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在 Google Cloud 上使用 R 进行数据科学研究：探索性数据分析教程

Last reviewed 2024-04-16 UTC

本教程介绍如何在 Google Cloud 上使用 R 大规模开始进行数据科学研究。本教程面向拥有 R 和 Jupyter 笔记本经验且熟悉 SQL 的人员。

本教程重点介绍如何使用 Vertex AI Workbench 用户管理的笔记本和 BigQuery 来执行探索性数据分析。您可以在 GitHub 上的 Jupyter 笔记本中找到本教程的代码。

概览

R 是统计建模中使用最广泛的编程语言之一。它拥有一个庞大的活跃数据科学家和机器学习 (ML) 专业人员社区。R 在综合 R 归档网络 (CRAN) 的开源代码库中拥有超过 15,000 个软件包，并且具有用于所有统计数据分析应用、机器学习和可视化的工具。在过去 20 年里，R 因其语法表现力及其数据和机器学习库的全面性而稳定增长。

作为数据科学家，您可能希望了解如何通过 R 使用技能集，以及如何充分利用机器学习的可扩缩全代管式云服务的优势。

架构

在本教程中，您将使用用户管理的笔记本作为数据科学环境，以执行探索性数据分析 (EDA)。您可将 R 用于在本教程中从 BigQuery（Google 推出的无服务器、可扩缩性强且经济实惠的云数据仓库）提取的数据。分析和处理数据后，转换后的数据会存储在 Cloud Storage 中，以用于其他机器学习任务。下图展示了此流程：

从 BigQuery 到用户管理的笔记本数据流，其中的数据使用 R 进行处理，结果将发送到 Cloud Storage 以供进一步分析。

本教程的数据

本教程中使用的数据集是 BigQuery 出生率数据集。此公开数据集包含有关从 1969 年到 2008 年在美国登记的超过 1.37 亿出生婴儿的信息。

本教程重点介绍 EDA 以及如何使用 R 和 BigQuery 可视化。本教程将向您介绍一个机器学习目标，即基于怀孕的几个因素以及婴儿母亲来预测婴儿的体重，但本教程并未介绍该任务。

用户管理的笔记本

Vertex AI Workbench 用户管理的笔记本是一项用于提供集成式 JupyterLab 环境的服务，具有以下功能：

一键式部署。您只需点击一下，即可启动预配置有最新机器学习和数据科学框架的 JupyterLab 实例。
按需扩缩。刚开始时，您可以从小型机器配置（例如，4 个 vCPU 和 15 GB RAM）开始，当您的数据在一台机器中变得太大时，您可以添加 CPU、RAM 和 GPU 来纵向扩容。
Google Cloud 集成。Vertex AI Workbench 用户管理的笔记本实例与 BigQuery 等 Google Cloud 服务集成。通过此集成，您可以轻松进行数据提取、预处理和探索。
按用量计费。没有最低费用限制，也不要求预付费用。请参阅 Vertex AI Workbench 用户管理的笔记本的价格。您还需要为用于用户管理的笔记本实例的 Google Cloud 资源付费。

用户管理的笔记本在 Deep Learning VM Image 上运行。这些映像经过优化，可支持 PyTorch 和 TensorFlow 等机器学习框架。本教程支持创建具有 R 3.6 的用户管理的笔记本实例。

通过 R 使用 BigQuery

BigQuery 不需要基础架构管理，因此您可以专注于挖掘有意义的数据洞见。BigQuery 让您可以使用熟悉的 SQL 来处理数据，因此您无需数据库管理员。您可以使用 BigQuery 大规模分析大量数据，并使用 BigQuery 的丰富 SQL 分析功能为机器学习准备数据集。

要使用 R 查询 BigQuery 数据，您可以使用 bigrquery（开源 R 库）。Bigrquery 软件包在 BigQuery 的基础上提供以下抽象层级：

