In dieser Anleitung erfahren Sie, wie Sie ein multivariates Zeitreihenmodell verwenden, um den zukünftigen Wert für eine bestimmte Spalte basierend auf dem historischen Wert mehrerer Eingabefeatures zu prognostizieren.
In dieser Anleitung wird eine Prognose für eine einzelne Zeitreihe erstellt. Prognostizierte Werte werden einmal für jeden Zeitpunkt in den Eingabedaten berechnet.
In dieser Anleitung werden Daten aus dem öffentlichen Dataset bigquery-public-data.epa_historical_air_quality verwendet. Dieses Dataset enthält Informationen zu täglichem Feinstaub (PM2.5), Temperatur und Windgeschwindigkeit, die in mehreren US-Städten erfasst wurden.
Ziele
In dieser Anleitung werden Sie durch die folgenden Aufgaben geführt:
- Erstellen eines Zeitreihenmodells zur Vorhersage von PM2.5-Werten mit der Anweisung
CREATE MODEL. - Bewerten der ARIMA-Informationen (Autoregressive Integrated Moving Average) im Modell mithilfe der Funktion
ML.ARIMA_EVALUATE. - Die Modellkoeffizienten mit der Funktion
ML.ARIMA_COEFFICIENTSprüfen. - Abrufen der prognostizierten PM2.5-Werte aus dem Modell mit der
ML.FORECAST-Funktion. - Bewerten der Accuracy des Modells mit der Funktion
ML.EVALUATE. - Abrufen von Komponenten der Zeitreihe, z. B. Saisonalität, Trend und Feature-Attributionen, mithilfe der Funktion
ML.EXPLAIN_FORECAST. Sie können diese Zeitreihenkomponenten prüfen, um die prognostizierten Werte zu erklären.
Kosten
In dieser Anleitung werden kostenpflichtige Komponenten von Google Cloudverwendet, darunter:
- BigQuery
- BigQuery ML
Weitere Informationen zu den Kosten von BigQuery finden Sie auf der Seite BigQuery-Preise.
Weitere Informationen zu den Kosten für BigQuery ML finden Sie unter BigQuery ML-Preise.
Hinweis
-
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 theresourcemanager.projects.createpermission. Learn how to grant roles.
-
Verify that billing is enabled for your Google Cloud project.
- BigQuery ist in neuen Projekten automatisch aktiviert.
Zum Aktivieren von BigQuery in einem vorhandenen Projekt wechseln Sie zu
Aktivieren Sie die BigQuery API, falls sie noch nicht aktiviert ist.
Rollen, die zum Aktivieren von APIs erforderlich sind
Zum Aktivieren von APIs benötigen Sie die Berechtigung
serviceusage.services.enable. Wenn Sie das Projekt erstellt haben, haben Sie diese Berechtigung wahrscheinlich bereits über die Inhaberrolle (roles/owner). Andernfalls können Sie diese Berechtigung über die Rolle „Service Usage-Administrator“ (roles/serviceusage.serviceUsageAdmin) erhalten. Informationen zum Zuweisen von Rollen
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.createbigquery.models.createbigquery.models.getDatabigquery.models.updateData
Zum Ausführen von Inferenzen benötigen Sie die folgenden Berechtigungen:
bigquery.models.getDatabigquery.jobs.create
Weitere Informationen zu IAM-Rollen und Berechtigungen in BigQuery finden Sie unter Einführung in IAM.
Dataset erstellen
Wählen Sie eine der folgenden Optionen aus, um ein BigQuery-Dataset zu erstellen:
Console
Rufen Sie in der Google Cloud Console die Seite BigQuery auf.
Klicken Sie im linken Bereich auf Explorer:

Wenn der linke Bereich nicht angezeigt wird, klicken Sie auf Linken Bereich maximieren, um ihn zu öffnen.
Maximieren Sie im Explorer Ihr Projekt und klicken Sie dann auf Datasets.
Klicken Sie auf der Seite Datasets auf Dataset erstellen.
Führen Sie im Bereich Dataset erstellen die folgenden Schritte aus:
Geben Sie unter Dataset-ID
bqml_tutorialein.Wählen Sie unter Speicherort der Daten die Option USA aus.
Übernehmen Sie die anderen Standardeinstellungen.
Klicken Sie auf Dataset erstellen.
bq
Wenn Sie ein neues Dataset erstellen möchten, verwenden Sie den Befehl bq mk --dataset.
