多変量時系列予測モデルで異常検出を実行する

このチュートリアルでは、次のタスクを行う方法を説明します。

• ARIMA_PLUS_XREG 時系列予測モデルを作成します。
• モデルに対して ML.DETECT_ANOMALIES 関数を実行し、時系列データの異常を検出します。

このチュートリアルでは、一般公開の epa_historical_air_quality データセットの以下のテーブルを使用します。このデータセットには、米国の複数の都市から毎日収集された PM 2.5、気温、風速の情報が含まれています。

• epa_historical_air_quality.pm25_nonfrm_daily_summary
• epa_historical_air_quality.wind_daily_summary
• epa_historical_air_quality.temperature_daily_summary

必要な権限

• データセットを作成するには、bigquery.datasets.create IAM 権限が必要です。

• 接続リソースを作成するには、次の権限が必要です。

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

• モデルを作成するには、次の権限が必要です。

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

• 推論を実行するには、次の権限が必要です。

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

BigQuery における IAM ロールと権限の詳細については、IAM の概要をご覧ください。

費用

このドキュメントでは、Google Cloud の次の課金対象のコンポーネントを使用します。

• BigQuery: You incur costs for the data you process in BigQuery.

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データセットを作成する

ML モデルを保存する BigQuery データセットを作成します。

1. Google Cloud コンソールで [BigQuery] ページに移動します。

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2. [エクスプローラ] ペインで、プロジェクト名をクリックします。

3. 「アクションを表示」> [データセットを作成] をクリックします。

   

4. [データセットを作成する] ページで、次の操作を行います。

   • [データセット ID] に「bqml_tutorial」と入力します。

   • [ロケーション タイプ] で [マルチリージョン] を選択してから、[US (米国の複数のリージョン)] を選択します。

     一般公開データセットは US マルチリージョンに保存されています。わかりやすくするため、データセットを同じロケーションに保存します。

   • 残りのデフォルトの設定は変更せず、[データセットを作成] をクリックします。

     

トレーニング データを準備する

PM2.5、気温、風速のデータは別々のテーブルにあります。これらの一般公開テーブルのデータを結合して、トレーニング データの bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily テーブルを作成します。bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily には次の列があります。

• date: 観測日
• PM2.5: 各日の PM2.5 の平均値
• wind_speed: 各日の平均風速
• temperature: 各日の最高気温

新しいテーブルには、2009 年 8 月 11 日から 2022 年 1 月 31 日までの日次データが含まれます。

1. [BigQuery] ページに移動します。

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2. SQL エディタペインで、次の SQL ステートメントを実行します。

   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)

モデルを作成する

bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily のデータをトレーニング データとして使用して、多変量時系列モデルを作成します。

1. [BigQuery] ページに移動します。

   [BigQuery] に移動

2. SQL エディタペインで、次の SQL ステートメントを実行します。

   CREATE OR REPLACE MODEL `bqml_tutorial.arimax_model`
     OPTIONS (
       model_type = 'ARIMA_PLUS_XREG',
       auto_arima=TRUE,
       time_series_data_col = 'temperature',
       time_series_timestamp_col = 'date'
       )
   AS
   SELECT
     *
   FROM
     `bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily`;

   クエリが完了するまでに数秒かかります。完了後、モデル arimax_model が [エクスプローラ] ペインの bqml_tutorial データセットに表示されます。

   クエリは CREATE MODEL ステートメントを使用してモデルを作成するため、クエリの結果はありません。

履歴データで異常検出を実行する

モデルのトレーニングに使用した過去のデータに対して異常検出を実行します。

1. [BigQuery] ページに移動します。

   [BigQuery] に移動

2. SQL エディタペインで、次の SQL ステートメントを実行します。

   SELECT
     *
   FROM
     ML.DETECT_ANOMALIES (
      MODEL `bqml_tutorial.arimax_model`,
      STRUCT(0.6 AS anomaly_prob_threshold)
     )
   ORDER BY
     date ASC;

