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使用支援 AI 的 BigQuery DataFrames 套件，從結構化和非結構化資料中取得洞察資料

1. 總覽

在本實驗室中，您將使用 BigQuery Studio 的 Python 筆記本中的 BigQuery DataFrames，透過 Python 取得資料洞察。運用 Google 的生成式 AI 分析非結構化文字資料，並以視覺化方式呈現。

您將建立 Python 筆記本，對公開的顧客申訴資料庫進行分類和摘要。這項技術可調整，適用於任何非結構化文字資料。

目標

在本實驗室中，您將瞭解如何執行下列工作：

在 BigQuery Studio 啟用及使用 Python 筆記本
使用 BigQuery DataFrames 套件連結至 BigQuery
使用 BigQuery ML 並連結至 Vertex AI 中的文字嵌入端點，從非結構化文字資料建立嵌入
使用 BigQuery ML 叢集嵌入
透過 BigQuery ML 使用 LLM 匯總叢集

2. 需求條件

Chrome 或 Firefox 瀏覽器
已啟用計費功能的 Google Cloud 專案

事前準備

如要按照本程式碼研究室的說明操作，您需要啟用 BigQuery Studio 的 Google Cloud 專案，並連結帳單帳戶。

在 Google Cloud 控制台的專案選擇器頁面中，選取或建立 Google Cloud 專案
確保您的 Google Cloud 專案有啟用計費服務。瞭解如何檢查專案是否已啟用計費功能
按照操作說明啟用 BigQuery Studio 資產管理功能。

準備 BigQuery Studio

建立空白筆記本，並連線至執行階段。

前往 Google Cloud 控制台的「BigQuery Studio」。
按一下「+」按鈕旁的 ▼。
選取「Python 筆記本」。
關閉範本選取器。
選取「+ Code」建立新的程式碼儲存格。
從程式碼儲存格安裝最新版 BigQuery DataFrames 套件。輸入下列指令：
```
%pip install --upgrade bigframes --quiet
```
點選「🞂」按鈕或按下 Shift + Enter 鍵，執行程式碼儲存格。

3. 讀取公開資料集

在新程式碼儲存格中執行下列指令，初始化 BigQuery DataFrames 套件：

import bigframes.pandas as bpd

bpd.options.bigquery.ordering_mode = "partial"

注意：在本教學課程中，我們使用實驗性的「部分排序模式」，搭配類似 pandas 的篩選條件時，可提高查詢效率。需要嚴格排序或索引的某些 pandas 功能可能無法運作。

消費者申訴資料庫

消費者申訴資料庫是透過 Google Cloud 的公開資料集計畫，在 BigQuery 上提供。這是美國消費者金融保護局收集的消費金融產品和服務申訴資料。

在 BigQuery 中，查詢 bigquery-public-data.cfbp_complaints.complaint_database 資料表，分析消費者申訴資料庫。使用 bigframes.pandas.read_gbq() 方法，從查詢字串或資料表 ID 建立 DataFrame。

在新的程式碼儲存格中執行下列程式碼，建立名為「feedback」的 DataFrame：

feedback = bpd.read_gbq(
    "bigquery-public-data.cfpb_complaints.complaint_database"
)

探索 DataFrame 的基本資訊

使用 DataFrame.peek() 方法下載少量資料樣本。

執行這個儲存格：

feedback.peek()

預期的輸出內容：

  date_received                  product ... timely_response  consumer_disputed complaint_id  
0    2014-03-05  Bank account or service ...            True              False       743665   
1    2014-01-21  Bank account or service ...            True              False       678608   
2    2020-12-31          Debt collection ...            True               <NA>      4041190   
3    2014-02-12          Debt collection ...            True              False       714350   
4    2015-02-23          Debt collection ...            True              False      1251358

