Melhorar o desempenho do modelo com o ajuste de hiperparâmetros

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Este tutorial ensina como usar o ajuste de hiperparâmetros no BigQuery ML para ajustar um modelo de machine learning e melhorar a performance.

Para realizar o ajuste de hiperparâmetros, especifique a opção NUM_TRIALS da instrução CREATE MODEL em combinação com outras opções específicas do modelo. Quando você define essas opções, o BigQuery ML treina várias versões ou testes do modelo, cada um com parâmetros ligeiramente diferentes, e retorna o teste com a melhor performance.

Este tutorial usa a tabela de amostra pública tlc_yellow_trips_2018, que contém informações sobre viagens de táxi na cidade de Nova York em 2018.

Objetivos

Este tutorial vai orientar você nas seguintes tarefas:

• Usar a instrução CREATE MODEL para criar um modelo de regressão linear de referência.
• Avalie o modelo de referência usando a função ML.EVALUATE.
• Usar a instrução CREATE MODEL com opções de ajuste de hiperparâmetros para treinar 20 testes de um modelo de regressão linear.
• Revisar os testes usando a função ML.TRIAL_INFO.
• Avalie os testes usando a função ML.EVALUATE.
• Receba previsões sobre viagens de táxi do modelo ideal entre os testes usando a função ML.PREDICT.

Custos

Neste tutorial, há componentes faturáveis do Google Cloud, entre eles:

• BigQuery
• BigQuery ML

Para mais informações sobre os custos do BigQuery, consulte a página de preços.

Antes de começar

1. 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.

2. In the Google Cloud console, on the project selector page, select or create a Google Cloud project.

   Note: If you don't plan to keep the resources that you create in this procedure, create a project instead of selecting an existing project. After you finish these steps, you can delete the project, removing all resources associated with the project.

   Go to project selector

3. Make sure that billing is enabled for your Google Cloud project.

4. In the Google Cloud console, on the project selector page, select or create a Google Cloud project.

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5. Make sure that billing is enabled for your Google Cloud project.

6. O BigQuery é ativado automaticamente em novos projetos. Para ativar o BigQuery em um projeto preexistente, acesse

   Enable the BigQuery API.

   Enable the API

Permissões necessárias

• Para criar o conjunto de dados, é preciso ter a permissão de IAM bigquery.datasets.create.

• Para criar o recurso de conexão, você precisa das seguintes permissões:

  • bigquery.connections.create
  • bigquery.connections.get

• Para criar o modelo, você precisa das seguintes permissões:

  • bigquery.jobs.create
  • bigquery.models.create
  • bigquery.models.getData
  • bigquery.models.updateData
  • bigquery.connections.delegate

• Para executar a inferência, você precisa das seguintes permissões:

  • bigquery.models.getData
  • bigquery.jobs.create

Para mais informações sobre os papéis e as permissões do IAM no BigQuery, consulte Introdução ao IAM.

Criar um conjunto de dados

Crie um conjunto de dados do BigQuery para armazenar o modelo de ML:

1. No console do Google Cloud, acesse a página do BigQuery.

   Acesse a página do BigQuery

2. No painel Explorer, clique no nome do seu projeto.

3. Clique em Conferir ações > Criar conjunto de dados.

   

4. Na página Criar conjunto de dados, faça o seguinte:

   • Para o código do conjunto de dados, insira bqml_tutorial.

   • Em Tipo de local, selecione Multirregião e EUA (várias regiões nos Estados Unidos).

     Os conjuntos de dados públicos são armazenados na multirregião US. Para simplificar, armazene seus conjuntos de dados no mesmo local.

   • Mantenha as configurações padrão restantes e clique em Criar conjunto de dados.

     

Criar uma tabela de dados de treinamento

Crie uma tabela de dados de treinamento com base em um subconjunto dos dados da tabela tlc_yellow_trips_2018.

Siga estas etapas para criar a tabela:

1. No Console do Google Cloud, acesse a página BigQuery.

   Ir para o BigQuery

2. No Editor de consultas, cole a consulta a seguir e clique em Executar:

   CREATE OR REPLACE TABLE `bqml_tutorial.taxi_tip_input`
   AS
   SELECT * EXCEPT (tip_amount), tip_amount AS label
   FROM
     `bigquery-public-data.new_york_taxi_trips.tlc_yellow_trips_2018`
   WHERE
     tip_amount IS NOT NULL
   LIMIT 100000;

Criar um modelo de regressão linear de referência

Crie um modelo de regressão linear sem ajuste de hiperparâmetro e treine-o com os dados da tabela taxi_tip_input.

Siga estas etapas para criar o modelo:

1. No Console do Google Cloud, acesse a página BigQuery.

   Ir para o BigQuery

2. No Editor de consultas, cole a consulta a seguir e clique em Executar:

   CREATE OR REPLACE MODEL `bqml_tutorial.baseline_taxi_tip_model`
     OPTIONS (
       MODEL_TYPE = 'LINEAR_REG'
     )
   AS
   SELECT
     *
   FROM
     `bqml_tutorial.taxi_tip_input`;

   A consulta leva cerca de dois minutos para ser concluída.

