Python で日時と流量のデータを扱う

【概要】

Kaggle で公開されている交通量データ（CSV ファイル）を Python で読み込み，日時列の型変換，データの表示，折れ線グラフによる可視化を行う。

https://www.kaggle.com/coplin/traffic/data

【目次】

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第1章　前準備

Python 3.12 のインストール

Pythonのインストールを行い、Pythonのプログラムを実行する環境を整える。扱う環境は、Windows搭載パソコンである。金子研究室では、Python 3.12.10を推奨する。

[Windows での Python 3.12 のインストール手順を見るには、ここをクリック]

Windows での Python 3.12 のインストール

以下のいずれかの方法でPython 3.12をインストールする。Pythonがインストール済みの場合、この手順は不要である。

方法 1：winget によるインストール

【インストールコマンドの実行方法】

管理者権限でコマンドプロンプトを起動する（手順：Windowsキーまたはスタートメニュー → cmd と入力 → 右クリック → 「管理者として実行」）。そして、コマンド全体をコマンドプロンプトにコピー＆ペーストする。

--scope machine を指定することで、システム全体（全ユーザー向け）にインストールされる。このオプションの実行には管理者権限が必要である。インストール完了後、コマンドプロンプトを再起動するとPATHが反映される。

REM Python 3.12 をシステム領域にインストール
winget install --id Python.Python.3.12 -e --scope machine --silent --accept-source-agreements --accept-package-agreements --override "/quiet InstallAllUsers=1 PrependPath=1 Include_test=0 Include_pip=1 Include_launcher=1 InstallLauncherAllUsers=1 TargetDir=\"C:\Program Files\Python312\""

REM Python と Scripts を PATH 先頭に追加
powershell -NoProfile -Command "$p='C:\Program Files\Python312'; $s=\"$p\Scripts\"; $c=[Environment]::GetEnvironmentVariable('Path','Machine'); if((Test-Path $p) -and (';'+$c+';' -notlike \"*;$p;*\") -and (';'+$c+';' -notlike \"*;$s;*\")){[Environment]::SetEnvironmentVariable('Path',\"$p;$s;$c\",'Machine')}"

方法 2：インストーラーによるインストール

  1. Python公式サイト（https://www.python.org/downloads/）にアクセスし、「Download Python 3.x.x」ボタンからWindows用インストーラーをダウンロードする。
  2. ダウンロードしたインストーラーを実行する。
  3. 初期画面の下部に表示される「Add python.exe to PATH」にチェックを入れてから「Customize installation」を選択する。このチェックを入れ忘れると、コマンドプロンプトから python コマンドを実行できない。
  4. 「Install Python 3.xx for all users」にチェックを入れ、「Install」をクリックする。

インストールの確認

コマンドプロンプトで以下を実行する。

python --version

バージョン番号（例：Python 3.12.x）が表示されればインストール成功である。「'python' は、内部コマンドまたは外部コマンドとして認識されていません。」と表示される場合は、インストールが正常に完了していない。

Python の開発環境 Visual Studio Code のインストールと Python 用の設定

Python の開発環境Visual Studio Code（プログラムを編集するソフトウェア。以下、VS Code）を整える。

[Windows での Visual Studio Code のインストールと Python 用の設定手順を見るには、ここをクリック]

Windows での Visual Studio Code のインストールと Python 用の設定手順

1. VS Code と拡張機能のインストール

以下のコマンドにより，既存の VS Code を削除し，全ユーザー共有の設定で再インストールしたうえで，拡張機能（VS Code に機能を追加するソフトウェア）をまとめて導入する．

【インストールコマンドの実行方法】

管理者権限でコマンドプロンプトを起動する（手順：Windows キーまたはスタートメニュー → cmd と入力 → 右クリック → 「管理者として実行」）。そして，コマンド全体をコマンドプロンプトにコピー＆ペーストする。