   結果は次のようになります。

   +-------------------------+-------------+------------+--------------------+--------------------+---------------------+
   | date                    | temperature | is_anomaly | lower_bound        | upper_bound        | anomaly_probability |
   +--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
   | 2009-08-11 00:00:00 UTC | 70.1        | false      | 67.65880237416745  | 72.541197625832538 | 0                   |
   +--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
   | 2009-08-12 00:00:00 UTC | 73.4        | false      | 71.715603233887791 | 76.597998485552878 | 0.20589853827304627 |
   +--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
   | 2009-08-13 00:00:00 UTC | 64.6        | true       | 67.741606808079425 | 72.624002059744512 | 0.94627126678202522 |
   +-------------------------+-------------+------------+--------------------+--------------------+---------------------+
   

新しいデータで異常検出を実行する

生成した新しいデータで異常検出を実行します。

1. [BigQuery] ページに移動します。

   [BigQuery] に移動

2. SQL エディタペインで、次の SQL ステートメントを実行します。

   SELECT
     *
   FROM
     ML.DETECT_ANOMALIES (
      MODEL `bqml_tutorial.arimax_model`,
      STRUCT(0.6 AS anomaly_prob_threshold),
      (
        SELECT
          *
        FROM
          UNNEST(
            [
              STRUCT<date TIMESTAMP, pm25 FLOAT64, wind_speed FLOAT64, temperature FLOAT64>
              ('2023-02-01 00:00:00 UTC', 8.8166665, 1.6525, 44.0),
              ('2023-02-02 00:00:00 UTC', 11.8354165, 1.558333, 40.5),
              ('2023-02-03 00:00:00 UTC', 10.1395835, 1.6895835, 46.5),
              ('2023-02-04 00:00:00 UTC', 11.439583500000001, 2.0854165, 45.0),
              ('2023-02-05 00:00:00 UTC', 9.7208335, 1.7083335, 46.0),
              ('2023-02-06 00:00:00 UTC', 13.3020835, 2.23125, 43.5),
              ('2023-02-07 00:00:00 UTC', 5.7229165, 2.377083, 47.5),
              ('2023-02-08 00:00:00 UTC', 7.6291665, 2.24375, 44.5),
              ('2023-02-09 00:00:00 UTC', 8.5208335, 2.2541665, 40.5),
              ('2023-02-10 00:00:00 UTC', 9.9086955, 7.333335, 39.5)
            ]
          )
        )
      );

   結果は次のようになります。

   +-------------------------+-------------+------------+--------------------+--------------------+---------------------+------------+------------+
   | date                    | temperature | is_anomaly | lower_bound        | upper_bound        | anomaly_probability | pm25       | wind_speed |
   +----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
   | 2023-02-01 00:00:00 UTC | 44.0        | true       | 36.917405956304407 | 41.79980120796948  | 0.890904731626234   | 8.8166665  | 1.6525     |
   +----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
   | 2023-02-02 00:00:00 UTC | 40.5        | false      | 34.622436643607685 | 40.884690866417984 | 0.53985850962605064 | 11.8354165 | 1.558333   |
   +--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+-------------------------+
   | 2023-02-03 00:00:00 UTC | 46.5        | true       | 33.769587937313183 | 40.7478502941026   | 0.97434506593220793 | 10.1395835 | 1.6895835  |
   +-------------------------+-------------+------------+--------------------+--------------------+---------------------+-------------------------+
   

クリーンアップ

注意: プロジェクトを削除すると、次のような影響があります。

• プロジェクト内のすべてのものが削除されます。このドキュメントのタスクで既存のプロジェクトを使用した場合、それを削除すると、そのプロジェクトで行った他の作業もすべて削除されます。
• カスタム プロジェクト ID が失われます。このプロジェクトを作成したときに、将来使用するカスタム プロジェクト ID を作成した可能性があります。そのプロジェクト ID を使用した URL（たとえば、appspot.com）を保持するには、プロジェクト全体ではなくプロジェクト内の選択したリソースだけを削除します。

複数のアーキテクチャ、チュートリアル、クイックスタートを実施する予定がある場合は、プロジェクトを再利用すると、プロジェクトの割り当て上限を超えないようにすることができます。

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.