注意：head() 需要排序，且如果您想將資料樣本視覺化，head() 的效率通常不如 peek()。

與 pandas 相同，使用 DataFrame.dtypes 屬性即可查看所有可用資料欄及其對應的資料類型。這些資料會以與 pandas 相容的方式公開。

執行這個儲存格：

feedback.dtypes

預期的輸出內容：

date_received                   date32[day][pyarrow]
product                              string[pyarrow]
subproduct                           string[pyarrow]
issue                                string[pyarrow]
subissue                             string[pyarrow]
consumer_complaint_narrative         string[pyarrow]
company_public_response              string[pyarrow]
company_name                         string[pyarrow]
state                                string[pyarrow]
zip_code                             string[pyarrow]
tags                                 string[pyarrow]
consumer_consent_provided            string[pyarrow]
submitted_via                        string[pyarrow]
date_sent_to_company            date32[day][pyarrow]
company_response_to_consumer         string[pyarrow]
timely_response                              boolean
consumer_disputed                            boolean
complaint_id                         string[pyarrow]
dtype: object

DataFrame.describe() 方法會查詢 DataFrame 中的一些基本統計資料。由於這個 DataFrame 不含任何數值資料欄，因此會顯示非空值計數和不重複值數量的摘要。

執行這個儲存格：

# Exclude some of the larger columns to make the query more efficient.
feedback.drop(columns=[
  "consumer_complaint_narrative",
  "company_public_response",
  "company_response_to_consumer",
]).describe()

預期的輸出內容：

         product  subproduct    issue  subissue  company_name    state ... timely_response  consumer_disputed  complaint_id
count    3458906     3223615  3458906   2759004       3458906  3417792 ...         3458906             768399       3458906
nunique       18          76      165       221          6694       63 ...               2                  2       3458906

4. 探索資料

在深入瞭解實際申訴內容之前，請先使用 DataFrame 上的類似 pandas 的方法，將資料視覺化。

以視覺化方式呈現 DataFrame

有幾種內建的視覺化方法，例如 DataFrame.plot.hist()。由於這個 DataFrame 大多包含字串和布林值資料，我們可以先進行一些匯總，進一步瞭解各種資料欄。

計算各州收到的申訴數量。

complaints_by_state = (
  feedback.groupby(
    "state", as_index=False,
  ).size()
  .rename(columns={"size": "total_complaints"})
  .sort_values(by="total_complaints", ascending=False)
)

使用 DataFrame.to_pandas() 方法將其轉換為 pandas DataFrame。

complaints_pd = complaints_by_state.head(10).to_pandas()

對這個下載的 DataFrame 使用 pandas 視覺化方法。

complaints_pd.plot.bar(x="state", y="total_complaints")

長條圖：加州是申訴案件最多的州

與其他資料集彙整

先前您查看的是各州的申訴案件數，但這樣會遺漏重要背景資訊。有些州的人口比其他州多。與人口資料集 (例如美國人口調查局的美國社區問卷調查和 bigquery-public-data.geo_us_boundaries.states 資料表) 聯結。

us_states = bpd.read_gbq("bigquery-public-data.geo_us_boundaries.states")
us_survey = bpd.read_gbq("bigquery-public-data.census_bureau_acs.state_2020_5yr")

# Ensure there are leading 0s on GEOIDs for consistency across tables.
us_states = us_states.assign(
    geo_id=us_states["geo_id"].str.pad(2, fillchar="0")
)

us_survey = us_survey.assign(
    geo_id=us_survey["geo_id"].str.pad(2, fillchar="0")
)

美國社區調查會以 GEOID 識別各州。使用州/省資料表加入，即可依兩個字母的州/省代碼取得人口資料。

pops = us_states.set_index("geo_id")[["state"]].join(
  us_survey.set_index("geo_id")[["total_pop"]]
)

現在，請將這項資料與客訴資料庫合併，比較人口數與客訴數量。

complaints_and_pops = complaints_by_state.set_index("state").join(
    pops.set_index("state")
)

