Esegui il rilevamento di anomalie con un modello di previsione di serie temporali multivariato

Questo tutorial mostra come eseguire le seguenti attività:

• Crea un modello di previsione delle serie temporali ARIMA_PLUS_XREG.
• Rileva le anomalie nei dati delle serie temporali eseguendo la funzione ML.DETECT_ANOMALIES sul modello.

Questo tutorial utilizza le seguenti tabelle del set di dati pubblico epa_historical_air_quality, che contiene informazioni giornaliere su PM 2.5, temperatura e velocità del vento raccolte da più città degli Stati Uniti:

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

Autorizzazioni obbligatorie

• Per creare il set di dati, devi disporre dell'autorizzazione IAM bigquery.datasets.create.

• Per creare il modello, devi disporre delle seguenti autorizzazioni:

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

• Per eseguire l'inferenza, devi disporre delle seguenti autorizzazioni:

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

Per saperne di più sui ruoli e sulle autorizzazioni IAM in BigQuery, consulta Introduzione a IAM.

Costi

In questo documento vengono utilizzati i seguenti componenti fatturabili di Google Cloud:

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

Per generare una stima dei costi in base all'utilizzo previsto, utilizza il Calcolatore prezzi.

I nuovi utenti di Google Cloud potrebbero avere diritto a una prova senza costi.

Per saperne di più, consulta la pagina relativa ai prezzi di BigQuery.

Prima di iniziare

1. 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

2. Verify that billing is enabled for your Google Cloud project.

3. Enable the BigQuery API, if it is not already enabled.

   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

Crea un set di dati

Per creare un set di dati BigQuery, seleziona una delle seguenti opzioni:

Console

1. Nella console Google Cloud , vai alla pagina BigQuery.

   Vai a BigQuery

2. Nel riquadro a sinistra, fai clic su Explorer:

   

   Se non vedi il riquadro a sinistra, fai clic su Espandi riquadro sinistro per aprirlo.

3. In Explorer, espandi il progetto, quindi fai clic su Set di dati.

4. Nella pagina Set di dati, fai clic su Crea set di dati.

5. Nel riquadro Crea set di dati, segui questi passaggi:

   • In ID set di dati, inserisci bqml_tutorial.

   • Per Località dei dati, seleziona USA.

   Lascia invariate le altre impostazioni predefinite.

6. Fai clic su Crea set di dati.

bq

Per creare un nuovo set di dati, utilizza il comando bq mk --dataset.

1. Crea un set di dati denominato bqml_tutorial con la località dei dati impostata su US:

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

2. Verifica che il set di dati sia stato creato:

   bq ls

API

Chiama il metodo datasets.insert con una risorsa del set di dati definita:

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

prepara i dati di addestramento

I dati relativi a PM2.5, temperatura e velocità del vento si trovano in tabelle separate. Crea la tabella bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily dei dati di addestramento combinando i dati di queste tabelle pubbliche. bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily contiene le seguenti colonne:

• date: la data dell'osservazione
• PM2.5: il valore medio di PM2,5 per ogni giorno
• wind_speed: la velocità media del vento per ogni giorno
• temperature: la temperatura più alta di ogni giorno

La nuova tabella contiene i dati giornalieri dall'11 agosto 2009 al 31 gennaio 2022.

1. Vai alla pagina BigQuery.

   Vai a BigQuery

2. Nel riquadro dell'editor SQL, esegui la seguente istruzione 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)

Crea il modello

Crea un modello di serie temporali multivariato utilizzando i dati di bqml_tutorial.seattle_air_quality_daily come dati di addestramento.

1. Vai alla pagina BigQuery.

   Vai a BigQuery

2. Nel riquadro dell'editor SQL, esegui la seguente istruzione 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";

   Il completamento della query richiede diversi secondi, dopodiché il modello arimax_model viene visualizzato nel set di dati bqml_tutorial ed è accessibile nel riquadro Explorer.

   Poiché la query utilizza un'istruzione CREATE MODEL per creare un modello, non sono presenti risultati della query.

Esegui il rilevamento di anomalie sui dati storici

Esegui il rilevamento di anomalie sui dati storici che hai utilizzato per addestrare il modello.

1. Vai alla pagina BigQuery.

   Vai a BigQuery

2. Nel riquadro dell'editor SQL, esegui la seguente istruzione SQL:

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

   I risultati sono simili ai seguenti:

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

Esegui il rilevamento di anomalie sui nuovi dati

Esegui il rilevamento di anomalie sui nuovi dati generati.

1. Vai alla pagina BigQuery.

   Vai a BigQuery

2. Nel riquadro dell'editor SQL, esegui la seguente istruzione 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)
            ]
          )
        )
      );

   I risultati sono simili ai seguenti:

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

Esegui la pulizia

Attenzione: l'eliminazione di un progetto ha i seguenti effetti:

• L'intero contenuto del progetto viene eliminato. Se hai utilizzato un progetto esistente per, le attività descritte in questo documento, eliminerai anche tutto il lavoro che hai svolto nel progetto.
• Gli ID progetto personalizzati non sono più disponibili. Quando hai creato questo progetto, potresti aver creato un ID progetto personalizzato che vuoi utilizzare in futuro. Per conservare gli URL che utilizzano l'ID progetto, ad esempio un URL appspot.com, elimina le risorse selezionate all'interno del progetto anziché eliminare l'intero progetto.

Se intendi esplorare più architetture, tutorial o guide rapide, puoi riutilizzare i progetti ed evitare così di superare i limiti di quota.

1. Nella console Google Cloud , vai alla pagina Gestisci risorse.

   Vai a Gestisci risorse

2. Nell'elenco dei progetti, seleziona il progetto che vuoi eliminare, quindi fai clic su Elimina.
3. Nella finestra di dialogo, digita l'ID progetto, quindi fai clic su Chiudi per eliminare il progetto.