Avaliar o modelo de referência

Avalie o desempenho do modelo usando a função ML.EVALUATE. A função ML.EVALUATE avalia as classificações de conteúdo previstas retornadas pelo modelo em relação às métricas de avaliação calculadas durante o treinamento de modelo.

Siga estas etapas para avaliar o modelo:

1. No Console do Google Cloud, acesse a página BigQuery.

   Ir para o BigQuery

2. No Editor de consultas, cole a consulta a seguir e clique em Executar:

   SELECT *
   FROM
     ML.EVALUATE(MODEL `bqml_tutorial.baseline_taxi_tip_model`);

   Os resultados são semelhantes aos seguintes:

   +---------------------+--------------------+------------------------+-----------------------+---------------------+---------------------+
   | mean_absolute_error | mean_squared_error | mean_squared_log_error | median_absolute_error |      r2_score       | explained_variance  |
   +---------------------+--------------------+------------------------+-----------------------+---------------------+---------------------+
   |  2.5853895559690323 | 23760.416358496139 |   0.017392406523370374 | 0.0044248227819481123 | -1934.5450533482465 | -1934.3513857946277 |
   +---------------------+--------------------+------------------------+-----------------------+---------------------+---------------------+
   

O valor de r2_score para o modelo de referência é negativo, o que indica uma má adaptação aos dados. Quanto mais próximo de 1 for a pontuação de R², melhor será a adaptação do modelo.

Criar um modelo de regressão linear com ajuste de hiperparâmetros

Crie um modelo de regressão linear com ajuste de hiperparâmetro e treine-o com os dados da tabela taxi_tip_input.

Use as seguintes opções de ajuste de hiperparâmetros na instrução CREATE MODEL:

• A opção NUM_TRIALS para definir o número de testes como 20.
• A opção MAX_PARALLEL_TRIALS para executar dois testes em cada job de treinamento, para um total de dez jobs e 20 testes. Isso reduz o tempo de treinamento necessário. No entanto, os dois testes simultâneos não se beneficiam dos resultados de treinamento um do outro.
• A opção L1_REG para testar diferentes valores de regularização L1 nos diferentes testes. A regularização L1 remove recursos irrelevantes do modelo, o que ajuda a evitar overfitting.

As outras opções de ajuste de hiperparâmetros compatíveis com o modelo usam os valores padrão, conforme mostrado abaixo:

• L1_REG: 0
• HPARAM_TUNING_ALGORITHM: 'VIZIER_DEFAULT'
• HPARAM_TUNING_OBJECTIVES: ['R2_SCORE']

Siga estas etapas para criar o modelo:

1. No Console do Google Cloud, acesse a página BigQuery.

   Ir para o BigQuery

2. No Editor de consultas, cole a consulta a seguir e clique em Executar:

   CREATE OR REPLACE MODEL `bqml_tutorial.hp_taxi_tip_model`
     OPTIONS (
       MODEL_TYPE = 'LINEAR_REG',
       NUM_TRIALS = 20,
       MAX_PARALLEL_TRIALS = 2,
       L1_REG = HPARAM_RANGE(0, 5))
   AS
   SELECT
     *
   FROM
     `bqml_tutorial.taxi_tip_input`;

   A consulta leva aproximadamente 20 minutos para ser concluída.

Receber informações sobre os testes de treinamento

Use a função ML.TRIAL_INFO para conferir informações sobre todos os testes, incluindo os valores, objetivos e status dos hiperparâmetros. Essa função também retorna informações sobre qual teste tem a melhor performance com base nessas informações.

Siga estas etapas para receber informações sobre o teste:

1. No Console do Google Cloud, acesse a página BigQuery.

   Ir para o BigQuery

2. No Editor de consultas, cole a consulta a seguir e clique em Executar:

   SELECT *
   FROM
     ML.TRIAL_INFO(MODEL `bqml_tutorial.hp_taxi_tip_model`)
   ORDER BY is_optimal DESC;

   Os resultados são semelhantes aos seguintes:

   +----------+-------------------------------------+-----------------------------------+--------------------+--------------------+-----------+---------------+------------+
   | trial_id |           hyperparameters           | hparam_tuning_evaluation_metrics  |   training_loss    |     eval_loss      |  status   | error_message | is_optimal |
   +----------+-------------------------------------+-----------------------------------+--------------------+--------------------+-----------+---------------+------------+
   |        7 |      {"l1_reg":"4.999999999999985"} |  {"r2_score":"0.653653627638174"} | 4.4677841296238165 |  4.478469742512195 | SUCCEEDED | NULL          |       true |
   |        2 |  {"l1_reg":"2.402163664510254E-11"} | {"r2_score":"0.6532493667964732"} |  4.457692508421795 |  4.483697081650438 | SUCCEEDED | NULL          |      false |
   |        3 |  {"l1_reg":"1.2929452948742316E-7"} |  {"r2_score":"0.653249366811995"} |   4.45769250849513 |  4.483697081449748 | SUCCEEDED | NULL          |      false |
   |        4 |  {"l1_reg":"2.5787102060628228E-5"} | {"r2_score":"0.6532493698925899"} |  4.457692523040582 |  4.483697041615808 | SUCCEEDED | NULL          |      false |
   |      ... |                             ...     |                           ...     |              ...   |             ...    |       ... |          ...  |        ... |
   +----------+-------------------------------------+-----------------------------------+--------------------+--------------------+-----------+---------------+------------+
   

   O valor da coluna is_optimal indica que o teste 7 é o modelo ideal retornado pelo ajuste.

