Le programme de la conférence présente des approches novatrices et collaboratives de l'utilisation des données et de la recherche pour aborder les principaux défis en matière de santé. Il est divisé en quatre thèmes : mobilisation des données durant les situations d'urgence, santé de la population, soins préventifs, et environnement et santé. Du temps est également consacré au réseautage, notamment au moyen de présentations par affiches et de kiosques d'information, qui favorisent l'interaction directe entre les utilisateurs et les fournisseurs de données.

Présidente de la conférence : Josée Bégin, statisticienne en chef adjointe, Statistique Canada

Le jeudi 14 novembre 2024 :

Heure	Événement
De 8 h à 8 h 50	Inscription et installation des affiches
De 9 h à 9 h 15	Accueil et mot de bienvenue André Loranger, statisticien en chef du Canada Josée Bégin, statisticienne en chef adjointe, Statistique Canada
De 9 h 15 h à 10 h 30	Mobilisation des données durant les situations d'urgence De 9 h 15 à 9 h 45 Thème central : Créer les conditions pour des communautés résilientes Conférencière : Theresa Tam (administratrice en chef de la santé publique) Description : Dre Theresa Tam abordera la façon dont la santé publique peut tirer parti des données pour améliorer l'équité, la résilience du système et l'intervention d'urgence. Elle présentera des stratégies de collaboration avec les communautés et les partenaires de divers secteurs afin de favoriser la santé et la résilience des communautés. Elle mettra l'accent sur le rôle de l'utilisation des données sur la santé publique pour améliorer l'équité en matière de santé, en plaçant l'équité au cœur de la science, des données probantes et de la technologie relatives à la gestion des urgences. Introduit par : André Loranger, statisticien en chef du Canada De 9 h 45 à 10 h Séance 1 : L'Enquête canadienne sur les eaux usées : un nouvel outil de santé publique pour surveiller les maladies infectieuses Conférencière : Natalie Knox (directrice, division des Pathogènes bactériens, résistance aux antimicrobiens et eaux usées, Agence de la santé publique du Canada) Description : Natalie Knox discutera du partenariat entre l'Agence de la santé publique du Canada et Statistique Canada pour surveiller les maladies infectieuses au moyen de l'Enquête canadienne sur les eaux usées et de la façon dont elle est en train d'être élargie pour aborder les menaces en matière de santé publique existantes et à venir, comme la résistance aux antimicrobiens (RAM). De 10 h à 10 h 15 Séance 2 : Médecins légistes et coroners : une source sous-exploitée de données dans le contexte de la crise des opioïdes et au-delà Conférencier : Matthew Bowes (médecin légiste en chef, gouvernement de la Nouvelle-Écosse) Description : Matthew Bowes décrira l'investigation médico-légale au Canada : la façon dont elle est habituellement menée, le type de décès faisant l'objet d'une enquête, la façon dont les pratiques varient et le type de données disponibles pour les chercheurs. De 10 h 15 à 10 h 30 Période de questions Animateur : Josée Bégin (statisticienne en chef adjointe, Statistique Canada)
De 10 h 30 à 11 h	Pause-santé, réseautage et visionnement des affiches et des kiosques
De 11 h à 12 h	Séance plénière : l'approche relative à la santé de la population De 11 h à 11 h 15 Partie 1 : Tirer parti des données sur la santé de Statistique Canada, une ressource clé Conférencier : Jeff Latimer (directeur général, Direction de la statistique de la santé de Statistique Canada) Description : Au Canada, Statistique Canada est la source fiable de renseignements actuels et exacts au sujet de la santé des Canadiens, des déterminants de la santé et de l'utilisation de ressources en matière de soins de santé. Dans cette présentation, M. Latimer donnera un aperçu de l'étendue des données hébergées à Statistique Canada, de la façon d'accéder à ces données et des services disponibles pour personnaliser et coupler des données pour vos recherches. De 11 h 15 à 11 h 30 Partie 2 : Données désagrégées : progrès et réflexions Conférencière : Gayatri Jayaraman (directrice générale, Direction de la statistique juridique, de la diversité et de la population de Statistique Canada) Description : Gayatri Jayamaran discutera des progrès de Statistique Canada dans le cadre du Plan d'action sur les données désagrégées (PADD), qui vise à augmenter et à améliorer les statistiques sur diverses populations et à soutenir des méthodes de collecte de données plus représentatives dans l'ensemble de Statistique Canada. Discussions en séance plénière : Comment les systèmes de santé peuvent-ils utiliser les données désagrégées pour aborder les disparités en matière de santé? De 11 h 30 à 11 h 35 Commentaires : Kwame McKenzie (PDG, Wellesley Institute; professeur, Université de Toronto) partagera ses connaissances sur les progrès et les défis liés aux données sur la santé fondées sur la race. De 11 h 35 à 11 h 40 Commentaires : Danièle Behn Smith (administratrice en chef adjointe de la santé des Autochtones, Bureau de l'administrateur en chef de la santé publique de la Colombie-Britannique) partagera ses connaissances sur les progrès et les défis liés aux données sur la santé des Autochtones. De 11 h 40 à 12 h Discussion ouverte Animatrice : Josée Bégin (statisticienne en chef adjointe, Statistique Canada)
De 12 h à 13 h	Dîner, réseautage et visionnement des affiches et des kiosques
De 13 h à 14 h 30	Application des connaissances pour alléger le fardeau de la maladie De 13 h à 13 h 20 Séance 1 : Modélisation des effets de la politique nationale de nutrition sur l'alimentation et la santé Conférencière : Mary L'Abbé (professeure, Université de Toronto, et directrice, Centre collaborateur de l'OMS sur la politique nutritionnelle pour la prévention des maladies chroniques) Description : Santé Canada exige que les aliments et boissons préemballés dont la teneur en sodium, en sucres ou en gras saturés dépasse les seuils établis présentent un symbole nutritionnel « Élevé en » sur le devant de l'emballage, d'ici janvier 2026. Mary L'Abbé expliquera comment elle a utilisé les données de l'Enquête sur la santé dans les collectivités canadiennes – Nutrition et de l'Enquête sur les dépenses des ménages, appariées aux données sur la composition nutritionnelle, pour modéliser les effets potentiels de ce nouvel étiquetage sur l'alimentation et la santé. De 13 h 20 à 13 h 40 Séance 2 : Utilisation de la cartographie à petite échelle des cancers évitables pour éclairer et renforcer la prévention du cancer Conférencière : Nathalie Saint-Jacques (épidémiologiste principale, Programme de soins contre le cancer de Santé Nouvelle-Écosse; professeure auxiliaire, Université Dalhousie; associée de recherche, Healthy Populations Institute de l'Université Dalhousie) Description : Nathalie Saint-Jacques discutera de ses recherches sur l'analyse à petite échelle de l'incidence du cancer par rapport aux conditions environnementales, matérielles et sociales dans lesquelles vivent les personnes, démontrant la façon dont une approche axée sur la géographie peut éclairer et renforcer des activités équitables de prévention du cancer. De 13 h 40 à 14 h Séance 3 : Projection de l'incidence de la démence : le modèle de santé de la population pour la démence (POHEM-démence) Conférencière : Stacey Fisher (boursière postdoctorale, Institut de recherche de l'Hôpital d'Ottawa) Description : Stacey Fisher discutera d'un modèle de microsimulation pour la démence qui a été élaboré pour étudier l'effet des facteurs de risque modifiables sur l'incidence de la démence et pour évaluer les stratégies d'interventions potentielles et les options stratégiques. De 14 h à 14 h 30 Discussion de groupe : Réduire le fardeau de la maladie au Canada : obstacles et possibilités Animateur : Michael Tjepkema, Directeur adjoint, Division de l'analyse de la santé, Statistique Canada
De 14 h 30 à 15 h	Pause-santé, réseautage et visionnement des affiches et des kiosques
De 15 h à 16 h 15	Environnement et santé (« Une santé unique ») De 15 h à 15 h 30 Thème central : Prendre les devants sur la courbe des changements climatiques : la science pour soutenir l'adaptation du secteur de la santé Conférencier : Peter Berry (analyste principal des politiques et conseiller scientifique, Bureau des changements climatiques et de la santé, Santé Canada) Description : Peter Berry discutera de la science actuelle relative aux risques pour la santé, aux vulnérabilités et aux besoins en matière d'adaptation liés aux changements climatiques, dans l'espoir de favoriser à l'avenir les collaborations et les solutions novatrices. Introduit par : Josée Bégin (statisticienne en chef adjointe, Statistique Canada) De 15 h 30 à 15 h 45  Séance 1 : Examen de l'incidence de la chaleur extrême sur la santé : surmortalité et morbidité liées à la température à venir au Canada Conférencier : Éric Lavigne (épidémiologiste, Santé Canada; professeur auxiliaire, Université d'Ottawa) Description : ÉricLavigne présentera son travail au moyen de l'analyse de séries chronologiques pour estimer les liens entre les températures quotidiennes et la mortalité ou les hospitalisations dans l'ensemble du Canada jusqu'en 2099, donnant un aperçu des résultats en matière de santé prévus selon divers scénarios de changements climatiques et de croissance de la population. De 15 h 45 à 16 h Séance 2 : Utilisation de données de biosurveillance humaine dans l'évaluation des risques pour la santé humaine des substances du Plan de gestion des produits chimiques Conférencier : Innocent Jayawardene (évaluateur scientifique et chimiste, Santé Canada) Description : Innocent Jayawardene parlera des points saillants d'une étude de Santé Canada mesurant 12 éléments, dont 5 métaux terreux rares, dans des échantillons de sang entiers au moyen de la biobanque de l'Enquête canadienne sur les mesures de la santé (ECMS), pour évaluer les risques pour la santé des substances du Plan de gestion des produits chimiques. De 16 h à 16 h 15 Période de questions Animatrice : Josée Bégin (statisticienne en chef adjointe, Statistique Canada)
De 16 h 15 à 16 h 30	Mot de la fin : Regard sur l’avenir Josée Bégin, statisticienne en chef adjointe, Statistique Canada
16 h 30	Fin de la conférence

Statistique Canada et l'Agence de la santé publique du Canada seront les fiers hôtes de la Conférence des utilisateurs de données sur la santé de 2024 qui se tiendra au Musée canadien de la guerre, à Ottawa, le 14 novembre.

Cet événement d'une journée en personne réunira 150 utilisateurs et utilisatrices, et fournisseurs et fournisseuses de données sur la santé, et son objectif sera d'explorer les façons novatrices et collaboratives dont les données sur la santé sont utilisées pour s'attaquer aux nouveaux problèmes de santé au Canada.

Les participants et participantes auront l'occasion :

• d'entendre quelques-uns des principaux intervenants et intervenantes qui utilisent ou fournissent des données au Canada, y compris le statisticien en chef du Canada et l'administratrice en chef de la santé publique du Canada;
• d'en apprendre davantage sur les données et les services de santé de Statistique Canada et sur la façon de les exploiter;
• de participer à des discussions qui contribuent à façonner l'avenir des données sur la santé;
• de rencontrer directement des personnes œuvrant dans tous les aspects du pipeline de données, de la conception à l'application, en passant par la collecte;
• de présenter leurs recherches et d'échanger leurs idées.

Cette conférence s'adresse aux chercheurs et chercheuses et aux analystes de la santé, y compris la population étudiante. Elle s'adresse également aux utilisateurs finaux et aux utilisatrices finales, comme les décideurs et décideuses en matière de politiques et de programmes de santé, des organisations gouvernementales et non gouvernementales.

Si vous avez des questions ou souhaitez figurer sur notre liste de diffusion pour la conférence, veuillez envoyer un courriel à statcan.hduc-cuds.statcan@statcan.gc.ca.

