Realizar a detecção de anomalias com um modelo de previsão de série temporal multivariável

Este tutorial mostra como fazer as seguintes tarefas:

• Crie um modelo de previsão de série temporal ARIMA_PLUS_XREG.
• Detecte anomalias nos dados da série temporal executando a função ML.DETECT_ANOMALIES no modelo.

Neste tutorial, usamos as seguintes tabelas do conjunto de dados público epa_historical_air_quality, que contém informações diárias de PM2,5, temperatura e velocidade do vento coletadas de várias cidades dos EUA:

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

Permissões necessárias

• Para criar o conjunto de dados, é preciso ter a permissão de IAM bigquery.datasets.create.

• Para criar o modelo, você precisa das seguintes permissões:

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

• Para executar a inferência, você precisa das seguintes permissões:

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

Para mais informações sobre os papéis e as permissões do IAM no BigQuery, consulte Introdução ao IAM.

Custos

Neste documento, você vai usar os seguintes componentes faturáveis do Google Cloud:

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

Para gerar uma estimativa de custo baseada na projeção de uso, use a calculadora de preços.

Novos Google Cloud usuários podem estar qualificados para um teste sem custo financeiro.

Para saber mais, acesse a página Preços do BigQuery.

Antes de começar

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In the Google Cloud console, on the project selector page, select or create a Google Cloud project.

Roles required to select or create a project

• Select a project: Selecting a project doesn't require a specific IAM role—you can select any project that you've been granted a role on.
• Create a project: To create a project, you need the Project Creator role (roles/resourcemanager.projectCreator), which contains the resourcemanager.projects.create permission. Learn how to grant roles.

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 Google Cloud project.

Enable the BigQuery API.

Roles required to enable APIs

To enable APIs, you need the serviceusage.services.enable permission. If you created the project, then you likely already have this permission through the Owner role (roles/owner). Otherwise, you can get this permission through the Service Usage Admin role (roles/serviceusage.serviceUsageAdmin). Learn how to grant roles.

Enable the API

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• Select a project: Selecting a project doesn't require a specific IAM role—you can select any project that you've been granted a role on.
• Create a project: To create a project, you need the Project Creator role (roles/resourcemanager.projectCreator), which contains the resourcemanager.projects.create permission. Learn how to grant roles.

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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Enable the API

crie um conjunto de dados

Para criar um conjunto de dados do BigQuery, selecione uma das seguintes opções:

Console

1. No Google Cloud console, acesse a página BigQuery.

   Acessar o BigQuery

2. No painel à esquerda, clique em Explorer:

   

   Se o painel esquerdo não aparecer, clique em Expandir painel esquerdo para abrir.

3. Em Explorer, expanda o projeto e clique em Conjuntos de dados.

4. Na página Conjuntos de dados, clique em Criar conjunto de dados.

5. No painel Criar conjunto de dados, faça o seguinte:

   • Para ID do conjunto de dados, insira bqml_tutorial.

   • Em Local dos dados, selecione US.

   Não altere as outras configurações padrão.

6. Clique em Criar conjunto de dados.

bq

Para criar um novo conjunto de dados, use o bq mk --dataset comando.

1. Crie um conjunto de dados chamado bqml_tutorial com o local dos dados definido como US:

   bq mk --dataset \
     --location=US \
     --description "BigQuery ML tutorial dataset." \
     bqml_tutorial

2. Confirme se o conjunto de dados foi criado:

   bq ls

API

Chame o datasets.insert método com um recurso de conjunto de dados definido:

{
  "datasetReference": {
     "datasetId": "bqml_tutorial"
  }
}

Preparar os dados de treinamento

Os dados de PM 2.5, temperatura e velocidade do vento estão em tabelas separadas. Crie a tabela bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily de dados de treinamento combinando os dados nessas tabelas públicas. bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily contém as seguintes colunas:

• date: a data da observação.
• PM2.5: o valor médio de PM2,5 para cada dia
• wind_speed: a velocidade média do vento para cada dia
• temperature: a temperatura mais alta de cada dia

A nova tabela tem dados diários de 11 de agosto de 2009 a 31 de janeiro de 2022.

