gbq("bigquery-public-data.google_analytics_sample.ga_sessions_*")
parsed_date = bpd.to_datetime(df.date, format="%Y%m%d", utc=True)
parsed_date.name = "parsed_date"
visits = df["totals"].struct.field("visits")
visits.name = "total_visits"
total_visits = visits.groupby(parsed_date).sum()

# Expected output: total_visits.head()
# parsed_date
# 2016-08-01 00:00:00+00:00    1711
# 2016-08-02 00:00:00+00:00    2140
# 2016-08-03 00:00:00+00:00    2890
# 2016-08-04 00:00:00+00:00    3161
# 2016-08-05 00:00:00+00:00    2702
# Name: total_visits, dtype: Int64

total_visits.plot.line()

Le résultat ressemble à ce qui suit :

Créer le modèle de série temporelle

Créez un modèle de série temporelle pour prévoir le nombre total de visites sur le site, comme indiqué par la colonne totals.visits, et entraînez-le sur les données Google Analytics 360.

SQL

Dans la requête suivante, la clause OPTIONS(model_type='ARIMA_PLUS', time_series_timestamp_col='date', ...) indique que vous créez un modèle de série temporelle basé sur ARIMA. L'option auto_arima de l'instruction CREATE MODEL est définie par défaut sur TRUE. L'algorithme auto.ARIMA ajuste donc automatiquement les hyperparamètres du modèle. L'algorithme s'adapte à des dizaines de modèles candidats et choisit le meilleur d'entre eux, qui présente l'AIC (Akaike information criterion) le plus faible. L'option data_frequency des instructions CREATE MODEL est définie par défaut sur AUTO_FREQUENCY. Le processus d'entraînement déduit donc automatiquement la fréquence des données de la série temporelle d'entrée. L'option decompose_time_series de l'instruction CREATE MODEL est définie par défaut sur TRUE, de sorte que des informations sur les données de série temporelle soient renvoyées lorsque vous évaluez le modèle à l'étape suivante.

Pour créer le modèle, procédez comme suit:

1. Dans la console Google Cloud , accédez à la page BigQuery.

   Accéder à BigQuery

2. Dans l'éditeur de requête, collez la requête suivante, puis cliquez sur Exécuter:

   CREATE OR REPLACE MODEL `bqml_tutorial.ga_arima_model`
   OPTIONS
   (model_type = 'ARIMA_PLUS',
    time_series_timestamp_col = 'parsed_date',
    time_series_data_col = 'total_visits',
    auto_arima = TRUE,
    data_frequency = 'AUTO_FREQUENCY',
    decompose_time_series = TRUE
   ) AS
   SELECT
   PARSE_TIMESTAMP("%Y%m%d", date) AS parsed_date,
   SUM(totals.visits) AS total_visits
   FROM
   `bigquery-public-data.google_analytics_sample.ga_sessions_*`
   GROUP BY date;

   L'exécution de la requête prend environ quatre secondes, après quoi le modèle ga_arima_model apparaît dans le volet Explorer. Étant donné que la requête utilise une instruction CREATE MODEL pour créer un modèle, les résultats de la requête ne sont pas affichés.

Remarque :Vous vous demandez peut-être si les périodes de vacances aux États-Unis ont un impact sur la série temporelle. Vous pouvez essayer de définir l'option holiday_region de l'instruction CREATE MODEL sur US. Cette option permet une modélisation plus précise des périodes de vacances, si la série temporelle comporte des tendances saisonnières.

BigQuery DataFrames

Avant d'essayer cet exemple, suivez les instructions de configuration pour BigQuery DataFrames du guide de démarrage rapide de BigQuery DataFrames. Pour en savoir plus, consultez la documentation de référence sur BigQuery DataFrames.

Pour vous authentifier auprès de BigQuery, configurez le service Identifiants par défaut de l'application. Pour en savoir plus, consultez Configurer l'ADC pour un environnement de développement local.

from bigframes.ml import forecasting
import bigframes.pandas as bpd

# Create a time series model to forecast total site visits:
# The auto_arima option defaults to True, so the auto.ARIMA algorithm automatically
# tunes the hyperparameters in the model.
# The data_frequency option defaults to 'auto_frequency so the training
# process automatically infers the data frequency of the input time series.
# The decompose_time_series option defaults to True, so that information about
# the time series data is returned when you evaluate the model in the next step.
model = forecasting.ARIMAPlus()
model.auto_arima = True
model.data_frequency = "auto_frequency"
model.decompose_time_series = True

# Use the data loaded in the previous step to fit the model
training_data = total_visits.to_frame().reset_index(drop=False)

X = training_data[["parsed_date"]]
y = training_data[["total_visits"]]

model.fit(X, y)

Évaluer les modèles candidats

Évaluez les modèles de séries temporelles à l'aide de la fonction ML.ARIMA_EVALUATE. La fonction ML.ARIMA_EVALUATE affiche les métriques d'évaluation de tous les modèles candidats évalués lors du processus de réglage automatique des hyperparamètres.

