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このチュートリアルでは、AI Platform Prediction を使用して、カスタム変換器を使用する scikit-learn パイプラインをデプロイします。
scikit-learn パイプラインを使用すると、複数の推定器を構成できます。たとえば、変換器を使用してデータを前処理し、変換されたデータを分類器に渡すことができます。scikit-learn は、sklearn パッケージで複数の変換器を提供しています。
scikit-learn の FunctionTransformer または TransformerMixin クラスを使用して、独自のカスタム変換器を作成することもできます。カスタム変換器を使用するパイプラインを AI Platform Prediction にデプロイする場合は、そのコードをソース配布パッケージとして AI Platform Prediction に提供する必要があります。
このチュートリアルでは、国勢調査データに関連するサンプル問題を使用して、次の手順について説明します。
- AI Platform Training でカスタム変換器を使った scikit-learn パイプラインをトレーニングする
- トレーニング済みのパイプラインとカスタムコードを AI Platform Prediction にデプロイする
- そのデプロイメントからの予測リクエストを処理する
データセット
このチュートリアルでは、UC Irvine Machine Learning Repository が提供する米国国勢調査の所得データセットを使用します。このデータセットには、1994 年の国勢調査データベースから得られた情報が収録されています。年齢、学歴、配偶者の有無、職種、年収が $50,000 以上あるかどうかなどの情報が含まれます。
このチュートリアルで使用するデータは、Cloud Storage の公開バケットで入手できます。gs://cloud-samples-data/ai-platform/sklearn/census_data/
目標
ここでの目的は、scikit-learn パイプラインをトレーニングすることにあります。この場合、対象者に関して国勢調査情報にある年収以外の情報（特徴）に基づき、その人の年収（ターゲット ラベル）が $50,000 以上になるかどうかを予測します。
このチュートリアルでは、モデル自体の設計よりも、AI Platform Prediction でこのモデルを使用することに重点を置きます。ただし、機械学習システムの構築では、問題や意図しない結果が生じる可能性があることを常に意識する必要があります。国勢調査のデータセットに偏りが生じる原因や、機械学習の公平性に関する一般的な説明については、公平性に関する機械学習集中講座をご覧ください。
費用
このチュートリアルでは、Google Cloud の課金対象となるコンポーネントを使用します。
- AI Platform Training
- AI Platform Prediction
- Cloud Storage
詳細については、AI Platform Training の料金、AI Platform Prediction の料金、Cloud Storage の料金をご覧ください。また、料金計算ツールを使用すると、予想される使用量に基づいて費用の見積もりを作成できます。
始める前に
AI Platform Prediction でモデルをトレーニングしてデプロイする前に、次の準備作業が必要です。
- ローカル開発環境を設定します。
- 課金と必要な API が有効になっている Google Cloud プロジェクトを設定します。
- トレーニング パッケージとトレーニングしたモデルを保存する Cloud Storage バケットを作成します。
ローカル開発環境の設定
このチュートリアルを完了するには、以下のリソースが必要です。
- Python 3
- virtualenv
- Google Cloud SDK
Python 開発環境を設定するための Google Cloud ガイドでは、上記の要件を満たすための詳しい手順を説明しています。要約した手順を次に示します。
virtualenv をインストールして、Python 3 を使用する仮想環境を作成します。
その環境をアクティブにします。
次のセクションにある手順に沿って、Google Cloud SDK をインストールします。
Google Cloud プロジェクトの設定
- Sign in to your Google Cloud account. If you're new to Google Cloud, create an account to evaluate how our products perform in real-world scenarios. New customers also get $300 in free credits to run, test, and deploy workloads.
