譯者 | 陳峻

審校 | 重樓

不知你是否知曉，構建和運行機器學習（Machine Learning，ML）模型通常是一個雖有益但耗時且復雜的過程。其中包括：數據準備、特征生成、模型擬合、以及驗證和部署等階段。更重要的是，隨著數據趨勢的變化，這些模型需要保持更新。否則，它們很快會變得過時，進而做出低質量的預測。

而端到端的ML管道則是通過自動化工作流程，來提高可擴展性和效率的必要條件。通過此類管道，開發者可以更加輕松、一致地開發、測試和部署新的模型。下面，我將向你介紹什么是機器學習管道，以及如何根據開發者的需求，創建出ML管道。

什么是機器學習管道？

從定義上說，機器學習管道是對ML工作流程的多個階段進行系統自動化的過程。雖然其管道中的每個階段相對于其他階段而言，都是一個獨立運作的單元，但是它們能夠通過協同，獲得累積的結果。也就是說，機器學習管道采用模塊化的方法，通過對原始數據的提取和預處理，在模型的訓練和部署等多個連續階段，實現高質量的結果預測。

作為自動化通道，ML管道無需人工進行數據收集和處理、模型訓練、質量驗證、以及最終部署，而能夠自動執行各種重復性的過程。據此，管道可以提高模型的管理和維護效率，降低錯誤率，進而最終提高各種模型的準確性和可靠性。

同時，可被用于單個或多個模型ML管道，通過為數據科學家和人工智能（AI）工程師提供可擴展且持久的解決方案，來開發、產生和更新AI系統，幫助他們有效地管理ML流程的復雜性。

此外，合理的管道執行會使得ML工作流的實施更加靈活。你可以自行定義所需的功能、模型參數和監控指標，以生成和更新管道中最關鍵的組件：模型。當然，此處的“管道”一詞并不代表著單向流動。ML管道可以通過循環來支持迭代。而且，ML管道不同于數據管道。數據管道的目標是在轉換系統的同時，在系統之間移動數據。而ML管道專注于簡化和加速復雜的ML流程，以提高效率。

創建機器管道的分步指南

無論面對何種應用場景，大多數ML管道的典型階段是相似的，基本上會遵循如上圖所示的工作流程。其中的每個階段都建立在前一個階段的基礎上。也就是說，在獲得最終結果之前，前一階段的輸出將成為后一階段的輸入。下面，我們來具體討論典型ML管道中的各個階段：

1. 數據的收集

作為第一階段，ML管道會將從應用程序編程接口（API）、調查和問卷、在線數據庫、機構記錄、以及政府機構文件等來源，收集和記錄原始數據。數據是源自第一手研究，還是現有資源，則取決于ML使用案例的具體情況。

在此階段，你可以使用諸如：Request、Beautiful Soup、Scrapy 和 Selenium等任一款強大的Python數據收集庫。同時，由于這些數據是原始的、非結構化的且混亂的，因此它們并不適合直接開展ML分析，需要進入下一階段。

2. 數據預處理

在此階段，數據將被清理，并以可用的格式進行組織，以實現高效的分析，以及針對模型的訓練和測試。如果此階段被跳過，收集到的數據則將不適合模型。也就是說，模型將無法使用數據集來產生任何有意義的結果。

在ML中，典型的數據預處理步驟包括：整理缺失數據、處理重復數據、減少干擾數據、以及特征工程（下一階段會討論到）。數據預處理的實用Python庫包括：Pandas、NumPy、Scikit-Learn和Scipy等。數據預處理的最終目標是為特征工程準備數據。

3. 特征工程

特征工程是創建新特征的過程，同時也可以識別出那些對于提高模型預測能力具有重要意義的、相關預先存在的特征。此階段也是數據預處理的一部分，畢竟該階段需要將數據轉換為適合特定類型算法、且能夠有效訓練ML模型的形式。

特征工程的全過程通常會涉及以下技術：

• 特征提取：這是從原始數據中識別和轉換最重要特征的過程，它調用算法專注于數據集中的重要內容。例如，如果你想通過構建一個模型，來預測哪個學生會獲得獎學金，那么哪些數據集會對此有用呢？在通常情況下，學習成績、財務狀況背景、個人特質等特征都將是相關的。典型的特征提取技術包括：降維和主成分分析（PCA）。這兩者都可以使用Python的 Scikit-Learn庫來實現。當然，具體選擇哪種技術，則取決于數據類型和你的目標。
• 特征縮放、歸一化、標準化：這是對數據集中的特征進行歸一化（即：將特征調整到通用維度）的過程，可確保學習算法更容易地找到它們之間有意義的關系。當數據集中的所有特征具有相似的維度時，它會消除由于數據量級而導致的偏差。請注意，并非所有的ML算法都需要特征縮放。那些能夠處理多特征（如：決策樹和隨機森林）的、基于樹的算法，就不需要特征擴展。
• 特征編碼：這是將相關分類特征轉換為數字特征，以確保算法發揮最佳性能的過程。例如，如果獎學金預測數據集的 “財務狀況背景” 列中的觀察結果是可以被分類的，那么特征編碼會將它們轉換為 0 和 1 的數值。特征編碼的典型示例包括：One-hot或dummy編碼、標簽編碼和序號編碼等。對于此過程，你可以使用Python的Scikit-Learn庫。
  值得注意的是，特征工程是管道中最重要的階段之一，畢竟它可以幫助ML模型學習到數據的模式，并提升其性能。當然，特征工程是一個復雜的過程，它需要通過實驗，來確定與訓練模型相關的特征，具體情況則取決于你使用的特定案例。

