MLOps 体系驱动的预测自动化到底是怎么炼成的?

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DevOps 是软件开发领域一种非常热门的实践,而类似的机制也同样适用于机器学习领域。与 DevOps 模型类似,机器学习中的 MLOps 模型同样有助于跨机器学习工具与框架构建代码与集成。借此,我们可以对数据管道进行自动化、运营以及监控,且完全无需重写自定义代码或者重新设计现有基础设施。

MLOps 帮助我们扩展了现有分布式存储与处理基础设施,让机器学习模型的大规模部署与管理更加简单易行。此外,MLOps 还能立足单一中央位置跟踪并可视化组织内所有模型随时间漂移的情况,同时实现自动数据验证策略。

本文探索了如何创建无服务器架构的机器学习运营(MLOps)管道,并借此开发及可视化由Amazon Forecast构建的预测模型。由于机器学习(ML)工作负载需要规模伸缩,因此我们需要打破不同相关方之间的孤岛,最终获取业务价值。MLOps 模型能够保证数据科学、生产与运营团队最大程度利用自动化工作流进行无缝协作,保证顺利部署预测模型并持续对其实施有效监控。

MLOps 通过持续集成、持续部署与持续训练,将 DevOps 与机器学习领域的最佳实践充分结合起来,帮助我们简化生产环境中机器学习解决方案的生命周期。关于更多详细信息,请参阅《机器学习 Lens:AWS 良好架构框架》白皮书。

在以下各节中,我们将了解如何利用 MLOps 管道(包括 Amazon Forecast、AWS Lambda 以及 AWS Step Functions)构建、训练及部署时间序列预测模型。为了对所生成的预测结果进行可视化,大家还需要使用 AWS 提供的无服务器分析服务,例如 Amazon AthenaAmazon QuickSight

解决方案架构

在本节中,我们将部署 MLOps 架构,将其作为蓝图以自动执行 Amazon Forecast 的使用与部署。这里提供的架构与示例代码可帮助大家为时间序列数据构建 MLOps 管道,进而生成预测以定义未来业务策略、切实满足客户需求。

我们可以使用 AWS 托管服务构建这套无服务器架构,意味着可以直接创建机器学习管道,且无需分神于基础设施管理工作。这不仅降低了数据集的迭代难度,同时也使我们得以通过特征与超参数调优实现性能优化。

下图所示,为我们在本文中将要使用的各组件。
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在上图中,我们使用一套 Step Functions 工作流进行无服务器 MLOps 管道部署,其中各Lambda函数将被整合起来以编排 Amazon Forecast 的各设置步骤,最终将结果导出至 Amazon Simple Storage Service (Amazon S3)

这套架构中包含以下组件:

  • 时间序列数据集已被上传至 Amazon S3 云存储下的/train 目录(前缀)当中。
  • 文件上传将触发 Lambda,由 Lambda 启动由 Step Functions 状态机构建的 MLOps 管道。
  • 该状态机将一系列 Lambda 函数组合在一起,用于在 Amazon Forecast 中构建、训练及部署机器学习模型。我们将在下一节中讨论关于状态机 Lambda 组件的更多详细信息。
  • 在日志分析方面,状态机使用 Amazon CloudWatch 捕捉各项 Forecast 指标。这里,当源 Amazon S3 存储桶的/forecast 目录中存在最终预测结果时,我们将使用 Amazon Simple Notification Service (Amazon SNS)发送邮件通知。这条机器学习管道还将在/history 目录中保存所有旧有预测结果。
  • 最后,我们使用 Athena 与 QuickSight 提供当前预测的可视化表示。

在本文中,我们将使用 UCI 机器学习 repo 中的“个人家庭用电量”数据集。这套时间序列数据集汇总了各客户家庭的每小时用电情况,外加工作日的用电量峰值。您可以根据需要替换样本数据,以用于支持其他用例。

现在,大家已经对解决方案的基本架构有所了解,接下来可以探索状态机中各 Lambda 组件的具体情况了。

使用 Step Functions 构建 MLOps 管道

在上一节中,我们提到 Step Functions 状态机是整个 MLOps 管道自动化架构的核心。下图所示,为使用状态机部署的工作流。
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如上图所示,来自 Step Functions 工作流的各 Lambda 函数具体如下(这些步骤还凸显出 Lambda 函数与 Amazon S3 中所保存的 params.json 文件内参数间的映射):

  • Create-Dataset – 创建一个Forecast数据集。关于此数据集的信息将帮助Forecast理解如何消费数据以训练模型。
  • Create-DatasetGroup – 创建一个数据集组。
  • Import-Data – 将数据导入至数据集组内的某一数据集中。
  • Create-Predictor – 使用参数文件指定的预测范围创建预测器。
  • Create-Forecast – 创建预测并启动一项指向Amazon S3的导出作业,包括在参数文件中指定的分位数。
  • Update-Resources – 创建必要的Athena资源,并将导出的预测结果转换为与输入数据集相同的格式。
  • Notify Success – 当作业完成时,通过向Amazon SNS发出消息发送一条邮件提醒。
  • Strategy-Choice – 根据参数文件,检查Forecast各资源是否被删除。
  • Delete-Forecast – 删除预测结果并保留导出数据。
  • Delete-Predictor – 删除预测器。
  • Delete-ImportJob – 在Forecast中删除Import-Data作业。

