Applicazioni pratiche di machine learning/Previsione di vendite future

Indice del libro

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 library(dplyr)
 library(gbm)
 library(ggplot2)

Parte 1: DatiModifica

Avendo un set di dati temporali composto da vendite giornaliere,gentilmente fornito da una delle più grandi società di software russe - 1C Azienda (http://1c.ru/eng/title.htm) è possibile prevedere quali saranno le vendite future dell'azienda . Nel dataset sales_train ci sono 2.935.849 registrazioni giornaliere con 11 variabili a cui ne verranno aggiunte altre nei prossimi mesi. In tutto ci sono 60 negozi, 22170 articoli e 84 categorie.

Descrizioni dei files:

  • sales_train.csv : Dati storici giornalieri da gennaio 2013 a ottobre 2015.
  • items.csv - informazioni supplementari su articoli/prodotti.
  • item_categories.csv - informazioni supplementari su categorie di articoli.
  • shops.csv - informazioni supplementari sui negozi.

Variabili contenute nei datasets:

  • ID : un ID che rappresenta un negozio o un articolo all'interno del set di dati
  • shop_id : identificatore univoco di un negozio
  • item_id : identificatore univoco di un prodotto
  • item_category_id - identificatore univoco della categoria di articoli
  • item_cnt_day - numero di prodotti venduti. Si vuole predire un valore mensile di questo dato
  • item_price - prezzo corrente di un articolo
  • data - data nel formato gg/mm/aaaa
  • date_block_num - un numero di mese consecutivo, utilizzato per comodità. Gennaio 2013 è 0, febbraio 2013 è 1, ...,Ottobre 2015 è il 33
  • item_name : nome dell'articolo
  • name_shop : nome del negozio
  • item_category_name - nome della categoria dell'articolo

Caricamento dei dati:

 sales_train <- read.csv("sales_train_v2.csv")
 items2 <-read.csv("items.csv")
 items <- read.csv("items-translated.csv")
 items <- cbind(items,item_category_id=items2$item_category_id)
 shops <- read.csv("shops-translated.csv")
 categories <- read.csv("item_categories-translated.csv")
 items <- merge(items,categories, by =c("item_category_id"), all.x  = TRUE)
 sales_train <- merge(sales_train,items, by =c("item_id"), all.x = TRUE)
 sales_train <- merge(sales_train,shops, by =c("shop_id"), all.x = TRUE)

Creazione di nuove variabili nel dataset :

#Creazione delle variabili: week_day, month , week_year
 sales_train$date <- as.Date(sales_train$date,tryFormats=c("%d.%m.%Y"))
 p <- as.POSIXlt(sales_train$date)
 sales_train <- cbind(sales_train,week_day=p$wday +1)
 sales_train <- cbind(sales_train,month=p$mon +1)
 week_year<-as.numeric(strftime(p, format = "%V"))
 sales_train <- cbind(sales_train,week_year)

 '''#Creazione della variabile: Media delle vendite di ogni articolo per ogni mese
 df1<-sales_train %>%'''
 group_by(date_block_num,item_id) %>%
 summarise(date_item_avg=mean(item_cnt_day))
 sales_train <- merge(sales_train, as.data.frame(df1),
 by=c("date_block_num","item_id"), all.x = TRUE)

 '''#Creazione della variabile: Media delle vendite per categoria per ogni mese'''
 df1<-sales_train %>%
 group_by(date_block_num,shop_id, item_category_id) %>%
 summarise(date_shop_cat_avg=mean(item_cnt_day))
 
 sales_train <- merge(sales_train, as.data.frame(df1),
 by=c("date_block_num","shop_id","item_category_id"), all.x =TRUE)

 '''#Creazione variabile da predire item_cnt_month (vendite totali mensili)'''
 df1<-sales_train %>%
 group_by(date_block_num,week_year,week_day,shop_id,item_category_
 id,item_id,item_price, date_item_avg, date_shop_cat_avg) %>%
 summarise(item_cnt_month=sum(item_cnt_day))
 sales_train <- merge(sales_train, as.data.frame(df1),
 by=c("date_block_num","week_year","week_day","shop_id","item_category_id","item_id","item_price",     "date_item_avg","date_shop_cat_avg"), all.x = TRUE)