-
Google Cloud Console の [プロジェクト セレクタ] ページで、Google Cloud プロジェクトを選択または作成します。
-
AI Platform Training & Prediction and Compute Engine API を有効にします。
- Google Cloud CLI をインストールします。
-
gcloud CLI を初期化するには:
gcloud init
-
Google Cloud Console の [プロジェクト セレクタ] ページで、Google Cloud プロジェクトを選択または作成します。
-
AI Platform Training & Prediction and Compute Engine API を有効にします。
- Google Cloud CLI をインストールします。
-
gcloud CLI を初期化するには:
gcloud init
GCP アカウントの認証
認証を設定するには、サービス アカウント キーを作成し、そのサービス アカウント キーへのファイルパスの環境変数を設定する必要があります。
-
サービス アカウントを作成します。
-
Google Cloud コンソールで [サービス アカウントの作成] ページに移動します。
- [サービス アカウント名] フィールドに名前を入力します。
- 省略可: [サービス アカウントの説明] フィールドに説明を入力します。
- [作成] をクリックします。
- [ロールを選択] フィールドをクリックします。[すべてのロール] で、[AI Platform] > [AI Platform 管理者] の順に選択します。
- [別のロールを追加] をクリックします。
-
[ロールを選択] フィールドをクリックします。[すべてのロール] で、[Cloud Storage] > [ストレージ オブジェクト管理者] を選択します。
-
[完了] をクリックして、サービス アカウントを作成します。
ブラウザ ウィンドウは閉じないでください。次のステップでこれを使用します。
-
-
認証に使用するサービス アカウント キーを作成します。
- Google Cloud コンソールで、作成したサービス アカウントのメールアドレスをクリックします。
- [キー] をクリックします。
- [鍵を追加]、[新しい鍵を作成] の順にクリックします。
- [作成] をクリックします。JSON キーファイルがパソコンにダウンロードされます。
- [閉じる] をクリックします。
-
環境変数 GOOGLE_APPLICATION_CREDENTIALS をサービス アカウント キーが格納された JSON ファイルのファイルパスに設定します。この変数は現在の shell セッションにのみ適用されるため、新しいセッションを開く場合は、変数を再度設定します。
Cloud Storage バケットの作成
このチュートリアルでは、Cloud Storage をいくつかの方法で使用します。
Cloud SDK を使用してトレーニング ジョブを送信するときは、トレーニング コードを収めた Python パッケージを Cloud Storage バケットにアップロードします。AI Platform Training では、このパッケージからコードが実行されます。
このチュートリアルでは、ジョブで得られたトレーニング済みモデルも、AI Platform Training によって同じバケットに保存されます。
カスタムコードを使用して予測を行う scikit-learn パイプラインを AI Platform Prediction にデプロイするには、パイプラインが使用するカスタム変換器を Cloud Storage にアップロードする必要があります。
予測を行う AI Platform Prediction バージョンのリソースを作成する場合は、トレーニング済みの scikit-learn パイプラインとカスタムコードを Cloud Storage URI として提供します。
Cloud Storage バケットの名前を環境変数として設定します。この名前は、すべての Cloud Storage バケットにわたって一意なものにする必要があります。
BUCKET_NAME="your-bucket-name"
AI Platform Training と AI Platform Prediction を利用できるリージョンを選択して、別の環境変数を作成します。例:
REGION="us-central1"
このリージョンに Cloud Storage バケットを作成し、後のトレーニングと予測で同じリージョンを使用します。そのバケットが存在しない場合は、次のコマンドを実行して作成します。
gsutil mb -l $REGION gs://$BUCKET_NAME
トレーニング アプリケーションとカスタム パイプライン コードを作成する
国勢調査データを使用して scikit-learn パイプラインをトレーニングするアプリケーションを作成します。このチュートリアルでは、トレーニング済みのパイプラインが予測中に使用するカスタムコードがトレーニング パッケージに含まれています。通常、パイプラインはトレーニングと予測で同じ変換器を使用するように設計されているため、これは便利なパターンです。
次の構造に一致するディレクトリを作成します。このディレクトリの中には 3 つのファイルが存在します。
census_package/
__init__.py
my_pipeline.py
train.py
まず、空の census_package/ ディレクトリを作成します。
mkdir census_package
census_package/ 内に __init__.py という名前の空のファイルを作成します。
touch ./census_package/__init__.py
これで、census_package/ を Python パッケージとしてインポートできます。
カスタム変換器を作成する
scikit-learn では、パイプラインの一部として使用できる複数の変換器が用意されていますが、独自のカスタム変換器を定義することもできます。これらの変換器は、トレーニング中に保存された状態を学習し、予測で使用します。
sklearn.base.TransformerMixin を展開して、3 つの変換器を定義します。
