Warum Sie verteiltes Computing für reales maschinelles Lernen benötigen

Und wie PySpark Ihnen helfen kann, riesige Datensätze wie ein Profi zu verarbeiten

Frameworks für maschinelles Lernen wie PyTorch und TensorFlow eignen sich hervorragend zum Erstellen von Modellen. Die Realität ist jedoch, dass Sie bei realen Projekten, bei denen es um riesige Datensätze geht, mehr als nur ein gutes Modell benötigen. Sie benötigen eine Möglichkeit, all diese Daten effizient zu verarbeiten und zu verwalten. Hier kommt verteiltes Computing wie PySpark ins Spiel, um den Tag zu retten.

Lassen Sie uns erläutern, warum der Umgang mit Big Data beim realen maschinellen Lernen bedeutet, über PyTorch und TensorFlow hinauszugehen, und wie PySpark Ihnen dabei hilft, dorthin zu gelangen.
Das eigentliche Problem: Big Data
Die meisten ML-Beispiele, die Sie online sehen, verwenden kleine, überschaubare Datensätze. Sie können das Ganze in Ihrem Speicher speichern, damit herumspielen und in wenigen Minuten ein Modell trainieren. Aber in realen Szenarien – wie der Erkennung von Kreditkartenbetrug, Empfehlungssystemen oder Finanzprognosen – haben Sie es mit Millionen oder sogar Milliarden von Zeilen zu tun. Plötzlich kann Ihr Laptop oder Server damit nicht mehr umgehen.

Wenn Sie versuchen, alle Daten auf einmal in PyTorch oder TensorFlow zu laden, wird es kaputt gehen. Diese Frameworks sind für das Modelltraining konzipiert und nicht für den effizienten Umgang mit großen Datenmengen. Hier kommt der verteilten Datenverarbeitung eine entscheidende Bedeutung zu.
Warum PyTorch und TensorFlow nicht ausreichen
PyTorch und TensorFlow eignen sich hervorragend zum Erstellen und Optimieren von Modellen, sind jedoch bei der Bewältigung umfangreicher Datenaufgaben unzureichend. Zwei große Probleme:

• Speicherüberlastung: Sie laden den gesamten Datensatz vor dem Training in den Speicher. Das funktioniert für kleine Datensätze, aber wenn Sie Terabytes an Daten haben, ist das Spiel vorbei.
• Keine verteilte Datenverarbeitung: PyTorch und TensorFlow sind nicht für die verteilte Datenverarbeitung ausgelegt. Wenn Sie riesige Datenmengen haben, die auf mehrere Computer verteilt sind, helfen sie nicht wirklich.

Hier glänzt PySpark. Es ist darauf ausgelegt, mit verteilten Daten zu arbeiten, diese effizient auf mehreren Computern zu verarbeiten und gleichzeitig riesige Datensätze zu verarbeiten, ohne dass Ihr System abstürzt.

Beispiel aus der Praxis: Erkennung von Kreditkartenbetrug mit PySpark
Schauen wir uns ein Beispiel an. Angenommen, Sie arbeiten an einem Betrugserkennungssystem, das Kreditkartentransaktionsdaten verwendet. In diesem Fall verwenden wir einen beliebten Datensatz von Kaggle. Es enthält über 284.000 Transaktionen, von denen weniger als 1 % betrügerisch sind.

Schritt 1: PySpark in Google Colab einrichten
Wir verwenden hierfür Google Colab, da wir damit PySpark mit minimalem Setup ausführen können.