インストールコマンド


REM ============================================================
REM Microsoft Visual Studio Code
REM ============================================================
winget uninstall -e --id Microsoft.VisualStudioCode --silent --disable-interactivity --accept-source-agreements
rmdir /s /q C:\ProgramData\vscode-extensions 2>nul
rmdir /s /q "%APPDATA%\Code" 2>nul
rmdir /s /q "%USERPROFILE%\.vscode" 2>nul
rmdir /s /q "%LOCALAPPDATA%\Microsoft\vscode-update" 2>nul

REM VS Code をシステム領域に新規インストール
winget install --scope machine --id Microsoft.VisualStudioCode -e --silent --accept-source-agreements --accept-package-agreements

REM 全ユーザー共有の拡張機能フォルダ
mkdir C:\ProgramData\vscode-extensions 2>nul
icacls "C:\ProgramData\vscode-extensions" /grant "Everyone:(OI)(CI)M" /T

REM スタートメニューのショートカットを --extensions-dir 付きで再作成
rmdir /s /q "C:\ProgramData\Microsoft\Windows\Start Menu\Programs\Visual Studio Code" 2>nul
del "C:\ProgramData\Microsoft\Windows\Start Menu\Programs\Visual Studio Code.lnk" 2>nul
powershell -NoProfile -Command "$s=New-Object -ComObject WScript.Shell; $lnk=$s.CreateShortcut('C:\ProgramData\Microsoft\Windows\Start Menu\Programs\Visual Studio Code.lnk'); $lnk.TargetPath='C:\Program Files\Microsoft VS Code\Code.exe'; $lnk.Arguments='--extensions-dir \"C:\ProgramData\vscode-extensions\"'; $lnk.Save()"
REM ショートカットの検証
powershell -NoProfile -Command "$s=New-Object -ComObject WScript.Shell; $lnk=$s.CreateShortcut('C:\ProgramData\Microsoft\Windows\Start Menu\Programs\Visual Studio Code.lnk'); Write-Host 'TargetPath:' $lnk.TargetPath; Write-Host 'Arguments:' $lnk.Arguments"

REM ファイル / フォルダ右クリックの「Code で開く」を登録
reg add "HKLM\SOFTWARE\Classes\*\shell\VSCode\command" /ve /d "\"C:\Program Files\Microsoft VS Code\Code.exe\" --extensions-dir \"C:\ProgramData\vscode-extensions\" \"%1\"" /f
reg add "HKLM\SOFTWARE\Classes\Directory\shell\VSCode\command" /ve /d "\"C:\Program Files\Microsoft VS Code\Code.exe\" --extensions-dir \"C:\ProgramData\vscode-extensions\" \"%1\"" /f
reg add "HKLM\SOFTWARE\Classes\Directory\Background\shell\VSCode\command" /ve /d "\"C:\Program Files\Microsoft VS Code\Code.exe\" --extensions-dir \"C:\ProgramData\vscode-extensions\" \"%V\"" /f

REM --extensions-dir 付きで起動する code.cmd ラッパを作成
REM （%* を echo で書くと対話的 cmd で失われるため、PowerShell で [char]37+'*' を書き出す）
powershell -NoProfile -Command "$pct=[char]37; $q=[char]34; $c='@echo off'+[char]13+[char]10+$q+'C:\Program Files\Microsoft VS Code\bin\code.cmd'+$q+' --extensions-dir '+$q+'C:\ProgramData\vscode-extensions'+$q+' '+$pct+'*'+[char]13+[char]10; [IO.File]::WriteAllText('C:\ProgramData\vscode-extensions\vscode.cmd',$c,[Text.Encoding]::ASCII)"

