Einführung
Forecasts sind in vielen Branchen von zentraler Bedeutung. Ob es darum geht, den Verbrauch von Ressourcen zu prognostizieren, die Liquidität eines Unternehmens abzuschätzen oder den Absatz von Produkten im Einzelhandel vorherzusagen – Forecasts sind ein unverzichtbares Instrument für erfolgreiche Entscheidungen. Obwohl sie so wichtig sind, basieren viele Forecasts immer noch primär auf den Vorerfahrungen und der Intuition von Expert:innen. Das erschwert eine Automatisierung der relevanten Prozesse, eine potenzielle Skalierung und damit einhergehend eine möglichst effiziente Unterstützung. Zudem können Expert:innen aufgrund ihrer Erfahrungen und Perspektiven voreingenommen sein oder möglicherweise nicht über alle relevanten Informationen verfügen, die für eine genaue Vorhersage erforderlich sind.
Diese Gründe führen dazu, dass datengetriebene Forecasts in den letzten Jahren immer mehr an Bedeutung gewonnen haben und die Nachfrage nach solchen Prognosen ist entsprechend stark.
Bei statworx haben wir bereits eine Vielzahl an Projekten im Bereich Forecasting erfolgreich umgesetzt. Dadurch haben wir uns vielen Herausforderungen gestellt und uns mit zahlreichen branchenspezifischen Use Cases vertraut gemacht. Eine unserer internen Arbeitsgruppen, das Forecasting Cluster, begeistert sich besonders für die Welt des Forecastings und bildet sich kontinuierlich in diesem Bereich weiter.
Auf Basis unserer gesammelten Erfahrungen möchten wir diese nun in einem benutzerfreundlichen Tool vereinen, welches je nach Datenlage und Anforderungen jedem ermöglicht, erste Einschätzungen zu spezifischen Forecasting Use Cases zu erhalten. Sowohl Kunden als auch Mitarbeitende sollen in der Lage sein, das Tool schnell und einfach zu nutzen, um eine methodische Empfehlung zu erhalten. Unser langfristiges Ziel ist es, das Tool öffentlich zugänglich zu machen. Jedoch testen wir es zunächst intern, um seine Funktionalität und Nützlichkeit zu optimieren. Dabei legen wir besonderen Wert darauf, dass das Tool intuitiv bedienbar ist und leicht verständliche Outputs liefert.
Obwohl sich unser Recommender-Tool derzeit noch in der Entwicklungsphase befindet, möchten wir einen ersten spannenden Einblick geben.
Häufige Herausforderungen
Modellauswahl
Im Bereich Forecasting gibt es verschiedene Modellierungsansätze. Wir differenzieren dabei zwischen drei zentralen Ansätzen:
- Zeitreihenmodelle
- Baumbasierte Modelle
- Deep Learning Modelle
Es gibt viele Kriterien, die man bei der Modellauswahl heranziehen kann. Wenn es sich um univariate Zeitreihen handelt, die eine starke Saisonalität und Trends aufweisen, sind klassische Zeitreihenmodelle wie (S)ARIMA und ETS sinnvoll. Handelt es sich hingegen um multivariate Zeitreihen mit potenziell komplexen Zusammenhängen und großen Datenmengen, stellen Deep Learning Modelle eine gute Wahl dar. Baumbasierte Modelle wie LightGBM bieten im Vergleich zu Zeitreihenmodellen eine größere Flexibilität, eignen sich aufgrund ihrer Architektur gut für das Thema Erklärbarkeit und haben im Vergleich zu Deep Learning Modellen einen tendenziell geringeren Rechenaufwand.
Saisonalität
Saisonalität stellt wiederkehrende Muster in einer Zeitreihe dar, die in regelmäßigen Abständen auftreten (z.B. täglich, wöchentlich, monatlich oder jährlich). Die Einbeziehung der Saisonalität in der Modellierung ist wichtig, um diese regelmäßigen Muster zu erfassen und die Genauigkeit der Prognosen zu verbessern. Mit Zeitreihenmodellen wie SARIMA, ETS oder TBATS kann die Saisonalität explizit berücksichtigt werden. Für baumbasierte Modelle wie LightGBM kann die Saisonalität nur über die Erstellung entsprechender Features berücksichtigt werden. So können Dummies für die relevanten Saisonalitäten gebildet werden. Eine Möglichkeit Saisonalität in Deep Learning-Modellen explizit zu berücksichtigen, besteht in der Verwendung von Sinus- und Cosinus-Funktionen. Ebenso ist es möglich die Saisonalitätskomponente aus der Zeitreihe zu entfernen. Dazu wird zuerst die Saisonalität entfernt und anschließend eine Modellierung auf der desaisonalisierten Zeitreihe durchgeführt. Die daraus resultierenden Prognosen werden dann mit der Saisonalität ergänzt, indem die genutzte Methodik für die Desaisonalisierung entsprechend angewendet wird. Allerdings erhöht dieser Prozess die Komplexität, was nicht immer erwünscht ist.