Objectifs de la mobilisation consultative

Dans son budget de 2023, le gouvernement du Canada a annoncé la création d'un programme national de soins dentaires qui sera mis en œuvre par Santé Canada, et il s'est engagé à financer l'administration de ce programme à concurrence de plus de 13 milliards de dollars. Parallèlement, Statistique Canada s'est vu octroyer 23,1 millions de dollars sur deux ans pour « recueillir des données sur la santé buccodentaire et l'accès aux soins dentaires au Canada », qui serviront de base à la mise en œuvre du nouveau Régime canadien de soins dentaires. Avec les fonds qui lui sont versés, Statistique Canada est en train de mettre au point un programme statistique robuste qui comprend la collecte de données sur l'état de santé buccodentaire autodéclaré des Canadiens et Canadiennes et sur leurs besoins en matière de soins buccodentaires, et la collecte de données sur l'état du système canadien de soins buccodentaires. De plus, l'organisme est en train d'effectuer les investissements nécessaires à la création d'une infrastructure qui permettra de mener à bien les activités de collecte au-delà de 2025.

Le nouveau Programme de la statistique sur la santé buccodentaire (PSSD) de Statistique Canada vise à combler les besoins en données sur la santé buccodentaire au moyen d'une stratégie globale et intégrée axée sur deux activités principales : la création de nouvelles enquêtes sur la santé buccodentaire ainsi que l'acquisition et l'intégration de données administratives connexes.

Dans le cadre de la création de ce nouveau programme statistique, Statistique Canada a lancé une série de séances de consultation auprès des principales parties prenantes. L'objectif était de mieux comprendre leurs préférences en ce qui concerne l'accès aux résultats du PSSD, le format des produits de diffusion, et les utilisations possibles des données du PSSD. Cette activité visait également à sonder les différentes parties de manière informelle pour évaluer leur connaissance des sources de données sur la santé buccodentaire et les soins de santé buccodentaire.

Méthodes de mobilisation consultative

Les consultations sur le PSSD ont été menées sous la forme de séances d'information virtuelles, lesquelles comprenaient des discussions de groupe avec un large éventail de parties prenantes du milieu de la santé buccodentaire. Ainsi, des gens issus d'organismes de réglementation, d'associations professionnelles, de réseaux de recherche et d'autres groupes ont pu formuler leurs commentaires. Les séances de mobilisation consultative se sont déroulées en deux phases, l'une au cours des deux premières semaines de décembre 2023 et l'autre au cours des deux dernières semaines de janvier 2024. Ces séances ont été diffusées sur la page Consultation des Canadiens de Statistique Canada. Par ailleurs, les différentes parties ont été personnellement invitées par courriel à participer aux séances, et à partager l'invitation avec d'autres membres de leur réseau. En plus de prendre part aux séances en mode virtuel, les participants et participantes ont eu la possibilité de nous communiquer leurs commentaires au moyen de formulaires électroniques et par écrit.

Dans l'ensemble, Statistique Canada a animé 10 groupes de discussion dans les deux langues officielles et a recueilli des commentaires auprès de 115 personnes représentant un total de 61 organisations des secteurs public et privé. Ces organisations — fournisseuses ou utilisatrices potentielles de données — comprenaient des établissements d'enseignement, des administrations municipales et provinciales ainsi que des associations professionnelles provinciales et nationales de toutes les professions de la santé buccodentaire. Des professionnels et professionnelles de la santé buccodentaire (dentistes, chirurgiens/chirurgiennes-dentistes, hygiénistes et thérapeutes dentaires, assistants/assistantes dentaires, technologues et techniciens/techniciennes dentaires) ont pris part aux discussions. Des organismes fédéraux et provinciaux de réglementation des soins buccodentaires y ont également participé.

Ce que nous ont dit les parties prenantes

Les capacités et l'expérience en matière d'analyse des données de santé buccodentaire variaient grandement d'une organisation à l'autre. Il est ressorti de nos consultations que les établissements d'enseignement, les associations professionnelles et les organismes gouvernementaux ont généralement des équipes spécialisées dans l'analyse des données, tandis que les petites entités, comme les organismes de réglementation, ont généralement une faible capacité d'analyse indépendante des données.

Au sujet des difficultés rencontrées dans l'écosystème actuel des données sur la santé buccodentaire, plusieurs ont soulevé les points suivants : ressources limitées pour effectuer des analyses; obstacles à l'accès aux données; ensembles de données incomplets en raison de l'absence d'intégration des données sur les demandes de règlement avec les dossiers de santé électroniques, les données sur les admissions à l'hôpital pour des problèmes de santé buccodentaire et les données des programmes de soins dentaires provinciaux; silos organisationnels; et fatigue liée à la participation aux enquêtes qui se traduit par de faibles taux de réponse. Malgré ces difficultés, la grande majorité des participants et participantes ont cité les retombées potentielles de l'utilisation des données du PSSD pour soutenir les efforts de sensibilisation et pour éclairer la prise de décisions stratégiques. Ils ont aussi souligné l'importance de permettre l'accès à des données agrégées faciles à analyser, ainsi que de garantir la possibilité de demander des ensembles de données précis au besoin. La plupart des organisations ont notamment déclaré ne pas mener leurs propres enquêtes sur la santé buccodentaire ou ne pas tenir de dépôts de données indépendants, choisissant plutôt d'utiliser de multiples sources de données externes. En résumé, les acteurs de la santé buccodentaire recherchent activement des données complètes et exploitables pour traiter efficacement d'enjeux clés et améliorer les résultats en matière de santé buccodentaire.

Statistique Canada tient à remercier toutes les personnes et organisations participantes de leur contribution à cette initiative de mobilisation consultative. Leurs points de vue et leurs expériences seront essentiels à l'élaboration de produits et de stratégies de diffusion de données pertinentes et actuelles pour aider les utilisatrices et utilisateurs de données.

Par Pierre Zwiller-Panicz, Margarita Novikova, Kirsten Gaudreau, Matthew Paslawski

Sommaire

La présente étude vise à élaborer et à mettre en œuvre un modèle d’apprentissage automatique pour prévoir les dépenses dans les programmes de subventions et de contributions de Logement, Infrastructures et Collectivités Canada, en étant axée sur les demandes de remboursement. Une analyse comparative des algorithmes a permis de déterminer que la forêt aléatoire était la plus performante, celle-ci aboutissant à un R au carré (R²) de 39 %. Intégré à un tableau de bord Power BI, le modèle permet une analyse des dépenses en temps réel, une visualisation des tendances et une comparaison entre les prévisions et les dépenses réelles. Sa mise en œuvre a réduit le temps de prévision de trois mois à un seul, ce qui a permis d’améliorer la planification financière et l’engagement des parties prenantes.

Le modèle a eu une incidence opérationnelle considérable, en facilitant les discussions entre les conseillers en gestion financière et les responsables de programmes, tout en fournissant des données en temps réel favorisant une meilleure prise de décision. Bien que son applicabilité soit limitée aux programmes comportant des projets établis et qu’il donne de moins bons résultats pour les programmes à base de répartition, il s’est avéré très efficace pour les demandes de remboursement comptant 30 projets actifs ou plus.
Fort de ce succès, le modèle constitue une avancée précieuse dans le domaine de la prévision financière. Sa mise en œuvre ouvre la voie à d’autres améliorations, ce qui favorise une adoption plus large et des améliorations continues en matière d’exactitude prédictive et d’applicabilité des programmes.

1. Introduction

Logement, Infrastructures et Collectivités Canada (LICC) joue un rôle essentiel dans le financement et le soutien de projets d’infrastructure qui contribuent à bâtir des collectivités durables, inclusives et résilientes face aux changements climatiques. Les programmes de subventions et de contributions (S et C) du ministère nécessitent des prévisions financières détaillées et pluriannuelles afin d’assurer une répartition efficace des fonds publics. Toutefois, la nature imprévisible des projets d’infrastructure conduit souvent à des estimations de flux de trésorerie surestimées, ce qui donne lieu à des fonds non dépensés et des inefficacités budgétaires. Alors que les programmes de S et C de LICC continuent de croître, le besoin d’une solution de prévision évolutive et fondée sur les données est devenu de plus en plus évident.

Pour relever ces défis, LICC a mis en œuvre un modèle de prévision fondé sur l’apprentissage automatique (AA) en mai 2024. Cet outil novateur s’appuie sur des analyses avancées pour améliorer les prévisions des dépenses, renforcer la précision de la planification financière et optimiser l’allocation budgétaire. En intégrant ce modèle à l’ensemble des outils de prévision existants de LICC, le ministère vise à réduire les inefficacités, à appuyer la prise de décisions fondée sur les données et à renforcer sa capacité à financer des initiatives d’infrastructure essentielles.

Le présent article porte sur l’élaboration et la mise en œuvre du modèle de prévision des dépenses en S et C basé sur l’AA. Il débute par un aperçu du contexte et des objectifs du projet, suivi du développement technique du modèle et de son intégration dans les processus de prévision financière de LICC. Les résultats obtenus et leur incidence sur la planification financière sont ensuite analysés. L’article se termine par des recommandations d’améliorations futures et d’applications potentielles du modèle.

2. Contexte du modèle de prévision par apprentissage automatique

2.1. Contexte et évolution des initiatives

Au cours des exercices financiers 2016-2017 et 2017-2018, environ 64 % des autorisations prévues de Logement, Infrastructures et Collectivités Canada (LICC) en matière de subventions et de contributions (S et C) sont arrivés à expiration, ce qui a entraîné une demande des organismes centraux de la prévisibilité du profil financier des programmes d’infrastructure. En réponse à cette situation, LICC a entrepris plusieurs initiatives :

• 2019-2020 : Création d’une équipe ministérielle spéciale chargée d’examiner tous les aspects de la gestion du financement sous forme de contributions, afin de mieux harmoniser les crédits avec les dépenses réelles.
• 2020-2022 : Mise en place d’un centre d’expertise en subventions et contributions (CES et C) doté de compétences axées sur les finances pour remédier à ces enjeux.

2.2. Défis des prévisions actuelles en matière de subventions et de contributions

Depuis sa création, le CES et C a élaboré une série de méthodes et de processus de prévision qui ont contribué à réduire le financement sous forme de contributions et de subventions inutilisées à l’échelle du ministère. Toutefois, ces méthodes ont engendré une charge de travail importante pour les conseillers en gestion financière (CGF), en raison du manque de normalisation entre les différents programmes et de la complexité liée à la production de prévisions précises.

2.3. Objectif et finalité du modèle

Pour combler ces lacunes, les partenaires du centre d’expertise en subventions et contributions collaborent avec le Bureau du dirigeant principal des données afin d’étudier une approche fondée sur les données, laquelle pourrait compléter et renforcer l’ensemble existant de méthodes de prévision de LICC. Cette approche vise à fournir une base plus fiable pour les prévisions des CGF, tout en allégeant leur charge de travail.

L’objectif principal du modèle d’apprentissage automatique est d’améliorer les prévisions des S et C à LICC, en mettant au point un outil automatisé fondé sur les données historiques de S et C. Ce modèle est conçu pour s’adapter aux programmes actuels et futurs, améliorant ainsi l’efficacité globale du processus de prévision pluriannuelle des S et C au sein du ministère.

3. Élaboration et mise en œuvre du modèle de prévision par apprentissage automatique

La présente section porte sur l’élaboration du modèle de prévision par apprentissage automatique (AA), depuis ses sources de données jusqu’à l’outil interactif définitif. Elle fournit des prévisions sur la façon dont le modèle a été conçu, intégré et déployé pour fournir aux CGF des renseignements en temps réel.