REM 拡張機能のインストール
set "CODE=C:\Program Files\Microsoft VS Code\bin\code.cmd"
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --uninstall-extension GitHub.copilot
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --uninstall-extension GitHub.copilot-chat
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension ms-python.python
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension ms-python.vscode-pylance
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension ms-python.debugpy
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension MS-CEINTL.vscode-language-pack-ja
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension saoudrizwan.claude-dev
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension rust-lang.rust-analyzer
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension tamasfe.even-better-toml
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension anthropic.claude-code
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --install-extension almenon.arepl
"%CODE%" --extensions-dir "C:\ProgramData\vscode-extensions" --list-extensions --show-versions
echo === セットアップ完了 ===

2. Python インタプリタの選択

同一マシンに複数の Python がインストールされている場合，VS Code で使用する Python 本体（インタプリタ：Python プログラムを解釈・実行するソフトウェア）を選択する必要がある．

  1. コマンドパレット（コマンド名で機能を呼び出す VS Code の入力欄）を開く（Ctrl+Shift+P）
  2. Python: Select Interpreter と入力する
  3. 表示される一覧から，使用する Python（例：C:\Program Files\Python312\python.exe）を選択する．

Python プログラム実行手順

[Windows での Python プログラム実行手順を見るには、ここをクリック]

Windows での Python 実行手順（Visual Studio Codeを使用）

プログラムファイルの作成と保存

  1. 左サイドバーの「エクスプローラー」アイコン（Ctrl+Shift+E）をクリックする
  2. 「NO FOLDER OPENED」（作業対象フォルダが未選択の状態）と表示される場合は，「Open Folder」をクリックし，プログラムを保存するフォルダを選択する

    続いて「フォルダを信用するか」を確認する画面（フォルダ内のコードを実行してよいか確認する VS Code の仕組み）が表示されるので，チェックして Yes を選択する

  3. フォルダ名の右側に表示される「新しいファイル」アイコンをクリックする
  4. ファイル名（例：aitask.py．ファイル名は何でも良い）を入力し Enter を押す．拡張子は .py（Python ファイルを示す拡張子）とする
  5. 実行したいコードを選択し，Ctrl+C でコピーする．VS Code のエディタ領域に Ctrl+V で貼り付ける
  6. Ctrl+S で保存する

プログラムの実行

  1. エディタ右上の三角形「▷」アイコン（Run Python File：現在開いている Python ファイルを実行するボタン）をクリックする．または，エディタ上で右クリックし「ターミナルで Python ファイルを実行」を選択する
  2. VS Code 下部のターミナル（コマンドの入出力を表示する画面）に，実行結果（print 関数の出力等）が表示される
  3. tkinter（Python 標準の GUI ライブラリ）のファイル選択ダイアログを使うプログラムを実行した場合は，ダイアログが開くので対象画像を選択する
  4. VS Code 下部のターミナルで実行結果を確認する．OpenCV ウィンドウ（OpenCV が画像を表示するために開く専用ウィンドウ）が開いた場合はそちらも確認する．OpenCV ウィンドウは，マウスクリックでウィンドウをアクティブ（操作対象の状態）にしてからキーを押すと終了する

第2章　必要なライブラリのインストール

管理者権限でコマンドプロンプトを起動する （手順：Windowsキーまたはスタートメニュー → cmd と入力 → 右クリック → 「管理者として実行」）。

起動後，以下を実行する。

pip install -U --no-user pandas matplotlib

3. 実行手順

手順：コードを実行する（メモ帳を用いる場合は a.py のようなファイル名で保存して実行）。

動作確認チェックリスト

確認項目期待される結果
CSV ファイルの読み込みエラーが発生せず H:/a.csv が読み込まれる
日時列の型変換datetime 列が datetime64 型に変換される
データの表示datetime 列と traffic_count 列を持つ DataFrame が表示される
折れ線グラフの表示横軸が日時，縦軸が流量の折れ線グラフが表示される

第4章　概要・使い方・実行上の注意

CSV ファイルは datetime（日時）と traffic_count（流量）の 2 列で構成される。各行の形式は以下のとおりである。 

2019/3/14 4:00, 12
2019/3/14 5:00, 18
2019/3/14 6:00, 45
2019/3/14 7:00, 80
2019/3/14 8:00, 120