Erstellen Sie ein Dataset mit dem Namen
bqml_tutorialund dem DatenspeicherortUS:bq mk --dataset \ --location=US \ --description "BigQuery ML tutorial dataset." \ bqml_tutorial
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" } }
Tabelle mit Eingabedaten erstellen
Erstellen Sie eine Datentabelle, mit der Sie das Modell trainieren und bewerten können. Diese Tabelle kombiniert Spalten aus mehreren Tabellen im Dataset bigquery-public-data.epa_historical_air_quality, um tägliche Wetterdaten bereitzustellen. Außerdem erstellen Sie die folgenden Spalten, die als Eingabevariablen für das Modell verwendet werden:
date: das Datum der Beobachtungpm25: der durchschnittliche PM2.5-Wert je Tagwind_speed: durchschnittliche Windgeschwindigkeit je Tagtemperature: Temperatur: die Höchsttemperatur je Tag
In der folgenden GoogleSQL-Abfrage gibt die FROM bigquery-public-data.epa_historical_air_quality.*_daily_summary-Klausel an, dass Sie die *_daily_summary-Tabellen im epa_historical_air_quality-Dataset abfragen. Diese Tabellen sind partitionierte Tabellen.
So erstellen Sie die Eingabedatentabelle:
Rufen Sie in der Google Cloud Console die Seite BigQuery auf.
Fügen Sie im Abfrageeditor die folgende Abfrage ein und klicken Sie auf Ausführen:
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);
Eingabedaten visualisieren
Bevor Sie das Modell erstellen, können Sie optional Ihre Eingabezeitreihendaten visualisieren, um einen Eindruck von der Verteilung zu erhalten. Verwenden Sie dazu Data Studio.
So visualisieren Sie die Zeitreihendaten:
Rufen Sie in der Google Cloud Console die Seite BigQuery auf.
Fügen Sie im Abfrageeditor die folgende Abfrage ein und klicken Sie auf Ausführen:
SELECT * FROM `bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily`;
Klicken Sie nach Abschluss der Abfrage auf Öffnen in > Data Studio. Data Studio wird in einem neuen Tab geöffnet. Führen Sie die folgenden Schritte in dem neuen Tab aus.
Klicken Sie in Data Studio auf Einfügen > Zeitreihendiagramm.
Wählen Sie im Bereich Diagramm den Tab Einrichtung aus.
Fügen Sie im Abschnitt Messwert die Felder pm25, temperature und wind_speed hinzu und entfernen Sie den Standardmesswert Anzahl der Datensätze. Das Diagramm sieht dann ungefähr so aus:
Im Diagramm sehen Sie, dass die Eingabezeitreihe ein wöchentliches saisonales Muster aufweist.
Zeitreihenmodell erstellen
Erstellen Sie ein Zeitreihenmodell, um Feinstaubwerte vorherzusagen, die durch die Spalte pm25 dargestellt werden. Verwenden Sie dazu die Spaltenwerte pm25, wind_speed und temperature als Eingabevariablen. Trainieren Sie das Modell mit den Luftqualitätsdaten aus der Tabelle bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily und wählen Sie die Daten aus, die zwischen dem 1. Januar 2012 und dem 31. Dezember 2020 erfasst wurden.
In der folgenden Abfrage gibt die OPTIONS(model_type='ARIMA_PLUS_XREG',
time_series_timestamp_col='date', ...)-Klausel an, dass Sie ein ARIMA-Modell mit externen Regressoren erstellen. Die auto_arima-Option der CREATE MODEL-Anweisung ist standardmäßig auf TRUE festgelegt, sodass der auto.ARIMA-Algorithmus die Hyperparameter im Modell automatisch abstimmt. Der Algorithmus passt Dutzende von Kandidatenmodellen an und wählt das beste Modell aus, also das Modell mit dem niedrigsten Akaike-Informationskriterium (AIC).
Die Option data_frequency der CREATE MODEL-Anweisungen ist standardmäßig auf AUTO_FREQUENCY festgelegt, sodass der Trainingsprozess automatisch die Datenhäufigkeit der Eingabezeitreihe ableitet.
So erstellen Sie das Modell:
Rufen Sie in der Google Cloud Console die Seite BigQuery auf.