3.1. Sources de données

La première étape de l’élaboration du modèle de prévision par apprentissage automatique a consisté à extraire les données du Système de gestion de l’information sur les programmes (PIMS) de LICC, comme l’illustre la figure 1 – Pipeline de données. Le PIMS fournissait des renseignements détaillés sur le financement et les dépenses des programmes à trois niveaux : les programmes, les ententes de contribution et les projets. Les variables clés comprenaient ce qui suit :

Variable	Définition	Données-échantillons
Numéro d’identification du projet	Identifiant unique pour chaque projet	13176
Numéro d’identification de l’entente de contribution	Identifiant unique liant le projet à une entente de financement précise	2
Exercice financier	Exercice financier associé aux dépenses et flux de trésorerie du projet	2007-2008
Flux de trésorerie du projet	Rentrée ou sortie de fonds prévue ou réelle pour le projet	500 000
Dépenses du projet	Montant dépensé pour le projet durant une période donnée	500 000
Montant total par entente de contribution	Budget total alloué dans le cadre d’une entente précise	2 000 000
Montant total par contribution au programme	Financement global attribué au programme concernant plusieurs ententes	2 000 000
Statut du projet	Indique l’état actuel du projet (p. ex. actif, terminé, en attente)	Terminé

3.2 Prétraitement des données

3.2.1. Nettoyage et transformation

Le processus de nettoyage des données a débuté par l’identification et la suppression des entrées vides qui ne concernaient pas le modèle de prévision financière. L’ensemble de données définitif ne comprenait que les projets ayant les statuts « fermé », « terminé » et « en cours de mise en œuvre », garantissant ainsi une évaluation complète à toutes les étapes du cycle de vie des projets, ce qui a renforcé la robustesse et l’adaptabilité du modèle.

Ensuite, des manipulations ont été effectuées afin de générer des variables clés comme les dépenses moyennes, les dépenses antérieures, les montants restants et les valeurs des ententes de contribution. Un processus de désagrégation a enfin permis d’uniformiser les données à un niveau de granularité cohérent. Initialement structurées à plusieurs niveaux — projet, entente de contribution et programme — les données ont finalement été consolidées au niveau du projet afin de correspondre au cadre analytique du modèle de prévision.

Pour améliorer la capacité du modèle à cerner les contraintes financières et à surveiller les plafonds de dépenses, plusieurs variables dérivées ont été créées à partir des variables existantes. Ces variables comprennent le montant total du projet, le montant cumulatif du projet, les dépenses cumulatives antérieures, les dépenses récentes, la durée de vie du projet, la moyenne des dépenses précédentes, les fonds restants et les fonds restants au début de chaque exercice financier. En intégrant ces variables, on a enrichi l’ensemble de données d’analyses financières supplémentaires, ce qui a permis d’assurer une représentation plus précise des dynamiques de dépenses des projets.

Nouvelles variables	Définition
Montant total du projet	Le budget total alloué à un projet pour toute sa durée. Il s’agit de la somme de toutes les dépenses prévues pour le projet.
Montant cumulatif du projet	Le montant total dépensé pour le projet depuis son lancement jusqu’à l’exercice financier en cours. Cela permet de suivre le pourcentage du budget déjà utilisé.
Dépenses cumulatives précédentes	La somme des dépenses de tous les exercices précédents avant l’exercice en cours. Cette variable exclut les dépenses de l’année en cours, mais fournit un contexte financier historique.
Dépenses récentes	Les dépenses de l’exercice financier le plus récent, ce qui reflète les tendances de dépenses actuelles.
Cycle de vie du projet	Le nombre total d’années pendant lesquelles le projet est censé être actif, de son année de début à son achèvement prévu.
Dépenses moyennes précédentes	Le montant moyen dépensé par année lors des exercices précédents. Ce montant est calculé comme suit : dépenses cumulatives précédentes / (année en cours-année de début).
Fonds restants	Le budget total du projet moins les dépenses cumulatives. Cela représente les fonds encore disponibles pour les années futures.
Fonds restants au début de chaque exercice financier	Le montant d’argent non dépensé au début d’un nouvel exercice financier, avant que de nouvelles dépenses ne soient effectuées.
Montant	Une variable dérivée utilisée pour améliorer la précision des prévisions. Étant donné que les dépenses futures sont initialement de 0, le modèle a tendance à prédire des valeurs irréalistes. La variable Montant remplace les dépenses futures manquantes par les flux de trésorerie prévus (décaissements futurs prévus), tout en conservant les dépenses antérieures inchangées.

3.2.2. Segmentation

Une fois l’ensemble de données nettoyé et transformé, l’étape suivante a consisté à analyser la distribution des dépenses de projet afin d’orienter la méthodologie de modélisation. Comme l’illustre la figure 2 – Distribution des montants des projets, l’ensemble de données présentait une forte hétérogénéité : 95 % des projets ne représentaient que 5 % de la contribution financière totale du ministère, tandis que les 5 % restants représentaient 95 % des dépenses.

Compte tenu des disparités importantes dans les dépenses de projets, nos collègues des finances ont initialement recommandé une approche de segmentation. Leur classification manuelle reposait sur les montants des projets afin de tenir compte de ce déséquilibre. Pour affiner cette approche, nous avons étudié une méthodologie de segmentation plus avancée. Plutôt que de segmenter selon le montant du projet, notre analyse a montré que la durée du projet offrait une meilleure différenciation. En effet, lors de la comparaison des résultats, la durée du projet a permis d’obtenir une plus grande homogénéité au sein des groupes, ce qui a donné lieu à des segmentations plus cohérentes et à une meilleure performance prédictive. Au cours de la phase d’élaboration, le passage du critère de segmentation du coût total du projet à la durée du projet a permis de réduire l’erreur absolue moyenne (EAM) du modèle de forêt aléatoire d’au moins 300 000. Cette première catégorisation des projets en importance relative élevée (> 5 ans) et en importance relative faible (< 5 ans) a entraîné une amélioration mesurable de la performance du modèle.

3.2.3. Analyse en composantes principales

Pour traiter la multicolinéarité entre les variables clés, nous avons intégré une analyse en composantes principales (ACP). Une analyse du facteur d’inflation de la variance a révélé une forte colinéarité, comme l’illustre la figure 3, notamment entre les variables financières comme le montant total du projet, le montant cumulé du projet et les fonds restants. Cette redondance présentait un risque de distorsion des prédictions, en particulier pour les programmes de grande envergure comme le Programme d’infrastructure Investir dans le Canada^{Note de bas de page 1}.

En appliquant l’ACP, nous avons transformé les variables d’origine en composantes orthogonales, ce qui rend bien compte de la variance maximale dans un espace de dimension réduite. L’analyse de la variance expliquée a montré que cinq composantes conservaient environ 90 % de la variance totale, préservant ainsi la majeure partie de l’information de l’ensemble de données tout en réduisant la dimensionnalité. Ce compromis permet d’atténuer la multicolinéarité tout en maintenant le pouvoir prédictif des variables clés.

L’ACP a été utilisée pour réduire la multicolinéarité parmi les variables financières tout en préservant les caractéristiques les plus informatives. La figure 5 : Résultats de l’analyse en composantes principales illustre les charges de cette méthode, qui représentent la force avec laquelle chaque variable d’origine contribue à une composante principale donnée.

Pour améliorer l’interprétabilité, les composantes principales ont été renommées en fonction de leurs charges dominantes.

• Composante principale 1 : Financement et échelle du projet – Cette composante est influencée par le montant total de la contribution au programme (TOTAL_PROGRAM_CONTRIBUTION_AMT [0,41]), le montant total du projet (project_total_amount [0,41]) et le montant cumulatif du projet (cumulative_project_amount) [0,37]. Elle représente la portée financière globale d’un projet, en mettant l’accent sur le financement total disponible.
• Composante principale 2 : Ressources restantes – Cette composante représente la disponibilité des fonds non dépensés, principalement déterminée par les fonds restants (Remaining [0,46]) et les fonds restants au début de l’exercice (Remaining_start_year [0,41]). Elle indique que des fonds sont encore accessibles pour les projets en cours.
• Composante principale 3 : Ressources initiales – Cette composante est relativement influencée par le montant total de la contribution au programme (TOTAL_PROGRAM_CONTRIBUTION_AMT [0,21]), le montant total du projet (project_total_amount [0,10]) et le montant cumulatif du projet (cumulative_project_amount [0,04]), ce qui sous-entend qu’elle est liée à l’allocation initiale des ressources financières au début d’un projet.
• Composante principale 4 : Durée du projet – Cette composante est fortement corrélée avec la durée de vie du projet (project_lifetime [0,70]), indiquant qu’elle prend en compte la longévité du projet et son lien avec les tendances de dépenses antérieures.
• Composante principale 5 : Contributions au cycle de vie – Cette composante représente l’équilibre financier tout au long du cycle de vie d’un projet, la durée de vie du projet (project_lifetime [0,61]) et les dépenses antérieures (previous_spend [0,26]) constituant une contribution importante.

En intégrant l’ACP dans notre pipeline de modélisation, nous avons efficacement résolu les problèmes de colinéarité présents dans l’ensemble de données d’origine, tout en améliorant la stabilité et l’interprétabilité du modèle.

L’analyse a également fait ressortir un point important : si la majorité de la variance n’est pas prise en compte dans un petit nombre de composantes, cela peut indiquer une structure de données complexe ou des relations non linéaires. Dans ce cas, des méthodes comme l’ACP à noyaux, la méthode t-SNE ou la méthode UMAP pourraient être plus adaptées. Cependant, puisque L’ACP à cinq composantes permet de conserver 90 % de la variance, elle reste un choix pertinent pour la réduction de la dimensionnalité dans ce contexte. De futurs travaux pourraient porter sur des méthodes d’encodage non linéaires pour déterminer si une autre approche pourrait offrir de meilleures performances.

4. Élaboration du modèle de prévision par apprentissage automatique pour les subventions et les contributions

Une fois la phase de prétraitement terminée, l’étape suivante a consisté à construire un modèle de prévision robuste. Cela a supposé la sélection d’un algorithme approprié, l’ajustement des hyperparamètres et l’évaluation des performances afin de garantir une précision adaptée à des projets de tailles variées. Étant donné la complexité des données financières, notre approche a mis l’accent sur l’interprétabilité, la stabilité et l’harmonisation avec les besoins opérationnels.

4.1. Ensemble de données définitif

Variable	Définition	Données-échantillons
Numéro d’identification du projet	Identifiant unique attribué à chaque projet.	13176
Numéro d’identification de l’entente de contribution	Identifiant unique liant le projet à une entente de financement précise.	2
Exercice financier	Exercice financier associé aux dépenses et aux flux de trésorerie du projet.	2007-2008
Flux de trésorerie du projet	Flux de trésorerie projeté ou réel (rentrées et sorties) du projet.	500 000
Dépenses du projet	Montant dépensé pour le projet au cours d’une période donnée.	500 000
Montant total par entente de contribution	Budget total alloué dans le cadre d’une entente précise.	2 000 000
Statut du projet	État actuel du projet (p. ex. actif, terminé, en attente).	Terminé
Montant	Variable dérivée utilisée pour améliorer la précision des prévisions. Variable cible.	500 000
Composante principale 1	Financement et échelle du projet : représente la portée financière globale du projet, en mettant l’accent sur le financement total disponible.	-0.68
Composante principale 2	Ressources restantes : indique que des fonds sont encore accessibles pour les projets en cours.	0.97
Composante principale 3	Ressources initiales : relatif à l’allocation initiale des ressources financières au début du projet.	-1.34
Composante principale 4	Durée du projet : reflète la longévité du projet et son lien avec les tendances de dépenses antérieures.	-0.19
Composante principale 5	Contributions au cycle de vie : représente l’équilibre financier tout au long du cycle de vie du projet, la durée de vie et les dépenses antérieures constituant un apport important.	-0.08

Remarque : Étant donné que la segmentation faisait partie des scénarios de test, nous avons initialement conservé deux ensembles de données distincts (df_matérialité_élevée et df_matérialité_faible [df_high and df_low]) en regroupant les projets en fonction de leur seuil d’importance relative (matérialité).

4.2. Entraînement du modèle

L’ensemble de données a été structuré sous forme de série chronologique, couvrant les exercices financiers de 2003-2004 à 2023-2024. Il a été divisé en un ensemble d’entraînement (75 %) et un ensemble de tests (25 %), en veillant à utiliser les données antérieures pour prévoir les dépenses à venir. Une fois entraîné, le modèle a été utilisé pour prédire les dépenses de l’exercice financier en cours (2024-2025) pour réaliser des projections pour les trois années suivantes. Le processus d’entraînement était itératif, ce qui a permis de peaufiner les modèles pour optimiser les performances tout en maintenant leur stabilité.

