本教學課程將說明如何使用ARIMA_PLUS
單變數時間序列模型,根據特定資料欄的歷來值,預測該欄的未來值。
本教學課程將預測單一時間序列。系統會針對輸入資料中的每個時間點計算一次預測值。
本教學課程使用公開 bigquery-public-data.google_analytics_sample.ga_sessions
範例資料表的資料。這個表格包含 Google 商品網路商店的電子商務資料 (已模糊處理)。
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,以便預測網站流量。 - 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網站流量資訊。 - 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。
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:
SQL
在下列 GoogleSQL 查詢中,SELECT
陳述式會將輸入資料表的 date
欄解析為 TIMESTAMP
類型,並將其重新命名為 parsed_date
,然後使用 SUM(...)
子句和 GROUP BY date
子句建立每日 totals.visits
值。
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 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;
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「total_visits」欄位,並移除預設的「Record Count」指標。產生的圖表如下所示:
從圖表中,您可以看到輸入的時間序列有週期性季節模式。
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」。
結果類似下方內容:
建立時間序列模型
建立時間序列模型,預測 totals.visits
欄代表的網站總造訪次數,並使用 Google Analytics 360 資料訓練模型。
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。CREATE MODEL
陳述式的 auto_arima
選項預設為 TRUE
,因此 auto.ARIMA
演算法會自動調整模型中的超參數。演算法會測試數十個候選模型,並選擇最佳模型,也就是赤池訊息量準則 (AIC) 最低的模型。CREATE MODEL
陳述式的 data_frequency
選項預設為 AUTO_FREQUENCY
,因此訓練程序會自動推斷輸入時間序列的資料頻率。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.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;
查詢作業完成 (約需 4 秒) 後,
ga_arima_model
模型就會顯示在「探索器」窗格中。由於查詢是使用CREATE MODEL
陳述式建立模型,因此您不會看到查詢結果。
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」。
評估候選模型
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程序中評估的所有候選模型評估指標。
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.ga_arima_model`);
結果應如下所示:
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」。
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。
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 候選模型各一列;如果部分模型無效,則會從輸出內容中排除。這些候選模型會由 AIC 以遞增順序傳回。第一列的模型 AIC 值最低,因此被視為最佳模型。最佳模型會儲存為最終模型,並在您對模型呼叫 ML.FORECAST
等函式時使用
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。這與 ARIMA 模擬無關,因此所有輸出資料列的值都相同。它會回報每週的模式,這與您選擇將輸入資料視覺化的結果相符。
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。
error_message
欄會顯示 auto.ARIMA
配戴過程中發生的任何錯誤。發生錯誤的其中一個可能原因是所選取的 non_seasonal_p
、non_seasonal_d
、non_seasonal_q
和 has_drift
欄無法穩定時間序列。如要擷取所有候選模型的錯誤訊息,請在建立模型時將 show_all_candidate_models
選項設為 TRUE
。
如要進一步瞭解輸出資料欄,請參閱 ML.ARIMA_EVALUATE
函式。
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.ga_arima_model`);
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
。您在 ML.ARIMA_EVALUATE
函式的輸出內容中看到,最佳模型的 non_seasonal_p
值為 2
,non_seasonal_q
值為 3
。因此,在 ML.ARIMA_COEFFICIENTS
輸出內容中,ar_coefficients
值是 2 個元素的陣列,而 ma_coefficients
值是 3 個元素的陣列。intercept_or_drift
值是 ARIMA 模型中的常數項。
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」。
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
。
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(30 AS horizon, 0.8 AS confidence_level)
子句表示查詢會預測 30 個未來時間點,並產生 80% 信賴水準的預測間隔。
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.ga_arima_model`, STRUCT(30 AS horizon, 0.8 AS confidence_level));
結果應如下所示:
BigQuery DataFrames
使用 predict
函式預測未來的時間序列值。
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」。
輸出資料列會依據 forecast_timestamp
資料欄值按時間順序排列。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。
如要進一步瞭解輸出資料欄,請參閱 ML.FORECAST
函式。
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。
與 ML.FORECAST
函式類似,ML.EXPLAIN_FORECAST
函式中使用的 STRUCT(30 AS horizon, 0.8 AS confidence_level)
子句表示查詢會預測 30 個未來時間點,並產生 80% 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.ga_arima_model`, STRUCT(30 AS horizon, 0.8 AS confidence_level));
結果應如下所示:
輸出資料列會依照
time_series_timestamp
欄值按時間排序。如要進一步瞭解輸出資料欄,請參閱
ML.EXPLAIN_FORECAST
函式。
BigQuery DataFrames
您可以使用 predict_explain
函式,除了預測資料之外,還可以取得可解釋指標。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。
與 predict
函式類似,predict_explain
函式中使用的 horizon=30, confidence_level=0.8
子句表示查詢會預測 30 個未來時間點,並產生 80% 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」。
如果您想以視覺化方式呈現結果,可以使用 Looker Studio 按照「以視覺化方式呈現輸入資料」一節的說明建立圖表,並使用下列欄做為指標:
time_series_data
prediction_interval_lower_bound
prediction_interval_upper_bound
trend
seasonal_period_weekly
step_changes
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。
按一下視窗右側的「Delete dataset」。這個動作將會刪除資料集、資料表,以及所有資料。
在「Delete dataset」(刪除資料集) 對話方塊中,輸入資料集的名稱 (
bqml_tutorial
),然後按一下 [Delete] (刪除) 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
- 瞭解如何使用多變數模型預測單一時間序列
- 瞭解如何使用單變數模型預測多個時間序列
- 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」。