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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Dans le cadre du remaniement du Dénombrement à la frontière, les changements suivants ont été introduits :

• Les points d'entrée s'alignent plus étroitement avec le répertoire des bureaux et services de l'Agence des services frontaliers du Canada (ASFC). Les données historiques ont été révisées.
• Les pays s'alignent sur la Variante de la Classification type des pays et des zones d'intérêt 2019 pour les statistiques sur les voyages. Les données historiques ont été révisées.
• Le type de véhicule pour les résidents de pays autres que le Canada et les États-Unis d'Amérique entrant par voie terrestre est disponible pour toutes les sources de données. Avant 2017, elle n'était pas disponible et de 2017 à 2021, elle n'était disponible que pour une seule source de données.
• Tous les voyageurs en traversier sont compris dans le mode maritime, afin de s'aligner sur les recommandations de l'ONU Tourisme. Avant 2022, la plupart de ces voyageurs étaient compris dans le mode terrestre en tant que piétons ou automobilistes (la seule exception étant Fortune, à Terre-Neuve-et-Labrador).
• Le nombre maximum de passagers autorisés dans une automobile avant qu'elle ne soit considérée comme un autobus est de 8, afin de s'aligner sur les recommandations de l'ONU Tourisme. Avant 2022, le maximum était de 10.
• Il existe des séries distinctes pour les motos et « les autres véhicules terrestres ». Avant 2022, les séries pour motos contenaient également « d'autres véhicules terrestres ».
• Un « autre véhicule terrestre » n'est plus reclassé comme une automobile ou un autobus en fonction du nombre de passagers. Avant 2022, un « autre véhicule terrestre » était reclassé comme automobile s'il y avait plus de 4 passagers et comme autobus s'il y avait plus de 10 passagers.
• Si les résidents de pays autres que le Canada et les États-Unis d'Amérique entrant par voie aérienne ou maritime sont enregistrés par l'ASFC sous le même jour, ils seront publiés comme excursionnistes (visiteurs même jour). Avant 2022, ils étaient reclassés comme des touristes (visiteurs avec nuitées).
• Si les résidents canadiens qui reviennent de pays autres que les États-Unis d'Amérique sont enregistrés sous le même jour, ils seront publiés comme excursionnistes (visiteurs même jour). Avant 2022, ils étaient reclassés comme des touristes (visiteurs avec nuitées).
• Les voyageurs des Bornes d'inspection primaire (BIP) qui déclarent que le but de leur voyage est un travail sont classés comme « autres voyageurs » (et non comme visiteurs), afin de s'aligner sur les recommandations de l'ONU Tourisme. Avant 2022, ils étaient considérés comme des visiteurs.
• Les voyageurs non-résidents dont la durée de voyage est de 365 jours ou plus sont considérés comme des « autres voyageurs » (et non comme des visiteurs). Avant 2022, ils étaient reclassés comme visiteurs résidents du Canada.
• Les membres d'équipage provenant de pays autres que le Canada et les États-Unis d'Amérique et entrant par voie terrestre sont considérés comme des membres d'équipage (« autre voyageurs »).  Avant 2022, ils étaient considérés comme des touristes (visiteurs avec nuitées).
• Un passager pour chaque enregistrement d'autobus est considéré comme le conducteur (un membre d'équipage) et donc, un (« autre voyageurs »). Avant 2022, il n'y avait pas d'équipage enregistré parmi les voyageurs en autobus.
• Avant 2022, les données sur l'immigration terrestre d'Immigration, Réfugiés et Citoyenneté Canada étaient ajoutées en tant que « autres voyageurs ». Depuis janvier 2022, comme les données de l'ASFC incluent déjà les personnes qui immigrent au Canada par voie terrestre, seules les données de l'ASFC sont retenues afin d'éviter de surestimer le nombre d'arrivées au Canada. Toutefois, ces voyageurs sont comptés comme des visiteurs puisque l'ASFC ne les identifie pas spécifiquement comme des immigrants dans les données partagées avec Statistique Canada.
• La durée de séjour des véhicules n'est plus publiée car les données ont été en grande partie imputées et il ne s'agit pas d'un concept touristique largement utilisé ou bien établi. Les données historiques ont été révisées.
• La durée de voyage pour les bateaux de croisière est maintenant recueillie, qui fournit des données sur les visiteurs de même jour et avec nuitées.  Avant 2022, la durée de voyage était imputée.

La balance commerciale est la différence entre la valeur des exportations et celle des importations pour une période donnée. Elle peut être calculée d'un point de vue global ou pour certaines catégories de produits ou des partenaires commerciaux particuliers. Les statistiques sur la balance commerciale sont généralement calculées en soustrayant la valeur des importations de celle des exportations.

