本教學課程將說明如何使用ARIMA_PLUS
單變數時間序列模型,根據特定欄的歷來值,預測該欄的未來值。
本教學課程將針對多個時間序列進行預測。系統會針對一或多個指定欄中的每個值,為每個時間點計算預測值。舉例來說,如果您想預測天氣並指定包含城市資料的資料欄,預測資料就會包含城市 A 的所有時間點預測資料,然後是城市 B 的所有時間點預測值,依此類推。
本教學課程使用公開 bigquery-public-data.new_york.citibike_trips
資料表的資料。這個表格包含紐約市 Citi Bike 行程的相關資訊。
在閱讀本教學課程之前,強烈建議您先參閱「使用單變量模型預測單一時間序列」。
目標
本教學課程會逐步引導您完成下列工作:
- 使用
CREATE MODEL
陳述式建立時間序列模型,以便預測自行車行程數量。 - 使用
ML.ARIMA_EVALUATE
函式評估模型中的自回歸整合移動平均 (ARIMA) 資訊。 - 使用
ML.ARIMA_COEFFICIENTS
函式檢查模型係數。 - 使用
ML.FORECAST
函式,從模型中擷取預測的自行車行程資訊。 - 使用
ML.EXPLAIN_FORECAST
函式擷取時間序列的元件,例如季節性和趨勢。您可以檢查這些時間序列元件,以便解釋預測值。
費用
本教學課程使用 Google Cloud的計費元件,包括:
- BigQuery
- BigQuery ML
如要進一步瞭解 BigQuery 費用,請參閱 BigQuery 定價頁面。
如要進一步瞭解 BigQuery ML 費用,請參閱 BigQuery ML 定價。
事前準備
- 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.
-
In the Google Cloud console, on the project selector page, select or create a Google Cloud project.
-
Make sure that billing is enabled for your Google Cloud project.
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-
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- 新專案會自動啟用 BigQuery。如要在現有的專案中啟用 BigQuery,請前往
Enable the BigQuery API.
如要建立資料集,您必須具備
bigquery.datasets.create
IAM 權限。您必須具備下列權限,才能建立模型:
bigquery.jobs.create
bigquery.models.create
bigquery.models.getData
bigquery.models.updateData
如要執行推論,您需要具備下列權限:
bigquery.models.getData
bigquery.jobs.create
所需權限
如要進一步瞭解 BigQuery 中的 IAM 角色和權限,請參閱「IAM 簡介」。
建立資料集
建立 BigQuery 資料集來儲存機器學習模型。
控制台
前往 Google Cloud 控制台的「BigQuery」頁面。
在「Explorer」窗格中,按一下專案名稱。
依序點選
「View actions」(查看動作) >「Create dataset」(建立資料集)。在「Create dataset」頁面上執行下列操作:
在「Dataset ID」(資料集 ID) 中輸入
bqml_tutorial
。在「位置類型」中選取「多區域」,然後選取「美國 (多個美國區域)」。
保留其餘預設設定,然後點選「Create dataset」(建立資料集)。
bq
如要建立新的資料集,請使用 bq mk
指令搭配 --location
旗標。如需可能參數的完整清單,請參閱 bq mk --dataset
指令參考資料。
建立名為
bqml_tutorial
的資料集,並將資料位置設為US
,說明為BigQuery ML tutorial dataset
:bq --location=US mk -d \ --description "BigQuery ML tutorial dataset." \ bqml_tutorial
這個指令採用
-d
捷徑,而不是使用--dataset
旗標。如果您省略-d
和--dataset
,該指令預設會建立資料集。確認資料集已建立:
bq ls
API
請呼叫 datasets.insert
方法,搭配已定義的資料集資源。
{ "datasetReference": { "datasetId": "bqml_tutorial" } }
BigQuery DataFrames
在嘗試這個範例之前,請先參閱 BigQuery 快速入門:使用 BigQuery DataFrames,按照 BigQuery DataFrames 設定說明進行操作。詳情請參閱 BigQuery DataFrames 參考資料說明文件。
