AIモデルによる需要予測の事例と手法を紹介！Pythonで実装してみよう！

こんにちは！スタビジ編集部です！

今回は需要予測におけるAIモデルについてその活用方法や具体的な事例について紹介していきます。

記事の後半では、実際にPythonを使った需要予測のやり方についても紹介します！

以下のYoutube動画でも解説していますのであわせてチェックしてみてください！

需要予測とは？AIモデルを用いるメリットは？

まず初めに、需要予測とは何なのか？について解説していきます！

需要予測とはその名の通り、誰にも定かではない将来の需要を予測するプロセスでありビジネスにおいて欠かせないものとなっています。

需要予測は、企業が製品やサービスを供給する量を最適化し、在庫を多く抱えすぎないように抑えつつ、需要に応じて生産や調達の量を調整する目的で利用されます。

製品の製造計画や在庫管理、サービス提供の最適化など、戦略的な意思決定を行う需要予測のプロセスは多岐にわたります。

昨今では、この需要予測にAIモデルが活用されるケースが見られます。

AIモデルを用いて需要予測を行うメリットは以下などがあります。

AIモデルの種類と選定

需要予測に用いられるAIモデルは様々あります。

異なるモデルにはそれぞれ、得意なデータやパターンがあり、ビジネスの特性によって最適なモデルは変化します。

本章では、代表的な３つのモデルである「ARIMAモデル」「LSTM」「Prophet」に焦点を当ててそれぞれの特性について見ていきましょう。

ARIMAモデル

ARIMA（AutoRegressive Integrated Moving Average）は、時系列データの予測に広く使用される統計的手法です。

時系列データの予測なので需要予測以外にも、様々な予測に活用されます！
（ex.ある地域の降水量）

ARIMAモデルでは以下の3つの要素が組み合わさっています。

・自己相関（AutoRegressive：AR）
・和分（Integrated：I）
・移動平均（Moving Average：MA）

詳しい説明はここでは割愛しますが、上記3つの要素が組み合わさっていることにより、データのトレンドや季節性を捉えることが可能です。

このモデルの特徴は、非定常（時系列によって平均値などのトレンド感が異なるなど）の特徴を持つ時系列データに対しても、差分を取り定常性を持つデータに変換させるところにあります。

定常性とは？定常過程/非定常過程についてわかりやすくまとめておく当サイト【スタビジ】の本記事では、時系列問題で登場する定常の考え方についてまとめていきます。定常過程の考え方から単位根過程の注意点など時系列データを扱う上でのポイントをRで実装しながら見ていきますよー！

これにより、モデルがデータのトレンドや季節性をより適切に捉えられるようになります。

季節性のあるデータにも対応できるARIMAモデルは、例えば特定の月や週ごとのパターンを考慮して予測を行えることが強みです。

ARIMAモデルについては以下の記事をチェックしてみてください！

【相関/自己共分散】時系列データ分析の基礎と注意点について解説！当サイト【スタビジ】の本記事では、実務の場で登場することの多い時系列データの分析方法についてカンタンにまとめていきます！時系列要素を加味しないとちゃんとしたモデリングができない状況に陥ります。注意しましょう！

LSTM

LSTM（Long Short Term Memory）は、時系列データに対するニューラルネットワークの一種です。

ニューラルネットワークの仕組みや種類についてまとめたこちらの記事もぜひチェックを！

ニューラルネットワークとは？仕組みとRでの実装！当サイト【スタビジ】の本記事では、ディープラーニングの原型となるニューラルネットワークについてまとめていきます！ニューラルネットワークはディープラーニングを学ぶ上での基礎知識としておさえておいてほしい手法。Rでの実装も一緒におこなっていきますよー！

通常のリカレントニューラルネットワーク（RNN）の、「時系列データの長期記憶を保持するのが困難である」という課題を解決するために開発されたのがLSTMになります。

