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使用 ARIMA_PLUS 單變數模型預測單一時間序列

本教學課程說明如何使用ARIMA_PLUS單變數時間序列模型，根據特定資料欄的歷來值，預測該資料欄的未來值。

本教學課程會預測單一時間序列。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的bigquery-public-data.google_analytics_sample.ga_sessions範例資料表資料。這份表格包含 Google 商品網路商店的模糊處理電子商務資料。

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，預測網站流量。
使用 ML.ARIMA_EVALUATE 函式評估模型中的自迴歸整合移動平均 (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，藉此說明預測值。

費用

本教學課程使用 Trusted Cloud by S3NS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

In the Trusted Cloud console, on the project selector page, select or create a Trusted 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
Verify that billing is enabled for your Trusted Cloud project.
新專案會自動啟用 BigQuery。如要在現有專案中啟用 BigQuery，請前往
Enable the BigQuery API.
Enable the API

所需權限

如要建立資料集，您需要 bigquery.datasets.create IAM 權限。
如要建立模型，您必須具備下列權限：
- bigquery.jobs.create
- bigquery.models.create
- bigquery.models.getData
- bigquery.models.updateData
如要執行推論，您需要下列權限：
- bigquery.models.getData
- bigquery.jobs.create

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 Trusted Cloud 控制台的「BigQuery」頁面。

前往 BigQuery 頁面
在「Explorer」窗格中，按一下專案名稱。
依序點按「View actions」(查看動作) >「Create dataset」(建立資料集)。
在「建立資料集」頁面中，執行下列操作：
- 在「Dataset ID」(資料集 ID) 中輸入 bqml_tutorial。
- 針對「Location type」(位置類型) 選取「Multi-region」(多區域)，然後選取「US (multiple regions in United States)」(us (多個美國區域))。
- 其餘設定請保留預設狀態，然後按一下「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。如需可能的完整參數清單，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」，以及說明設為「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。
確認資料集已建立完成：
```
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，請按照使用 BigQuery DataFrames 的 BigQuery 快速入門導覽課程中的 BigQuery DataFrames 設定說明操作。詳情請參閱 BigQuery DataFrames 參考說明文件。

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」。

import google.cloud.bigquery

bqclient = google.cloud.bigquery.Client()
bqclient.create_dataset("bqml_tutorial", exists_ok=True)

以視覺化方式呈現輸入資料

建立模型前，您可以選擇將輸入時間序列資料視覺化，瞭解資料分布情形。您可以使用 Looker Studio 執行這項操作。

請按照下列步驟，以視覺化方式呈現時間序列資料：

SQL

在下列 GoogleSQL 查詢中，SELECT 陳述式會將輸入資料表中的 date 欄剖析為 TIMESTAMP 型別，並重新命名為 parsed_date，然後使用 SUM(...) 子句和 GROUP BY date 子句建立每日 totals.visits 值。

前往 Trusted Cloud 控制台的「BigQuery」頁面。

前往「BigQuery」
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;
```
1. 查詢完成後，依序點按「探索資料」>「透過 Looker Studio 探索」。Looker Studio 會在新分頁中開啟，在新分頁中完成下列步驟。
2. 在 Looker Studio 中，依序點選「插入」>「時間序列圖表」。
3. 在「圖表」窗格中，選擇「設定」分頁。
4. 在「指標」專區中新增「total_visits」欄位，並移除預設的「Record Count」指標。產生的圖表看起來類似下列內容：
  
  從圖表可以看出，輸入時間序列具有每週季節性模式。
  
  注意： 如要進一步瞭解 Looker Studio 支援服務，請參閱「Looker 支援服務與 Trusted Cloud整合」一文。

BigQuery DataFrames

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」。

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()

結果大致如下： Result_visualization

建立時間序列模型

建立時間序列模型，預測以「totals.visits」欄表示的網站總造訪次數，並使用 Google Analytics 360 資料訓練模型。

SQL

在下列查詢中，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。auto_arima 選項的 CREATE MODEL 陳述式預設為 TRUE，因此 auto.ARIMA 演算法會自動調整模型中的超參數。演算法會套用數十個候選模型，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，因此在下一個步驟中評估模型時，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 Trusted Cloud 控制台的「BigQuery」頁面。

前往「BigQuery」

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 模型會顯示在「Explorer」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

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」。

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)