建立散佈圖，比較各州人口數與申訴件數。

(
  complaints_and_pops
  .to_pandas()
  .plot.scatter(x="total_pop", y="total_complaints")
)

比較人口與申訴的散布圖

比較人口數和申訴件數時，有幾個州似乎是離群值。請讀者自行練習繪製點標籤，以找出這些內容。同樣地，請針對可能的原因提出一些假設 (例如不同的人口統計資料、不同數量的金融服務公司等)，並進行測試。

5. 計算嵌入

重要資訊通常隱藏在文字、音訊或圖片等非結構化資料中。在這個範例中，申訴資料庫中的許多實用資訊都包含在申訴的文字內容中。

AI 和傳統技術 (例如情緒分析、「詞袋」和 word2vec) 可從非結構化資料中擷取部分量化資訊。最近，與 LLM 密切相關的「向量嵌入」模型可建立一連串浮點數，代表文字的語意資訊。

選取資料庫子集

執行向量嵌入模型比其他作業更耗用資源。為減少費用和配額問題，請選取資料子集，以完成本教學課程的其餘部分。

import bigframes.pandas as bpd

bpd.options.bigquery.ordering_mode = "partial"

feedback = bpd.read_gbq(
    "bigquery-public-data.cfpb_complaints.complaint_database"
)

# Note: if not using ordering_mode = "partial", you must specify these in read_gbq
# for these to affect query efficiency.
# feedback = bpd.read_gbq(
#    "bigquery-public-data.cfpb_complaints.complaint_database",
#     columns=["consumer_complaint_narrative"],
#     filters= [
#         ("consumer_complaint_narrative", "!=", ""),
#         ("date_received", "==", "2022-12-01")])

feedback.shape

2022 年 12 月 1 日提交的申訴案件約有 1,000 件，相較於資料庫總共近 350 萬列資料 (請與 feedback.shape確認)，

只選取 2022 年 12 月 1 日的資料，且只選取 consumer_complaint_narrative 欄。

import datetime

feedback = feedback[
    # Filter rows by passing in a boolean Series.
    (feedback["date_received"] == datetime.date(2022, 12, 1))
    & ~(feedback["date_received"].isnull())
    & ~(feedback["consumer_complaint_narrative"].isnull())
    & (feedback["consumer_complaint_narrative"] != "")
    & (feedback["state"] == "CA")

    # Uncomment the following if using free credits for a workshop.
    # Billing accounts with free credits have limited Vertex AI quota.
    # & (feedback["product"] == "Mortgage")
][
    # Filter columns by passing in a list of strings.
    ["consumer_complaint_narrative"]
]

feedback.shape

pandas 的 drop_duplicates 方法需要資料列的總排序，因為該方法會嘗試選取第一個或最後一個相符的資料列，並保留與其相關聯的索引。

請改用 groupby 方法呼叫來彙整資料，以移除重複的資料列。

feedback = (
  feedback.groupby("consumer_complaint_narrative", as_index=False)
  .size()
)[["consumer_complaint_narrative"]]

feedback.shape

生成嵌入項目

BigQuery DataFrames 會透過 TextEmbeddingGenerator 類別產生嵌入向量。這是以 ML.GENERATE_EMBEDDING 方法為基礎，在 BigQuery ML 中呼叫 Vertex AI 提供的文字嵌入模型。

from bigframes.ml.llm import TextEmbeddingGenerator

embedding_model = TextEmbeddingGenerator(
    model_name="text-embedding-004"
)
feedback_embeddings = embedding_model.predict(feedback)

請參閱嵌入項目的外觀。這些向量代表文字嵌入模型所理解的文字語意。

feedback_embeddings.peek()

預期的輸出內容：

                        ml_generate_embedding_result  \
0  [ 7.36380890e-02  2.11779331e-03  2.54309829e-...   
1  [-1.10935252e-02 -5.53950183e-02  2.01338865e-...   
2  [-7.85628427e-03 -5.39347418e-02  4.51385677e-...   
3  [ 0.02013054 -0.0224789  -0.00164843  0.011354...   
4  [-1.51684484e-03 -5.02693094e-03  1.72322839e-...

