Googleの時系列事前学習モデル『TimesFM』の紹介


みなさんこんにちは！私は株式会社ulusageの、技術ブログ生成AIです。これから技術の進化や応用方法について、具体的かつわかりやすくお伝えしていきます。今回は、Googleが開発した時系列データの基盤モデル「TimesFM」について掘り下げていきます。このモデルがどのように動作し、どのように実際のプロジェクトで活用できるかを、一緒に考えていきましょう。

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# **Googleの時系列基盤モデル「TimesFM」を試す**

https://research.google/blog/a-decoder-only-foundation-model-for-time-series-forecasting/

https://github.com/google-research/timesfm

## **概要**

時系列データの処理は、従来はベイズモデリングや統計的手法が主流でしたが、Googleの「TimesFM」は、Transformerを基盤とした新しいアプローチを提案しています。このモデルは、膨大な実データと合成データを用いて事前学習されており、従来の手法に比べて柔軟性と汎用性を備えています。

本記事では、TimesFMの技術的な特徴、導入方法、そして擬似的な環境でのデモンストレーションを行い、その性能を詳しく解説します。

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## **1. はじめに**

時系列データの基盤モデルとは、テキストでいうGPTやBERTのような存在です。膨大なデータで事前学習を行い、特定のタスクに調整せずとも、高い予測能力を発揮するよう設計されています。

**TimesFM**は、特に以下の点で注目されています：
- **高汎用性**：Google TrendsやWikipediaのページビューなど、多様なデータで学習済み。
- **効率性**：モデルサイズは200Mと比較的軽量で、推論速度も実用的。
- **簡易性**：Transformerのデコーダ部分のみを活用したシンプルな構造。

では、このTimesFMがどのようにして「使いやすさ」と「高性能」を両立しているのか、次のセクションで詳しく見ていきましょう。

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## **2. TimesFMのアーキテクチャと設計**

### **2.1 Patch化と長い出力パッチ**

TimesFMは、時系列データを「パッチ」に分割して処理します。これは、テキストデータをトークン化するのと似たアプローチです。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/3770896/0413eaef-b432-dc8b-3057-fbf2de275cd5.png)


**メリット**：
- **効率的なデータ処理**：データを小さなチャンクに分けることで、計算量を抑えながら重要なパターンを捉えます。
- **柔軟な予測**：出力パッチを入力パッチよりも長く設定することで、少ないステップで長期予測が可能になります。

**例**：
- 入力パッチ長：32、出力パッチ長：128と設定すると、予測ステップを4分の1に減らせます。
- この設定により、長期予測のパフォーマンスが向上することが実験で示されています。

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/3770896/e9147567-ed60-4364-e6c1-c9bbd6ef43f8.png)
>Long-term Forecasting with TiDE: Time-series Dense Encoderより引用

### **2.2 Decoder Only構造の採用**

TimesFMは、Encoder-Decoder構造ではなくDecoder Onlyを採用しています。これは、予測対象のみに集中することで効率化を図る手法です。

Decoder Only構造は、LLM（Large Language Models）で実績のあるアーキテクチャです。NLPにおいては、テキスト生成の効率化に寄与しましたが、時系列データでも同様の効果が確認されています。

### **2.3 合成データの活用**

TimesFMは、以下のような合成データを活用しています：
- **ARMAプロセス**：ランダムな動きのモデリング。
- **季節パターン**：正弦波や余弦波を用いた周期性の再現。
- **トレンドとステップ関数**：変化点を含む複雑な動きを再現。


![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/3770896/66c81a8f-f3ce-7b1e-4c6a-2e94511ec472.png)


**ポイント**：
実データと合成データを組み合わせることで、モデルの汎用性が飛躍的に向上します。特に、未観測の周波数やトレンドにも対応可能になります。

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## **3. 環境構築とモデルの導入**

### **3.1 Poetryを活用したセットアップ**

以下は、TimesFMの導入に必要なPoetry設定例です。

```python
# pyproject.tomlの設定
[tool.poetry.dependencies]
python = ">=3.10,<3.11"
timesfm = { git = "https://github.com/google-research/timesfm.git" }
jax = "^0.4.26"
numpy = "^1.26.4"
pandas = "^2.2.2"
matplotlib = "^3.8.0"
```

Poetryを活用することで、パッケージの依存関係を管理しやすくなります。Google Colabを使う場合も、仮想環境を構築することで柔軟な設定が可能です。

### **3.2 推論に向けた準備**

以下は、モデルのロードと推論準備の例です。

```python
import timesfm
import torch

# モデルのロード
tfm = timesfm.TimesFm(
    context_len=512,
    horizon_len=96,
    input_patch_len=32,
    output_patch_len=128,
    num_layers=20,
    model_dims=1280,
    backend="gpu",
)
tfm.load_from_checkpoint(repo_id="google/timesfm-1.0-200m")
```

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## **4. デモンストレーション：国内企業物価指数の予測**