プログラムは以下の順に処理を実行する。pd.read_csv で CSV ファイルを読み込み，列名 datetime と traffic_count を付与する。skipinitialspace=True により，カンマ後の先頭スペースを除去する。次に pd.to_datetime で日時列を datetime 型（日時を表す専用のデータ型）に変換する。変換後のデータを print で表示し，matplotlib で折れ線グラフを描画する。

CSV ファイルのパスはプログラム中で H:/a.csv と指定されている。実行環境に応じてこのパスを変更する。

第5章　演習1　CSV の列名と読み込み結果の対応を確認する

テーマ名：列名の指定と DataFrame の表示

手順：次のコードについて，CSV ファイルのパスを実行環境に合わせて書き換えてから実行する（メモ帳を用いる場合は a.py のようなファイル名で保存して実行）。print(d) の出力を確認する。

ヒント：names で指定した列名は datetime と traffic_count の順で各列に対応する。header=None は CSV の 1 行目をデータとして扱う指定である。

考察ポイント：表示された DataFrame の列名と先頭のデータが，CSV ファイルの各行の値と対応しているかを読み取る。

import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt

d = pd.read_csv("H:/a.csv", header=None, names=["datetime", "traffic_count"], skipinitialspace=True)
d["datetime"] = pd.to_datetime(d["datetime"], format="%Y/%m/%d %H:%M")
print(d)

plt.plot(d["datetime"], d["traffic_count"])
plt.xlabel("datetime")
plt.ylabel("traffic_count")
plt.show()

第6章　演習2　日時列の型を確認する

テーマ名：datetime 型への変換

手順：次のコードを実行し，print(d["datetime"].dtype) による型の表示を確認する（メモ帳を用いる場合は a.py のようなファイル名で保存して実行）。pd.to_datetime の行をコメントアウトした場合の表示とも見比べる。

ヒント：pd.to_datetime は format で指定した書式の文字列を datetime 型に変換する。書式 %Y/%m/%d %H:%M は，CSV の各行の日時の形式に対応する。

考察ポイント：変換の前後で dtype の表示がどう変わるかを読み取る。

import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt

d = pd.read_csv("H:/a.csv", header=None, names=["datetime", "traffic_count"], skipinitialspace=True)
print(d["datetime"].dtype)
d["datetime"] = pd.to_datetime(d["datetime"], format="%Y/%m/%d %H:%M")
print(d["datetime"].dtype)
print(d)

plt.plot(d["datetime"], d["traffic_count"])
plt.xlabel("datetime")
plt.ylabel("traffic_count")
plt.show()

第7章　演習3　軸ラベルと描画されるグラフの対応を確認する

テーマ名：折れ線グラフの軸の対応

手順：次のコードを実行し，表示された折れ線グラフの横軸と縦軸を確認する（メモ帳を用いる場合は a.py のようなファイル名で保存して実行）。plt.xlabel と plt.ylabel に渡した文字列を別の文字列に書き換えて再実行し，表示の違いを確認する。

ヒント：plt.plot の第 1 引数が横軸，第 2 引数が縦軸に対応する。plt.xlabel と plt.ylabel は，それぞれ横軸と縦軸のラベルを設定する。

考察ポイント：横軸の日時の並びと縦軸の流量の変化が，CSV ファイルのデータの並びと対応しているかを読み取る。

import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt

d = pd.read_csv("H:/a.csv", header=None, names=["datetime", "traffic_count"], skipinitialspace=True)
d["datetime"] = pd.to_datetime(d["datetime"], format="%Y/%m/%d %H:%M")
print(d)

plt.plot(d["datetime"], d["traffic_count"])
plt.xlabel("datetime")
plt.ylabel("traffic_count")
plt.show()

第8章　まとめ