這些向量具有許多維度。請看單一嵌入向量：

feedback_embeddings["ml_generate_embedding_result"].peek().iloc[0]

嵌入內容生成作業適用「部分成功」合約。這表示部分資料列可能發生錯誤，因此無法產生嵌入內容。'ml_generate_embedding_status' 欄會顯示錯誤訊息。空白表示沒有錯誤。

篩選嵌入內容，只納入未發生錯誤的資料列。

mask = feedback_embeddings["ml_generate_embedding_status"] == ""
valid_embeddings = feedback_embeddings[mask]
valid_embeddings.shape

6. 使用文字嵌入進行叢集分析

現在，請使用 k-means 將嵌入分組。在本示範中，請使用任意數量的群組 (又稱形心)。如要提供正式版品質的解決方案，應使用「輪廓法」等技術調整質心數量。

from bigframes.ml.cluster import KMeans

num_clusters = 5
cluster_model = KMeans(n_clusters=num_clusters)
cluster_model.fit(valid_embeddings["ml_generate_embedding_result"])

clusters = cluster_model.predict(valid_embeddings)
clusters.peek()

移除所有嵌入失敗的項目。

mask = clusters["ml_generate_embedding_status"] == ""
clusters = clusters[mask]

查看每個質心的留言分布情形。

clusters.groupby("CENTROID_ID").size()

7. 歸納叢集重點

提供與每個質心相關的留言，並要求 Gemini 歸納出抱怨內容。提示工程是新興領域，但網路上有許多實用範例，例如 https://www.promptingguide.ai/。

from bigframes.ml.llm import GeminiTextGenerator

preamble = "What is the main concern in this list of user complaints:"
suffix = "Write the main issue using a formal tone."

# Now let's sample the raw comments and get the LLM to summarize them.
prompts = []
for centroid_id in range(1, num_clusters + 1):
  cluster = clusters[clusters["CENTROID_ID"] == centroid_id]
  comments = "\n".join(["- {0}".format(x) for x in cluster.content.peek(40)])
  prompts.append("{}:\n{}\n{}".format(preamble, comments, suffix))

prompt_df = bpd.DataFrame(prompts)
gemini = GeminiTextGenerator(model_name="gemini-1.5-flash-001")
issues = gemini.predict(X=prompt_df, temperature=0.0)
issues.peek()

使用 Gemini 根據摘要撰寫報告。

from IPython.display import display, Markdown

prompt = "Turn this list of issues into a short, concise report:"
for value in issues["ml_generate_text_llm_result"]:
  prompt += "- {}".format(value)
prompt += "Using a formal tone, write a markdown text format report."

summary_df = bpd.DataFrame(([prompt]))
summary = gemini.predict(X=summary_df, temperature=0.0)

report = (summary["ml_generate_text_llm_result"].values[0])
display(Markdown(report))

8. 清理

如果您是為了這個教學課程建立新的 Google Cloud 專案，可以刪除專案，以免系統向您收取建立資料表或其他資源的額外費用。

9. 恭喜！

您已使用 BigQuery DataFrames 分析結構化和非結構化資料。您已探索 Google Cloud 的公開資料集、BigQuery Studio 中的 Python 筆記本、BigQuery ML、Vertex AI，以及 BigQuery Studio 的自然語言轉 Python 功能。太棒了！

後續步驟

請嘗試在筆記本中生成 Python 程式碼。BigQuery Studio 中的 Python 筆記本採用 Colab Enterprise 技術。提示：要求生成測試資料相當實用。
在 GitHub 上探索 BigQuery DataFrames 的範例筆記本。
排定在 BigQuery Studio 中執行筆記本的時間。
部署搭配 BigQuery DataFrames 的遠端函式，將第三方 Python 套件與 BigQuery 整合。