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的評估指標。

請按照下列步驟評估模型：

前往 Trusted Cloud 控制台的「BigQuery」頁面。

前往「BigQuery」
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

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」。

# Evaluate the time series models by using the summary() function. The summary()
# function shows you the evaluation metrics of all the candidate models evaluated
# during the process of automatic hyperparameter tuning.
summary = model.summary(
    show_all_candidate_models=True,
)
print(summary.peek())

# Expected output:
# row   non_seasonal_p	non_seasonal_d	non_seasonal_q	has_drift	log_likelihood	AIC	variance	seasonal_periods	has_holiday_effect	has_spikes_and_dips	has_step_changes	error_message
#  0	      0	              1	               3	      True	     -2464.255656	4938.511313	     42772.506055	        ['WEEKLY']	            False	        False	            True
#  1	      2	              1	               0	      False	     -2473.141651	4952.283303	     44942.416463	        ['WEEKLY']	            False	        False	            True
#  2	      1	              1	               0 	      False	     -2479.880885	4963.76177	     46642.953433	        ['WEEKLY']	            False	        False	            True
#  3	      0	              1	               1	      False	     -2470.632377	4945.264753	     44319.379307	        ['WEEKLY']	            False	        False	            True
#  4	      2	              1	               1	      True	     -2463.671247	4937.342493	     42633.299513	        ['WEEKLY']	            False	        False	            True

non_seasonal_p、non_seasonal_d、non_seasonal_q 和 has_drift 輸出資料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 檢定，判斷 non_seasonal_d 的最佳值，在本例中為 1。當 non_seasonal_d 為 1 時，auto.ARIMA 演算法會平行訓練 42 個不同的候選 ARIMA 模型。在本例中，所有 42 個候選模型都有效，因此輸出內容包含 42 個資料列，每個候選 ARIMA 模型各佔一列；如果部分模型無效，則會從輸出內容中排除。系統會按照 AIC 遞增順序傳回這些候選模型。第一列中的模型 AIC 最低，因此視為最佳模型。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 資料欄包含時間序列資料中識別出的季節性模式相關資訊。這與 ARIMA 建模無關，因此所有輸出資料列的值都相同。這份報表顯示每週模式，與您選擇將輸入資料視覺化時看到的結果一致。

只有在 decompose_time_series=TRUE 時，系統才會填入 has_holiday_effect、has_spikes_and_dips 和 has_step_changes 欄。這些資料欄也會反映輸入時間序列資料的相關資訊，與 ARIMA 模型無關。所有輸出資料列的這些資料欄值也相同。

「error_message」欄會顯示在auto.ARIMA調整過程中發生的任何錯誤。如果所選的 non_seasonal_p、non_seasonal_d、non_seasonal_q 和 has_drift 欄無法穩定時間序列，就可能發生錯誤。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。

請按照下列步驟擷取模型的係數：

前往 Trusted Cloud 控制台的「BigQuery」頁面。

前往「BigQuery」

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 模型移動平均 (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。從 ML.ARIMA_EVALUATE 函式的輸出內容中，您可以看到最佳模型的 non_seasonal_p 值為 2，而 non_seasonal_q 值為 3。因此，在 ML.ARIMA_COEFFICIENTS 輸出中，ar_coefficients 值是 2 元素陣列，而 ma_coefficients 值是 3 元素陣列。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。

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」。

coef = model.coef_
print(coef.peek())

# Expected output:
#       ar_coefficients   ma_coefficients   intercept_or_drift
#   0	 [0.40944762]	   [-0.81168198]	      0.0

使用模型預測資料

SQL

使用 ML.FORECAST 函式預測未來時間序列值。

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未來 30 個時間點，並產生信賴水準為 80% 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 Trusted Cloud 控制台的「BigQuery」頁面。

前往「BigQuery」

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：

ML.FORECAST 輸出。

BigQuery DataFrames

使用 predict 函式預測未來時間序列值。

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」。

prediction = model.predict(horizon=30, confidence_level=0.8)

print(prediction.peek())
# Expected output:
#           forecast_timestamp	   forecast_value	standard_error	confidence_level	prediction_interval_lower_bound	    prediction_interval_upper_bound	    confidence_interval_lower_bound	    confidence_interval_upper_bound
# 11	2017-08-13 00:00:00+00:00	1845.439732	      328.060405	      0.8	                 1424.772257	                      2266.107208	                     1424.772257	                     2266.107208
# 29	2017-08-31 00:00:00+00:00	2615.993932	      431.286628	      0.8	                 2062.960849	                      3169.027015	                     2062.960849	                     3169.027015
# 7	    2017-08-09 00:00:00+00:00	2639.285993	      300.301186	      0.8	                 2254.213792	                      3024.358193	                     2254.213792	                     3024.358193
# 25	2017-08-27 00:00:00+00:00	1853.735689	      410.596551	      0.8	                 1327.233216	                      2380.238162	                     1327.233216	                     2380.238162
# 1	    2017-08-03 00:00:00+00:00	2621.33159	      241.093355	      0.8	                 2312.180802	                      2930.482379	                     2312.180802	                     2930.482379