Fügen Sie im Abfrageeditor die folgende Abfrage ein und klicken Sie auf Ausführen:
CREATE OR REPLACE MODEL `bqml_tutorial.seattle_pm25_xreg_model` OPTIONS ( MODEL_TYPE = 'ARIMA_PLUS_XREG', time_series_timestamp_col = 'date', # Identifies the column that contains time points time_series_data_col = 'pm25') # Identifies the column to forecast AS SELECT date, # The column that contains time points pm25, # The column to forecast temperature, # Temperature input to use in forecasting wind_speed # Wind speed input to use in forecasting FROM `bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily` WHERE date BETWEEN DATE('2012-01-01') AND DATE('2020-12-31');
Die Abfrage dauert ungefähr 20 Sekunden. Anschließend können Sie auf das Modell
seattle_pm25_xreg_modelzugreifen. Da die Abfrage eineCREATE MODEL-Anweisung zum Erstellen eines Modells verwendet, werden keine Abfrageergebnisse ausgegeben.
Kandidatenmodelle bewerten
Bewerten Sie die Zeitreihenmodelle mit der Funktion ML.ARIMA_EVALUATE. Die Funktion ML.ARIMA_EVALUATE zeigt die Bewertungsmesswerte aller Kandidatenmodelle an, die während der automatischen Hyperparameter-Abstimmung bewertet wurden.
So bewerten Sie das Modell:
Rufen Sie in der Google Cloud Console die Seite BigQuery auf.
Fügen Sie im Abfrageeditor die folgende Abfrage ein und klicken Sie auf Ausführen:
SELECT * FROM ML.ARIMA_EVALUATE(MODEL `bqml_tutorial.seattle_pm25_xreg_model`);
Die Antwort sollte in etwa so aussehen:
Die Ausgabespalten
non_seasonal_p,non_seasonal_d,non_seasonal_qundhas_driftdefinieren ein ARIMA-Modell in der Trainingspipeline. Die Ausgabespaltenlog_likelihood,AICundvariancesind für den ARIMA-Modellanpassungsprozess relevant.Der
auto.ARIMA-Algorithmus verwendet den KPSS-Test, um den besten Wert fürnon_seasonal_dzu ermitteln, der in diesem Fall1ist. Wennnon_seasonal_dden Wert1hat, trainiert derauto.ARIMA-Algorithmus 42 verschiedene ARIMA-Kandidatenmodelle parallel. In diesem Beispiel sind alle 42 Kandidatenmodelle gültig. Die Ausgabe enthält also 42 Zeilen, eine für jedes ARIMA-Kandidatenmodell. Wenn einige der Modelle nicht gültig sind, werden sie von der Ausgabe ausgeschlossen. Diese Kandidatenmodelle werden in aufsteigender Reihenfolge nach AIC zurückgegeben. Das Modell in der ersten Zeile hat den niedrigsten AIC und gilt als das beste Modell. Das beste Modell wird als endgültiges Modell gespeichert und verwendet, wenn Sie Funktionen wieML.FORECASTfür das Modell aufrufen.Die Spalte
seasonal_periodsenthält Informationen zum saisonalen Muster, das in den Zeitreihendaten erkannt wurde. Es hat nichts mit der ARIMA-Modellierung zu tun und hat daher in allen Ausgabezeilen denselben Wert. Es wird ein wöchentliches Muster gemeldet, das mit den Ergebnissen übereinstimmt, die Sie gesehen haben, wenn Sie die Eingabedaten visualisiert haben.Die Spalten
has_holiday_effect,has_spikes_and_dipsundhas_step_changesenthalten Informationen zu den Eingabezeitreihendaten und stehen nicht im Zusammenhang mit der ARIMA-Modellierung. Diese Spalten werden zurückgegeben, weil der Wert der Optiondecompose_time_seriesin der AnweisungCREATE MODELTRUEist. Diese Spalten haben auch in allen Ausgabezeilen dieselben Werte.In der Spalte
error_messagewerden alle Fehler angezeigt, die während des Anpassungsprozesses vonauto.ARIMAaufgetreten sind. Ein möglicher Grund für Fehler ist, dass die ausgewählten Spaltennon_seasonal_p,non_seasonal_d,non_seasonal_qundhas_driftdie Zeitreihe nicht stabilisieren können. Wenn Sie die Fehlermeldung aller Kandidatenmodelle abrufen möchten, setzen Sie beim Erstellen des Modells die Optionshow_all_candidate_modelsaufTRUE.Weitere Informationen zu den Ausgabespalten finden Sie unter
ML.ARIMA_EVALUATE-Funktion.