PositionalSelectorインデックス C のリストと行列 M が与えられると、C で示される M の列のサブセットを含む行列を返します。StripString文字列の行列が与えられると、各文字列から空白を除去します。SimpleOneHotEncoder: 文字列の行列に適用できるシンプルなワンホット エンコーダです。
census_package/my_pipeline.py というファイルに次のコードを記述します。
import numpy as np
from sklearn.base import BaseEstimator, TransformerMixin
class PositionalSelector(BaseEstimator, TransformerMixin):
def __init__(self, positions):
self.positions = positions
def fit(self, X, y=None):
return self
def transform(self, X):
return np.array(X)[:, self.positions]
class StripString(BaseEstimator, TransformerMixin):
def fit(self, X, y=None):
return self
def transform(self, X):
strip = np.vectorize(str.strip)
return strip(np.array(X))
class SimpleOneHotEncoder(BaseEstimator, TransformerMixin):
def fit(self, X, y=None):
self.values = []
for c in range(X.shape[1]):
Y = X[:, c]
values = {v: i for i, v in enumerate(np.unique(Y))}
self.values.append(values)
return self
def transform(self, X):
X = np.array(X)
matrices = []
for c in range(X.shape[1]):
Y = X[:, c]
matrix = np.zeros(shape=(len(Y), len(self.values[c])), dtype=np.int8)
for i, x in enumerate(Y):
if x in self.values[c]:
matrix[i][self.values[c][x]] = 1
matrices.append(matrix)
res = np.concatenate(matrices, axis=1)
return res
パイプラインを定義してトレーニング モジュールを作成する
次に、国勢調査データで scikit-learn パイプラインをトレーニングするトレーニング モジュールを作成します。このコードの一部でパイプラインを定義します。
このトレーニング モジュールは次のような処理を行います。
- トレーニング データをダウンロードし、scikit-learn で使用できる pandas
DataFrameに読み込みます。 - トレーニングする scikit-learn パイプラインを定義します。この例では、入力データから 3 つの数値特徴（
'age'、'education-num'、'hours-per-week'）と 3 つのカテゴリ特徴（'workclass'、'marital-status'、'relationship'）を使用します。scikit-learn の組み込みStandardScalerを使用して数値特徴を変換し、my_pipeline.pyで定義したカスタム ワンホット エンコーダでカテゴリ特徴を変換します。次に、前処理されたデータを分類器への入力として結合します。 - 最後に、scikit-learn に含まれる
joblibのバージョンを使用してモデルをエクスポートし、Cloud Storage バケットに保存します。
次のコードを census_package/train.py に記述します。
import warnings
import argparse
from google.cloud import storage
import pandas as pd
import numpy as np
from sklearn.externals import joblib
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.ensemble import GradientBoostingClassifier
from sklearn.pipeline import Pipeline, FeatureUnion, make_pipeline
import census_package.my_pipeline as mp
warnings.filterwarnings('ignore')
def download_data(bucket_name, gcs_path, local_path):
bucket = storage.Client().bucket(bucket_name)
blob = bucket.blob(gcs_path)
blob.download_to_filename(local_path)
def upload_data(bucket_name, gcs_path, local_path):
bucket = storage.Client().bucket(bucket_name)
blob = bucket.blob(gcs_path)
blob.upload_from_filename(local_path)
def get_features_target(local_path):
strip = np.vectorize(str.strip)
raw_df = pd.read_csv(local_path, header=None)
target_index = len(raw_df.columns) - 1 # Last columns, 'income-level', is the target
features_df = raw_df.drop(target_index, axis=1)
features = features_df.as_matrix()
target = strip(raw_df[target_index].values)
return features, target
def create_pipeline():