RNNの概要はこちら↓↓

https://toukei-lab.com/rnn#RNN-5

RNNの派生型LSTMについてはこちら↓↓

RNNの派生型LSTMについてわかりやすく解説！時系列データをPythonで分析していこう！当サイト【スタビジ】の本記事では、時系列・自然言語処理領域において利用されてきたRNNの派生型モデル「LSTM」について解説していきたいと思います！最終的には時系列シミュレーションデータを発生させてPythonでモデル構築していきます。

LSTMモデルでは上記のイメージ図のように、長期記憶と短期記憶を保持しつつ、長期記憶から不要な記憶を忘却させ新たな記憶をインプットして次に渡していくような仕組みになっています。

このモデルはデータの中に潜む複雑な非線形関係を捉えることができ、特に大量のデータが用意できる場合に効果を発揮します！

ニューラルネットワークについては以下の学習コンテンツもぜひ覗いてみてくださいーー！

Prophet

最後にProphet。

Prophetは、Facebookが開発した時系列データの予測に特化したモデルです！

季節性や休日などの時系列的要因を柔軟に取り扱うことができ、トレンドの変化に適応できます。

非常に使いやすくパラメータの調整が容易なため、初学者にもおすすめのAIモデルとなっています！

AIモデルによる需要予測の具体事例

前章で紹介した３モデルの適用事例を簡単に紹介します！

ARIMAモデルを用いた需要予測

ある小売業界では、スーパーマーケットでの商品の需要予測にARIMAモデルを適用しました。

過去の売り上げデータを学習させたARIMAモデルを用いて未来の需要を予測し、在庫を最適化した結果、在庫コスト減＆機会損失の減少＆顧客満足度向上に繋がりました！

LSTMを用いた需要予測

ある製造業では、機械の故障データや生産量などから未来の需要を予測し、生産計画を最適化するためにLSTMを活用しています。

データの中に潜む複雑な時系列関係を学習でき、非線形なパターンに対応することが出来るLSTMが活躍し、活用前より効率的な生産計画を実現しました！

Prophetを用いた需要予測

Prophetの利用事例として、小売業の季節性の強い商品や、イベントによる需要変動の予測が挙げられます！

Prophetは季節性を柔軟に扱えるため、クリスマスやお正月、ゴールデンウイークなど、季節イベントによる需要予測において有用です！

Pythonによる実装

ここからは、実際の需要予測の手法をPython上で実装していきます！

今回はシンプルな例として、年月日と売れた個数からなるデータを学習させてLSTMモデルを構築し、実際に需要の予測値の算出まで行っていきます。

以下の流れで分析を進めます。

1. 必要なライブラリのインポート

まずはじめに必要なライブラリをインポートしてあげましょう。

普段importすることの多いnumpyやpandas、可視化に用いるmatplotlib以外に、今回はLSTMモデルを利用するのでそれに関連するものもインポートしてしまいます！

# 必要なライブラリのインポート
import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler
from keras.models import Sequential
from keras.layers import LSTM, Dense

2.日付と需要（売上数）からなるダミーデータを生成

次にダミーデータを生成します。

各コードで何を行っているかは#で記載の通りです。

# 疑似乱数の設定
np.random.seed(1)
# 2022/1/1から2023/12/31までの日付データを1日ごとに生成
date_range = pd.date_range(start='2022-01-01', end='2023-12-31', freq='D')
# 正規分布からの乱数に疑似的に周期性を持たせた値を加算したものを需要データとして生成
demand_data = np.random.normal(loc=50, scale=10, size=len(date_range)) + np.sin(np.linspace(0, 4*np.pi, len(date_range)))
# 生成された日付データと需要データを結合しdataに格納
data = pd.DataFrame({'Date': date_range, 'Demand': demand_data})