!pip install pyspark

Als nächstes importieren Sie die erforderlichen Bibliotheken und starten eine Spark-Sitzung.

import os
from pyspark.sql import SparkSession
from pyspark.sql.functions import col, sum, udf
from pyspark.ml.feature import VectorAssembler, StringIndexer, MinMaxScaler
from pyspark.ml.classification import RandomForestClassifier, GBTClassifier
from pyspark.ml.tuning import ParamGridBuilder, CrossValidator
from pyspark.ml.evaluation import BinaryClassificationEvaluator, MulticlassClassificationEvaluator
from pyspark.ml.linalg import Vectors
import numpy as np
from pyspark.sql.types import FloatType

Starten Sie eine Pyspark-Sitzung

spark = SparkSession.builder \
    .appName("FraudDetectionImproved") \
    .master("local[*]") \
    .config("spark.executorEnv.PYTHONHASHSEED", "0") \
    .getOrCreate()

Schritt 2: Daten laden und vorbereiten

data = spark.read.csv('creditcard.csv', header=True, inferSchema=True)
data = data.orderBy("Time")  # Ensure data is sorted by time
data.show(5)
data.describe().show()

# Check for missing values in each column
data.select([sum(col(c).isNull().cast("int")).alias(c) for c in data.columns]).show()

# Prepare the feature columns
feature_columns = data.columns
feature_columns.remove("Class")  # Removing "Class" column as it is our label

# Assemble features into a single vector
assembler = VectorAssembler(inputCols=feature_columns, outputCol="features")
data = assembler.transform(data)
data.select("features", "Class").show(5)

# Split data into train (60%), test (20%), and unseen (20%)
train_data, temp_data = data.randomSplit([0.6, 0.4], seed=42)
test_data, unseen_data = temp_data.randomSplit([0.5, 0.5], seed=42)

# Print class distribution in each dataset
print("Train Data:")
train_data.groupBy("Class").count().show()

print("Test and parameter optimisation Data:")
test_data.groupBy("Class").count().show()

print("Unseen Data:")
unseen_data.groupBy("Class").count().show()

Schritt 3: Modell initialisieren

# Initialize RandomForestClassifier
rf = RandomForestClassifier(labelCol="Class", featuresCol="features", probabilityCol="probability")

# Create ParamGrid for Cross Validation
paramGrid = ParamGridBuilder() \
    .addGrid(rf.numTrees, [10, 20 ]) \
    .addGrid(rf.maxDepth, [5, 10]) \
    .build()

# Create 5-fold CrossValidator
crossval = CrossValidator(estimator=rf,
                          estimatorParamMaps=paramGrid,
                          evaluator=BinaryClassificationEvaluator(labelCol="Class", metricName="areaUnderROC"),
                          numFolds=5)

Schritt 4: Anpassen, Kreuzvalidierung durchführen und den besten Parametersatz auswählen

# Run cross-validation, and choose the best set of parameters
rf_model = crossval.fit(train_data)

# Make predictions on test data
predictions_rf = rf_model.transform(test_data)

# Evaluate Random Forest Model
binary_evaluator = BinaryClassificationEvaluator(labelCol="Class", rawPredictionCol="rawPrediction", metricName="areaUnderROC")
pr_evaluator = BinaryClassificationEvaluator(labelCol="Class", rawPredictionCol="rawPrediction", metricName="areaUnderPR")

auc_rf = binary_evaluator.evaluate(predictions_rf)
auprc_rf = pr_evaluator.evaluate(predictions_rf)
print(f"Random Forest - AUC: {auc_rf:.4f}, AUPRC: {auprc_rf:.4f}")

# UDF to extract positive probability from probability vector
extract_prob = udf(lambda prob: float(prob[1]), FloatType())
predictions_rf = predictions_rf.withColumn("positive_probability", extract_prob(col("probability")))