在Amazon Forecast当中,数据集组属于一种抽象,其中包含特定预测集合所使用的全部数据集。不同数据集组之间不共享信息。要尝试使用各种替代方案,我们可以创建一套新的数据集组并在对应的数据集中做出变更。关于更多详细信息,请参阅数据集与数据集组。在本用例中,工作流会面向数据集组导出一套目标时间序列数据集。

完成上述步骤后,工作流将触发预测器训练作业。预测器的实质是一套经过预测训练的模型,负责基于时间序列数据执行预测。关于更多详细信息,请参阅预测器

在预测器训练完成后,工作流会使用该预测器触发创建预测结果。在预测创建期间,Amazon Forecast会首先托管预测模型、执行推理,而后在完整的数据集上训练该模型。关于更多详细信息,请参阅Forecasts

在预测结果成功导出之后,状态机将通知邮件发送至部署过程中指定的地址处。预测结果导出完成后,Update-Resources步骤将重新格式导出的数据,以便Athena与QuickSight能够轻松使用这些结果。

大家可以替换Lambda函数中各个步骤的算法与数据集,借此重复使用MLOps管道以构建、训练以及部署更多其他机器学习模型。

先决条件

在部署这套架构之前,需要首先完成以下准备工作:

sam --version

向 AWS 账户部署示例架构

为简化部署流程,本文将通过AWS CloudFormation提供完整的基础设施即代码架构方案,我们可以在Forecast Visualization Automation Blogpost GitHub repo上轻松获取相关代码。另外,我们还将使用AWS SAM部署这套解决方案。

1.克隆这套Git repo,详见以下代码:

git clone https://github.com/aws-samples/amazon-forecast-samples.git

大家可以通过Forecast Visualization Automation Blogpost GitHub repo获取相关代码。

2.导航至刚刚创建完成的amazon-forecast-samples/ml_ops/visualization_blog目录,并输入以下代码以启动解决方案部署:

d amazon-forecast-samples/ml_ops/visualization_blog
sam build && sam deploy --guided

在这一部分,AWS SAM将构建一套CloudFormation模板变更集。几秒之后,AWS SAM会提示部署CloudFormation栈。

3.为栈部署提供参数。本文使用以下参数;我们也可以直接使用默认参数:A

Setting default arguments for 'sam deploy'
 =========================================
 Stack Name [ForecastSteps]: 
 AWS Region [us-east-1]: 
 Parameter Email [youremail@yourprovider.com]: 
 Parameter ParameterFile [params.json]: 
 #Shows you resources changes to be deployed and require a 'Y' to initiate deploy
 Confirm changes before deploy [Y/n]: y
 #SAM needs permission to be able to create roles to connect to the resources in 
 your template
 Allow SAM CLI IAM role creation [Y/n]: y
 Save arguments to samconfig.toml [Y/n]: n

WS SAM创建一套AWS CloudFormation变更集,并要求确认。

4.输入Y。

关于变更集的更多详细信息,请参阅使用变更集更新栈

在成功部署之后,将能看到以下输出结果:

CloudFormation outputs from the deployed stack
------------------------------------------------------------
Outputs 
-------------------------------------------------------------
Key AthenaBucketName 
Description Athena bucket name to drop your files 
Value forecast-blog-stack-athenabucket-1v6qnz7n5f13w 
Key StepFunctionsName 
Description Step Functions Name 
Value arn:aws:states:us-east-1:789211807855:stateMachine:DeployStateMachine-5qfVJ1kycEOj 
Key ForecastBucketName 
Description Forecast bucket name to drop your files 
Value forecast-blog-stack-forecastbucket-v61qpov2cy8c 
-------------------------------------------------------------
Successfully created/updated stack - forecast-blog-stack in us-east-1

5.在AWS CloudFormation控制台的Outputs选项卡上记录ForecastBucketName的值,我们将在测试步骤中使用该值。

测试示例架构

以下步骤概述了如何测试示例架构。要触发Step Functions工作流,大家需要将两个文件上传至新创建的S3存储桶:参数文件,以及时间序列训练数据集。

1.在克隆GitHub repo所在的同一目录中输入以下代码,将其中的_YOURBUCKETNAME_部分替换成我们之前在AWS CloudFormation Outputs选项卡中复制到的值:

aws s3 cp ./testing-data/params.json s3://{YOURBUCKETNAME}

以上命令将复制Lambda函数用于配置Forecast API调用的参数文件。

2.输入以下代码,执行时间序列数据集上传:

aws s3 sync ./testing-data/ s3://{YOURBUCKETNAME}

3.在Step Functions仪表板中,找到名为DeployStateMachine-__的状态机。
4.选择该状态机以查看工作流的执行情况。

如以上截屏所示,全部成功执行的步骤(Lambda函数)都处于绿色框体当中,蓝色框体表示步骤仍在进行当中,而所有无颜色框体则代表正等待执行的步骤。完成整个工作流中的所有步骤最多可能需要2个小时。