如要向 BigQuery 進行驗證,請設定應用程式預設憑證。詳情請參閱「為本機開發環境設定 ADC」。
以視覺化方式呈現輸入資料
建立模型前,您可以視需要將輸入的時間序列資料以視覺化方式呈現,以便瞭解分布情形。您可以使用 Looker Studio 執行這項操作。
SQL
下列查詢的 SELECT
陳述式使用 EXTRACT
函式,從 starttime
欄擷取日期資訊。這項查詢會使用 COUNT(*)
子句,取得 Citi Bike 每日的總行程數。
如要以視覺化方式呈現時間序列資料,請按照下列步驟操作:
前往 Google Cloud 控制台的「BigQuery」頁面。
在查詢編輯器中貼上以下查詢,然後點選「執行」:
SELECT EXTRACT(DATE from starttime) AS date, COUNT(*) AS num_trips FROM `bigquery-public-data.new_york.citibike_trips` GROUP BY date;
查詢完成後,請依序點選「探索資料」「透過 Looker Studio 探索」。Looker Studio 會在新分頁中開啟。請在新分頁中完成下列步驟。
在 Looker Studio 中,依序點選「插入」>「時序圖表」。
在「圖表」窗格中,選擇「設定」分頁標籤。
在「指標」專區中,新增「num_trips」欄位,並移除預設的「Record Count」指標。產生的圖表如下所示:
BigQuery DataFrames
在嘗試這個範例之前,請先參閱 BigQuery 快速入門:使用 BigQuery DataFrames,按照 BigQuery DataFrames 設定說明進行操作。詳情請參閱 BigQuery DataFrames 參考資料說明文件。
如要向 BigQuery 進行驗證,請設定應用程式預設憑證。詳情請參閱「為本機開發環境設定 ADC」。
建立時間序列模型
您想預測每個 Citi Bike 站點的單車行程數量,這需要許多時間序列模型,每個輸入資料中的 Citi Bike 站點都需要一個模型。您可以建立多個模型來完成這項作業,但這可能會耗時且費力,尤其是當您有大量時序資料時。您可以改用單一查詢來建立及擬合一組時間序列模型,一次預測多個時間序列。
SQL
在以下查詢中,OPTIONS(model_type='ARIMA_PLUS', time_series_timestamp_col='date', ...)
子句表示您要建立以 ARIMA 為基礎的時間序列模型。您可以使用 CREATE MODEL
陳述式的 time_series_id_col
選項,在輸入資料中指定一或多個要取得預測資料的資料欄,在本例中為 Citi Bike 站,由 start_station_name
資料欄代表。您可以使用 WHERE
子句,將起點站限制為名稱中含有 Central Park
的站。CREATE MODEL
陳述式的 auto_arima_max_order
選項會控制 auto.ARIMA
演算法中超參數調整的搜尋空間。CREATE MODEL
陳述式的 decompose_time_series
選項預設為 TRUE
,因此在下一個步驟評估模型時,系統會傳回時間序列資料的相關資訊。
請按照下列步驟建立模型:
前往 Google Cloud 控制台的「BigQuery」頁面。
在查詢編輯器中貼上以下查詢,然後點選「執行」:
CREATE OR REPLACE MODEL `bqml_tutorial.nyc_citibike_arima_model_group` OPTIONS (model_type = 'ARIMA_PLUS', time_series_timestamp_col = 'date', time_series_data_col = 'num_trips', time_series_id_col = 'start_station_name', auto_arima_max_order = 5 ) AS SELECT start_station_name, EXTRACT(DATE from starttime) AS date, COUNT(*) AS num_trips FROM `bigquery-public-data.new_york.citibike_trips` WHERE start_station_name LIKE '%Central Park%' GROUP BY start_station_name, date;
查詢作業大約需要 24 秒才能完成,之後「
nyc_citibike_arima_model_group
」模型就會顯示在「Explorer」窗格中。由於查詢使用CREATE MODEL
陳述式,因此您不會看到查詢結果。
這項查詢會建立十二個時間序列模型,每個輸入資料中的十二個 Citi Bike 起點站各一個。由於平行處理,時間成本 (約 24 秒) 只比建立單一時序模型的時間多 1.4 倍。不過,如果移除 WHERE ... LIKE ...