4.3. Comparaison des modèles

Plusieurs modèles ont été évalués, notamment le modèle de forêt aléatoire, l’amplification du gradient (Gradient Boosting) et l’arbre de décision à gradient amplifié extrême (XGBoost), en fonction de leur précision prédictive et de leur capacité à bien rendre compte des schémas présents dans les données financières. Étant donné que les dépenses suivent une évolution séquentielle dans le temps, les modèles devaient prendre en compte les dépendances temporelles et les tendances sous-jacentes.

Chaque modèle présente des caractéristiques distinctes :

• Laforêt aléatoire, une méthode d’ensemble, a permis de représenter efficacement des interactions complexes, ce qui en fait un bon candidat pour la prévision financière.
• L’amplification du gradient a permis d’affiner les prédictions grâce à un apprentissage itératif, améliorant ainsi la précision.
• L’arbre de décision à gradient amplifié extrême, une version optimisée de l’amplification du gradient, a offert une précision accrue tout en limitant le surapprentissage.

Les performances des modèles ont été évaluées à l’aide de deux mesures clés :

• R² (coefficient de détermination) : mesure dans quelle mesure le modèle explique la variance des dépenses.
• EAM (erreur absolue moyenne) : quantifie l’erreur moyenne de prédiction, fournissant une mesure claire de la précision financière.

4.4. Évaluation des performances du modèle

La section qui suit présente les mesures utilisées pour comparer les différents modèles. L’objectif était de trouver un équilibre entre précision prédictive, stabilité et interprétabilité, tout en tenant compte de la complexité des données financières.

Scénarios	Caractéristiques	Meilleure performance du modèle (mesures)
Scénario 1	Sans segmentation Analyse en composantes principales (ACP)	Forêt aléatoire (EAM : 137 570 ; R² : 93 %) Surapprentissage
Scénario 2	Sans segmentation ACP Limite des valeurs aberrantes	Forêt aléatoire (EAM : 852 243 ; R² : 36 %)
Scénario 3	Sans segmentation ACP Limite des valeurs aberrantes estimateurs n = 100, profondeur maximale = 10, nombre minimal d’échantillons par feuille = 5, état aléatoire = 42	Forêt aléatoire (EAM : 888 558 ; R² : 37 %)
Scénario 4	Sans segmentation ACP Limite des valeurs aberrantes Pondération pour les années plus récentes estimateurs n = 100, profondeur maximale = 10, nombre minimal d’échantillons par feuille = 5, état aléatoire = 42	Forêt aléatoire (EAM : 888 526 ; R² : 81 %)
Scénario 5	Sans segmentation ACP Limite des valeurs aberrantes Optimisation automatique des hyperparamètres	Forêt aléatoire (EAM : 758 012 ; R² : 40 %)

4.5. Évaluation de la performance du modèle – Éléments à prendre en considération

Afin d’optimiser la performance du modèle, plusieurs découpages d’ensembles de données ont été évalués, notamment des séparations de 25 % à 30 % ainsi que des découpages automatisés. Chaque scénario a été testé pour analyser la façon dont les différentes partitions des données d’entraînement et d’essais influaient sur la précision et la généralisabilité du modèle. L’approche de découpage automatisé a également été envisagée afin de garantir la robustesse du modèle face à divers types de partitionnement. Cette vérification exhaustive a permis de déterminer la configuration de découpage la plus efficace pour améliorer les capacités prédictives du modèle.

Après optimisation du découpage, nous avons évalué l’incidence de la segmentation et de l’ACP sur les performances du modèle. Bien que la segmentation ait été initialement prévue pour améliorer la précision, les tests ont démontré que la supprimer tout en conservant l’ACP permettait d’obtenir des prévisions plus stables et plus précises. Au départ, la segmentation avait conduit à la création de deux ensembles de données distincts, regroupant les projets selon des critères prédéfinis. Cependant, une analyse plus poussée a révélé qu’un ensemble de données unifié offrait une meilleure cohérence, facilitait la mise en œuvre du modèle et améliorait l’extensibilité. Cette découverte a mis en évidence l’efficacité de la réduction de la dimension pour saisir les principales tendances tout en minimisant le bruit. Par conséquent, la priorité a été accordée à l’ACP comme technique principale pour gérer la complexité des données et garantir un modèle de prévision plus robuste et généralisable.

Enfin, nous avons effectué un réglage des hyperparamètres à la fois manuellement et par optimisation automatique. Toutefois, ce réglage n’a pas toujours donné lieu à des améliorations importantes. Par exemple, un modèle de forêt aléatoire optimisé a permis d’obtenir une EAM légèrement inférieure (811 547) et un R² supérieur (39 %), mais ce gain marginal ne justifiait pas la complexité supplémentaire. Dans certains cas, le réglage des hyperparamètres a même introduit un surapprentissage, renforçant ainsi la fiabilité de la configuration par défaut plus simple.

4.6. Meilleurs Résultats du modèle

Notre analyse a révélé que le modèle de forêt aléatoire dominait systématiquement les autres en équilibrant précision prédictive et cohérence avec les prévisions financières. Parmi les configurations testées, le meilleur modèle était le modèle de forêt aléatoire (EAM : 852 243, R² : 36 %), lequel a permis d’estimer les dépenses à 4,8 milliards pour 2024-2025 et à 5,2 milliards pour 2025-2026, ce qui le rendait le plus proche des prévisions du centre d’expertise en subventions et contributions. La formule utilisée pour calculer la précision est la suivante :

4.7. Limites du modèle de prévision par apprentissage automatique

Malgré des résultats prometteurs, le modèle de prévision basé sur l’apprentissage automatique (AA) présente plusieurs limites qui doivent être prises en compte. Les programmes sans enregistrements de projet dans le système ne peuvent pas être modélisés, car le modèle doit connaître l’existence d’un projet pour générer une prévision. De plus, le modèle a été conçu pour prévoir les demandes de remboursement dans le cadre des programmes à exécution directe. Il est donc moins précis lorsqu’il s’agit d’autres types de paiements, comme les subventions, les avances ou les paiements basés sur des jalons. Le modèle donne également des résultats moins précis pour les programmes de subventions et de contributions (S et C) fondés sur l’allocation ou le transfert. Enfin, la précision du modèle diminue pour ce qui est des projets individuels, lesquels peuvent présenter des comportements de dépenses atypiques.

Ces limites signifient que le modèle donne actuellement les meilleurs résultats pour les programmes à exécution directe comptant 30 projets actifs ou plus dans le système et pour lesquels la majorité des demandes sont basées sur des remboursements.

5. Résultats pour les opérations

5.1. Façon de mettre l’apprentissage automatique à la disposition des équipes opérationnelles

Pour améliorer l’interprétation des résultats du modèle, les dépenses prévues ont été intégrées dans un tableau de bord existant utilisé par les conseillers en gestion financière (CGF) (figure 7). Ce tableau de bord présente visuellement les tendances de dépenses, ce qui permet de comparer les dépenses réelles, les prévisions générées manuellement par les CGF et celles du modèle d’apprentissage automatique (AA).

Le tableau de bord interactif comprend également des fonctionnalités de rapports personnalisés, ce qui permet aux utilisateurs d’adapter leur affichage en sélectionnant des critères précis, comme la province, le programme ou l’exercice financier. Cette flexibilité garantit que les utilisateurs peuvent adapter l’exploration des données à leurs besoins d’analyse particuliers. De plus, la nature interactive de la visualisation permet aux utilisateurs de survoler un point de la courbe pour afficher les valeurs exactes de chaque exercice, offrant une exploration des données plus intuitive et détaillée. Cette combinaison de rapports dynamiques et de visualisations interactives permet une analyse approfondie et facilite la prise de décisions basées sur les résultats du modèle d’AA.

5.2. Répercussions sur les activités

Le modèle d’AA a été mis en œuvre en mai 2024 pour prévoir les dépenses des programmes de subventions et de contributions (S et C) pour les exercices 2024-2025 à 2027-2028. Il a généré des prévisions pluriannuelles pour neuf des programmes de S et C du ministère, ce qui représente environ 80 % du financement total de ces programmes. La précision du modèle sera évaluée en avril 2025 et en avril 2026, à la fin des exercices 2024-2025 et 2025-2026, respectivement.

La mise en œuvre du modèle a permis de rationaliser le processus de prévision, réduisant le temps requis de trois mois à un mois. Cela a été rendu possible en fournissant aux CGF une prévision de référence, générée par le modèle d’AA, ce qui a facilité les discussions avec leurs programmes respectifs et permis d’harmoniser les attentes avant le processus de collecte des flux de trésorerie des bénéficiaires.

De plus, le tableau de bord intégré soutient les discussions continues avec les parties prenantes en s’appuyant sur des données à jour dans le cadre de la préparation des rapports réguliers du ministère.

6. Conclusion et prochaines étapes

En conclusion, la présente étude met en évidence le potentiel considérable de la mise en œuvre d’un modèle de prévision basé sur l’AA dans le cadre de la prédiction des dépenses pour les programmes de S et C de Logement, Infrastructures, et Collectivités Canada. Le modèle démontre un haut niveau de précision lorsqu’il est comparé aux dépenses historiques et est actuellement mis à l’essai par rapport aux dépenses réelles au cours des deux prochaines années, dans l’espoir d’optimiser le financement des subventions et des contributions, de réduire les crédits inutilisés dans les comptes publics et de rationaliser les processus financiers. Malgré les défis et les limites évoqués, les résultats globaux sont prometteurs quant à l’amélioration de la prise de décision financière et de l’efficacité opérationnelle.

Le succès de cette initiative a été officiellement reconnu en décembre 2024, lorsque le projet a reçu le prix de l’innovation 2024 du contrôleur général, soulignant son incidence considérable sur la gestion financière. Depuis, le modèle a suscité l’intérêt de plusieurs ministères, ce qui a donné lieu à des consultations en vue de son application à plus grande échelle. Les efforts continus en vue de promouvoir son adoption témoignent d’une reconnaissance croissante du potentiel des solutions basées sur l’AA pour améliorer les prévisions financières et l’allocation des ressources dans le secteur public.

En outre, le projet a été présélectionné pour l’édition 2025-2026 du Défi des données de la fonction publique. Cette reconnaissance met en lumière l’intérêt croissant de plusieurs ministères pour l’adoption de cet outil de prévision basé sur l’AA. Les efforts constants pour favoriser son adoption soulignent la reconnaissance croissante du potentiel des solutions d’apprentissage automatique pour améliorer les prévisions financières et optimiser l’allocation des ressources dans le secteur public.

Si vous avez des questions à propos de mon article ou si vous souhaitez en discuter davantage, je vous invite à Rencontrez les scientifiques des données, un événement au cours duquel les auteurs rencontrent les lecteurs, présentent leur sujet et discutent de leurs résultats.

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par Stany Nzobonimpa, Mohamed Abou Hamed, Ilia Korotkine, Tiffany Gao, Logement, Infrastructures et Collectivités Canada

Remerciements

Les auteurs souhaitent remercier les personnes suivantes pour leur contribution et leur soutien au projet : Kate Burnett-Isaacs, directrice, Science des données et Matt Steeves, directeur principal de l’Ingénierie, des Opérations techniques et des Projets – Grands ponts et Projets.

Introduction

Dans le domaine de la science des données, le recensement et le signalement d’événements, tels que des points de données qui s’écartent de manière considérable du comportement normal ou attendu, sont connus sous le nom de détection d’anomalie. Les anomalies présentent un intérêt particulier pour les scientifiques de données, car elles signalent des problèmes sous-jacents qui éveillent des soupçons et justifient généralement de procéder à une enquête. Diverses techniques statistiques ont de tout temps été appliquées pour répondre aux questions relatives aux anomalies, et les progrès en matière d’intelligence artificielle (IA) ont fait de cet exercice l’une des applications les plus connues des approches et des cadres relatifs à l’apprentissage automatique.