輸出資料列會依 forecast_timestamp 資料欄值的時間順序排列。在時間序列預測中，預測間隔 (以 prediction_interval_lower_bound 和 prediction_interval_upper_bound 欄值表示) 與 forecast_value 欄值同樣重要。forecast_value 值是預測間隔的中間點。預測區間取決於 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。

說明預測結果

SQL

您可以使用 ML.EXPLAIN_FORECAST 函式，除了取得預測資料，還能取得可解釋性指標。ML.EXPLAIN_FORECAST 函式會預測未來時間序列值，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未來 30 個時間點，並產生信賴度為 80% 的預測間隔。

請按照下列步驟說明模型的結果：

前往 Trusted Cloud 控制台的「BigQuery」頁面。

前往「BigQuery」
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 time_series_timestamp 資料欄值的時間順序排序。

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，除了取得預測資料，還能取得可解釋性指標。predict_explain 函式會預測未來時間序列值，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未來 30 個時間點，並產生信賴度為 80% 的預測間隔。

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」。

ex_pred = model.predict_explain(horizon=30, confidence_level=0.8)

print(ex_pred.head(4))
# Expected output:
#       time_series_timestamp	  time_series_type	    time_series_data	time_series_adjusted_data	 standard_error	   confidence_level	   prediction_interval_lower_bound	   prediction_interval_upper_bound	  trend	   seasonal_period_yearly	  seasonal_period_quarterly	    seasonal_period_monthly	   seasonal_period_weekly	  seasonal_period_daily	    holiday_effect	   spikes_and_dips	   step_changes	   residual
# 0	  2016-08-01 00:00:00+00:00	      history	             1711.0	               505.716474	           206.939556	         <NA>	                    <NA>	                            <NA>	               0.0	           <NA>	                        <NA>	                     <NA>	                 169.611938	                  <NA>	                <NA>	            <NA>	       1205.283526	   336.104536
# 1	  2016-08-02 00:00:00+00:00	      history	             2140.0	               623.137701	           206.939556	         <NA>	                    <NA>	                            <NA>	            336.104428	       <NA>	                        <NA>	                     <NA>	                 287.033273	                  <NA>	                <NA>	            <NA>	       1205.283526	   311.578773
# 2	  2016-08-03 00:00:00+00:00	      history	             2890.0	               1008.655091	           206.939556	         <NA>	                    <NA>	                            <NA>	            563.514213	       <NA>	                        <NA>	                     <NA>	                 445.140878	                  <NA>	                <NA>	            <NA>	       1205.283526	   676.061383
# 3	  2016-08-04 00:00:00+00:00	      history	             3161.0	               1389.40959	           206.939556	         <NA>	                    <NA>	                            <NA>	            986.317236	       <NA>	                        <NA>	                     <NA>	                 403.092354	                  <NA>	                <NA>	            <NA>	       1205.283526	   566.306884
# 4	  2016-08-05 00:00:00+00:00	      history	             2702.0	               1394.395741	           206.939556	         <NA>	                    <NA>	                            <NA>	            1248.707386	       <NA>	                        <NA>	                     <NA>	                 145.688355	                  <NA>	                <NA>	            <NA>	       1205.283526	   102.320733
# 5	  2016-08-06 00:00:00+00:00	      history	             1663.0	               437.09243	           206.939556	         <NA>	                    <NA>	                            <NA>	            1188.59004	       <NA>	                        <NA>	                     <NA>	                 -751.49761	                  <NA>	                <NA>	            <NA>	       1205.283526	    20.624044

如要以視覺化方式呈現結果，請按照「以視覺化方式呈現輸入資料」一節的說明，使用 Looker Studio 建立圖表，並將下列資料欄做為指標：

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Trusted Cloud 控制台中開啟 BigQuery 頁面。

前往 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「刪除資料集」。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 Trusted Cloud console, go to the Manage resources page.
Go to Manage resources
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
瞭解如何在預測多個資料列的時間序列時，擴展單變數模型。
瞭解如何使用單變數模型，以階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。