4. 模型訓練和測試

根據你的需求（如：分類、聚類、回歸）和性能指標選擇了合適的ML算法后，就可以開始訓練生成的模型了。數據集通常會被分為兩類，分別用于訓練和測試。其中的訓練數據集將幫助模型了解特征和目標變量（或稱標簽）中的任何潛在模式和關系。該訓練過程將教會模型以盡可能高的準確性，獲取輸入，并預測輸出。注意：此處的特征是向模型提供信息的輸入，而目標變量（標簽）則是模型嘗試預測的輸出。

當模型達到目標預測的精度時，訓練即可結束。如果模型的性能低于預期，你可以通過重新訓練模型的方式更改算法，或是添加更準確的數據，甚至可以設計新的功能來處理性能不佳的情況。

5. 模型評估或分析

訓練結束后，我們可以使用準確率、精度、召回率和 F1 分數等性能指標，來評估模型的性能。其中：

● 準確性：表示正確分類的實例，占所有實例的比例。

● 精度：表示那些被分類為“真”的模型，占比所有實際確為“真”的數量。

● 召回率：衡量模型設法識別出的實際為“真”的實例數量。

● F1 分數：將精確率和召回率采取平衡（加權調和平均）的數值。隨著精度的提高，召回率會下降，反之亦然。當你在精確率和召回率之間找到了最佳平衡時，便獲得了最有價值的指標。

總的說來，此階段的目標是確保模型在處理新的、未曾見過的數據時的表現。

6. 模型部署

ML管道的這個階段意味著，你已成功開發并評估了符合預測準確性水平的模型。至此，我們可以將模型部署到生產環境，以確保它可以在實際環境中運行了。例如，獎學金預測模型可以在學校現有的學生檔案記錄系統中被部署實施，以便投產使用。

在此，你可以使用一款由Google發布的開源工具--TensorFlow Extended（TFX） 。它可以使得Python中的模型在部署過程更加高效。同時，該工具提供了許多框架、庫和組件，可用于模型的訓練、服務、部署和監控。

7. 模型的監控

這是ML管道的最后階段。隨著時間的推移，數據會逐漸過期，模型的預測精度也會隨之降低。這種準確度的下降常被稱為模型漂移。這就是為什么我們需要持續監控在生產環境中模型的性能，并在必要時對其進行再訓練，以確保其仍然準確可靠的原因。

通常，有如下兩種類型的模型漂移：

• 數據漂移：當特征的統計屬性發生了變化，但特征和目標變量之間的關系仍保持不變時，就會發生此類漂移。這意味著生產環境中的特征與訓練階段的特征出現了差異。讓我們仍以獎學金預測模型為例，如果該模型在2020年之前已投產，而學校后續引入了新的錄取標準，并改變了他們評估課外活動的方式，那么就會影響到該模型的預測能力。其根本原因在于模型沒有通過更新，以反映上述變化，自然也就表現不佳。
• 概念漂移：當特征和目標變量之間的關系隨著時間的推移而發生變化時，就會出現此類漂移。例如，在使用獎學金預測模型時，如果最初的模型是根據GPA和考試成績來預測獎學金的可能性，但是學校現在關注的是社區服務或領導潛力等社會價值，那么模型的準確性就會下降。這正是因為特征與目標變量（即：獎學金）之間的關系發生了變化。因此，我們需要用新的標準對模型進行重新訓練。

當然，模型監控也可以跟蹤準確度的變化、各種偏差、公平性、以及操作指標。TensforFlow庫里的TensorBoard便是一個很好的模型監控工具。同時，ML的可觀察性平臺（如：obvious AI和Valohai）在該階段也非常實用。

創建機器學習管道的好處

創建機器學習管道的主要優勢包括：

• 更高的生產力：機器學習管道減少了對于持續人工干預和手動方法的依賴。通過減少重復性流程和優先考慮自動化，數據科學家可以有更多的時間，來完成真正需要人工干預的工作，例如：決策的制定、數據的標注（即：正確地標記數據）、以及在訓練期間模型的微調。
• 高質量的預測：構造良好的機器學習管道可以減少誤判，讓模型返回更接近真實情況的預測。
• 可擴展性：高效的ML管道不但可以處理大量復雜的數據，而且可以確保模型能夠被繼續有效地執行。由于企業的數據量會隨著業務不斷增長，因此這一點顯得非常重要。
• 易于故障排查：由于管道中的每個階段都是相互獨立的，因此更易于在特定的階段跟蹤問題，并隨后開展調試。

綜上所述，機器學習管道是數據科學家的強大工具。它們能夠在將原始數據轉化為有價值的見解的過程中，提供一致且有效的流程保證。

譯者介紹

陳峻（Julian Chen），51CTO社區編輯，具有十多年的IT項目實施經驗，善于對內外部資源與風險實施管控，專注傳播網絡與信息安全知識與經驗。

原文標題：Set Up Your First Machine Learning Pipeline With This Beginner’s Guide，作者：Praise James