Pour évaluer le modèle, procédez comme suit:

1. Dans la console Google Cloud , accédez à la page BigQuery.

   Accéder à BigQuery

2. Dans l'éditeur de requête, collez la requête suivante, puis cliquez sur Exécuter:

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

   Le résultat doit ressembler à ce qui suit :

   

   Les colonnes de sortie non_seasonal_p, non_seasonal_d, non_seasonal_q et has_drift définissent un modèle ARIMA dans le pipeline d'entraînement. Les colonnes de sortie log_likelihood, AIC et variance sont pertinentes pour le processus d'ajustement du modèle ARIMA.

   L'algorithme auto.ARIMA utilise le test KPSS pour déterminer la meilleure valeur pour non_seasonal_d, qui est 1 dans ce cas. Lorsque non_seasonal_d est 1, l'algorithme auto.ARIMA entraîne 42 modèles ARIMA candidats différents en parallèle. Dans cet exemple, les 42 modèles candidats sont valides. La sortie contient donc 42 lignes, une pour chaque modèle ARIMA candidat. Si certains des modèles ne sont pas valides, ils sont exclus de la sortie. Ces modèles candidats sont renvoyés par ordre croissant de l'AIC. Le modèle de la première ligne présente l'AIC le plus bas, et il est considéré comme le meilleur modèle. Le meilleur modèle est enregistré en tant que modèle final et est utilisé lorsque vous appelez des fonctions telles que ML.FORECAST sur le modèle.

   La colonne seasonal_periods contient des informations sur la tendance saisonnière identifiée dans les données de la série temporelle. Il n'a rien à voir avec la modélisation ARIMA. Par conséquent, il présente la même valeur sur toutes les lignes de sortie. Il indique une tendance hebdomadaire, qui correspond aux résultats que vous avez obtenus si vous avez choisi de visualiser les données d'entrée.

   Les colonnes has_holiday_effect, has_spikes_and_dips et has_step_changes ne sont renseignées que lorsque decompose_time_series=TRUE. Ces colonnes reflètent également des informations sur les données de série temporelle d'entrée et ne sont pas liées à la modélisation ARIMA. Ces colonnes ont également les mêmes valeurs pour toutes les lignes de sortie.

   La colonne error_message indique les erreurs qui se sont produites lors du processus d'ajustement auto.ARIMA. Cela peut s'expliquer par le fait que les colonnes non_seasonal_p, non_seasonal_d, non_seasonal_q et has_drift sélectionnées ne peuvent pas stabiliser la série temporelle. Pour récupérer le message d'erreur de tous les modèles candidats, définissez l'option show_all_candidate_models sur TRUE lorsque vous créez le modèle.

   Pour en savoir plus sur les colonnes de sortie, consultez la section Fonction ML.ARIMA_EVALUATE.

Inspecter les coefficients du modèle

Inspectez les coefficients du modèle de série temporelle à l'aide de la fonction ML.ARIMA_COEFFICIENTS.

Pour récupérer les coefficients du modèle, procédez comme suit:

1. Dans la console Google Cloud , accédez à la page BigQuery.

   Accéder à BigQuery

2. Dans l'éditeur de requête, collez la requête suivante, puis cliquez sur Exécuter:

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

   Le résultat doit ressembler à ce qui suit :

   

   La colonne de sortie ar_coefficients affiche les coefficients de modèle de la partie autorégressive (AR) du modèle ARIMA. De même, la colonne de sortie ma_coefficients affiche les coefficients de modèle de la partie moyenne mobile (MA) du modèle ARIMA. Ces deux colonnes contiennent des valeurs de tableau, dont la longueur est respectivement égale à non_seasonal_p et non_seasonal_q. Dans la sortie de la fonction ML.ARIMA_EVALUATE, vous avez vu que le meilleur modèle a une valeur non_seasonal_p de 2 et une valeur non_seasonal_q de 3. Par conséquent, dans la sortie ML.ARIMA_COEFFICIENTS, la valeur ar_coefficients est un tableau à deux éléments et la valeur ma_coefficients est un tableau à trois éléments. La valeur intercept_or_drift correspond au terme constant dans le modèle ARIMA.

   Pour en savoir plus sur les colonnes de sortie, consultez la section Fonction ML.ARIMA_COEFFICIENTS.

Utiliser le modèle pour prévoir des données

Prévoyez les valeurs futures de la série temporelle à l'aide de la fonction ML.FORECAST.

Dans la requête GoogleSQL suivante, la clause STRUCT(30 AS horizon, 0.8 AS confidence_level) indique que la requête prévoit 30 points temporels futurs et génère un intervalle de prédiction avec un niveau de confiance de 80 %.