# We want to use 3 categorical and 3 numerical features in this sample.
# Categorical features: age, education-num, and hours-per-week
# Numerical features: workclass, marital-status, and relationship
numerical_indices = [0, 4, 12] # age, education-num, and hours-per-week
categorical_indices = [1, 5, 7] # workclass, marital-status, and relationship
p1 = make_pipeline(mp.PositionalSelector(categorical_indices), mp.StripString(), mp.SimpleOneHotEncoder())
p2 = make_pipeline(mp.PositionalSelector(numerical_indices), StandardScaler())
feats = FeatureUnion([
('numericals', p1),
('categoricals', p2),
])
pipeline = Pipeline([
('pre', feats),
('estimator', GradientBoostingClassifier(max_depth=4, n_estimators=100))
])
return pipeline
def get_bucket_path(gcs_uri):
if not gcs_uri.startswith('gs://'):
raise Exception('{} does not start with gs://'.format(gcs_uri))
no_gs_uri = gcs_uri[len('gs://'):]
first_slash_index = no_gs_uri.find('/')
bucket_name = no_gs_uri[:first_slash_index]
gcs_path = no_gs_uri[first_slash_index + 1:]
return bucket_name, gcs_path
if __name__ == '__main__':
parser = argparse.ArgumentParser()
parser.add_argument('--gcs_data_path', action="store", required=True)
parser.add_argument('--gcs_model_path', action="store", required=True)
arguments, others = parser.parse_known_args()
local_path = '/tmp/adul.data'
data_bucket, data_path = get_bucket_path(arguments.gcs_data_path)
print('Downloading the data...')
download_data(data_bucket, data_path, local_path)
features, target = get_features_target(local_path)
pipeline = create_pipeline()
print('Training the model...')
pipeline.fit(features, target)
joblib.dump(pipeline, './model.joblib')
model_bucket, model_path = get_bucket_path(arguments.gcs_model_path)
upload_data(model_bucket, model_path, './model.joblib')
print('Model was successfully uploaded.')
AI Platform Training でパイプラインをトレーニングする
gcloud を使用して AI Platform Training にトレーニング ジョブを送信します。次のコマンドは、トレーニング アプリケーションをパッケージ化して Cloud Storage にアップロードし、AI Platform Training にトレーニング モジュールの実行を指示します。
-- 引数は区切り文字です。AI Platform Training サービスは、区切り文字に続く引数を使用しませんが、トレーニング モジュールはこれらの引数にアクセスできます。
gcloud ai-platform jobs submit training census_training_$(date +"%Y%m%d_%H%M%S") \
--job-dir gs://$BUCKET_NAME/custom_pipeline_tutorial/job \
--package-path ./census_package \
--module-name census_package.train \
--region $REGION \
--runtime-version 1.13 \
--python-version 3.5 \
--scale-tier BASIC \
--stream-logs \
-- \
--gcs_data_path gs://cloud-samples-data/ai-platform/census/data/adult.data.csv \
--gcs_model_path gs://$BUCKET_NAME/custom_pipeline_tutorial/model/model.joblib
パイプラインをデプロイして予測を提供する
AI Platform Prediction から予測を提供するには、モデルリソースとバージョン リソースをデプロイする必要があります。パイプラインを複数回変更してトレーニングする場合に、モデルを使用してデプロイメントを整理します。バージョンは、トレーニング済みのモデルとカスタムコードを使用して、予測を提供します。
これらのリソースをデプロイするには、2 つのアーティファクトを提供する必要があります。
- トレーニング済みのパイプラインを含む Cloud Storage ディレクトリ。このファイルは、前の手順のトレーニング ジョブで