低层级 API 在底层 BigQuery REST API 上提供瘦封装容器。
DBI 接口可封装低层级 API，并让使用 BigQuery 与使用任何其他数据库系统类似。如果希望在 BigQuery 中运行 SQL 查询或上传小于 100 MB 的数据，这是最方便的层。
dbplyr 接口让您可像处理内存中数据帧一样处理 BigQuery 表。如果您不想编写 SQL，而是希望 dbplyr 为您编写，那么这是最方便的层。

本教程使用 bigrquery 中的低层级 API，而无需 DBI 或 dbplyr。

目标

创建支持 R 的用户管理的笔记本实例。
使用 bigrquery R 库查询和分析 BigQuery 中的数据。
准备机器学习的数据并将其存储在 Cloud Storage 中。

费用

在本文档中，您将使用 Google Cloud 的以下收费组件：

BigQuery
Vertex AI Workbench user-managed notebooks instance. You are also charged for resources used within notebooks, including compute resources, BigQuery, and API requests.
Cloud Storage

您可使用价格计算器根据您的预计使用情况来估算费用。 Google Cloud 新用户可能有资格申请免费试用。

准备工作

登录您的 Google Cloud 账号。如果您是 Google Cloud 新手，请创建一个账号来评估我们的产品在实际场景中的表现。新客户还可获享 $300 赠金，用于运行、测试和部署工作负载。

在 Google Cloud Console 中的项目选择器页面上，选择或创建一个 Google Cloud 项目。

转到“项目选择器”

确保您的 Google Cloud 项目已启用结算功能。

启用 Compute Engine API。

启用 API

在 Google Cloud Console 中的项目选择器页面上，选择或创建一个 Google Cloud 项目。

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确保您的 Google Cloud 项目已启用结算功能。

启用 Compute Engine API。

启用 API

创建使用 R 的用户管理的笔记本实例

第一步是创建可用于本教程的用户管理的笔记本实例。

在 Google Cloud 控制台中，转到 Notebooks 页面。

转到 Notebooks
在用户管理的笔记本标签页上，点击 新建笔记本。
选择 R 3.6。
对于本教程，请保留所有默认值，然后点击创建：

用户管理的笔记本实例最多可能需要 90 秒才能启动。准备就绪后，您会看到其已在笔记本实例窗格中列出，并且实例名称旁边会显示打开 JupyterLab 链接：

打开 JupyterLab

要完成笔记本中的教程，您需要打开 JupyterLab 环境，克隆 ml-on-gcp GitHub 代码库，然后打开笔记本。

在实例列表中，点击打开 Jupyterlab。这将在浏览器中打开 JupyterLab 环境。
要启动终端标签页，请点击启动器中的终端。
在终端中，克隆 ml-on-gcp GitHub 代码库：
```
git clone https://github.com/GoogleCloudPlatform/ml-on-gcp.git
```
命令完成后，您会在文件浏览器中看到 ml-on-gcp 文件夹。
在文件浏览器中，依次打开 ml-on-gcp、tutorials 和 R.

克隆的结果如下所示：

打开笔记本并设置 R

默认情况下，本教程中需要的 R 库（包括 bigrquery）安装在 R 笔记本中。在此过程中，您需要导入它们，供笔记本使用。

在文件浏览器中，打开 01-EDA-with-R-and-BigQuery.ipynb 笔记本。

此笔记本介绍了 R 和 BigQuery 的探索性数据分析教程。在本教程中，您将在笔记本中工作，并运行在 Jupyter 笔记本本身中看到的代码。

导入本教程所需的 R 库：

library(bigrquery) # used for querying BigQuery
library(ggplot2) # used for visualization
library(dplyr) # used for data wrangling

使用带外身份验证对 bigrquery 进行身份验证：
```
bq_auth(use_oob = True)
```

将变量设置为您在本教程中使用的项目名称：

# Set the project ID
PROJECT_ID <- "gcp-data-science-demo"

将变量设置为 Cloud Storage 存储桶的名称：
```
BUCKET_NAME <- "bucket-name"
```
将 bucket-name 替换为全局唯一的名称。