上記コードにより、時系列データを模したダミーデータを生成し、データフレームに格納できました！

データの中身を確認してみましょう！

365日×2年間分の730行からなる需要量のダミーデータが作成されていることが分かります！

手元に実際の時系列データがある方は、そちらを使ってみましょう！

3. データの前処理

続いて時系列データの前処理として、正規化・整形・ラベルの作成を行っていきます。

# データの正規化
scaler = MinMaxScaler(feature_range=(0, 1))
scaled_data = scaler.fit_transform(data['Demand'].values.reshape(-1, 1))

# データの整形（データの95%を学習用として使用）
training_data_len = int(np.ceil(len(scaled_data) * .95))
train_data = scaled_data[0:int(training_data_len), :]

# ラベルの作成
x_train, y_train = [], []
for i in range(60, len(train_data)):
    x_train.append(train_data[i-60:i, 0])
    y_train.append(train_data[i, 0])

x_train, y_train = np.array(x_train), np.array(y_train)

4. LSTMモデルの構築

このフェーズでは、実際にLSTMモデルを構築していきます！！

# LSTMモデルの構築
model = Sequential()
model.add(LSTM(units=50, return_sequences=True, input_shape=(x_train.shape[1], 1)))
model.add(LSTM(units=50, return_sequences=False))
model.add(Dense(units=25))
model.add(Dense(units=1))

# モデルのコンパイル
model.compile(optimizer='adam', loss='mean_squared_error')

# モデルのトレーニング
model.fit(x_train, y_train, batch_size=1, epochs=1)

モデル構築の箇所では各層を追加し、ユニット数や出力の指定を行っております。

そしてコンパイルの箇所で最適化アルゴリズム：adam、損失関数：平均二乗誤差をそれぞれ指定し、学習させています！

5. テストデータの作成＆モデルの性能評価

続いてこちらのフェーズでは、テストデータを作成し、そのテストデータとLSTMモデルから出力させた予測値をもとに、モデルの性能を評価しています。

# テストデータセットの作成
test_data = scaled_data[training_data_len - 60:, :]

# 特徴とラベルの作成
x_test = []
y_test = data['Demand'][training_data_len:].values
for i in range(60, len(test_data)):
    x_test.append(test_data[i-60:i, 0])

x_test = np.array(x_test)

# データの再形成
x_test = np.reshape(x_test, (x_test.shape[0], x_test.shape[1], 1))

# 予測値の取得
predictions = model.predict(x_test)
predictions = scaler.inverse_transform(predictions)

# モデルの性能評価
rmse = np.sqrt(np.mean(((predictions - y_test) ** 2)))
print(f'Root Mean Squared Error (RMSE): {rmse}')

6. 予測結果を可視化

ここまできたら、最後に予測結果を可視化します！

# 予測結果の可視化
train = data[:training_data_len]
valid = data[training_data_len:]
valid['Predictions'] = predictions

plt.figure(figsize=(16, 8))
plt.title('Model')
plt.xlabel('Date')
plt.ylabel('Demand')
plt.plot(train['Date'], train['Demand'])
plt.plot(valid['Date'], valid[['Demand', 'Predictions']])
plt.legend(['Train', 'Test', 'Predictions'], loc='lower right')
plt.show()

上記により、学習データ(Train)とテストデータ(Test)で示す実際の需要と、モデルによる予測結果(Predictions)が同プロット上に表示され、視覚的にモデルの性能を評価することが可能です！

実際の出力結果を見てみましょう！

結果がしっかりとグラフ上に可視化できていることが確認できますね！！

最後の方の60日間はテストデータとしていて、予測値を出した際に評価を行っていました。

実際にモデルを作成して予測に用いる際には、パラメータを調整する必要があり、そのためにテストデータによる性能評価・検証のフェーズが存在します！

AIモデル×需要予測のまとめ

ここまでご覧いただきありがとうございました！

本記事では、AIモデルを使用して需要を予測する方法や事例についてまとめました！

需要予測はビジネスのあらゆる分野で重要な課題であり、AIの進化に伴ってより精緻で効果的な予測が可能になっています！

ぜひ理解して、自分でAIモデルを使えるようになりましょう！

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