Time series Forecast of Call volume in Call Centre using Statistical and Machine Learning Methods

Time series is a collection of points gathered at regular intervals. Time series analysis explores the time correlations and tries to model it according to trend and seasonality. One of the most relevant tasks, in time series analysis, is forecasting future values, which is considered fundamental in many real-world scenarios. Nowadays, many companies forecast using hand-written models or naive statistical models. Call centers are the front end of the organization, managing the relationship with the customers. A key challenge for call centers remains the call load forecast and the optimization of the schedule. Call load indicates the number of calls a call center receives. The call load forecast is mostly exploited to schedule the staff. They are interested in the short term forecast to handle the unforeseen and to optimize the staff schedule, and in the long term forecast to hire or assign staff to other tasks. Machine learning has been applied to several fields reporting excellent results, and recently, time series forecasting problems have gained a high-interest thanks to the new recurrent network, named Long-short Term Memory. This thesis has explored the capabilities of machine learning in modeling and forecasting call load time series, characterized by a strong seasonality, both at daily and hourly scale. We compare Seasonal Artificial Neural Network (ANN) and a Long-Short Term Memory (LSTM) models with Seasonal Autoregressive Integrated Moving Average (SARIMA) model, which is one of the most common statistical method utilized by call centers. The primary metric used to evaluate the results is the Normalized Mean Squared Error (NMSE), the secondary is the Symmetric Mean Absolute Percentage Error (SMAPE), utilized to calculate the accuracy of the models. We carried out our experiments on three different datasets provided by the Teleopti. Experimental results have proven SARIMA to be more accurate in forecasting at daily scale across the three datasets. It performs better than the Seasonal ANN and the LSTM with a limited amount of data points. At hourly scale, Seasonal ANN and LSTM outperform SARIMA, showing robustness across a forecasting horizon of 160 points. Finally, SARIMA has shown no correlation between the quality of the model and the number of data points, while both SANN and LSTM improves together with the number of sampleTidsserie är en samling punkter som samlas in med jämna mellanrum. Tidsseriens analys undersöker tidskorrelationerna och försöker modellera den enligt trend och säsongsbetonade. En av de mest relevanta uppgifterna, i tidsserieranalys, är att förutse framtida värden, som anses vara grundläggande i många verkliga scenarier. Numera förutspår många företag med handskrivna modeller eller naiva statistiska modeller. Callcenter är organisationens främre del och hanterar relationen med kunderna. En viktig utmaning för callcentra är fortfarande samtalslastprognosen och optimeringen av schemat. Samtalslast indikerar antalet samtal ett callcenter tar emot. Samtalslastprognosen utnyttjas mest för att schemalägga personalen. De är intresserade av den kortsiktiga prognosen för att hantera det oförutsedda och för att optimera personalplanen och på långsiktigt prognos för att anställa eller tilldela personal till andra uppgifter. Maskininlärning har använts på flera fält som rapporterar utmärkta resultat, och nyligen har prognosproblem i tidsserier fått ett stort intresse tack vare det nya återkommande nätverket, som heter Long-short Term Memory. Den här avhandlingen har undersökt kapaciteten för maskininlärning i modellering och prognoser samtalsbelastningstidsserier, kännetecknad av en stark säsongsbetonning, både på daglig och timskala. Vi jämför modeller med säsongsmässigt artificiellt neuralt nätverk (ANN) och ett LSTM-modell (Long- Short Term Memory) med Seasonal Autoregressive Integrated Moving Average (SARIMA)-modell, som är en av de vanligaste statistiska metoderna som används av callcenter. Den primära metriken som används för att utvärdera resultaten är det normaliserade medelkvadratfelet (NMSE), det sekundära är det symmetriska genomsnittet absolut procentuellt fel (SMAPE), som används för att beräkna modellernas noggrannhet. Vi genomförde våra experiment på tre olika datasätt från Teleopti. Experimentella resultat har visat att SARIMA är mer exakt när det gäller prognoser i daglig skala över de tre datasätten. Det presterar bättre än Seasonal ANN och LSTM med en begränsad mängd datapoäng. På timskala överträffar Seasonal ANN och LSTM SARIMA och visar robusthet över en prognoshorisont på 160 poäng. SARIMA har slutligen inte visat någon korrelation mellan modellens kvalitet och antalet datapunkter, medan både SANN och LSTM förbättras tillsammans med antalet sampel