机器学习模型上线及优化流程

• 时间：2020-07-09

通用流程：

如何应用机器学习模型来构建一个智能化应用的通用的过程

1） 业务问题界定和定义

将一个业务中待解决问题转化为一个机器学习模型应用问题。这个步骤非常重要，要有清晰的业务目标，避免产品、服务沦为技术展示。

如何将一个业务中待解决问题转化为一个机器学习模型应用问题，是机器学习应用的第一步，也确定后面所有流程的工作方向。如果这个部分界定或拆分的不好，那就很难产出好的业务效果。

• 监督学习：

  • 分类：预测数据所属的类别；（包括：二分类、多分类、多标签分类）
    • 应用：（1）NLP：垃圾邮件检测、情感分析等。（2）CV：图片质检（黄赌毒暴政）、猫狗检测、垃圾分类
    • 算法：（1）传统：K近邻算法、线性回归、支持向量机（SVM）、决策树和随机森林、神经网络（浅层）；（2）深度：DNN、CNN、RNN；
  • （复合型）目标检测：找出图像中所有感兴趣的目标（物体），确定它们的位置和大小。
    • 应用：LOGO识别、人头识别、ps检测
    • R-CNN、Fast/Faster R-CNN；SSD、YOLO 。以最大得分的框去与其他框做IoU操作，并过滤那些IoU较大（即交集较大）的框。
  • （复合型）OCR：身份证OCR、银行卡OCR
  • （副产物）分布式表征：将一个图像、自然语言、录音抽象为机器能理解的向量。
    • 应用：文本相似度、图像搜索、看图写话
    • 算法：（1）词嵌入onehot、Word2vec；（2）DNN中间层（图像）
  • 序列模型：
    • 应用：词性标注、分词、命名实体识别、信息抽取
    • 算法：隐马尔可夫HMM、条件随机场CRF、RNN-CRF
  • 回归：根据先前观察到的数据预测数值；
    • 应用：房价预测、股价预测、身高-体重预测等。
    • 算法：线性回归、多项式回归、逻辑回归

• 无监督学习

  • 聚类算法：信用卡交易异常检测、相册人物聚类、
    • 模型：K均值算法（K-means）、基于密度的聚类方法(DBSCAN)、最大期望算法
  • 可视化和降维：降维的目的在于不丢失太多的信息的情况下简化数据。
    • 模型：主成分分析pca
  • 关联规则学习
    • Apriori、Eclat

• 强化学习：解决交互学习问题：国际象棋、deep mind LOL

  • Q学习、深度强化学习

2） 数据样本的筛选和构造

在这个阶段，会确定我们可用的数据样本的规模，确定训练样本、测试样本的拆分方式。有几点思路：

1） 尽量多的数据样本

爬虫、业务方提供。数据增强：
NLP：可以通过重复采样、时间窗口滑动等方式增大样本规模。
CV：数据增强：随机的裁剪、旋转、缩放变形、翻转（from keras.preprocessing.image import ImageDataGenerator）

train_datagen = ImageDataGenerator(rescale=1. / 255, # 预测的时候，特征也要这么处理shear_range=0.2, # 用来进行剪切变换的程度zoom_range=0.2, # 用来进行随机的放大horizontal_flip=True) # 随机的对图片进行水平翻转

2） 针对预测目标做一些倾斜采样处理（业务方提供常见，eg：电话业务分类）

例如如果正样本少，而我们应用主要需要预测正样本，这时候，可以针对已有正样本进行重复采样，扩大正样本在总体样本中的比例。

3） label的定义与标注

label的定义和问题的界定直接相关。 Label我们要尽量选择用户在产品中做出的明确清晰的标注。例如是否点击了广告、是否发单，需要尽量和业务方一起来做label。

理想是丰满的，但显示是骨干的。往往有时候缺少标签数据，需要自己构建。

• 分类标签：可以利用
• 目标检测、信息抽取类，就要靠自己标注。

4） 选择机器学习算法

• 在数据规模大不是特别特别大情况下，成熟机器学习算法的结果差异不会太大。
• 如果有大数据，一般DL是比ML效果好。越新的越好。

5） 确定模型性能的度量方式

在选择了适合训练集的模型之后，可以用测试集来评估它在新数据上的性能，以评估泛化误差。如果对模型的性能感到满意，那么就可以用它来预测未来的新数据。

• 分类模型：Accuracy （Precision、Recall、F1 score）
• 目标检测：在某iou标准下：mAP（mean Average Precision）即各类别AP的平均值，（AP: PR曲线下面积）PR曲线: Precision-Recall曲线
• OCR：字符串相似度sim的均值：1- L/max（a，b） L为编辑距离
• 序列模型：F-score: 分别对每种实体类别分别计算对应类别的F-score,再求整体平均
• 回归模型：均方误差MSE、均方根误差RMSE、平均绝对误差MAEMAE