Schritt 5 Funktion zur Berechnung von Präzision, Rückruf und F1-Score

# Function to calculate precision, recall, and F1-score
def calculate_metrics(predictions):
    tp = predictions.filter((col("Class") == 1) & (col("prediction") == 1)).count()
    fp = predictions.filter((col("Class") == 0) & (col("prediction") == 1)).count()
    fn = predictions.filter((col("Class") == 1) & (col("prediction") == 0)).count()

    precision = tp / (tp + fp) if (tp + fp) != 0 else 0
    recall = tp / (tp + fn) if (tp + fn) != 0 else 0
    f1_score = (2 * precision * recall) / (precision + recall) if (precision + recall) != 0 else 0

    return precision, recall, f1_score

Schritt 6: Finden Sie den besten Schwellenwert für das Modell

# Find the best threshold for the model
best_threshold = 0.5
best_f1 = 0
for threshold in np.arange(0.1, 0.9, 0.1):
    thresholded_predictions = predictions_rf.withColumn("prediction", (col("positive_probability") > threshold).cast("double"))
    precision, recall, f1 = calculate_metrics(thresholded_predictions)

    if f1 > best_f1:
        best_f1 = f1
        best_threshold = threshold

print(f"Best threshold: {best_threshold}, Best F1-score: {best_f1:.4f}")

Schritt 7: Auswertung anhand unsichtbarer Daten

# Evaluate on unseen data
predictions_unseen = rf_model.transform(unseen_data)
auc_unseen = binary_evaluator.evaluate(predictions_unseen)
print(f"Unseen Data - AUC: {auc_unseen:.4f}")

precision, recall, f1 = calculate_metrics(predictions_unseen)
print(f"Unseen Data - Precision: {precision:.4f}, Recall: {recall:.4f}, F1-score: {f1:.4f}")

area_under_roc = binary_evaluator.evaluate(predictions_unseen)
area_under_pr = pr_evaluator.evaluate(predictions_unseen)
print(f"Unseen Data - AUC: {area_under_roc:.4f}, AUPRC: {area_under_pr:.4f}")

ERGEBNISSE

Best threshold: 0.30000000000000004, Best F1-score: 0.9062
Unseen Data - AUC: 0.9384
Unseen Data - Precision: 0.9655, Recall: 0.7568, F1-score: 0.8485
Unseen Data - AUC: 0.9423, AUPRC: 0.8618

Sie können dieses Modell dann speichern (wenige KB) und es überall in der Pyspark-Pipeline verwenden

rf_model.save()

Hier erfahren Sie, warum PySpark beim Umgang mit großen Datensätzen in realen maschinellen Lernaufgaben einen großen Unterschied macht:

Es lässt sich leicht skalieren: PySpark kann Aufgaben über Cluster verteilen, sodass Sie Terabytes an Daten verarbeiten können, ohne dass Ihnen der Speicher ausgeht.
Datenverarbeitung im laufenden Betrieb: PySpark muss nicht den gesamten Datensatz in den Speicher laden. Es verarbeitet die Daten nach Bedarf, was es deutlich effizienter macht.
Schnelleres Modelltraining: Mit verteiltem Computing können Sie Modelle schneller trainieren, indem Sie die Rechenlast auf mehrere Maschinen verteilen.
Abschließende Gedanken
PyTorch und TensorFlow sind fantastische Tools zum Erstellen von Modellen für maschinelles Lernen, aber für reale, groß angelegte Aufgaben benötigen Sie mehr. Durch verteiltes Computing mit PySpark können Sie große Datensätze effizient verarbeiten, Daten in Echtzeit verarbeiten und Ihre Pipelines für maschinelles Lernen skalieren.

Wenn Sie also das nächste Mal mit riesigen Datenmengen arbeiten – sei es Betrugserkennung, Empfehlungssysteme oder Finanzanalysen –, sollten Sie PySpark verwenden, um Ihr Projekt auf die nächste Stufe zu heben.

Den vollständigen Code und die Ergebnisse finden Sie in diesem Notizbuch. :
https://colab.research.google.com/drive/1W9naxNZirirLRodSEnHAUWevYd5LH8D4?authuser=5#scrollTo=odmodmqKcY23

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Ich bin Swapnil, hinterlassen Sie gerne Ihre Kommentare, Ergebnisse und Ideen, oder rufen Sie mich an – swapnil@nooffice.no für Daten, Software-Entwickler-Auftritte und Jobs

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