Dans le contexte des discussions sur la balance commerciale du Canada, différentes statistiques peuvent être mentionnées. Par exemple, Statistique Canada produit des statistiques sur le commerce international de marchandises fondées sur deux bases différentes, soit :

• la base douanière; et
• la base de la balance des paiements (BDP).

Ces bases permettent de calculer la balance du commerce de biens avec le monde et avec certains pays selon ces deux perspectives. La principale différence entre les concepts de la base douanière et de la base de la BDP réside dans ce qui est mesuré par ces données. Les statistiques sur la base douanière couvrent le mouvement physique des biens entre le Canada et ses partenaires commerciaux, tandis que les données sur la base de la BDP font le suivi des transferts de propriété entre les résidents et les non-résidents du Canada.

• Les données sur la base douanière servent à compiler les exportations nettes (le terme utilisé pour indiquer une « balance » sur une base douanière).
• Les données sur la base de la BDP servent à produire l'indicateur officiel de la balance du commerce de marchandises pour les biens, ainsi que la balance du commerce de biens et de services.

De plus, les organismes qui recueillent des renseignements sur le commerce de marchandises dans d'autres pays produisent des statistiques qui montrent souvent une balance commerciale avec le Canada différente que celle mesurée par Statistique Canada.

Bien que toutes ces statistiques soient des mesures valides, elles sont fondées sur des données différentes, chacune ayant ses propres concepts, définitions et utilisations. La compréhension des principaux concepts et des principales utilisations pour chaque base peut permettre de déterminer les statistiques qui conviendraient le mieux aux objectifs des utilisateurs de données.

Statistiques sur la base douanière

Les statistiques sur la base douanière permettent de mesurer les fluctuations du stock de ressources matérielles du Canada qui découlent de l'entrée (importations) et de la sortie (exportations) des biens du pays. Les données sur la base douanière sont donc utiles pour comprendre le mouvement physique des biens entre les pays. Ces statistiques proposent des catégories de produits très détaillées et plusieurs dimensions différentes, comme la province ou le territoire, le port et le mode de transport.

Les données sur la base douanière sont disponibles pour tous les partenaires commerciaux du Canada. Les importations sont attribuées au pays d'origine des biens et les exportations, au pays qui est la dernière destination connue. Le commerce avec un pays donné peut être ventilé davantage selon le produit et d'autres dimensions. Étant donné que les droits et les tarifs douaniers sont habituellement calculés en fonction du pays d'origine des biens (le pays où les produits ont été cultivés, extraits ou fabriqués), les données sur la base douanière peuvent être plus pertinentes dans le contexte des tarifs.

Toutefois, les données sur la base douanière ne sont pas directement comparables aux données sur le commerce des services ou à d'autres indicateurs macroéconomiques comme le produit intérieur brut (PIB). Les statistiques fondées sur la base de la BDP sont, quant à elles, compatibles avec ces données et donnent ainsi une perspective plus large des activités commerciales du Canada.

Statistiques sur la base de la balance des paiements

Les données sur le commerce sur la base de la BDP fournissent une mesure des transactions économiques de biens entre les résidents et les non-résidents du Canada qui découlent d'un transfert de propriété. La mesure officielle de la balance commerciale du Canada est calculée en soustrayant les importations sur la base de la BDP des exportations sur la base de la BDP.

Les données sur le commerce de marchandises du Canada sur la base de la BDP proviennent des données sur la base douanière, qui sont ensuite ajustées pour s'harmoniser avec les concepts de la BDP. Ces ajustements, qui portent principalement sur l'évaluation, la couverture et la période statistique, permettent l'intégration des données sur le commerce de marchandises à d'autres statistiques des comptes macroéconomiques, comme le produit intérieur brut (PIB).

Contrairement aux données sur la base douanière, qui sont multidimensionnelles, les données sur la base de la BDP ne sont disponibles que par catégorie agrégée de produits ou partenaire commercial principal (qui comprend 27 pays particuliers). Par conséquent, il n'est pas possible de ventiler les importations et les exportations avec un certain pays par catégorie de produits.

Les importations des principaux partenaires commerciaux sont attribuées au pays d'exportation des biens afin de tenir compte du concept de transfert de propriété sur la base de la BDP. Comme pour les données sur la base douanière, les exportations sont attribuées au pays qui est la dernière destination connue.

En plus de la balance du commerce de biens sur la base de la BDP, la balance commerciale peut également être calculée pour les biens et les services combinés afin d'obtenir un tableau plus complet des activités commerciales du Canada. Cela se fait en ajoutant les données sur le commerce de marchandises sur la base de la BDP pour les biens et les données sur le commerce de services, puis en soustrayant les importations des exportations. Puisque les renseignements du partenaire commercial principal sont également disponibles pour les données sur le commerce de services, il est possible de calculer une balance commerciale totale (biens et services) pour les principaux partenaires commerciaux du Canada.