Pour prévoir des données avec le modèle, procédez comme suit:

1. Dans la console Google Cloud , accédez à la page BigQuery.

   Accéder à BigQuery

2. Dans l'éditeur de requête, collez la requête suivante, puis cliquez sur Exécuter:

   SELECT
    *
   FROM
    ML.FORECAST(MODEL `bqml_tutorial.ga_arima_model`,
                STRUCT(30 AS horizon, 0.8 AS confidence_level));

   Le résultat doit ressembler à ce qui suit :

   

   Les lignes de sortie sont triées par ordre chronologique en fonction de la valeur de la colonne forecast_timestamp. Dans les prévisions de séries temporelles, l'intervalle de prédiction, représenté par les valeurs des colonnes prediction_interval_lower_bound et prediction_interval_upper_bound, est aussi important que la valeur de la colonne forecast_value. La valeur forecast_value correspond au point central de l'intervalle de prédiction. L'intervalle de prédiction dépend des valeurs des colonnes standard_error et confidence_level.

   Pour en savoir plus sur les colonnes de sortie, consultez la section Fonction ML.FORECAST.

Expliquer les résultats des prévisions

Vous pouvez obtenir des métriques d'explicabilité en plus des données de prévision à l'aide de la fonction ML.EXPLAIN_FORECAST. La fonction ML.EXPLAIN_FORECAST prédit les valeurs futures des séries temporelles et renvoie également tous les composants distincts de la série temporelle.

Comme la fonction ML.FORECAST, la clause STRUCT(30 AS horizon, 0.8 AS confidence_level) utilisée dans la fonction ML.EXPLAIN_FORECAST indique que la requête prévoit 30 points temporels futurs et génère un intervalle de prédiction avec un indice de confiance de 80 %.

Pour expliquer les résultats du modèle, procédez comme suit:

1. Dans la console Google Cloud , accédez à la page BigQuery.

   Accéder à BigQuery

2. Dans l'éditeur de requête, collez la requête suivante, puis cliquez sur Exécuter:

   SELECT
    *
   FROM
    ML.EXPLAIN_FORECAST(MODEL `bqml_tutorial.ga_arima_model`,
      STRUCT(30 AS horizon, 0.8 AS confidence_level));

   Le résultat doit ressembler à ce qui suit :

   

   Les lignes de sortie sont triées chronologiquement par la valeur de la colonne time_series_timestamp.

   Pour en savoir plus sur les colonnes de sortie, consultez la section Fonction ML.EXPLAIN_FORECAST.

   Si vous souhaitez visualiser les résultats, vous pouvez utiliser Looker Studio comme décrit dans la section Visualiser les données d'entrée pour créer un graphique, en utilisant les colonnes suivantes comme métriques:

   • time_series_data
   • prediction_interval_lower_bound
   • prediction_interval_upper_bound
   • trend
   • seasonal_period_weekly
   • step_changes

Effectuer un nettoyage

Pour éviter que les ressources utilisées lors de ce tutoriel soient facturées sur votre compte Google Cloud, supprimez le projet contenant les ressources, ou conservez le projet et supprimez les ressources individuelles.

• Supprimez le projet que vous avez créé.
• Ou conservez le projet et supprimez l'ensemble de données.

Supprimer l'ensemble de données

Si vous supprimez votre projet, tous les ensembles de données et toutes les tables qui lui sont associés sont également supprimés. Si vous préférez réutiliser le projet, vous pouvez supprimer l'ensemble de données que vous avez créé dans ce tutoriel :

1. Si nécessaire, ouvrez la page BigQuery dans la consoleGoogle Cloud .

   Accéder à la page "BigQuery"

2. Dans le panneau de navigation, cliquez sur l'ensemble de données bqml_tutorial que vous avez créé.

3. Cliquez sur Delete dataset (Supprimer l'ensemble de données) dans la partie droite de la fenêtre. Cette action supprime l'ensemble de données, la table et toutes les données.

4. Dans la boîte de dialogue Supprimer l'ensemble de données, confirmez la commande de suppression en saisissant le nom de votre ensemble de données (bqml_tutorial), puis cliquez sur Supprimer.

Supprimer votre projet

Pour supprimer le projet :

Attention : La suppression d'un projet entraîne les effets décrits ci-dessous :

• Tout le contenu du projet est supprimé. Si vous avez utilisé un projet existant pour les tâches décrites dans ce document et que vous le supprimez, vous supprimerez également tout autre travail effectué dans le projet.
• Les ID de projets personnalisés sont perdus. Lorsque vous avez créé ce projet, vous avez peut-être créé un ID de projet personnalisé que vous souhaitez utiliser à l'avenir. Pour conserver les URL qui utilisent l'ID de projet, telle qu'une URL appspot.com, supprimez les ressources sélectionnées dans le projet au lieu de supprimer l'ensemble du projet.

Si vous envisagez d'explorer plusieurs architectures, tutoriels et guides de démarrage rapide, réutiliser des projets peut vous aider à ne pas dépasser les limites de quotas des projets.

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.

Étape suivante

• Découvrez comment prévoir une seule série temporelle avec un modèle multivarié.
• Découvrez comment prévoir plusieurs séries temporelles avec un modèle univarié.
• Découvrez comment mettre à l'échelle un modèle univarié lors de la prévision de plusieurs séries temporelles sur plusieurs lignes.
• Découvrez comment prévoir plusieurs séries temporelles hiérarchiquement à l'aide d'un modèle univarié.
• Pour obtenir une présentation de BigQuery ML, consultez la page Présentation de l'IA et du ML dans BigQuery.