Dans cet article, nous présentons et examinons les principales constatations d’un projet appliquant la détection d’anomalies aux données de capteurs. Le projet a été réalisé au sein de LICC par une équipe pluridisciplinaire de scientifiques de données et d’ingénieurs. Bien que le projet se déroule en plusieurs étapes, l’article présente les méthodes et les résultats de la première phase, au cours de laquelle les données de capteurs d’un pont fédéral ont été utilisées pour la détection précoce des relevés anormaux.

L’article est structuré comme suit : nous commençons par une brève revue de la littérature pertinente et récente sur la détection des anomalies et ses applications, où nous montrons que les méthodes de détection des anomalies dans les données ont évolué et continuent d’évoluer. Nous présentons par la suite la problématique, les méthodes et les résultats de cette première étape du projet. Plus particulièrement, nous montrons que l’approche nous a permis de signaler de manière proactive, plus rapidement et de manière moins laborieuse, des anomalies dans les données de capteurs générées qui auraient pu ne pas être détectées autrement. En effet, nos résultats montrent que pour la période d’avril 2020 à septembre 2024, un certain nombre de relevés de capteurs ont été correctement signalés comme des anomalies en utilisant les méthodes que nous présentons dans cet article. La conclusion précise les prochaines étapes du projet.

Revue de la littérature

L’application de l’apprentissage automatique pour la détection des anomalies

La détection d’anomalies est depuis longtemps un sujet d’intérêt dans le domaine de l’exploration de données, qui a jeté les bases de nombreuses approches modernes d’apprentissage automatique. Les travaux fondamentaux dans le domaine de l’exploration de données ont largement étudié les techniques de détection des anomalies, notamment les méthodes fondées sur le regroupement, la distance et la densité. Ainsi, la détection des anomalies est l’une des principales applications de la technologie d’apprentissage automatique qui est utilisée par les praticiens de l’IA depuis des décennies (Nassif et coll., 2021). Dans sa forme la plus simple, la détection des anomalies est connue sous le nom de détection des valeurs aberrantes et consiste à signaler les points de données qui s’écartent de manière considérable de la majorité des données ou qui ne s’y conforment pas. Les multiples applications de la détection des anomalies dans des domaines aussi divers que la recherche médicale, la cybersécurité, la fraude financière et l’application de la loi ont suscité l’intérêt des chercheurs et des praticiens et ont donné lieu à une littérature florissante sur le sujet (Chandola et coll., 2009).

Historiquement, la détection des anomalies pouvait être réalisée manuellement en examinant et en filtrant les données et en utilisant la connaissance du contexte pour fournir des renseignements sur les comportements détectés. Au fur et à mesure que les ensembles de données s’étoffent, les approches statistiques s’avèrent utiles pour détecter les anomalies. Par exemple, Soule et coll. (2005) ont proposé une combinaison de filtrage avec des filtres de Kalman et d’autres techniques statistiques pour détecter un grand volume d’anomalies dans les grands réseaux. Les auteurs affirment que la détection des anomalies peut toujours être considérée comme un problème de test d’hypothèse; ils utilisent également les comportements, les moyennes résiduelles et les changements de variance dans le temps pour comparer quatre approches statistiques différentes de la détection des anomalies (p. 333-338).

Soule et coll. (2005, p. 334) soutiennent que les courbes caractéristiques de la performance d’un test (courbes ROC) sont fondées sur des tests d’hypothèses et que toute méthode de détection d’anomalies s’appuiera à un moment donné sur un test d’hypothèse pour vérifier si une hypothèse (p. ex. l’existence d’une anomalie) est vraie ou fausse. Un test (courbes ROC) permet de détecter les anomalies ou les données binaires normales. Une autre technique qui a été appliquée à la détection d’anomalies est une technique appelée « statistiques robustes » par Rousseeuw et Hubert (2017). Ces auteurs ont mis en pratique ces techniques en utilisant l’ajustement de la majorité des données et en signalant les anomalies une fois l’ajustement des données normales terminé. Par exemple, les auteurs proposent d’estimer les emplacements et les échelles unidimensionnelles à l’aide de moyennes, de médianes et d’écarts-types.

Alors que les techniques, comme celles proposées par Soule et coll. (2005) et Rousseeuw et Hubert (2017) pour la détection d’anomalies sont populaires et ont été appliquées à divers contextes et problèmes, l’arrivée de modèles d’apprentissage automatique avancés et de capacités de calcul rend l’exercice plus facile et modulable en fonction de grandes quantités de données. En outre, certaines anomalies peuvent être plus difficiles à détecter et peuvent nécessiter des techniques plus avancées (Pang et coll., 2021). Ces auteurs soulignent que certaines difficultés particulières peuvent s’avérer plus complexes et nécessiter des approches avancées. Ils affirment que la détection des anomalies est plus problématique et plus complexe parce qu’elle se concentre sur des données minoritaires qui sont généralement rares, diverses, imprévisibles et incertaines. Par exemple, les auteurs soulignent le défi suivant lié à la complexité des anomalies (Pang et coll., 2021) :

La plupart des méthodes existantes concernent les anomalies ponctuelles, qui ne peuvent être utilisées pour les anomalies contextuelles et les anomalies collectives, car elles présentent des comportements complètement différents des anomalies ponctuelles. L’un des principaux défis dans le cas présent consiste à intégrer le concept d’anomalies contextuelles et collectives dans les mesures et les modèles d’anomalie. En outre, les méthodes actuelles sont axées principalement sur la détection d’anomalies à partir de sources de données uniques, alors que de nombreuses applications nécessitent la détection d’anomalies selon de multiples sources de données hétérogènes, par exemple des données multidimensionnelles, des graphiques, des images, du texte et des données audio. L’une des principales difficultés réside dans le fait que certaines anomalies ne peuvent être détectées qu’en tenant compte de deux sources de données ou plus (p. 4, traduction libre).

Les auteurs font donc une distinction entre ce qu’ils appellent la détection d’anomalies « traditionnelle » et la détection d’anomalies « profonde » (p. 5), et affirment que ce dernier type de détection s’intéresse à des situations plus complexes et permet « l’optimisation de bout en bout de l’ensemble du pipeline de détection d’anomalies, ainsi que l’apprentissage de représentations précisément adaptées à la détection d’anomalies » (p. 5, traduction libre). La détection des anomalies contextuelles est une méthode qui permet de repérer des valeurs inhabituelles dans un sous-ensemble de variables tout en tenant compte des valeurs d’autres variables. La détection des anomalies collectives est axée sur le repérage des anomalies au sein de groupes de données. Au lieu d’examiner des points de données individuels, cette approche permet d’étudier les tendances et les comportements collectifs afin de détecter tout écart par rapport à la norme.

Comme l’ont souligné des auteurs, tels que Chandola et coll. (2009), Pang et coll. (2021) et Nassif et coll. (2021), entre autres, l’apprentissage automatique a rendu les exercices de détection des anomalies plus robustes et plus harmonieux. En effet, de nombreuses techniques exploitant les technologies d’apprentissage automatique ont été proposées et appliquées à la détection des anomalies et se sont révélées pratiques et utiles pour automatiser le processus (Liu et coll., 2015). Par exemple, Nassif et coll. (2021) ont séparé la détection des anomalies fondée sur l’apprentissage automatique en trois grandes catégories : la détection d’anomalies supervisée où le processus comprend l’étiquetage d’un ensemble de données et l’entraînement d’un modèle pour reconnaître les points anormaux en fonction des étiquettes; la détection d’anomalies semi-supervisée où l’ensemble d’apprentissages n’est que partiellement étiqueté; la détection d’anomalies non supervisée où aucun ensemble d’apprentissage n’est nécessaire et où un modèle détecte et signale automatiquement les tendances anormales.

Au cours de ce projet, nous avons exploité la catégorie d’apprentissage automatique semi-supervisée où les données de capteurs sont partiellement étiquetées. Nous montrons que cette approche, combinée à une compréhension approfondie des relevés de capteurs, permet d’obtenir des résultats fiables et présente l’avantage non négligeable d’un réglage de précision du modèle et des paramètres statistiques tout en conservant le pouvoir d’automatisation de l’apprentissage automatique.

Contexte de la recherche : Le problème et le pipeline de données

Le problème

Des capteurs physiques de surveillance de l’état des structures sont installés à des endroits stratégiques le long d’une infrastructure donnée, par exemple un pont ou un barrage, afin d’enregistrer son comportement. La plupart des capteurs fonctionnent en enregistrant des signaux électroniques, qui sont ensuite convertis en force, en mouvements, en vibrations, en inclinaisons et en d’autres renseignements essentiels pour nous permettre de comprendre l’état de l’infrastructure. Ces capteurs envoient en permanence de grandes quantités de données. Pour que ces données de surveillance de l’état des structures puissent être utilisées par les ingénieurs et les exploitants de ponts en vue d’une gestion adéquate des biens, elles doivent d’abord être débarrassées des anomalies, telles que les valeurs aberrantes et le bruit.

Les propriétaires et les opérateurs d’infrastructures essentielles mènent régulièrement des activités de diligence raisonnable pour s’assurer de l’état des structures de leurs biens. Dans un premier temps, les données qui dépassent les seuils maximaux ou minimaux prédéfinis par les concepteurs du pont sont désignées comme des valeurs aberrantes. Cependant, les données des systèmes de surveillance de l’état des structures sont souvent plus complexes et nécessitent une analyse plus poussée pour éliminer les valeurs aberrantes et le bruit des données qui se situent à l’intérieur de ces seuils prédéfinis.

Avant de développer l’approche d’apprentissage automatique, l’équipe des grands ponts et projets effectuait des analyses qui nécessitaient la détection manuelle d’anomalies dans de grandes quantités de données de capteurs, un travail qui s’est avéré complexe, laborieux, moins efficace et sujet à l’erreur humaine. L’utilisation de techniques d’apprentissage automatique a permis aux équipes de mettre à l’essai un mécanisme de détection des anomalies plus rapide et plus précis.

Ce projet a été mené dans le cadre d’un partenariat entre l’équipe de science des données et l’équipe des grands ponts et projets de LICC.

L’objectif général du projet est d’améliorer la surveillance de l’état de l’infrastructure des ponts en produisant moins de bruit dans les données. Les objectifs précis comprennent la détection d’anomalies (dénombrement) parmi les données de capteurs de différents types, telles que les anomalies causées par des fluctuations irrégulières ou l’absence de fluctuations, ainsi que le repérage des tendances d’anomalies parmi les données de capteurs. En outre, le projet vise à éclairer le processus décisionnel concernant la mise en œuvre d’une nouvelle technologie de détection des anomalies.

Le pipeline de données

Le pipeline de données du projet suit un processus typique de science des données : l’équipe d’analyse reçoit les relevés des capteurs; le nettoyage et le prétraitement sont effectués à l’aide de Python; des ensembles d’apprentissage sont créés, étiquetés et mis à l’essai; des modèles d’apprentissage automatique sont appliqués à l’aide de la bibliothèque scikit-learn de Python; les prédictions qui en résultent sont visualisées à l’aide de MS Power BI. La figure 1 ci-dessous résume le pipeline de données pour le projet.