Hierarchische Daten
Besonders im Bereich Retail liegen häufig hierarchische Datenstrukturen vor, da die Produkte meist in unterschiedlicher Granularität dargestellt werden können. Hierdurch ergibt sich häufig die Anforderung, Prognosen für unterschiedliche Hierarchien zu erstellen, welche sich nicht widersprechen. Die aggregierten Prognosen müssen daher mit den disaggregierten übereinstimmen. Dabei ergeben sich verschiedene Lösungsansätze. Über Top-Down und Bottom-Up werden Prognosen auf einer Ebene erstellt und nachgelagert disaggregiert bzw. aggregiert. Mit Reconciliation-Methoden wie Optimal Reconciliation werden Prognosen auf allen Ebenen vorgenommen und anschließend abgeglichen, um eine Konsistenz über alle Ebenen zu gewährleisten.
Cold Start
Bei einem Cold Start besteht die Herausforderung darin Produkte zu prognostizieren, die nur wenig oder keine historischen Daten aufweisen. Im Retail Bereich handelt es sich dabei meist um Produktneueinführungen. Da aufgrund der mangelnden Historie ein Modelltraining für diese Produkte nicht möglich ist, müssen alternative Ansätze herangezogen werden. Ein klassischer Ansatz einen Cold Start durchzuführen, ist die Nutzung von Expertenwissen. Expert:innen können erste Schätzungen der Nachfrage liefern, die als Ausgangspunkt für Prognosen dienen können. Dieser Ansatz kann jedoch stark subjektiv ausfallen und lässt sich nicht skalieren. Ebenso kann auf ähnliche Produkte oder auch auf potenzielle Vorgänger-Produkte referenziert werden. Eine Gruppierung von Produkten kann beispielsweise auf Basis der Produktkategorien oder Clustering-Algorithmen wie K-Means erfolgen. Die Nutzung von Cross-Learning-Modellen, die auf Basis vieler Produkte trainiert werden, stellt eine gut skalierbare Möglichkeit dar.
Recommender Concept
Mit unserem Recommender Tool möchten wir die unterschiedlichen Problemstellungen berücksichtigen, um eine möglichst effiziente Entwicklung zu ermöglichen. Dabei handelt es sich um ein interaktives Tool, bei welchem man Inputs auf Basis der Zielvorstellung oder Anforderung und den vorliegenden Datencharakteristiken gibt. Ebenso kann eine Priorisierung vorgenommen werden, sodass bestimmte Anforderungen an der Lösung auch im Output entsprechend priorisiert werden. Auf Basis dieser Inputs werden methodische Empfehlungen generiert, die die Anforderungen an der Lösung in Abhängigkeit der vorliegenden Eigenschaften bestmöglich abdecken. Aktuell bestehen die Outputs aus einer rein inhaltlichen Darstellung der Empfehlungen. Dabei wird auf die zentralen Themenbereiche wie Modellauswahl, Pre-Processing und Feature Engineering mit konkreten Guidelines eingegangen. Das nachfolgende Beispiel gibt dabei einen Eindruck über die konzeptionelle Idee:
Der hier dargestellte Output basiert auf einem realen Projekt. Für das Projekt war vor allem die Implementierung in R und die Möglichkeit einer lokalen Erklärbarkeit von zentraler Bedeutung. Zugleich wurden frequentiert neue Produkte eingeführt, welche ebenso durch die entwickelte Lösung prognostiziert werden sollten. Um dieses Ziel zu erreichen, wurden mehrere globale Modelle mit Hilfe von Catboost trainiert. Dank diesem Ansatz konnten über 200 Produkte ins Training einbezogen werden. Sogar für neu eingeführte Produkte, bei denen keine historischen Daten vorlagen, konnten Forecasts generiert werden.
Um die Erklärbarkeit der Prognosen sicherzustellen, wurden SHAP Values verwendet. Auf diese Weise konnten die einzelnen Vorhersagen klar und deutlich anhand der genutzten Features erklärt werden.
Zusammenfassung
Die aktuelle Entwicklung ist darauf ausgerichtet ein Tool zu entwickeln, welches auf das Thema Forecasting optimiert ist. Durch die Nutzung wollen wir vor allem die Effizienz bei Forecasting-Projekten steigern. Durch die Kombination von gesammelten Erfahrungen und Expertise soll das Tool unter anderem für die Themen Modellierung, Pre-Processing und Feature Engineering Guidelines bieten. Es wird darauf ausgelegt sein, sowohl von Kunden als auch Mitarbeitenden verwendet zu werden, um schnelle und einfache Abschätzungen sowie methodische Empfehlungen zu erhalten. Eine erste Testversion wird zeitnah für den internen Gebrauch zur Verfügung stehen. Langfristig soll das Tool jedoch auch für externe Nutzer:innen zugänglich gemacht werden. Neben dem derzeit in der Entwicklung befindlichen technischen Output, wird auch ein weniger technischer Output verfügbar sein. Letzterer wird sich auf die wichtigsten Aspekte und deren Aufwände konzentrieren. Insbesondere die Business-Perspektive in Form von erwarteten Aufwänden und potenziellen Trade-Offs von Aufwand und Nutzen soll hierdurch abgedeckt werden.
Profitieren auch Sie von unserer Forecasting Expertise!
Wenn Sie Unterstützung bei der Bewältigung von vorliegenden Herausforderungen bei Forecasting Projekten benötigen oder ein Forecasting Projekt geplant ist, stehen wir gerne mit unserem Know-how und unserer Erfahrung zur Verfügung.