Koeffizienten des Modells prüfen
Prüfen Sie die Koeffizienten des Zeitreihenmodells mit der Funktion ML.ARIMA_COEFFICIENTS.
So rufen Sie die Koeffizienten des Modells ab:
Rufen Sie in der Google Cloud Console die Seite BigQuery auf.
Fügen Sie im Abfrageeditor die folgende Abfrage ein und klicken Sie auf Ausführen:
SELECT * FROM ML.ARIMA_COEFFICIENTS(MODEL `bqml_tutorial.seattle_pm25_xreg_model`);
Die Antwort sollte in etwa so aussehen:
In der Ausgabespalte
ar_coefficientswerden die Modellkoeffizienten des autoregressiven (AR) Teils des ARIMA-Modells angezeigt. In der Ausgabespaltema_coefficientswerden die Modellkoeffizienten des MA-Teils (Moving Average) des ARIMA-Modells angezeigt. Beide Spalten enthalten Array-Werte, deren Längenon_seasonal_pbzw.non_seasonal_qentspricht. In der Ausgabe der FunktionML.ARIMA_EVALUATEhaben Sie gesehen, dass das beste Modell einennon_seasonal_p-Wert von0und einennon_seasonal_q-Wert von5hat. In derML.ARIMA_COEFFICIENTS-Ausgabe ist derar_coefficients-Wert daher ein leeres Array und derma_coefficients-Wert ein Array mit 5 Elementen. Der Wertintercept_or_driftist der konstante Begriff im ARIMA-Modell.In den Ausgabespalten
processed_input,weightundcategory_weightswerden die Gewichtungen für jedes Feature und der Achsenabschnitt im linearen Regressionsmodell angezeigt. Wenn es sich um ein numerisches Feature handelt, wird die Gewichtung in derweight-Spalte angezeigt. Wenn es sich bei dem Feature um ein kategorisches Feature handelt, ist dercategory_weights-Wert ein Array von Strukturwerten, wobei jeder Strukturwert den Namen und die Gewichtung einer bestimmten Kategorie enthält.Weitere Informationen zu den Ausgabespalten finden Sie unter
ML.ARIMA_COEFFICIENTS-Funktion.
Modell zur Prognose von Daten verwenden
Prognostizieren Sie zukünftige Zeitreihenwerte mit der Funktion ML.FORECAST.
In der folgenden GoogleSQL-Abfrage gibt die STRUCT(30 AS horizon, 0.8 AS confidence_level)-Klausel an, dass die Abfrage 30 zukünftige Zeitpunkte prognostiziert und ein Vorhersageintervall mit einem Konfidenzniveau von 80 % generiert.
So prognostizieren Sie Daten mit dem Modell:
Rufen Sie in der Google Cloud Console die Seite BigQuery auf.
Fügen Sie im Abfrageeditor die folgende Abfrage ein und klicken Sie auf Ausführen:
SELECT * FROM ML.FORECAST( MODEL `bqml_tutorial.seattle_pm25_xreg_model`, STRUCT(30 AS horizon, 0.8 AS confidence_level), ( SELECT date, temperature, wind_speed FROM `bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily` WHERE date > DATE('2020-12-31') ));
Die Antwort sollte in etwa so aussehen:
Die Ausgabezeilen sind in chronologischer Reihenfolge nach dem Wert der Spalte
forecast_timestampsortiert. Bei Zeitreihenprognosen ist das Prognoseintervall, das durch die Spaltenwerteprediction_interval_lower_boundundprediction_interval_upper_bounddargestellt wird, genauso wichtig wie der Spaltenwertforecast_value. Derforecast_value-Wert ist der Mittelpunkt des Vorhersageintervalls. Das Vorhersageintervall hängt von den Spaltenwertenstandard_errorundconfidence_levelab.Weitere Informationen zu den Ausgabespalten finden Sie unter
ML.FORECAST-Funktion.
Prognosegenauigkeit bewerten
Bewerten Sie die Prognosegenauigkeit des Modells mit der Funktion ML.EVALUATE.
In der folgenden GoogleSQL-Abfrage stellt die zweite SELECT-Anweisung die Daten mit den zukünftigen Features bereit, die für die Prognose der zukünftigen Werte mit den tatsächlichen Daten verwendet werden.
So bewerten Sie die Accuracy des Modells:
Rufen Sie in der Google Cloud Console die Seite BigQuery auf.