Méthodes

Le projet repose sur une approche de classification d’apprentissage automatique semi-supervisée semblable aux techniques exposées dans la section de revue de la littérature. Cette technique repose sur une combinaison de données étiquetées et non étiquetées où nous étiquetons partiellement un ensemble d’apprentissage et appliquons des paramètres statistiques dans le processus de détection d’anomalies comme décrit dans les sections suivantes. Le choix de la méthode a été fait selon de multiples facteurs qui permettent le contrôle des données d’apprentissage, des types d’anomalies, de la rentabilité, de la reproductibilité et du rendement, entre autres. Des auteurs tels que Soule et coll. (2005) et Rousseeuw et Hubert (2017) ont proposé des méthodes fiables pour l’utilisation de techniques statistiques dans la détection d’anomalies et ont démontré que la combinaison de ces techniques avec des approches d’apprentissage machine existantes donne des résultats fiables alors que l’utilisation de l’apprentissage automatique seule ne permet généralement pas de cerner les types d’anomalies difficiles à détecter (Spanos et coll., 2019; Jasra et coll., 2022). Cette constatation s’est avérée exacte dans ce projet : lorsque nous avons appliqué un modèle d’apprentissage automatique non supervisé pendant l’étape d’exploration, nous avons réalisé que seules les données aberrantes, c’est-à-dire celles qui étaient considérablement supérieures ou inférieures aux données moyennes, étaient signalées comme des anomalies. Cependant, nous avions besoin d’une méthode qui nous permettrait de détecter les anomalies qui ne sont pas facilement détectables.

Pour mettre en œuvre cette approche avec succès, nous avons partiellement étiqueté un ensemble d’échantillons et formé un modèle d’apprentissage automatique pour signaler ces anomalies. Avant d’exécuter le modèle supervisé, nous avons prérempli les prédictions d’anomalies selon une approche non supervisée et fondée sur des règles assortie de paramètres prédéfinis pour les écarts-types et la taille des fenêtres des séries temporelles décrits dans les sections suivantes. Avec un ensemble d’apprentissages partiellement étiqueté, la classification d’apprentissage automatique a été appliquée, et nous avons choisi l’algorithme d’optimisation du gradient résumé par les équations (1) et (2) ci-dessous :

(1) $\hat{y}=F_{\mathrm{K}}\left(x\right)$

(2) $F_{\mathrm{K}}\left(x\right)=F_0\left(x\right)+\sum _{i=1}^K{\gamma }_i{\lambda }_i\left(x\right)$

où:

• $\widehat{y}$ représente les étiquettes de données binaires prédites pour un relevé normal ou anormal du capteur;
• $X$ représente un ensemble de variables explicatives pour les données d’une série temporelle avec le relevé du capteur, la date et l’heure;
• $\mathrm{F(}x)$ représente la fonction apprise par le classificateur à partir des données d’apprentissage (étiquetées);
• $F_0$ représente une valeur initiale constante pour la prédiction cible;
• $K$ représente le nombre d’étapes d’optimisation également appelées « systèmes d’apprentissage faibles »;
• ${\gamma }_i$ représente des coefficients également connus sous le nom de taux d’apprentissage;
• ${\lambda }_i$ représente les systèmes d’apprentissage faibles ou les arbres de décision.

L’expression dans l’équation (1) représente la sortie prédite du modèle y pour les caractéristiques d’entrée x où F est la fonction agrégée combinant tous les systèmes d’apprentissage faibles individuels. L’expression dans l’équation (2) illustre la manière dont le modèle est construit itérativement sur K (étapes d’optimisation) : en partant d’une constante initiale, chaque itération suivante ajoute un système d’apprentissage faible mis à l’échelle afin de réduire progressivement les erreurs résiduelles.

Il est important de souligner que l’algorithme d’optimisation du gradient offre généralement un meilleur rendement que d’autres modèles d’apprentissage ensembliste (Ebrahimi et coll., 2019) et, dans certains cas, les auteurs ont constaté qu’un arbre de décision de gradient renforcé était largement supérieur à certaines modélisations neuronales (Qin et coll., 2021). Avant d’employer l’approche semi-supervisée par l’entremise de l’algorithme d’optimisation du gradient, nous avons mis à l’essai un modèle intitulé Isolation Forest (détection d’anomalies non supervisée) en tant que technique de détection d’anomalies entièrement non supervisée. Les résultats de cette méthode n’ont pas répondu à nos attentes en matière de précision, ce qui n’est pas surprenant dans de tels cas d’anomalies contextuelles, comme l’ont montré Pang et coll. (2021) cité précédemment.

Cette approche a permis un contrôle total sur les données d’apprentissage et a donné la possibilité de peaufiner de nombreux paramètres, y compris les paramètres du modèle, tels que l’ampleur des tests et des apprentissages, les états aléatoires ainsi que les paramètres statistiques pour les écarts-types et la taille des fenêtres des séries temporelles. En effet, nous avons défini les types d’anomalies selon des formules existantes définies par les ingénieurs de ponts et en étiquetant manuellement les ensembles d’apprentissage à l’aide d’un processus itératif. Par exemple, nous avons pu isoler les types d’anomalies suivantes, décrites en tant que « valeur plafond », qui n’ont pas été signalées par le système d’alarme puisqu’elles sont restées dans les seuils prédéfinis mentionnés précédemment et qu’il serait fastidieux et peu pratique de les relever manuellement :

• Anomalies à valeur plafond absolue : lorsqu’un capteur capte exactement la même valeur quatre fois de suite, avec un écart-type égal à 0.
• Anomalies à valeur plafond relative, mais de façon consécutive : lorsqu’un capteur capte 12 relevés consécutifs dans une journée avec une très faible fluctuation, avec une valeur de l’écart-type absolu inférieure ou égale à 0,15.

L’usage de cette approche semi-supervisée a également permis d’appliquer notre méthode à des problèmes similaires sans qu’il soit nécessaire de réécrire l’algorithme, ce qui assure la rentabilité et la reproductibilité. Enfin, le choix de cette méthode a également été fait en fonction des rendements et des performances de calcul bien documentés pour les modèles d’apprentissage automatique supervisés (Akinsola et coll., 2019; Aboueata et coll., 2019; Ma et coll., 1999). Il convient de souligner que bien que les résultats soient satisfaisants, cette approche présente des limites et des difficultés. En particulier, l’étiquetage manuel des données d’apprentissage a nécessité des efforts considérables. En outre, la combinaison de techniques, tout en assurant une certaine souplesse, présentait un risque de surajustement du modèle que nous atténuons en inspectant soigneusement les résultats prédits à l’aide des connaissances des analystes.

Résultats et analyse

Dans sa première étape, le projet a permis de recenser 714 185 relevés de données signalées comme des anomalies. Ce nombre représentait environ 4,6 % de tous les relevés de capteurs et correspondait à l’une des catégories prédéterminées suivantes :

• Anomalies causées par des fluctuations irrégulières;
• Anomalies liées à l’absence de fluctuations normales, y compris la valeur plafond absolue et relative;
• Anomalies causées par des relevés en dehors de la plage prévue pour les capteurs.

La proportion de points de données relevés comme des anomalies était supérieure de plus de 4 % à ce qu’un modèle Isolation Forest non supervisé avait donné lors d’une exploration antérieure, ce qui confirme les conclusions de Pang et coll. (2021) selon lesquelles les types d’anomalies plus complexes nécessitent une combinaison plus avancée de méthodes pour une détection précise. Nous avons également obtenu une cote moyenne de précision interne de 0,988 (soit plus de 98 %), ce qui, sans être une indication absolue de réussite, constitue un signal pour le rendement du modèle.

Précision des prévisions

Au cours de l’étape de validation de ce projet, nous avons calculé une cote F1 pour la précision du modèle et avons obtenu une cote de 0,956 (96 %) de précision. La cote F1 est la moyenne harmonique des cotes de précision et de rappel d’un modèle et est souvent utilisée pour évaluer les modèles de classification (p. ex. voir Silva et coll., 2024; Zhang et coll., 2015). Dans la section suivante, nous présentons la précision du modèle interne calculée selon l’approche de validation croisée de la bibliothèque scikit-learn. Pour éviter un surajustement, nous avons conservé un petit échantillon de données comme ensemble de tests et avons calculé la cote de précision à l’aide de la méthode `train_test_split` de scikit-learn. La méthode divise les ensembles de données en sous-ensembles d’apprentissage et de test pour les tâches d’apprentissage automatique. Il y a plusieurs paramètres, tels que « test_size » et « train_size » qui déterminent, de manière aléatoire ou contrôlée, la fraction du nombre d’échantillons pour l’ensemble de test et d’apprentissage. Cette approche permet un meilleur contrôle, en particulier dans le cas de données d’apprentissage déséquilibrées.

Ce processus est bien documenté par scikit-learn, comme le montre la figure 2 ci-dessous :

Source : Bibliothèque Scikit-Learn – scikitlearn.org

Le tableau 1 ci-dessous présente les cotes de précision obtenues pour un échantillon de 9 capteurs sur les 44 capteurs couverts par la première étape du projet. Cette cote est calculée en divisant le nombre de prédictions justes par le nombre de prédictions totales et permet donc de comparer les valeurs prédites aux valeurs réelles. La cote a été calculée en utilisant les méthodes « y_val_split », « y_val_pred » de la sous-bibliothèque sklearn.metrics. Il convient de souligner que l’exercice d’étiquetage partiel des données d’apprentissage a été réalisé sur un cycle complet de relevés de capteurs, couvrant une année d’échantillonnage. Cet exercice a permis de surmonter le problème du déséquilibre de l’ensemble d’apprentissage et d’obtenir des proportions comparables d’anomalies dans les données d’apprentissage et d’anomalies cernées.

Tableau 1 : Exemples de cotes de précision pour les 9 premiers capteurs à l’aide de la fonction d’aide test-split

ID du capteur	Cote de précision
ID du capteur 1	0,998463902
ID du capteur 2	0,998932764
ID du capteur 3	0,990174672
ID du capteur 4	0,98579235
ID du capteur 5	0,99592668
ID du capteur 6	0,994401679
ID du capteur 7	0,998294486
ID du capteur 8	0,998385361
ID du capteur 9	0,99452954

Bien que cette cote ait constitué un bon point de référence, il convient de souligner qu’en raison du caractère propre des anomalies détectées, d’autres mesures d’évaluation de la précision sont en cours de recherche afin d’assurer la meilleure représentation du rendement du modèle.

Utilisation des résultats : de l’apprentissage machine à la valeur organisationnelle

Les anomalies prédites doivent être mises à la disposition des ingénieurs de ponts pour leur permettre d’agir en s’appuyant sur les renseignements produits par le modèle d’apprentissage automatique. La solution consistait à visualiser les résultats dans un tableau de bord simple et facile à utiliser, qui résume les constatations tout en fournissant suffisamment de renseignements pour éclairer la prise de décisions. Nous avons utilisé Power BI de Microsoft pour produire une visualisation simpliste contenant les renseignements suivants :

1. Le pourcentage d’anomalie par jour selon un graphique à colonnes empilées, qui peut être exploré jusqu’au pourcentage d’anomalie par mois.
2. Les relevés des capteurs selon un graphique linéaire et établissant la distinction entre les relevés normaux et les anomalies.
3. Un tableau avec les résultats détaillés fournit par l’algorithme pour le capteur sélectionné et l’année et le mois.
4. L’indicateur du rendement du capteur sélectionné pour la plage de temps sélectionnée, qui représente le pourcentage du nombre de relevés normaux sur le nombre total de relevés.
5. La part des relevés normaux des capteurs par rapport aux anomalies (diagramme en forme de beigne) et un filtre pour la comparaison.

Ce type de tableau de bord est utilisé pour déterminer le rendement d’un capteur précis et s’il a besoin d’être étalonné, réparé ou remplacé. Il offre une visibilité limitée sur le comportement de la structure que le capteur surveille.

La figure 3 ci-dessous présente un aperçu du tableau de bord illustrant les renseignements ci-dessus.

Nous avons également veillé à ce que les résultats puissent être visualisés ensemble pour tous les capteurs, ce qui a permis de les comparer et de les rendre plus lisibles. Les trois figures ci-dessous montrent les étapes franchies pour parvenir à cette comparaison et à cette lisibilité.

Contrairement au tableau de bord précédent, ce type de tableau de bord, une fois les anomalies éliminées, notamment le bruit et les valeurs aberrantes, permet une meilleure visibilité des tendances et du comportement des structures que les capteurs surveillent, par opposition au comportement des capteurs eux-mêmes.