model.joblibをバケットにエクスポートしたときに作成されています。 - パイプラインが使用するカスタム変換器を含む Cloud Storage の
.tar.gzソース配布パッケージ。これは次のステップで作成します。
カスタム変換器をパッケージ化する
my_pipeline.py からコードを提供せずにバージョンをデプロイした場合、AI Platform Prediction はカスタム変換器（たとえば、mp.SimpleOneHotEncoder）をインポートできません。このため、予測を提供できなくなります。
以下の setup.py を作成して、コードのソース配布パッケージを定義します。
import setuptools
setuptools.setup(name='census_package',
packages=['census_package'],
version="1.0",
)
次に、次のコマンドを実行して dist/census_package-1.0.tar.gz を作成します。
python setup.py sdist --formats=gztar
最後に、この tarball を Cloud Storage バケットにアップロードします。
gsutil cp ./dist/census_package-1.0.tar.gz gs://$BUCKET_NAME/custom_pipeline_tutorial/code/census_package-1.0.tar.gz
モデルリソースとバージョン リソースを作成する
まず、モデル名とバージョン名を定義します。
MODEL_NAME='CensusPredictor'
VERSION_NAME='v1'
次のコマンドを使用して、モデルリソースを作成します。
gcloud ai-platform models create $MODEL_NAME \
--regions $REGION
最後に、モデル ディレクトリ（model.joblib を含むディレクトリ）とカスタムコード（census_package-1.0.tar.gz）への Cloud Storage のパスを指定して、バージョン リソースを作成します。
gcloud components install beta
gcloud beta ai-platform versions create $VERSION_NAME --model $MODEL_NAME \
--origin gs://$BUCKET_NAME/custom_pipeline_tutorial/model/ \
--runtime-version 1.13 \
--python-version 3.5 \
--framework SCIKIT_LEARN \
--package-uris gs://$BUCKET_NAME/custom_pipeline_tutorial/code/census_package-1.0.tar.gz
オンライン予測を提供する
オンライン予測リクエストを送信してデプロイを試してみましょう。まず、Python 用 Google API クライアント ライブラリをインストールします。
pip install --upgrade google-api-python-client
次に、デプロイしたバージョンに国勢調査データの 2 つのインスタンスを送信します。
import googleapiclient.discovery
instances = [
[39, 'State-gov', 77516, ' Bachelors . ', 13, 'Never-married', 'Adm-clerical', 'Not-in-family',
'White', 'Male', 2174, 0, 40, 'United-States', '<=50K'],
[50, 'Self-emp-not-inc', 83311, 'Bachelors', 13, 'Married-civ-spouse', 'Exec-managerial', 'Husband',
'White', 'Male', 0, 0, 13, 'United-States', '<=50K']
]
service = googleapiclient.discovery.build('ml', 'v1')
name = 'projects/{}/models/{}/versions/{}'.format(PROJECT_ID, MODEL_NAME, VERSION_NAME)
response = service.projects().predict(
name=name,
body={'instances': instances}
).execute()
if 'error' in response:
raise RuntimeError(response['error'])
else:
print(response['predictions'])
バージョンは、トレーニング済みのパイプラインを介して入力データを渡し、分類器の結果を返します。結果は、個人の収入範囲の予測に応じて <=50K または >50K になります。
クリーンアップ
このプロジェクトで使用しているすべての Google Cloud リソースをクリーンアップするには、チュートリアルで使用した Google Cloud プロジェクトを削除します。
また、以下のコマンドを実行して、個々のリソースを別々にクリーンアップすることもできます。
# Delete version resource
gcloud ai-platform versions delete $VERSION_NAME --quiet --model $MODEL_NAME
# Delete model resource
gcloud ai-platform models delete $MODEL_NAME --quiet
# Delete Cloud Storage objects that were created
gsutil -m rm -r gs://$BUCKET_NAME/custom_pipeline_tutorial
次のステップ
- AI Platform Prediction でカスタム scikit-learn パイプラインの使用方法を学習する。
- カスタム予測ルーチン（ベータ版）の作成方法を学習して、AI Platform Prediction による予測方法をさらに制御する。