Comparaison des statistiques sur le commerce bilatéral de marchandises

On pourrait s'attendre à ce que les statistiques commerciales d'un pays correspondent aux statistiques commerciales d'un autre pays pour ce qui est du commerce bilatéral entre les deux, mais ce n'est généralement pas le cas. Il y a plusieurs raisons pour lesquelles les données produites par un pays peuvent différer de celles produites par un autre pays, le facteur clé étant l'attribution des pays partenaires dans les statistiques sur le commerce international de marchandises.

Pour illustrer l'attribution des pays partenaires dans les statistiques sur le commerce et l'incidence sur la comparabilité des données sur le commerce bilatéral, examinons l'exemple du commerce du Canada avec les États-Unis.

Comparaison des données sur le commerce bilatéral sur la base douanière

En commençant par les données sur la base douanière, les deux pays suivent les normes internationales en ce qui concerne l'attribution des partenaires commerciaux dans leurs statistiques. Ces normes recommandent ce qui suit :

• l'attribution des importations au pays d'origine des biens; et
• l'attribution des exportations, qui comprennent les exportations nationales et les réexportations, au pays qui est la dernière destination connue.

Les réexportations désignent les exportations de biens provenant d'un autre pays qui ont d'abord été importés, puis réexportés sans modification importante ou après avoir subi un traitement mineur (de l'emballage par exemple), ce qui ne change pas leur nature essentielle. Le traitement des réexportations dans la compilation des statistiques sur le commerce de marchandises est un facteur important expliquant les différences (ou asymétries) dans la balance du commerce bilatéral entre les partenaires commerciaux.

Les chargements en transit sont différents des réexportations et représentent des échanges entre deux pays qui comptent en partie sur l'infrastructure de transport d'un pays tiers. Les chargements en transit ne passent généralement pas aux douanes du pays tiers, ce pays ne serait donc pas indiqué comme étant le pays d'origine ou le pays d'exportation.

Selon les données de Statistique Canada, le Canada a importé pour 373,7 milliards de dollars (toutes les valeurs sont exprimées en dollars canadiens) de biens en provenance des États-Unis en 2023. Pour la même année, les données compilées par les États-Unis indiquent que les exportations américaines vers le Canada se sont élevées à 478,1 milliards de dollars. L'attribution du pays partenaire est à l'origine de la majeure partie de la différence (ou de l'asymétrie) observée entre ces deux chiffres. Comme mentionné précédemment, les statistiques sur les importations canadiennes sont attribuées au pays d'origine. Cela comprend les biens d'origine américaine qui ont été expédiés directement des pays autres que les États-Unis. Dans les données sur les exportations des États-Unis, ces biens n'apparaissent pas comme des exportations vers le Canada, mais comme des exportations vers un pays tiers. De plus, les données américaines sur les exportations totales comprennent les réexportations au Canada de biens d'origine étrangère qui, dans les données sur les importations canadiennes, sont attribuées au pays d'origine. Sur la différence de 104,4 milliards de dollars dans ces statistiques sur le commerce bilatéral, les réexportations américaines de biens d'origine étrangère, qui s'élèvent à 86,3 milliards de dollars, représentent environ 83 % de la différence observée.

L'attribution du partenaire commercial entraîne également une asymétrie lorsqu'on examine le commerce en direction sud : les exportations canadiennes aux États-Unis et les importations américaines en provenance du Canada. Les données canadiennes montrent qu'en 2023, le Canada a exporté pour 594,5 milliards de dollars de biens aux États-Unis, alors que les données des États-Unis indiquent que les importations en provenance du Canada se sont chiffrées à 564,9 milliards de dollars. Encore une fois, l'attribution du pays partenaire est le principal facteur expliquant la différence observée, principalement en ce qui concerne les réexportations de biens d'origine étrangère du Canada vers les États-Unis. Conformément aux normes internationales, les exportations totales comprennent les exportations nationales et les réexportations de biens d'origine étrangère. Du côté des importations, ces réexportations sont attribuées au pays d'origine des biens, et non au pays d'où ils ont été directement expédiés. En 2023, les réexportations de biens d'origine étrangère du Canada vers les États-Unis se sont élevées à 25,0 milliards de dollars, ce qui représente 85 % de l'asymétrie observée dans les statistiques sur le commerce bilatéral. De plus, les données sur les importations des États-Unis comprennent les importations de biens d'origine canadienne provenant de pays autres que le Canada, qui sont attribuées à d'autres pays de destination dans les données sur les exportations canadiennes.

Ces asymétries dans les statistiques sur le commerce bilatéral publiées par les pays sont normales et se retrouvent dans les exportations nettes sur la base douanière. Dans le cas du commerce entre le Canada et les États-Unis, l'excédent des exportations nettes du Canada en 2023 (220,8 milliards de dollars) est plus élevé dans les statistiques sur la base douanière de Statistique Canada que dans les statistiques équivalentes publiées par les États-Unis (86,8 milliards de dollars).