子句,則會有 600 個以上的時間序列需要預測,且由於運算單元容量限制,這些時間序列無法完全並行預測。在這種情況下,查詢大約需要 15 分鐘才能完成。如要縮短查詢執行時間,但不影響模型品質,可以降低 auto_arima_max_order
的值。這會縮小 auto.ARIMA
演算法中超參數調整的搜尋空間。詳情請參閱 Large-scale time series forecasting best practices
。
BigQuery DataFrames
在下列程式碼片段中,您會建立以 ARIMA 為基礎的時間序列模型。
在嘗試這個範例之前,請先參閱 BigQuery 快速入門:使用 BigQuery DataFrames,按照 BigQuery DataFrames 設定說明進行操作。詳情請參閱 BigQuery DataFrames 參考資料說明文件。
如要向 BigQuery 進行驗證,請設定應用程式預設憑證。詳情請參閱「為本機開發環境設定 ADC」。
這會建立十二個時間序列模型,每個輸入資料中的十二個 Citi Bike 起點站各一個。由於並行處理,時間成本約為 24 秒,比建立單一時間序列模型的時間多出 1.4 倍。
評估模型
SQL
使用 ML.ARIMA_EVALUATE
函式評估時間序列模型。ML.ARIMA_EVALUATE
函式會顯示自動超參數調整過程中為模型產生的評估指標。
如要評估模型,請按照下列步驟操作:
前往 Google Cloud 控制台的「BigQuery」頁面。
在查詢編輯器中貼上以下查詢,然後點選「執行」:
SELECT * FROM ML.ARIMA_EVALUATE(MODEL `bqml_tutorial.nyc_citibike_arima_model_group`);
結果應如下所示:
auto.ARIMA
會為每個時間序列評估數十個候選 ARIMA 模型,但ML.ARIMA_EVALUATE
預設只會輸出最佳模型的資訊,以便輸出表格。如要查看所有候選模型,您可以將ML.ARIMA_EVALUATE
函式的show_all_candidate_model
引數設為TRUE
。
BigQuery DataFrames
在嘗試這個範例之前,請先參閱 BigQuery 快速入門:使用 BigQuery DataFrames,按照 BigQuery DataFrames 設定說明進行操作。詳情請參閱 BigQuery DataFrames 參考資料說明文件。
如要向 BigQuery 進行驗證,請設定應用程式預設憑證。詳情請參閱「為本機開發環境設定 ADC」。
start_station_name
欄會標示建立時間序列的輸入資料欄。這是您在建立模型時使用 time_series_id_col
選項指定的資料欄。
non_seasonal_p
、non_seasonal_d
、non_seasonal_q
和 has_drift
輸出欄會在訓練管道中定義 ARIMA 模型。log_likelihood
、AIC
和 variance
輸出資料欄與 ARIMA 模型擬合程序相關。擬合程序會使用 auto.ARIMA
演算法,為每個時間序列各產生一個最佳 ARIMA 模型。
auto.ARIMA
演算法會使用 KPSS 測試來判斷 non_seasonal_d
的最佳值,在本例中為 1
。當 non_seasonal_d
為 1
時,auto.ARIMA 演算法會並行訓練 42 個不同的 ARIMA 候選模型。在這個範例中,所有 42 個候選模型皆有效,因此輸出內容包含 42 列,每個 ARIMA 候選模型一列;如果部分模型無效,則會從輸出內容中排除。系統會依 AIC 遞增順序傳回這些候選模型。第一列的模型 AIC 值最低,因此被視為最佳模型。系統會將這個最佳模型儲存為最終模型,並在您預測資料、評估模型及檢查模型的係數時使用,如以下步驟所示。
seasonal_periods
欄包含時間序列資料中所識別的季節性模式相關資訊。每個時間序列可能都有不同的季節性模式。舉例來說,從圖表中,您可以看到一個時間序列有年度模式,而其他則沒有。
has_holiday_effect
、has_spikes_and_dips
和 has_step_changes
欄只會在 decompose_time_series=TRUE
時填入資料。這些欄也會反映輸入時間序列資料的相關資訊,與 ARIMA 模擬無關。這些欄在所有輸出資料列中也具有相同的值。
檢查模型的係數
SQL
使用 ML.ARIMA_COEFFICIENTS
函式檢查時間序列模型的係數。