La figure 4 présente les données brutes initiales de plusieurs capteurs sur le même graphique en fonction d’une moyenne mensuelle, pour montrer les résultats sur de longues périodes (c’est-à-dire l’évaluation de la tendance), ainsi que la température, qui se distingue par des tirets, car la température est le principal prédicteur de relevé influent.

Dans la figure 5, les décalages entre les lignes de données des capteurs sont supprimés pour assurer le chevauchement, et la température est inversée pour qu’elle puisse également suivre la tendance à la hausse et à la baisse des lignes de données des capteurs.

Enfin, la figure 6 présente les résultats finaux après la suppression des anomalies détectées par notre modèle. Une fois de plus, le chevauchement entre la température et les données des capteurs permet d’évaluer qualitativement le comportement des structures en un coup d’œil.

Les résultats obtenus dans le cadre de ce projet ont démontré la possibilité d’utiliser des approches d’apprentissage automatique pour améliorer l’exercice de détection des anomalies et assurer un suivi plus efficace et plus précis des données des capteurs. En effet, le projet a contribué à la compréhension des données historiques sur les capteurs de ponts et a permis de fournir des renseignements sur le rendement global des capteurs. En outre, les résultats ont aidé l’équipe des grands ponts et projets à évaluer le rendement des capteurs, en signalant finalement un certain nombre d’entre eux pour une analyse plus approfondie. Une fois les capteurs examinés et leur fonctionnalité confirmée, les données, désormais exemptes de bruit, permettent d’avoir une meilleure idée du comportement de la structure, des tendances de son rendement et de son état au fil du temps.

Notre approche s’est avérée utile pendant l’étape d’exploitation, d’entretien et de réhabilitation des ponts en contribuant à la détection précoce d’anomalies et à la planification de l’inspection des infrastructures. En outre, grâce à l’exploration et à la manipulation des données historiques, le projet a contribué à la réalisation de l’objectif global de surveillance de l’état des ponts en vérifiant la qualité et la fiabilité des données. Les contrôles de la qualité des données qui accompagnent la détection des anomalies contribueront à améliorer la précision des données historiques des capteurs de surveillance de l’état des structures des ponts et faciliteront la planification et la gestion des travaux futurs. Le contrôle des types d’anomalies réduit le nombre de fausses alarmes tout en ouvrant la voie à des inspections et des vérifications détaillées. La visualisation qui en découle sera également utile à l’équipe technique et fournira des renseignements sur le rendement des capteurs, ainsi que sur les problèmes structurels possibles.

Conclusion et prochaines étapes

Ce projet visait à exploiter des techniques avancées combinant des approches d’apprentissage automatique semi-supervisées et statistiques pour la détection d’anomalies. Comme nous l’avons démontré dans la section consacrée à la littérature, la détection des anomalies est un problème complexe qui requiert une certaine expertise et qui est généralement bien résolu en combinant un grand nombre de méthodes. En effet, nous avons montré que l’exercice peut signaler les anomalies parmi les données des capteurs de manière contrôlée et reproductible. Dans les prochaines étapes du projet, un modèle multiclasses est en cours de recherche pour s’assurer que non seulement les anomalies sont détectées, mais qu’elles sont également étiquetées et regroupées dans des types d’anomalies précises. Cette approche granulaire améliorera la clarté du diagnostic et aidera les ingénieurs à mieux comprendre les causes des anomalies des capteurs et, en fin de compte, à faciliter l’entretien des ponts.

Il convient de souligner, dans ce paragraphe de conclusion, qu’avec l’arrivée de l’IA générative, les recherches à venir devraient porter sur le potentiel de ce type d’IA pour la détection des anomalies. L’IA générative a la capacité d’apprendre des modèles et des distributions de données normales et pourrait donc, si on lui fournit des exemples, cerner les écarts qui peuvent signifier des relevés de données anormales. En outre, en entraînant des modèles tels que les réseaux antagonistes génératifs sur de vastes ensembles de données, les chercheurs peuvent générer des représentations réalistes de comportements typiques et améliorer les exercices de détection d’anomalies. L’utilisation de l’IA générative n’entrait pas dans le cadre de ce projet.

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Bibliographie

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Par : Uchenna Mgbaja, Md Mahbub Mishu, Maryam Zamani, Sumitra Balamurugan et Aya Heba; NorQuest College

Selon le Recensement de 2021, il y avait 5 millions de ménages locataires au Canada, ce qui signifie qu'environ le tiers des ménages canadiens sont locataires. Une grande partie de cette activité de location se fait toutefois dans le secteur privé, ce qui donne lieu à des données limitées et incohérentes. Pour combler ces lacunes dans les connaissances, nous avons acquis, traité, analysé et représenté visuellement les annonces immobilières de la partie prenante, le Community Data Program (en anglais seulement), pour l'Ontario. Cet ensemble de données offre de nouvelles perspectives sur les tendances spatiales des marchés du logement métropolitain et des petites communautés, qui dépassent les autres sources disponibles en détail et en précision. Des villes comme Toronto, Brampton et Mississauga, par exemple, affichent des prix de location élevés par pied carré, ce qui témoigne de la dynamique économique de la région. Nous avons également analysé des régions de l'Ontario où la population est inférieure à 10 000 habitants.

La présente étude vise à répondre à trois objectifs principaux :

• Interpréter les tendances des ensembles de données et leurs répercussions sur le marché du logement.
• Appliquer des modèles d'apprentissage automatique aux ensembles de données afin que le modèle puisse prévoir les tendances futures.
• Déployer le meilleur modèle.

Méthodologie

Nous avons obtenu de notre client un ensemble de données rigoureuses, lequel comprenait 18 colonnes donnant des précisions sur les régions, le nombre de chambres, les adresses et d'autres renseignements pertinents.

Pour extraire des renseignements précieux, nous avons utilisé des techniques de codage et des représentations visuelles, comme des tableaux et des graphiques. Cela nous a aidés à repérer avec succès des modèles essentiels dans la dynamique du logement, en particulier en cernant les régions présentant des différences notables dans les dépenses de logement et la densité des annonces.

L'analyse exploratoire des données

Pour l'analyse exploratoire des données (AED), nous avons sélectionné de petites collectivités en fonction du dénombrement de leur population. Cette approche nous a permis de mieux comprendre la dynamique du logement dans ces régions précises. La colonne « Prix » de notre ensemble de données contenait toutefois des incohérences, comme des signes de dollar et des virgules, ce qui la rendait difficile à analyser. Pour enrayer ce problème, nous avons supprimé les caractères spéciaux et converti la colonne au format numérique. Cela nous a permis d'effectuer des opérations numériques et de visualiser les données efficacement.

Ensuite, nous avons établi que certaines données des colonnes « Chambres » et « Salle de bain » contenaient des entrées complexes, comme « 2 + Den » (2 + pièce de détente), alors que la fonction regex ne tenait compte que des nombres, en ignorant la « Den » « pièce de détente » supplémentaire. Cela a conduit à des inexactitudes dans la représentation du nombre de chambres à coucher et de salles de bains. Pour résoudre ce problème, nous avons créé une colonne temporaire pour cerner les entrées « + Den » (+ pièce de détente ), converti « Chambres » et « Salles de bains » en valeurs numériques et ajusté les chiffres pour tenir compte de la partie « Den » (pièce de détente). Par la suite, nous avons supprimé la colonne temporaire, ce qui garantit un nombre précis de chambres pour chaque annonce immobilière.

La colonne « Taille » contenait des valeurs non numériques, comme « Non disponible », ce qui a entraîné des erreurs lors de la tentative de conversion de la colonne en type de données flottantes. Pour résoudre ce problème, nous avons remplacé les valeurs non numériques comme « Non disponible » par « NaN » (Not a Number, c'est-à-dire « pas un nombre ») en utilisant la fonction replace() de pandas.

Les entrées dans la colonne « Taille » qui étaient inférieures à 200 ou supérieures à 9 000 pieds carrés étaient considérées comme des données aberrantes et n'étaient pas logiques dans le contexte de la taille des propriétés.   Si elles n'étaient pas traitées de manière appropriée, ces données aberrantes pouvaient fausser les résultats de l'analyse et de la visualisation.

Carte géographique des annonces immobilières en Ontario

Dans la présente section, nous avons utilisé le Looker Studio de Google pour générer des graphiques, des tableaux, des cartes, etc., ainsi que Plotly Express de Python pour les visualisations de l'ensemble des données.

Nous avons créé une carte de dispersion (présentée à la figure 1 ci-dessus) à l'aide de Plotly Express. Chaque point sur la carte représente une annonce immobilière. Nous avons choisi un style OpenStreetMap afin que la présentation soit plus claire et plus simple.

Histogramme représentant la répartition des prix de location

L'histogramme (présenté à la figure 2) permet aux utilisateurs de connaître la répartition des prix des loyers. Pour nous assurer que la visualisation est intuitive, nous avons conservé des étiquettes claires pour les axes et le titre et fourni une explication concise de ce que représente l'histogramme.

Diagramme de dispersion représentant la taille et le prix associé au nombre de chambres

Le diagramme de dispersion (présenté à la figure 3) a permis aux utilisateurs de comprendre la relation entre la taille, le prix et le nombre de chambres à coucher dans un immeuble locatif. Les utilisateurs peuvent dégager des tendances, comme la variation des prix en fonction de la taille et du nombre de chambres.

Diagramme à surface représentant la répartition des prix en fonction du nombre de chambres

Le diagramme à surface (présenté à la figure 4) permet aux utilisateurs de dégager les tendances de la répartition des prix en fonction du nombre de chambres. L'analyse des données aberrantes peut fournir des renseignements sur les propriétés exceptionnelles et les tendances du marché, ce qui aide les utilisateurs à prendre des décisions éclairées concernant les propriétés locatives ou d'investissement.

Diagramme à barres pour les 10 régions les plus dispendieuses et les plus abordables de l'Ontario

Les diagrammes à barres (présentés aux figures 5 et 6) donnent un aperçu de la répartition des prix par région, mettant en évidence les 10 régions les plus dispendieuses et les plus abordables. Les utilisateurs peuvent dégager des tendances, comme les disparités régionales dans les prix des loyers, et prendre des décisions éclairées en ciblant les régions où les prix moyens sont plus bas pour les occasions d'investissement.

Le diagramme circulaire donne un aperçu de la répartition des types de propriétés

Le diagramme circulaire (présenté à la figure 7) donne un aperçu de la répartition des types de propriétés sur le marché locatif. Les utilisateurs peuvent cerner le type de propriété le plus répandu, comme les appartements, qui représente le pourcentage le plus élevé (37,6 %). Ces renseignements peuvent aider les utilisateurs à prendre des décisions éclairées, comme choisir les meilleurs types de propriétés pour les occasions d'investissement ou de location.

L'application de l'apprentissage automatique aux données nettoyées

Pour prédire les prix de location, nous avons appliqué des modèles d'apprentissage automatique (AA) à notre ensemble de données. Nos données ne sont pas des séries chronologiques, car les annonces couvrent différentes dates, sans période de référence constante. Nous nous sommes plutôt concentrés sur des modèles de régression prédictifs afin de prédire les prix des loyers, qui est notre variable cible. Ces modèles nous ont aidés à analyser et à prédire les mouvements de prix en fonction de diverses caractéristiques comme l'emplacement, le type de propriété et les commodités.

Nous avons entraîné divers modèles d'apprentissage automatique, comme il est indiqué ci-dessous.