您稍后使用存储桶来存储输出数据。

从 BigQuery 查询数据

在本教程的这一部分中，您将了解将 BigQuery SQL 语句执行到 R 中的结果，并初步了解数据。

创建一个 BigQuery SQL 语句，以提取自 2000 年以来的出生婴儿样本作为可能的预测器和目标预测变量：

sql_query <- "
    SELECT
      ROUND(weight_pounds, 2) AS weight_pounds,
      is_male,
      mother_age,
      plurality,
      gestation_weeks,
      cigarette_use,
      alcohol_use,
      CAST(ABS(FARM_FINGERPRINT(CONCAT(
        CAST(YEAR AS STRING), CAST(month AS STRING),
        CAST(weight_pounds AS STRING)))
        ) AS STRING) AS key
    FROM
        publicdata.samples.natality
    WHERE
      year > 2000
      AND weight_pounds > 0
      AND mother_age > 0
      AND plurality > 0
      AND gestation_weeks > 0
      AND month > 0
    LIMIT %s
"

key 列是根据 year、month 和 weight_pounds 列的串联值生成的行标识符。

运行查询并将数据作为内存中 data frame 对象检索：

sample_size <- 10000
sql_query <- sprintf(sql_query, sample_size)

natality_data <- bq_table_download(
    bq_project_query(
        PROJECT_ID,
        query=sql_query
    )
)

查看检索到的结果：
```
head(natality_data)
```
输出内容类似如下：

查看每列的行数和数据类型：

str(natality_data)

输出内容类似如下：

Classes ‘tbl_df’, ‘tbl’ and 'data.frame':   10000 obs. of  8 variables:
 $ weight_pounds  : num  7.75 7.4 6.88 9.38 6.98 7.87 6.69 8.05 5.69 9.22 ...
 $ is_male        : logi  FALSE TRUE TRUE TRUE FALSE TRUE ...
 $ mother_age     : int  47 44 42 43 42 43 42 43 45 44 ...
 $ plurality      : int  1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 ...
 $ gestation_weeks: int  41 39 38 39 38 40 35 40 38 39 ...
 $ cigarette_use  : logi  NA NA NA NA NA NA ...
 $ alcohol_use    : logi  FALSE FALSE FALSE FALSE FALSE FALSE ...
 $ key            : chr  "3579741977144949713" "8004866792019451772" "7407363968024554640" "3354974946785669169" ...

查看检索到的数据摘要：

summary(natality_data)

输出内容类似如下：

 weight_pounds     is_male          mother_age     plurality
 Min.   : 0.620   Mode :logical   Min.   :13.0   Min.   :1.000
 1st Qu.: 6.620   FALSE:4825      1st Qu.:22.0   1st Qu.:1.000
 Median : 7.370   TRUE :5175      Median :27.0   Median :1.000
 Mean   : 7.274                   Mean   :27.3   Mean   :1.038
 3rd Qu.: 8.110                   3rd Qu.:32.0   3rd Qu.:1.000
 Max.   :11.440                   Max.   :51.0   Max.   :4.000
 gestation_weeks cigarette_use   alcohol_use         key
 Min.   :18.00   Mode :logical   Mode :logical   Length:10000
 1st Qu.:38.00   FALSE:580       FALSE:8284      Class :character
 Median :39.00   TRUE :83        TRUE :144       Mode  :character
 Mean   :38.68   NA's :9337      NA's :1572
 3rd Qu.:40.00
 Max.   :47.00

使用 ggplot2 直观显示数据

在本部分中，您将使用 R 中的 ggplot2 库研究出生率数据集中的某些变量。

使用直方图显示 weight_pounds 值的分布：

ggplot(
    data = natality_data,
    aes(x = weight_pounds)
) + geom_histogram(bins = 200)

生成的图形类似于以下内容：

显示体重分布的直方图。

使用散点图显示 gestation_weeks 和 weight_pounds 之间的关系：

ggplot(
    data = natality_data,
    aes(x = gestation_weeks, y = weight_pounds)
) + geom_point() + geom_smooth(method = "lm")