如要擷取模型的係數,請按照下列步驟操作:
前往 Google Cloud 控制台的「BigQuery」頁面。
在查詢編輯器中貼上以下查詢,然後點選「執行」:
SELECT * FROM ML.ARIMA_COEFFICIENTS(MODEL `bqml_tutorial.nyc_citibike_arima_model_group`);
查詢只需不到一秒鐘的時間即可完成。結果應如下所示:
如要進一步瞭解輸出資料欄,請參閱
ML.ARIMA_COEFFICIENTS
函式。
BigQuery DataFrames
使用 coef_
函式檢查時間序列模型的係數。
在嘗試這個範例之前,請先參閱 BigQuery 快速入門:使用 BigQuery DataFrames,按照 BigQuery DataFrames 設定說明進行操作。詳情請參閱 BigQuery DataFrames 參考資料說明文件。
如要向 BigQuery 進行驗證,請設定應用程式預設憑證。詳情請參閱「為本機開發環境設定 ADC」。
start_station_name
欄會標示建立時間序列的輸入資料欄。這是您在建立模型時在 time_series_id_col
選項中指定的資料欄。
ar_coefficients
輸出資料欄會顯示 ARIMA 模型自迴歸 (AR) 部分的模型係數。同樣地,ma_coefficients
輸出資料欄會顯示 ARIMA 模型中移動平均值 (MA) 部分的模型係數。這兩個資料欄都包含陣列值,長度分別等於 non_seasonal_p
和 non_seasonal_q
。intercept_or_drift
值是 ARIMA 模型中的常數項。
使用模型預測資料
SQL
使用 ML.FORECAST
函式預測未來的時間序列值。
在下列 GoogleSQL 查詢中,STRUCT(3 AS horizon, 0.9 AS confidence_level)
子句表示查詢會預測 3 個未來時間點,並產生 90% 信賴區間。
如要使用模型預測資料,請按照下列步驟操作:
前往 Google Cloud 控制台的「BigQuery」頁面。
在查詢編輯器中貼上以下查詢,然後點選「執行」:
SELECT * FROM ML.FORECAST(MODEL `bqml_tutorial.nyc_citibike_arima_model_group`, STRUCT(3 AS horizon, 0.9 AS confidence_level))
按一下「執行」。
查詢只需不到一秒鐘的時間即可完成。結果應如下所示:
如要進一步瞭解輸出資料欄,請參閱 ML.FORECAST
函式。
BigQuery DataFrames
使用 predict
函式預測未來時間序列值。
在嘗試這個範例之前,請先參閱 BigQuery 快速入門:使用 BigQuery DataFrames,按照 BigQuery DataFrames 設定說明進行操作。詳情請參閱 BigQuery DataFrames 參考資料說明文件。
如要向 BigQuery 進行驗證,請設定應用程式預設憑證。詳情請參閱「為本機開發環境設定 ADC」。
第一欄 start_station_name
會註解每個時間序列模型所對應的時間序列。每個 start_station_name
都有三列預測結果,如 horizon
值所指定。
對於每個 start_station_name
,輸出資料列會依照 forecast_timestamp
資料欄值的時間順序排列。在時間序列預測中,prediction_interval_lower_bound
和 prediction_interval_upper_bound
欄值所代表的預測間隔,與 forecast_value
欄值同樣重要。forecast_value
值是預測區間的中間點。預測間隔取決於 standard_error
和 confidence_level
欄值。
解釋預測結果
SQL
您可以使用 ML.EXPLAIN_FORECAST
函式,除了預測資料之外,還能取得可解釋指標。ML.EXPLAIN_FORECAST
函式可預測未來的時間序列值,並傳回時間序列的所有個別元件。如果您只想傳回預測資料,請改用 ML.FORECAST
函式,如使用模型預測資料所示。
ML.EXPLAIN_FORECAST
函式中使用的 STRUCT(3 AS horizon, 0.9 AS confidence_level)
子句表示查詢會預測 3 個未來時間點,並產生 90% 信心等級的預測區間。
請按照下列步驟說明模型的結果:
