Investigation of a framework for seasonal time series forecasting
Investigations sur un framework pour des prévisions de séries temporelles saisonnières
Résumé
To deploy web applications, using web servers is paramount. If there is too few of them, applications performances can quickly deteriorate. However, if they are too numerous, the resources are wasted and the cost increased. In this context, engineers use capacity planning tools to follow the performances of the servers, to collect time series data and to anticipate future needs. The necessity to create reliable forecasts seems clear. Data generated by the infrastructure often exhibit seasonality. The activity cycle followed by the infrastructure is determined by some seasonal cycles (for example, the user’s daily rhythms). This thesis introduces a framework for seasonal time series forecasting. This framework is composed of two machine learning models (e.g. clustering and classification) and aims at producing reliable midterm forecasts with a limited number of parameters. Three instantiations of the framework are presented: one baseline, one deterministic and one probabilistic. The baseline is composed of K-means clustering algorithms and Markov Models. The deterministic version is composed of several clustering algorithms (K-means, K-shape, GAK and MODL) and of several classifiers (naive-bayes, decision trees, random forests and logistic regression). The probabilistic version relies on coclustering to create time series probabilistic grids, that are used to describe the data in an unsupervised way. The performances of the various implementations are compared with several state-of-the-art models, including the autoregressive models, ARIMA and SARIMA, Holt Winters, or even Prophet for the probabilistic paradigm. The results of the baseline are encouraging and confirm the interest for the framework proposed. Good results are observed for the deterministic implementation, and correct results for the probabilistic version. One Orange use case is studied, and the interest and limits of the methodology are discussed.
Pour déployer des applications web, l'utilisation de serveurs informatique est primordiale. S'ils sont peu nombreux, les performances des applications peuvent se détériorer. En revanche, s'ils sont trop nombreux, les ressources sont gaspillées et les coûts argumentés. Dans ce contexte, les ingénieurs utilisent des outils de planning capacitaire qui leur permettent de suivre les performances des serveurs, de collecter les données temporelles générées par les infrastructures et d’anticiper les futurs besoins. La nécessité de créer des prévisions fiables apparaît évidente. Les données des infrastructures présentent souvent une saisonnalité évidente. Le cycle d’activité suivi par l’infrastructure est déterminé par certains cycles saisonniers (par exemple, le rythme quotidien de l’activité des utilisateurs). Cette thèse présente un framework pour la prévision de séries temporelles saisonnières. Ce framework est composé de deux modèles d’apprentissage automatique (e.g. clustering et classification) et vise à fournir des prévisions fiables à moyen terme avec un nombre limité de paramètres. Trois implémentations du framework sont présentées : une baseline, une déterministe et une probabiliste. La baseline est constituée d'un algorithme de clustering K-means et de modèles de Markov. La version déterministe est constituée de plusieurs algorithmes de clustering (K-means, K-shape, GAK et MODL) et de plusieurs classifieurs (classifieurs bayésiens, arbres de décisions, forêt aléatoire et régression logistique). La version probabiliste repose sur du coclustering pour créer des grilles probabilistes de séries temporelles, afin de décrire les données de manière non supervisée. Les performances des différentes implémentations du framework sont comparées avec différents modèles de l’état de l’art, incluant les modèles autorégressifs, les modèles ARIMA et SARIMA, les modèles Holts Winters, ou encore Prophet pour la partie probabiliste. Les résultats de la baseline sont encourageants, et confirment l'intérêt pour le framework proposé. De bons résultats sont constatés pour la version déterministe du framework, et des résultats corrects pour la version probabiliste. Un cas d’utilisation d’Orange est étudié, et l’intérêt et les limites de la méthodologie sont montrés.
| Origine | Version validée par le jury (STAR) |
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