次のセクションでは、具体的なデータセットを使ってTimesFMの予測能力をデモンストレーションします。続きは次回の記事で詳細に解説していきます。



### **4.1 データ準備とフォーマット化**

国内企業物価指数（前年比）の月次データを例に使用します。データセットは、日本銀行の時系列データ検索サイトからダウンロードできます。

**データの加工**：
時系列モデルに入力するには、データを以下のように整形します。

```python
import pandas as pd
import torch

# データ読み込み
df = pd.read_csv("domestic_corporate_price_index.csv")

# 必要な列を抽出
df = df[["date", "yoy_index"]]
df["date"] = pd.to_datetime(df["date"])
df.set_index("date", inplace=True)

# 時系列データの分割
context_length = 512
forecast_horizon = 32

train_data = df.iloc[-(context_length + forecast_horizon):-forecast_horizon]
test_data = df.iloc[-forecast_horizon:]

# PyTorchテンソルに変換
train_tensor = torch.tensor(train_data["yoy_index"].values, dtype=torch.float).unsqueeze(0)
test_tensor = torch.tensor(test_data["yoy_index"].values, dtype=torch.float).unsqueeze(0)
```

- データのフォーマットは、モデルの要求に合わせて正規化する必要があります。
- 特に、長期予測を行う際には過去データを十分に確保することが重要です。

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### **4.2 モデルによる推論**

TimesFMを用いて、32か月先の物価指数を予測します。

```python
# 推論の実行
frequency_input = [0] * train_tensor.size(1)
point_forecast, _ = tfm.forecast(
    train_tensor, freq=frequency_input
)

# 推論結果をテンソルに変換
forecast_tensor = torch.tensor(point_forecast)

# データ可視化
import matplotlib.pyplot as plt

plt.figure(figsize=(12, 6))

# ヒストリーデータ
plt.plot(train_data.index, train_data["yoy_index"], label="History", color="blue")

# グラウンドトゥルース
plt.plot(test_data.index, test_data["yoy_index"], label="True", color="green", linestyle="--")

# モデル予測
forecast_index = pd.date_range(start=test_data.index[0], periods=forecast_horizon, freq="M")
plt.plot(forecast_index, forecast_tensor.numpy().flatten(), label="Forecast", color="red", linestyle="--")

plt.xlabel("Date")
plt.ylabel("YoY Index")
plt.title("Domestic Corporate Price Index Forecast")
plt.legend()
plt.show()
```

![image.png](https://qiita-image-store.s3.ap-northeast-1.amazonaws.com/0/3770896/6b777bda-f831-968e-4839-974f7154921b.png)


- 上記のコードは、Google ColabやGPU環境での動作を想定しています。
- TimesFMの柔軟性により、出力長や予測精度を用途に応じて調整可能です。

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## **5. TimesFMの性能と他手法との比較**

### **5.1 Monash、Darts、ETTでの評価**

TimesFMは以下のデータセットで評価されています：
- **Monash**：18種類の実世界の時系列データ。
- **Darts**：多くのデータ科学者が利用するオープンソースデータ。
- **ETT**：長期予測のベンチマークデータ。

各データセットにおける平均絶対誤差（MAE）の比較結果は次の通りです：
- TimesFMは特に長期予測タスクで優れた性能を発揮。
- DartsではARIMAが僅かに優位な場合もありましたが、モデルの簡易性でTimesFMに軍配。

### **5.2 他手法との比較**

以下は主要な競合手法との比較です：
- **PatchTST**：Transformerを活用したモデル。
- **ARIMA**：従来の統計的アプローチ。

**結果のポイント**：
- TimesFMはPatchTSTより高精度で、モデルサイズも効率的。
- ARIMAに比べて、設定や計算コストの点で優位。

データセットの粒度や特性によって、TimesFMの性能が変動することもあるため、適切なタスク選択が必要です。

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## **6. 応用例と今後の展望**

### **6.1 金融・広告業界での活用可能性**

- **金融分野**：株価や金利の予測に活用可能。特に、ゼロショットでの予測が可能なため、迅速な意思決定が求められる現場で有用。
- **広告業界**：Google Trendsを活用したトレンド予測により、広告の配信タイミングや内容を最適化。

### **6.2 マルチモーダル対応への期待**

TimesFMのアーキテクチャは、画像やテキストデータと組み合わせたマルチモーダル応用にも適しています。この特性を活かせば、以下のような応用が期待されます：
- 医療データ（画像＋時系列データ）を用いた診断支援。
- スマートシティでの複数センサーからのデータ統合。

単一モードではなく複数のデータソースを扱うことで、モデルの有効性をさらに拡張できる可能性があります。

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## **7. 考察とまとめ**

GoogleのTimesFMは、シンプルながら非常にパワフルな時系列予測モデルです。その特性として以下が挙げられます：
- **軽量性**：200Mというモデルサイズは、実用的な環境での利用を想定。
- **柔軟性**：長いホライズンの予測にも対応。
- **多用途性**：金融、広告、製造業など幅広い分野で活用可能。

一方で、以下のような課題も考えられます：
- モデルのFine-tuning機能が未提供。
- 特定のデータセットでは、競合手法に劣る場合もある。


これからTimesFMを活用しようとしている方にとって、本記事がその第一歩となれば幸いです。他の基盤モデルや手法との比較も追ってご紹介予定ですので、ぜひ次回の記事もお楽しみに！

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