E' possibile migliorare il modello aggiungendo nuove variabili e/o modificando il tuning degli iperparametri (DA FARE)

Parte 2: Domanda di ricercaModifica

Si vogliono predire le vendite totali per ogni prodotto e negozio nel prossimo mese disponibile (novembre 2015)

Parte 3: Esplorazione dei datiModifica

  sales_train %>%
  group_by(item_category_name_translated) %>%
  summarise(total = sum( item_cnt_day)) %>%
  filter(total>10000) %>%
  mutate(item_category_name_translated=reorder(item_category_name_translated,total))  %>%
   ggplot(aes(item_category_name_translated,total,fill=item_category_name_translated)) +
  geom_bar(stat="identity")+
  coord_flip()+
  scale_y_continuous(breaks=seq(0,650000,80000))+
  theme(legend.position = "none") +
  xlab("Category") +
  ylab("Total sales") +
  ggtitle("Categories with total sales > 10000", subtitle = "from 2013/01 to 2015/09")

Parte 4: ModellizzazioneModifica

Cancellazione degli outliers: Nelle variabili prezzo item_price e numero dei prodotti venduti item_cnt_day ci sono valori anomali, troppo grandi e rari che occorre cancellare :

 sales_train %>%
 ggplot(aes(item_id,item_price))+
 geom_boxplot()
 
 sales_train %>%
 ggplot(aes(item_id,item_cnt_day))+
 geom_boxplot()
 
 sales_train <- sales_train[-which(sales_train$item_price>10000) ,]
 sales_train <- sales_train[-which.max(sales_train$item_cnt_day) ,]
 max(sales_train$item_price)
 max(sales_train$item_cnt_day)

I dati per creare il modello previsionale sono quelli anteriori a ottobre 2015 e costituiscono il cosiddetto training set (date_block_num <33), mentre quelli relativi a ottobre 2015 (date_block_num = 33) costituiscono il validation set .

 sales_validation <-
 sales_train[which(sales_train$date_block_num==33),]
 sales_train <- sales_train[which(sales_train$date_block_num<33),]

Per prevedere le vendite mensili totali a ottobre 2015 il pacchetto gbm adotta la strategia del gradiente stocastico, una piccola ma importante modifica dell'algoritmo di base.

 gbm_model = gbm(item_cnt_month ~ shop_id + item_id +
 item_category_id + date_block_num + item_price + week_day +
 week_year + date_item_avg + date_shop_cat_avg , data=sales_train,
 shrinkage = 0.01,
 distribution = "gaussian",
 n.trees = 1000,
 interaction.depth = 5,
 bag.fraction = 0.5,
 train.fraction = 0.8,
 # cv.folds = 5,
 n.cores = -1,
 verbose = T)

Parte 5: PrevisioneModifica

Dopo aver ottenuto il modello, è possibile prevedere le vendite totali mensili sia sul training set che sul validation set (ottobre 2015) e si può calcolare l'errore quadratico medio (RMSE) per valutare la correttezza della previsione.

 p1 = predict(gbm_model,newdata = sales_train, n.trees = 1000)
 print(paste("RMSE_train=",sqrt((1/nrow(sales_train))*sum((p1-
 sales_train$item_cnt_month)^2))))
 ## [1] "RMSE_train= 1.74599536656872"
 p1 = predict(gbm_model,newdata = sales_validation, n.trees =
 1000)
 rmse <-sqrt((1/nrow(sales_validation))*sum((p1-
 sales_validation$item_cnt_month)^2))
 print(paste("RMSE_validation=",rmse))
 ## [1] "RMSE_test= 3.70520797224124"

Inoltre è possibile rispondere alla domanda di ricerca prevedendo le vendite mensili sul testing set (November 2015):

 p1 = predict(gbm_model,newdata = sales_test, n.trees = 1000)
 sub2 = data.frame(ID = sales_test$ID,item_cnt_month =
 write.csv(sub2, "submission.csv", row.names = F)