Anomalieerkennung mit einem multivariaten Zeitreihenprognosemodell durchführen

In dieser Anleitung werden die folgenden Aufgaben erläutert:

• Erstellen Sie ein ARIMA_PLUS_XREG-Zeitreihen-Prognosemodell.
• Erkennen Sie Anomalien in den Zeitreihendaten, indem Sie die ML.DETECT_ANOMALIES-Funktion für das Modell ausführen.

In dieser Anleitung werden die folgenden Tabellen aus dem öffentlichen epa_historical_air_quality-Dataset verwendet, das tägliche PM2.5-, Temperatur- und Windgeschwindigkeitsdaten aus mehreren US-Städten enthält:

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

Erforderliche Berechtigungen

• Sie benötigen die IAM-Berechtigung bigquery.datasets.create, um das Dataset zu erstellen.

• Zum Erstellen des Modells benötigen Sie die folgenden Berechtigungen:

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

• Zum Ausführen von Inferenzen benötigen Sie die folgenden Berechtigungen:

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

Weitere Informationen zu IAM-Rollen und Berechtigungen in BigQuery finden Sie unter Einführung in IAM.

Kosten

In diesem Dokument verwenden Sie die folgenden kostenpflichtigen Komponenten von Google Cloud:

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

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Neuen Nutzern von Google Cloud steht möglicherweise eine kostenlose Testversion zur Verfügung.

Weitere Informationen finden Sie unter BigQuery-Preise.

Hinweise

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Dataset erstellen

Erstellen Sie ein BigQuery-Dataset zum Speichern Ihres ML-Modells.

Console

1. Öffnen Sie in der Google Cloud Console die Seite BigQuery.

   Zur Seite "BigQuery"

2. Klicken Sie im Bereich Explorer auf den Namen Ihres Projekts.

3. Klicken Sie auf  Aktionen ansehen > Dataset erstellen.

4. Führen Sie auf der Seite Dataset erstellen die folgenden Schritte aus:

   • Geben Sie unter Dataset-ID bqml_tutorial ein.

   • Wählen Sie als Standorttyp die Option Mehrere Regionen und dann USA (mehrere Regionen in den USA) aus.

   • Übernehmen Sie die verbleibenden Standardeinstellungen unverändert und klicken Sie auf Dataset erstellen.

bq

Wenn Sie ein neues Dataset erstellen möchten, verwenden Sie den Befehl bq mk mit dem Flag --location. Eine vollständige Liste der möglichen Parameter finden Sie in der bq mk --dataset-Befehlsreferenz.

1. Erstellen Sie ein Dataset mit dem Namen bqml_tutorial, wobei der Datenspeicherort auf US und die Beschreibung auf BigQuery ML tutorial dataset festgelegt ist:

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

   Anstelle des Flags --dataset verwendet der Befehl die verkürzte Form -d. Wenn Sie -d und --dataset auslassen, wird standardmäßig ein Dataset erstellt.

2. Prüfen Sie, ob das Dataset erstellt wurde:

   bq ls

API

Rufen Sie die Methode datasets.insert mit einer definierten Dataset-Ressource auf.

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

BigQuery DataFrames

Bevor Sie dieses Beispiel ausprobieren, folgen Sie den Schritten zur Einrichtung von BigQuery DataFrames in der BigQuery-Kurzanleitung: BigQuery DataFrames verwenden. Weitere Informationen finden Sie in der Referenzdokumentation zu BigQuery DataFrames.

Richten Sie zur Authentifizierung bei BigQuery die Standardanmeldedaten für Anwendungen ein. Weitere Informationen finden Sie unter ADC für eine lokale Entwicklungsumgebung einrichten.

import google.cloud.bigquery

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

Trainingsdaten vorbereiten

Die Daten zu PM2.5, Temperatur und Windgeschwindigkeit befinden sich in separaten Tabellen. Erstellen Sie die Tabelle bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily mit Trainingsdaten, indem Sie die Daten in diesen öffentlichen Tabellen kombinieren. bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily enthält die folgenden Spalten:

• date: das Datum der Beobachtung
• PM2.5: der durchschnittliche PM2.5-Wert je Tag
• wind_speed: durchschnittliche Windgeschwindigkeit je Tag
• temperature: Temperatur: die Höchsttemperatur je Tag

Die neue Tabelle enthält Tagesdaten vom 11. August 2009 bis zum 31. Januar 2022.

1. Rufen Sie die Seite BigQuery auf.

   BigQuery aufrufen

2. Führen Sie im SQL-Editorbereich die folgende SQL-Anweisung aus:

   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)

Modell erstellen

Erstellen Sie ein multivariates Zeitreihenmodell. Verwenden Sie dazu die Daten aus bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily als Trainingsdaten.

1. Rufen Sie die Seite BigQuery auf.

   BigQuery aufrufen

2. Führen Sie im SQL-Editorbereich die folgende SQL-Anweisung aus:

   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";

   Die Abfrage dauert mehrere Sekunden. Anschließend wird das Modell arimax_model im bqml_tutorial-Dataset angezeigt und kann im Bereich Explorer aufgerufen werden.

   Da die Abfrage eine CREATE MODEL-Anweisung zum Erstellen eines Modells verwendet, gibt es keine Abfrageergebnisse.

Anomalieerkennung für Verlaufsdaten durchführen

Führen Sie die Anomalieerkennung für die Verlaufsdaten aus, mit denen Sie das Modell trainiert haben.

1. Rufen Sie die Seite BigQuery auf.

   BigQuery aufrufen

2. Führen Sie im SQL-Editorbereich die folgende SQL-Anweisung aus:

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

   Die Ergebnisse sehen in etwa so aus:

   +-------------------------+-------------+------------+--------------------+--------------------+---------------------+
   | 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   |
   +-------------------------+-------------+------------+--------------------+--------------------+---------------------+
   

Anomalieerkennung für neue Daten durchführen

Führen Sie die Anomalieerkennung für die von Ihnen generierten neuen Daten aus.

1. Rufen Sie die Seite BigQuery auf.

   BigQuery aufrufen

2. Führen Sie im SQL-Editorbereich die folgende SQL-Anweisung aus:

   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)
            ]
          )
        )
      );

   Die Ergebnisse sehen in etwa so aus:

   +-------------------------+-------------+------------+--------------------+--------------------+---------------------+------------+------------+
   | 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  |
   +-------------------------+-------------+------------+--------------------+--------------------+---------------------+-------------------------+
   

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Achtung: Das Löschen von Projekten hat folgende Auswirkungen:

• Alle Inhalte des Projekts werden gelöscht. Wenn Sie für die Aufgaben in diesem Dokument ein bereits bestehendes Projekt verwendet haben und dieses löschen, werden auch alle anderen im Rahmen des Projekts erstellten Daten gelöscht.
• Benutzerdefinierte Projekt-IDs gehen verloren. Beim Erstellen dieses Projekts haben Sie möglicherweise eine benutzerdefinierte Projekt-ID erstellt, die Sie weiterhin verwenden möchten. Damit die URLs, die die Projekt-ID nutzen, zum Beispiel eine appspot.com-URL, erhalten bleiben, sollten Sie ausgewählte Ressourcen innerhalb des Projekts löschen, anstatt das gesamte Projekt.

Wenn Sie mehrere Architekturen, Anleitungen und Kurzanleitungen durcharbeiten möchten, können Sie die Überschreitung von Projektkontingenten verhindern, indem Sie Projekte wiederverwenden.

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