前往 Google Cloud 控制台的「BigQuery」頁面。
在查詢編輯器中貼上以下查詢,然後點選「執行」:
SELECT * FROM ML.EXPLAIN_FORECAST(MODEL `bqml_tutorial.nyc_citibike_arima_model_group`, STRUCT(3 AS horizon, 0.9 AS confidence_level));
查詢只需不到一秒鐘的時間即可完成。結果應如下所示:
傳回的前幾千列都是歷史資料。您必須捲動結果畫面,才能查看預測資料。
輸出資料列會先依
start_station_name
排序,然後依time_series_timestamp
資料欄值的時間順序排序。在時間序列預測中,prediction_interval_lower_bound
和prediction_interval_upper_bound
欄值所代表的預測間隔,與forecast_value
欄值同樣重要。forecast_value
值是預測區間的中間點。預測間隔取決於standard_error
和confidence_level
欄值。如要進一步瞭解輸出資料欄,請參閱
ML.EXPLAIN_FORECAST
。
BigQuery DataFrames
您可以使用 predict_explain
函式,除了預測資料之外,還能取得可解釋指標。predict_explain
函式可預測未來的時間序列值,並傳回時間序列的所有個別元件。如果您只想傳回預測資料,請改用 predict
函式,如「使用模型預測資料」一文所示。
predict_explain
函式中使用的 horizon=3, confidence_level=0.9
子句表示查詢會預測 3 個未來時間點,並產生 90% 信心等級的預測區間。
在嘗試這個範例之前,請先參閱 BigQuery 快速入門:使用 BigQuery DataFrames,按照 BigQuery DataFrames 設定說明進行操作。詳情請參閱 BigQuery DataFrames 參考資料說明文件。
如要向 BigQuery 進行驗證,請設定應用程式預設憑證。詳情請參閱「為本機開發環境設定 ADC」。
輸出資料列會先依 time_series_timestamp
排序,然後依 start_station_name
資料欄值的時間順序排序。在時間序列預測中,prediction_interval_lower_bound
和 prediction_interval_upper_bound
欄值所代表的預測間隔,與 forecast_value
欄值同樣重要。forecast_value
值是預測區間的中間點。預測間隔取決於 standard_error
和 confidence_level
欄值。
清除所用資源
如要避免系統向您的 Google Cloud 帳戶收取本教學課程中所用資源的相關費用,請刪除含有該項資源的專案,或者保留專案但刪除個別資源。
- 您可以刪除建立的專案。
- 或者您可以保留專案並刪除資料集。
刪除資料集
刪除專案將移除專案中所有的資料集與資料表。若您希望重新使用專案,您可以刪除本教學課程中所建立的資料集。
如有必要,請在Google Cloud 控制台中開啟 BigQuery 頁面。
在導覽窗格中,按一下您建立的 bqml_tutorial 資料集。
按一下「刪除資料集」,即可刪除資料集、資料表和所有資料。
在「Delete dataset」對話方塊中,輸入資料集的名稱 (
bqml_tutorial
),然後按一下「Delete」來確認刪除指令。
刪除專案
如要刪除專案,請進行以下操作:
- In the Google Cloud console, go to the Manage resources page.
- In the project list, select the project that you want to delete, and then click Delete.
- In the dialog, type the project ID, and then click Shut down to delete the project.
後續步驟
- 瞭解如何使用單變數模型預測單一時間序列
- 瞭解如何使用多變數模型預測單一時間序列
- 瞭解如何在多列資料上預測多個時間序列時,調整單變數模型。
- 瞭解如何使用單變數模型以分層方式預測多個時間序列
- 如需 BigQuery ML 的總覽,請參閱「BigQuery 中的 AI 和 ML 簡介」。