1. Acessar a página do BigQuery.

   Acessar o BigQuery

2. No painel Editor SQL, execute a seguinte instrução SQL:

   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)

Criar o modelo

Crie um modelo de série temporal multivariável usando os dados de bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily como dados de treinamento.

1. Acessar a página do BigQuery.

   Acessar o BigQuery

2. No painel Editor SQL, execute a seguinte instrução SQL:

   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`
   WHERE
     date < "2023-02-01";

   A consulta leva alguns segundos para ser concluída. Depois disso, o modelo arimax_model aparece no conjunto de dados bqml_tutorial e pode ser acessado no painel Explorer.

   Como a consulta usa uma instrução CREATE MODEL para criar um modelo, não há resultados de consulta.

Realizar detecção de anomalias em dados históricos

Execute a detecção de anomalias nos dados históricos usados para treinar o modelo.

1. Acessar a página do BigQuery.

   Acessar o BigQuery

2. No painel Editor SQL, execute a seguinte instrução SQL:

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

   Os resultados são semelhantes aos seguintes:

   +-------------------------+-------------+------------+--------------------+--------------------+---------------------+
   | date                    | temperature | is_anomaly | lower_bound        | upper_bound        | anomaly_probability |
   +--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
   | 2009-08-11 00:00:00 UTC | 70.1        | false      | 67.647370742988727 | 72.552629257011262 | 0                   |
   +--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
   | 2009-08-12 00:00:00 UTC | 73.4        | false      | 71.7035428351283   | 76.608801349150838 | 0.20478819992561115 |
   +--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
   | 2009-08-13 00:00:00 UTC | 64.6        | true       | 67.740408724826068 | 72.6456672388486   | 0.945588334903206   |
   +-------------------------+-------------+------------+--------------------+--------------------+---------------------+
   

Realizar detecção de anomalias em dados novos

Execute a detecção de anomalias nos novos dados gerados.

1. Acessar a página do BigQuery.

   Acessar o BigQuery

2. No painel Editor SQL, execute a seguinte instrução SQL:

   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)
            ]
          )
        )
      );

   Os resultados são semelhantes aos seguintes:

   +-------------------------+-------------+------------+--------------------+--------------------+---------------------+------------+------------+
   | date                    | temperature | is_anomaly | lower_bound        | upper_bound        | anomaly_probability | pm25       | wind_speed |
   +----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
   | 2023-02-01 00:00:00 UTC | 44.0        | true       | 36.89918003713138  | 41.8044385511539   | 0.88975675709801583 | 8.8166665  | 1.6525     |
   +----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+
   | 2023-02-02 00:00:00 UTC | 40.5        | false      | 34.439946284051572 | 40.672021330796483 | 0.57358239699845348 | 11.8354165 | 1.558333   |
   +--------------------------------------------------------------------------------------------------------------------+-------------------------+
   | 2023-02-03 00:00:00 UTC | 46.5        | true       | 33.615139992931191 | 40.501364463964549 | 0.97902867696346974 | 10.1395835 | 1.6895835  |
   +-------------------------+-------------+------------+--------------------+--------------------+---------------------+-------------------------+
   

Limpar

Cuidado: excluir um projeto tem os seguintes efeitos:

• Tudo no projeto é excluído. Se você tiver usado um projeto atual para as tarefas neste documento, a exclusão dele incluirá a exclusão de quaisquer outros trabalhos feitos nele.
• Os IDs do projeto personalizados são perdidos. Ao criar o projeto, você pode ter criado um ID do projeto personalizado para ser usado no futuro. Para preservar os URLs que usam o ID do projeto, como um URL appspot.com, exclua recursos específicos do projeto, em vez de excluir o projeto inteiro.

Se você planeja explorar várias arquiteturas, tutoriais e guias de início rápido, a reutilização de projetos pode evitar que você exceda limites da cota.

1. No Google Cloud console, acesse a página Gerenciar recursos.

   Acessar "Gerenciar recursos"

2. Na lista de projetos, selecione o projeto que você quer excluir e clique em Excluir.
3. Na caixa de diálogo, digite o ID do projeto e clique em Desligar para excluir o projeto.