6） 模型优化

包括特征工程、算法调参、bad case 分析等，这是一个反复迭代优化的过程。

6.1 特征工程（ML）：

1. 加入更多更好的特征。首先自己要深入理解业务的运作方式，了解影响模型label目标的主要业务因素；其次多和业务的专家沟通，获取到从他们角度认为重要的因素；拉入更多人员进行头脑风暴，找到尽可能多的影响因素。 （微博表情例子）
2. 特征可视化，可以通过分布图等方式观察下特征数据的特点，并去除一些异常特征。
3. 统计特征：有了原始的特征因素后，可以让这个特征具备更强的表达性。统计化是一个常用的方式，主要有最大值、最小值、平均值、标准差、方差、中位数、分布区间统计数等。例如周一的平均订单数、最大订单数等。
4. 特征组合：组合多个相关特征提取出其相关的规律，例如多个特征加和、求差、乘除、求斜率、变化比率、增长倍数等。（今年的购买记录 减 去年的记录 = ）
5. 特征拆解：将一个特征拆为多个更易理解的特征。 例如日期，可以拆为年、月、日、小时、分、秒、星期几、是否为周末。是否为节假日。
6. 统计性特征映射为解释型特征：如将一个数字型或统计性特征，映射为多个范围区间。历史月订单0~5 为低频、6~15 为中频、 大于16为高频，
7. 特征筛选：当有很多特征时，有部分特征是强相关的，属于冗余特征，贡献小甚至负面贡献。这时候需要做一些特征筛选。例如特征两两组合确认特征之间的相关性系数，对于相关性非常高的特征只保留一个；从基础特征集合开始，逐渐加入新特征或新特征集实验，如果新特征效果不好，则丢弃。

• 深度学习特征工程：

论文中相对于机器学习手工设计特征，“深度能自动获取特征”，深度神经网络经过训练 ，自动进行特征组合 和特征舍弃。 但是实践中，我们肯定发现做一定的处理，引入先验知识，能够加快收敛，甚至提升模型精度。

比如NLP：one-hot（离散、稀疏的值） -> 词向量（word2vec，glove，BERT） -> 句向量
图像就是：灰度、梯度、边缘、纹理、边缘（对这些组合：SIFT、SURF、HOG）、知名深层网络（在大规模图像库中训练后）的中间层。

6.2 算法调参（DL）

1. 每个模型 特有算法参数 调整：每种模型有不同的超参数，而每个超参数的意义有不同，所以要熟悉模型原理的细节。比如为之前用过SVM：SVM模型有：（线性核函数、多项式核函数、RBF核函、sigmoid核函数 ）重要的参数C与gamma。其中 C是惩罚系数，即对误差的宽容度。c越高，说明越不能容忍出现误差,容易过拟合。C越小，容易欠拟合。C过大或过小，泛化能力变差。gamma是选择RBF函数作为kernel后，该函数自带的一个参数。隐含地决定了数据映射到新的特征空间后的分布，gamma越大，支持向量越少。 sklearn 自带的调参函数：网格搜索

from sklearn.model_selection import GridSearchCV
parameters={'kernel':['linear','rbf','sigmoid','poly'],'C':np.linspace(0.1,20,50),'gamma':np.linspace(0.1,20,20)}
svc = svm.SVC()
model = GridSearchCV(svc,parameters,cv=5,scoring='accuracy')

2. 通用的超参数：
   • 学习率：初始学习率很重要，学习率的变化策略也很重要。开始可以高一些，后面低一些。在0.1到0.00001范围
   • batch size：随机梯度下降是建立在batch基础上的，常取2的n次方，太大的batch size会受GPU显存的限制，所以不能无限增大。一般32 或者64的多。
   • epoch：训练轮数。如果你的模型已经过拟合了，你就没必要继续跑了；相反，如果你的epoch太小，你epoch跑完了，模型的loss还在下降，模型还在优化，那么你这个epoch就太小了，应该增加。
   • 模型层数，每层的神经元个数：模型越深越宽复杂，越容易欠拟合。需要考虑自己的数据。不要以为追求复杂网络，除非有先验知识。
   • 优化算法：SGD算法+ Adam优化算法+退火算法（学习率（α）衰减值）
   • 激活函数：神经网络目前效果随着网络的深度不断增加，效果也不断提升，一个重要原因就是通过非线性的变换。（Sigmoid函数、Tanh、ReLU）
   • Droupout系数，防止过拟合，一般0.5-0.9之间

6.3 bad case分析

实践中最有用的没有之一。

1. 业务数据测试集 结果可视化。
2. 搜集此类错误数据集，验证是否这类的数据全不行？还是误差
3. 追溯这个case计算的整个流程：未登录词问题，分词问题（冠军：武大 靖），词典质量或者覆盖度不足，模型效果不佳等。 比如分类的阈值是0.5. 模型输出prediction 0.51（模棱两可）
4. 修正训练集。不要觉得训练集一定是完全正确的。 lable修正、数据不均衡（添加此类数据）。
5. 调参：logo识别双框重叠问题

7） 模型实验的策略

最常规有效的方式就是按一定规则随机分组，进行A/B实验，做分组尽量引入随机算法，避免使用固有id取模的方式分组。在确定B实验有效 再更新模型，否则回退。

8） 模型线上应用

• 收集用户数据（非公开）业务方训练集有偏。logo识别 用户上传。
• 体验服务 -> 生产服务
• 负载均衡 网关 监控 业务方调用统计 加解密 代码管理 模型存储

9）业务效果评估

机器学习模型应用是一个反复迭代实验过程，根据实验效果进行很多次的分析调整，以上环节会反复循环进行。

参考

《机器学习模型应用以及模型优化的一些思路》：https://blog.csdn.net/mozhizun/article/details/60966354