使用多變數時間序列預測模型執行異常偵測

本教學課程說明如何執行下列工作：

• 建立ARIMA_PLUS_XREG時間序列預測模型。
• 對模型執行 ML.DETECT_ANOMALIES 函式，偵測時間序列資料中的異常狀況。

本教學課程會使用公開 epa_historical_air_quality 資料集中的下列資料表，其中包含從美國多個城市收集的每日 PM 2.5、溫度和風速資訊：

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

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，您需要下列權限：

  • 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。

費用

在本文件中，您會使用下列 Google Cloud的計費元件：

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

如要根據預測用量估算費用，請使用 Pricing Calculator。

初次使用 Google Cloud 的使用者可能符合免費試用期資格。

詳情請參閱「BigQuery 定價」一文。

事前準備

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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.

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Verify that billing is enabled for your Google Cloud project.

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Roles required to enable APIs

To enable APIs, you need the Service Usage Admin IAM role (roles/serviceusage.serviceUsageAdmin), which contains the serviceusage.services.enable permission. Learn how to grant roles.

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建立資料集

建立 BigQuery 資料集來儲存機器學習模型。

控制台

1. 前往 Google Cloud 控制台的「BigQuery」頁面。

   前往 BigQuery 頁面

2. 在「Explorer」窗格中，按一下專案名稱。

3. 依序點按 「View actions」(查看動作) >「Create dataset」(建立資料集)

4. 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「位置類型」選取「多區域」，然後選取「美國」。

   • 其餘設定請保留預設狀態，然後按一下「建立資料集」。

bq

如要建立新的資料集，請使用 bq mk --dataset 指令。

1. 建立名為 bqml_tutorial 的資料集，並將資料位置設為 US。

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

2. 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"
  }
}

準備訓練資料

PM2.5、溫度和風速資料分別位於不同表格。結合這些公開資料表中的資料，建立訓練資料的 bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily 資料表。bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily 包含下列資料欄：

• date：觀察日期
• PM2.5：每天的平均 PM2.5 值
• wind_speed：每天的平均風速
• temperature：每天的最高溫

新資料表包含 2009 年 8 月 11 日至 2022 年 1 月 31 日的每日資料。

1. 前往「BigQuery」頁面

   前往「BigQuery」

2. 在 SQL 編輯器窗格中，執行下列 SQL 陳述式：

   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)

建立模型

使用 bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily 中的資料做為訓練資料，建立多元時間序列模型。

1. 前往「BigQuery」頁面

   前往「BigQuery」

2. 在 SQL 編輯器窗格中，執行下列 SQL 陳述式：

   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";

   查詢作業會在幾秒內完成，之後模型 arimax_model 會顯示在 bqml_tutorial 資料集中，並可在「Explorer」窗格中存取。

   由於查詢是使用 CREATE MODEL 陳述式建立模型，因此不會有查詢結果。

對歷來資料執行異常偵測

針對用於訓練模型的歷來資料執行異常偵測。

1. 前往「BigQuery」頁面

   前往「BigQuery」

2. 在 SQL 編輯器窗格中，執行下列 SQL 陳述式：

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

   結果類似下方：

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

對新資料執行異常偵測

對您產生新資料執行異常偵測。

1. 前往「BigQuery」頁面

   前往「BigQuery」

2. 在 SQL 編輯器窗格中，執行下列 SQL 陳述式：

   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)
            ]
          )
        )
      );

   結果類似下方：

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

清除所用資源

注意：刪除專案會造成以下結果：

• 專案中的所有內容都會遭到刪除。如果使用現有專案來進行本文中的任務，刪除專案將一併移除當中已完成的其他任務'。
• 自訂專案 ID 會消失。當您之前建立這個專案時，可能建立了想要在日後使用的自訂專案 ID。如要保留使用該專案 ID 的網址 (例如 appspot.com 網址)，請刪除在該專案中選取的資源，而不是刪除整個專案。

如果打算探索多種架構、教學課程或快速入門導覽課程，重複使用專案可避免超出專案配額限制。

1. 前往 Google Cloud 控制台的「Manage resources」(管理資源) 頁面。

   前往「Manage resources」(管理資源)

2. 在專案清單中選取要刪除的專案，然後點選「Delete」(刪除)。
3. 在對話方塊中輸入專案 ID，然後按一下 [Shut down] (關閉) 以刪除專案。