• Les modèles de régression
  • Tout d'abord, nous avons divisé l'ensemble de données en ensembles de données d'entraînement et de test : 80 % pour l'entraînement et 20 % pour les tests. Cette approche a permis de s'assurer que le modèle était entraîné sur une partie importante des données, tout en conservant une partie importante pour les tests.
  • Ensuite, nous avons entraîné le modèle à l'aide de modèles de régression (le modèle de Random Forest, le modèle de régression linéaire et la méthode de Gradient Boosting) pour prédire les prix de location, qui étaient notre variable ou notre étiquette cible.
  • L'étape suivante consistait à effectuer une validation croisée. Pour ce faire, nous avons utilisé la technique de validation croisée « k-fold » pour évaluer les performances et la généralisation du modèle.
  • Enfin, nous avons évalué les modèles en fonction des mesures de performance suivantes :
    • La racine de l'écart quadratique moyenne (REQM) : Cette mesure métrique permet de mesurer l'ampleur moyenne des erreurs entre les valeurs prédites et les valeurs réelles. Plus la valeur de REQM est faible, meilleur est le modèle.
    • Le score du R au carré (R2) : Cette mesure métrique indique dans quelle mesure les prédictions du modèle de régression s'adaptent aux données réelles. Plus cette valeur est élevée, meilleure est la prédiction du modèle.
• Les modèles de classification 

Pour améliorer notre analyse, nous avons transformé le problème de régression en un problème de classification en fixant des seuils de prix. Plus précisément, nous avons classé les prix de location en trois groupes distincts : bas, moyen et élevé. Les seuils ont été choisis en fonction de la répartition des prix dans l'ensemble de données, en établissant des tranches allant de 0 à 1 500, de 1 500 à 2 500 et de plus de 2 500. Cette catégorisation nous a permis d'appliquer des modèles de classification, comme Random Forest (RF) et le modèle de l'arbre de décision, pour prédire les catégories de prix de location. Cette approche est soumise au point de vue de l'utilisateur sur ce qui est considéré comme un prix élevé ou bas.

Nous avons également élaboré des modèles de classification pour prédire le type de propriété locative en fonction de caractéristiques données. L'objectif était de recommander un type de propriété approprié en fonction des spécifications de l'utilisateur.

Les résultats

Les modèles de régression 

Après avoir entraîné et évalué plusieurs modèles d'apprentissage automatique, il a été déterminé que, sur la base d'une évaluation comparative, le modèle de régression linéaire présentait des performances supérieures à celles des autres modèles de régression.

Tableau 1 : Performances des modèles AA.

Nom du modèle	REQM	R2
Régresseur Random Forest	483,05	0,6120
Régression linéaire	467,54	0,6568
Gradient Boosting	488,56	0,6372

Description - Tableau 1 : Performances des modèles AA.

Ce tableau établi une comparaison des performances de trois modèles d'apprentissage automatique (AA) différents à l'aide de deux mesures métriques : la racine de l'écart quadratique moyenne (REQM) et R² (le coefficient de détermination). Le tableau répertorie les modèles suivants : le régresseur Random Forest, la régression linéaire et Gradient boosting. Les valeurs de la racine de l'écart quadratique moyenne (REQM) et du R² sont fournies pour chaque modèle afin d'évaluer leur précision et leur pouvoir prédictif, respectivement. Le modèle de régression linéaire présente la REQM la plus faible à 467,54 et la valeur du R² la plus élevée à 0,6568, ce qui indique qu'il est plus performant que les autres.

Les modèles de classification 

Le tableau ci-dessous fournit une comparaison détaillée de trois modèles d'apprentissage automatique, à savoir la régression logistique, l'arbre de décision et Random Forest, utilisés pour classer les prix des propriétés locatives en différentes catégories en fonction de leurs caractéristiques. Les mesures prises en compte pour la comparaison sont les scores d'exactitude, de précision et de rappel obtenus par chaque modèle. Ces mesures sont cruciales pour évaluer l'efficacité et la fiabilité des modèles de prédiction des prix des logements locatifs.

Tableau 2 : les performances de différents modèles d'apprentissage automatique dans la classification des prix des logements.

Nom du modèle	Exactitude	Précision	Rappel
Régression logistique	0,73	0,81	0,81
Arbre de décision	0,73	0,77	0,80
Random Forest	0,74	0,79	0,80

Description - Tableau 2 : les performances de différents modèles d'apprentissage automatique dans la classification des prix des logements.

Ce tableau met en évidence les performances de différents modèles d'apprentissage automatique dans la classification des prix des logements. Le modèle de Random Forest a dépassé les autres modèles en ce qui concerne la précision, atteignant un score de 0,74. Les modèles de régression logistique et d'arbre de décision ont atteint le même score de précision de 0,73. En ce qui concerne la précision et la mémorisation, le modèle de régression logistique a obtenu le score le plus élevé de 0,81 : il serait donc légèrement meilleur pour déterminer les cas vraiment positifs. Cette comparaison fournit des renseignements précieux sur l'efficacité de ces modèles pour prédire les prix des logements locatifs et aide à sélectionner le modèle le plus approprié pour cette tâche.

Les méthodes de sélection des caractéristiques : les valeurs de p

Le concept de valeurs de p est fondamental en analyse statistique pour déterminer la signification des résultats observés. Dans les tests d'hypothèses, en particulier dans le contexte de la sélection de caractéristiques pour les modèles d'AA, les valeurs de p aident à évaluer la solidité de la preuve par rapport à une hypothèse nulle. Une valeur de p faible indique généralement que les données observées sont peu probables en supposant que l'hypothèse nulle est vraie, ce qui conduit au rejet de l'hypothèse nulle en faveur d'une autre hypothèse.

Dans les résultats présentés ci-dessus, le cadre de données présente les noms des caractéristiques à côté de leurs valeurs de p correspondantes dérivées du test F de l'ANOVA. Cette technique statistique vise à évaluer l'importance des caractéristiques individuelles concernant la variable cible « Prix ». Une valeur de p plus faible signifie une association plus forte entre la caractéristique et la variable cible, ce qui indique une probabilité plus élevée que la caractéristique soit pertinente pour prédire les prix des logements.

Fait à noter, des caractéristiques comme « Hydro_N », « Hydro_O », « Taille » et divers indicateurs géographiques présentent des valeurs de p extrêmement faibles, ce qui est à l'origine de leur incidence considérable sur la détermination des prix des logements.

La méthode de corrélation

L'analyse de corrélation est une technique statistique utilisée pour mesurer la force et la direction de la relation linéaire entre deux variables. Dans le contexte de la sélection de caractéristiques pour l'apprentissage automatique, l'analyse de corrélation permet de cerner les caractéristiques fortement corrélées à la variable cible et ayant une incidence considérable sur la prédiction de la cible. Un coefficient de corrélation est compris entre -1 et 1, où :

• un coefficient de corrélation de 1 indique une relation linéaire positive parfaite, ce qui signifie que, lorsqu'une variable augmente, l'autre variable augmente également proportionnellement;
• un coefficient de corrélation de -1 indique une relation linéaire négative parfaite, ce qui signifie que, lorsqu'une variable augmente, l'autre variable diminue proportionnellement;
• un coefficient de corrélation proche de 0 sous-entend peu ou pas de relation linéaire entre les variables.

Dans les résultats ci-dessus, les coefficients de corrélation entre le « prix » (variable cible) et d'autres caractéristiques sont énumérés. Les « chambres » et les « salles de bains » ont des corrélations positives relativement élevées avec le « prix » (0,63 et 0,63, respectivement), ce qui indique que, lorsque le nombre de chambres ou de salles de bains dans une propriété augmente, le prix a tendance à augmenter également.

« Eau_O » et « Eau_N » ont le même coefficient de corrélation de 0,35, le « prix », ce qui donne à penser que la présence ou l'absence d'accès à l'eau pourrait influencer les prix des logements dans une certaine mesure.

Des caractéristiques comme « CSDNAME_South Frontenac », « CSDNAME_Norwich » et « CSDNAME_Chatsworth » ont de très faibles corrélations positives avec le « prix » (près de 0), ce qui indique de faibles relations linéaires entre ces indicateurs géographiques et les prix des propriétés. Nous avons pris des décisions éclairées pour ne conserver que les caractéristiques géographiques les plus pertinentes en fonction de l'expertise du domaine. Ce processus méticuleux de sélection des caractéristiques a contribué à un modèle d'apprentissage automatique plus rigoureux et plus efficace pour prédire les prix des propriétés.

Création de l'application Perspectives sur le logement locatif

La création de l'application Perspectives sur le logement locatif représente un effort global pour tirer parti des techniques de la science des données dans l'analyse des données sur les logements locatifs. Cette section présente le processus d'élaboration, les principales caractéristiques et l'incidence potentielle de la demande sur les parties prenantes et la collectivité.

Développement de l'application

L'application est développée à l'aide du cadre Streamlit, en utilisant Python. Le processus de développement comporte plusieurs étapes clés :

• Le prétraitement des données : nettoyage et formatage de l'ensemble de données sur les logements locatifs pour assurer la qualité et la cohérence des données.
• L'ingénierie des fonctionnalités : création de nouvelles fonctionnalités et transformation des fonctionnalités existantes pour améliorer les performances et l'intelligibilité des modèles.
• La modélisation d'apprentissage automatique (AA) : entraînement et évaluation de modèles prédictifs pour prévoir les prix des loyers et les types de propriétés.
• La conception de l'interface utilisateur : conception d'une interface intuitive et conviviale pour assurer une navigation et une interaction fluides.

Les fonctionnalités

L'application Perspectives sur le logement locatif offre les principales fonctionnalités suivantes :

• Le tableau de bord qui donne un aperçu des objectifs et des principales conclusions du projet.
• L'analyse exploratoire des données (AED) qui permet aux utilisateurs d'étudier les données sur les logements locatifs grâce à des visualisations.

  

• Modélisation AA : permet aux utilisateurs de prédire les prix de location et les types de propriétés en fonction des paramètres d'entrée.

  

• Profil des collectivités : affiche les annonces de logements locatifs sur des cartes, fournissant des renseignements spatiaux sur les tendances du marché.

  

• Intégration du Looker Studio de Google : intègre des renseignements et des rapports supplémentaires permettant une analyse et une visualisation améliorées.

  

L'expérience utilisateur

L'application donne la priorité à l'expérience utilisateur en offrant une interface intuitive, des fonctionnalités interactives et des renseignements en temps réel. Les utilisateurs peuvent facilement naviguer entre les différentes parties, personnaliser les paramètres d'entrée et visualiser les résultats de manière dynamique et attrayante.

Les retombées et les avantages de l'application

L'application Perspectives sur le logement locatif pourrait avoir des retombées importantes sur les parties prenantes et la collectivité en :

• fournissant des renseignements précieux sur les tendances et les modèles de logement locatif;
• soutenant la prise de décision éclairée en matière d'investissements immobiliers et de gestion immobilière;
• donnant aux utilisateurs des capacités d'analyse prédictive pour la planification stratégique et l'allocation des ressources;
• améliorant la transparence et l'accessibilité des données sur le logement locatif pour les décideurs, les chercheurs et les organismes communautaires.

Les travaux à venir

L'étude offre une analyse détaillée du marché du logement locatif en Ontario, au Canada. En utilisant des techniques d'AED et d'AA, les auteurs fournissent des renseignements précieux sur les tendances spatiales, la dynamique du logement et les prévisions de prix des loyers, ce qui profite à la fois aux marchés métropolitains et aux petites collectivités.

Grâce à un nettoyage méticuleux des données, à l'ingénierie des caractéristiques et à l'application de divers modèles d'apprentissage automatique, l'étude met en lumière des aspects cruciaux comme la répartition des prix, les influences géographiques et les répercussions des attributs du logement sur les prix des loyers. Le développement d'une application Perspectives sur le logement locatif permet d'améliorer davantage l'exploration des données, la modélisation prédictive et la visualisation spatiale. Cela permet de fournir aux parties prenantes des renseignements utiles et exploitables, qui soutiennent une prise de décision éclairée sur le marché du logement locatif.

Dans l'ensemble, l'étude souligne le potentiel transformateur des approches axées sur les données pour relever des défis sociétaux complexes, comme le logement abordable, et souligne l'importance de la collaboration entre les parties prenantes du milieu universitaire, de l'industrie et du gouvernement pour apporter des changements positifs dans le paysage du logement locatif.

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