在工作流成功完成之后,我们可以前往Amazon S3控制台并找到包含以下目录的Amazon S3存储桶:

/params.json # Your parameters file.
/train/ # Where the training CSV files are stored
/history/ # Where the previous forecasts are stored
/history/raw/ # Contains the raw Amazon Forecast exported files
/history/clean/ # Contains the previous processed Amazon Forecast exported files
/quicksight/ # Contains the most updated forecasts according to the train dataset
/tmp/ # Where the Amazon Forecast files are temporarily stored before processing

参数文件params.json中保存有从Lambda函数中调用Forecast API的属性。这些参数配置中包含的信息包括预测类型预测器设置以及数据集设置,此外还有预测域、频率以及维度。关于API操作的更多详细信息,请参阅Amazon Forecast Service

现在,我们的数据已经存在于Amazon S3当中,大家可以对结果进行可视化处理了。

使用 Athena 与 QuickSight 分析预测数据

要完成整个预测管道,我们还需要对数据进行查询与可视化。Athena是一项交互式查询服务,可使用标准SQL轻松分析Amazon S3中的数据。QuickSight则是一项基于云的快速商务智能服务,可通过数据可视化轻松帮助我们获取洞见。要开始分析数据,首先需要使用Athena作为数据源并将数据摄取至QuickSight当中。

如果刚刚接触AWS,请设置QuickSight以创建一个QuickSight账户。如果已经拥有AWS账户,请订阅QuickSight服务以创建相应的新账户。

如果这是我们第一次在QuickSight上使用Athena,则需要向QuickSight授权权限以使用Athena查询Amazon S3。关于更多详细信息,请参阅配合Amazon QuickSight使用Athena时的权限不足问题

1.在QuickSight控制台上,选择New Analysis。
2.选择New Data Set。
3.选择Athena。
4.在New Athena data source窗口中的Data source name部分,输入一项名称,例如Utility Prediction。
5.选择Validate connection。
6.选择Create data source。
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随后将显示Choose your table窗口。

7.选择Use custom SQL。
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8.在Enter custom SQL query窗口中输入查询名称,例如:

Query to merge Forecast result with training data.

9.在查询文本框中输入以下代码:

SELECT LOWER(forecast.item_id) as item_id,
 forecast.target_value,
 date_parse(forecast.timestamp, '%Y-%m-%d %H:%i:%s') as timestamp,
 forecast.type
FROM default.forecast
UNION ALL
SELECT LOWER(train.item_id) as item_id,
 train.target_value,
 date_parse(train.timestamp, '%Y-%m-%d %H:%i:%s') as timestamp,
 'history' as type
FROM default.train

10.选择Confirm query。
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至此,我们可以选择将数据导入SPICE或者直接对数据执行查询了。

11.选择任一选项,而后选择Visualize。
我们将在Fields list之下看到以下字段:
· item_id
· target_value
· timestamp
· type

导出的预测结果将包含以下字段:
· item_id
· date
· 要求的分位数 (P10, P50, P90)

其中的type字段包含预测窗口的分位数类型(P10, P50, P90),而history字段将作为训练数据的分位数。这一过程将通过自定义查询完成,以确保在历史数据与导出的预测结果之间保持统一的历史界线。

大家可以使用 CreateForecast API 可选参数调用 ForecastType,借此实现分位数自定义。在本文的用例中,可以在 Amazon S3 中的params.json 文件下完成这项配置。

12.在 X axis 部分,选择 timestamp。
13.在 Value 部分,选择 target_value。
14.在 Color 部分,选择 type。
在参数当中,我们指定了72小时范围。要对结果进行可视化,需要以每小时一次的频率对时间戳字段进行聚合。

15.在 timestamp下拉菜单中,选择 Aggregate 与 Hour。
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以下截屏所示,为我们的最终预测结果。图中所示为分位数 P10、P50m 以及P90的预测结果,以及与之对应的概率预测。
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总结

每个组织都能够从更准确的预测当中受益,从而更好地预测产品需求、优化计划与供应链动态等等。预测需求是一项艰巨的任务,而机器学习技术能够显著缩小预测与现实之间的差距。

本文向大家展示了如何创建可重复、基于 AI 的自动预测生成流程。大家还了解到如何使用无服务器技术建立机器学习运营管道,并使用托管分析服务通过数据查询与可视化以提取重要洞见。

大家也可以使用 Forecast 进行更多运营操作。关于能耗预测的更多详细信息,请参阅使用 Amazon Forecast 进行准确的能耗预测。关于分位数的更多详细信息,请参阅 Amazon Forecast 现已支持以您选定的分位数生成预测

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