Comparaison des données sur le commerce bilatéral sur la base de la balance des paiements

Les asymétries dans les statistiques sur le commerce bilatéral ressortent également dans les données sur la base de la BDP. Ces différences découlent principalement de l'attribution du pays partenaire et des ajustements de la BDP. Les normes en matière de BDP recommandent que les organismes identifient le dernier pays propriétaire des biens à des fins d'attribution dans les statistiques sur les importations. Toutefois, aucune méthode précise n'a pas été prescrite pour le faire.

Les données canadiennes indiquent qu'en 2023, les exportations vers les États-Unis se sont chiffrées à 592,9 milliards de dollars, alors que les données américaines montrent que les importations de biens provenant du Canada se sont élevées à 576,6 milliards de dollars. Comme pour les données sur la base douanière, et contrairement à l'approche canadienne pour les importations sur la base de la BDP, les importations des États-Unis sur la base de la BDP sont attribuées au pays d'origine et comprennent les biens d'origine canadienne importés de pays autres que le Canada. De plus, les exportations totales du Canada comprennent les réexportations de biens d'origine étrangère vers les États-Unis. L'asymétrie qui en résulte concorde donc essentiellement avec les données sur la base douanière pour les exportations canadiennes vers les États-Unis et les importations américaines en provenance du Canada.

Dans le scénario inverse (importations canadiennes en provenance des États-Unis et exportations américaines vers le Canada), l'attribution du partenaire commercial est moins importante. Contrairement aux données sur la base douanière, les importations du Canada sur la base de la BDP sont attribuées au pays d'exportation et non au pays d'origine. En 2023, les importations canadiennes en provenance des États-Unis se sont élevées à 484,6 milliards de dollars, tandis que les États-Unis ont indiqué que leurs exportations de biens vers le Canada se sont établies à 478,9 milliards de dollars.

Bien que certains ajustements de la BDP soient communs aux deux pays, ils sont en grande partie compilés de façon indépendante à partir de différentes sources de données. Cela peut entraîner des différences entre les importations déclarées d'un pays et les exportations déclarées d'un autre, et vice versa. Parmi les ajustements de la BDP qui peuvent donner lieu à des asymétries, citons notamment ceux relatifs à la définition du commerce (les réparations par exemple), à l'évaluation et à la résidence, et à la période statistique.

Comme pour les données douanières, les asymétries entre les statistiques commerciales bilatérales publiées par les pays sont normales et se reflètent dans la balance commerciale sur la base de la balance des paiements. Dans le cas du commerce entre le Canada et les États-Unis, l'excédent commercial du Canada en 2023 (108,3 milliards de dollars) est plus élevé dans les statistiques sur la base de la balance des paiements de Statistique Canada que dans les statistiques équivalentes publiées par les États-Unis (97,7 milliards de dollars).

	Valeurs sur la base douanière	Valeurs sur la base de la BDP
Commerce vers le nord : importations canadiennes	373,7 milliards de dollars	484,6 milliards de dollars
Commerce vers le nord : exportations américaines	478,1 milliards de dollars	478,9 milliards de dollars
Commerce vers le sud : exportations canadiennes	594,5 milliards de dollars	592,9 milliards de dollars
Commerce vers le sud : importations américaines	564,9 milliards de dollars	576,6 milliards de dollars
Données canadiennes : exportations nettes/balance du commerce	+220,8 milliards de dollars	+108,3 milliards de dollars
Données américaines : exportations nettes/balance du commerce	-86,8 milliards de dollars	-97,7 milliards de dollars

Toutes les valeurs sont en dollars canadiens
Source: Tableau 12-10-0005-01 Commerce bilatéral de biens du Canada et des États-Unis, base douanière et de la balance des paiements, par devise et orientation du commerce, trimestriel

Des explications détaillées des définitions et des concepts liés aux comparaisons des données sur le commerce bilatéral, sur la base douanière et sur la base de la BDP, se trouvent dans l'article intitulé « Comparaison des données sur le commerce bilatéral de biens du Canada et des États-Unis, 2014, 2015 et 2016 ».

Statistique Canada fait le suivi des statistiques publiées pour les deux pays dans son tableau intitulé « Commerce bilatéral de biens du Canada et des États-Unis, base douanière et de la balance des paiements, par devise et orientation du commerce, trimestriel », qui présente des données en dollars canadiens et américains.

Pour obtenir plus de renseignements sur les sources de données, les concepts et les définitions des statistiques sur la base douanière et sur la base de la BDP, consulter le Guide de référence sur les statistiques du commerce international de marchandises du Canada.