Fügen Sie im Abfrageeditor die folgende Abfrage ein und klicken Sie auf Ausführen:
SELECT * FROM ML.EVALUATE( MODEL `bqml_tutorial.seattle_pm25_xreg_model`, ( SELECT date, pm25, temperature, wind_speed FROM `bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily` WHERE date > DATE('2020-12-31') ), STRUCT( TRUE AS perform_aggregation, 30 AS horizon));
Die Antwort sollte in etwa so aussehen:
Weitere Informationen zu den Ausgabespalten finden Sie unter
ML.EVALUATE-Funktion.
Prognoseergebnisse erklären
Mit der Funktion ML.EXPLAIN_FORECAST können Sie zusätzlich zu den Prognosedaten auch Messwerte zur Erklärbarkeit abrufen. Die Funktion ML.EXPLAIN_FORECAST prognostiziert zukünftige Zeitreihenwerte und gibt auch alle separaten Komponenten der Zeitreihe zurück.
Ähnlich wie die Funktion ML.FORECAST gibt die Klausel STRUCT(30 AS horizon, 0.8 AS confidence_level), die in der Funktion ML.EXPLAIN_FORECAST verwendet wird, an, dass die Abfrage 30 zukünftige Zeitpunkte prognostiziert und ein Vorhersageintervall mit einer Konfidenz von 80 % generiert.
So erklären Sie die Ergebnisse des Modells:
Rufen Sie in der Google Cloud Console die Seite BigQuery auf.
Fügen Sie im Abfrageeditor die folgende Abfrage ein und klicken Sie auf Ausführen:
SELECT * FROM ML.EXPLAIN_FORECAST( MODEL `bqml_tutorial.seattle_pm25_xreg_model`, STRUCT(30 AS horizon, 0.8 AS confidence_level), ( SELECT date, temperature, wind_speed FROM `bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily` WHERE date > DATE('2020-12-31') ));
Die Antwort sollte in etwa so aussehen:
Die Ausgabezeilen werden chronologisch nach dem Spaltenwert
time_series_timestampsortiert.Weitere Informationen zu den Ausgabespalten finden Sie unter
ML.EXPLAIN_FORECAST-Funktion.
Bereinigen
Damit Ihrem Google Cloud-Konto die in dieser Anleitung verwendeten Ressourcen nicht in Rechnung gestellt werden, löschen Sie entweder das Projekt, das die Ressourcen enthält, oder Sie behalten das Projekt und löschen die einzelnen Ressourcen.
- Sie können das von Ihnen erstellte Projekt löschen.
- Sie können das Projekt aber auch behalten und das Dataset löschen.
Dataset löschen
Wenn Sie Ihr Projekt löschen, werden alle Datasets und Tabellen entfernt. Wenn Sie das Projekt wieder verwenden möchten, können Sie das in dieser Anleitung erstellte Dataset löschen:
Rufen Sie, falls erforderlich, die Seite „BigQuery“ in derGoogle Cloud Console auf.
Wählen Sie im Navigationsbereich das Dataset bqml_tutorial aus, das Sie erstellt haben.
Klicken Sie rechts im Fenster auf Delete dataset (Dataset löschen). Dadurch werden das Dataset, die Tabelle und alle Daten gelöscht.
Bestätigen Sie im Dialogfeld Dataset löschen den Löschbefehl. Geben Sie dazu den Namen des Datasets (
bqml_tutorial) ein und klicken Sie auf Löschen.
Projekt löschen
So löschen Sie das Projekt:
- Wechseln Sie in der Google Cloud -Console zur Seite Ressourcen verwalten.
- Wählen Sie in der Projektliste das Projekt aus, das Sie löschen möchten, und klicken Sie dann auf Löschen.
- Geben Sie im Dialogfeld die Projekt-ID ein und klicken Sie auf Shut down (Beenden), um das Projekt zu löschen.
Nächste Schritte
- Prognose für einzelne Zeitreihe mit einem univariaten Modell erstellen
- Mehrere Zeitreihen mit einem univariaten Modell prognostizieren
- Univariates Modell skalieren, wenn mehrere Zeitreihen über viele Zeilen hinweg prognostiziert werden
- Hierarchische Prognosen für mehrere Zeitachsen mit einem univariaten Modell erstellen
- Eine Übersicht über BigQuery ML finden Sie unter Einführung in KI und ML in BigQuery.