生成的图形类似于以下内容：

针对体重的妊娠周数的散点图。

从 R 处理 BigQuery 中的数据

在处理大型数据集时，我们建议您在 BigQuery 中执行尽可能多的分析（聚合、过滤、联接、计算列等），然后检索结果。在 R 中执行这些任务的效率较低。使用 BigQuery 进行分析可利用 BigQuery 的可扩缩性和性能，并确保返回的结果能够适合 R 中的内存。

创建一个函数，该函数将查找所选列的每个值的记录数和平均体重：

get_distinct_values <- function(column_name) {
    query <- paste0(
        'SELECT ', column_name, ',
            COUNT(1) AS num_babies,
            AVG(weight_pounds) AS avg_wt
        FROM publicdata.samples.natality
        WHERE year > 2000
        GROUP BY ', column_name)

    bq_table_download(
        bq_project_query(
            PROJECT_ID,
            query = query
        )
    )
}

使用 mother_age 列调用此函数，然后按母亲年龄查看婴儿数量和平均体重：
```
df <- get_distinct_values('mother_age')
ggplot(data = df, aes(x = mother_age, y = num_babies)) + geom_line()
ggplot(data = df, aes(x = mother_age, y = avg_wt)) + geom_line()
```
第一个 ggplot 命令的输出如下所示，其中显示了按母亲年龄划分的出生婴儿数量。

第二个 ggplot 命令的输出如下所示，其中显示了按母亲年龄划分的婴儿均体重。

要查看更多可视化示例，请参阅笔记本。

将数据保存为 CSV 文件

下一个任务是将提取的数据从 BigQuery 保存为 Cloud Storage 中的 CSV 文件，以便将其用于其他机器学习任务。

将训练和评估数据从 BigQuery 加载到 R 中：

# Prepare training and evaluation data from BigQuery
sample_size <- 10000
sql_query <- sprintf(sql_query, sample_size)

train_query <- paste('SELECT * FROM (', sql_query,
  ') WHERE MOD(CAST(key AS INT64), 100) <= 75')
eval_query <- paste('SELECT * FROM (', sql_query,
  ') WHERE MOD(CAST(key AS INT64), 100) > 75')

# Load training data to data frame
train_data <- bq_table_download(
    bq_project_query(
        PROJECT_ID,
        query = train_query
    )
)

# Load evaluation data to data frame
eval_data <- bq_table_download(
    bq_project_query(
        PROJECT_ID,
        query = eval_query
    )
)

将数据写入本地 CSV 文件：

# Write data frames to local CSV files, without headers or row names
dir.create(file.path('data'), showWarnings = FALSE)
write.table(train_data, "data/train_data.csv",
   row.names = FALSE, col.names = FALSE, sep = ",")
write.table(eval_data, "data/eval_data.csv",
   row.names = FALSE, col.names = FALSE, sep = ",")

通过封装传递给系统的 gsutil 命令将 CSV 文件上传到 Cloud Storage：

# Upload CSV data to Cloud Storage by passing gsutil commands to system
gcs_url <- paste0("gs://", BUCKET_NAME, "/")
command <- paste("gsutil mb", gcs_url)
system(command)
gcs_data_dir <- paste0("gs://", BUCKET_NAME, "/data")
command <- paste("gsutil cp data/*_data.csv", gcs_data_dir)
system(command)
command <- paste("gsutil ls -l", gcs_data_dir)
system(command, intern = TRUE)

此步骤的另一个选择是使用 googleCloudStorageR 库通过 Cloud Storage JSON API 执行此操作。

清理

为避免因本教程中使用的资源而导致系统向您的 Google Cloud 账号收取费用，您应该将资源移除。

删除项目

若要避免产生费用，最简单的方法是删除您为本教程创建的项目。

在 Google Cloud 控制台中，进入管理资源页面。
转到“管理资源”
在项目列表中，选择要删除的项目，然后点击删除。
在对话框中输入项目 ID，然后点击关闭以删除项目。

后续步骤

如需详细了解如何在 R 笔记本中使用 BigQuery 数据，请参阅 bigrquery 文档。
阅读机器学习规则，了解机器学习工程中的最佳做法。
探索有关 Google Cloud 的参考架构、图表和最佳做法。查看我们的 Cloud Architecture Center。