Avaliar os testes do modelo ajustado

Avalie o desempenho dos testes usando a função ML.EVALUATE. A função ML.EVALUATE avalia as classificações de conteúdo previstas retornadas pelo modelo em relação às métricas de avaliação calculadas durante o treinamento para todos os testes.

Siga estas etapas para avaliar os testes do modelo:

1. No Console do Google Cloud, acesse a página BigQuery.

   Ir para o BigQuery

2. No Editor de consultas, cole a consulta a seguir e clique em Executar:

   SELECT *
   FROM
     ML.EVALUATE(MODEL `bqml_tutorial.hp_taxi_tip_model`)
   ORDER BY r2_score DESC;

   Os resultados são semelhantes aos seguintes:

   +----------+---------------------+--------------------+------------------------+-----------------------+--------------------+--------------------+
   | trial_id | mean_absolute_error | mean_squared_error | mean_squared_log_error | median_absolute_error |      r2_score      | explained_variance |
   +----------+---------------------+--------------------+------------------------+-----------------------+--------------------+--------------------+
   |        7 |   1.151814398002232 |  4.109811493266523 |     0.4918733252641176 |    0.5736103414025084 | 0.6652110305659145 | 0.6652144696114834 |
   |       19 |  1.1518143358927102 |  4.109811921460791 |     0.4918672150119582 |    0.5736106106914161 | 0.6652109956848206 | 0.6652144346901685 |
   |        8 |   1.152747850702547 |  4.123625876152422 |     0.4897808307399327 |    0.5731702310239184 | 0.6640856984144734 |  0.664088410199906 |
   |        5 |   1.152895108945439 |  4.125775524878872 |    0.48939088205957937 |    0.5723300569616766 | 0.6639105860807425 | 0.6639132416838652 |
   |      ... |                ...  |                ... |                    ... |                   ... |                ... |                ... |
   +----------+---------------------+--------------------+------------------------+-----------------------+--------------------+--------------------+
   

   O valor r2_score do modelo ideal, que é o teste 7, é 0.66521103056591446, o que mostra uma melhoria significativa em relação ao modelo de referência.

É possível avaliar um teste específico especificando o argumento TRIAL_ID na função ML.EVALUATE.

Para mais informações sobre a diferença entre os objetivos ML.TRIAL_INFO e as métricas de avaliação ML.EVALUATE, consulte Funções de disponibilização de modelos.

Usar o modelo ajustado para prever gorjetas de táxi

Use o modelo ideal retornado pelo ajuste para prever gorjetas para diferentes viagens de táxi. O modelo ideal é usado automaticamente pela função ML.PREDICT, a menos que você selecione um teste diferente especificando o argumento TRIAL_ID. As previsões são retornadas na coluna predicted_label.

Siga estas etapas para receber previsões:

1. No Console do Google Cloud, acesse a página BigQuery.

   Ir para o BigQuery

2. No Editor de consultas, cole a consulta a seguir e clique em Executar:

   SELECT *
   FROM
     ML.PREDICT(
       MODEL `bqml_tutorial.hp_taxi_tip_model`,
       (
         SELECT
           *
         FROM
           `bqml_tutorial.taxi_tip_input`
         LIMIT 5
       ));

   Os resultados são semelhantes aos seguintes:

   +----------+--------------------+-----------+---------------------+---------------------+-----------------+---------------+-----------+--------------------+--------------+-------------+-------+---------+--------------+---------------+--------------+--------------------+---------------------+----------------+-----------------+-------+
   | trial_id |  predicted_label   | vendor_id |   pickup_datetime   |  dropoff_datetime   | passenger_count | trip_distance | rate_code | store_and_fwd_flag | payment_type | fare_amount | extra | mta_tax | tolls_amount | imp_surcharge | total_amount | pickup_location_id | dropoff_location_id | data_file_year | data_file_month | label |
   +----------+--------------------+-----------+---------------------+---------------------+-----------------+---------------+-----------+--------------------+--------------+-------------+-------+---------+--------------+---------------+--------------+--------------------+---------------------+----------------+-----------------+-------+
   |        7 |  1.343367839584448 | 2         | 2018-01-15 18:55:15 | 2018-01-15 18:56:18 |               1 |             0 | 1         | N                  | 1            |           0 |     0 |       0 |            0 |             0 |            0 | 193                | 193                 |           2018 |               1 |     0 |
   |        7 | -1.176072791783461 | 1         | 2018-01-08 10:26:24 | 2018-01-08 10:26:37 |               1 |             0 | 5         | N                  | 3            |        0.01 |     0 |       0 |            0 |           0.3 |         0.31 | 158                | 158                 |           2018 |               1 |     0 |
   |        7 |  3.839580104168765 | 1         | 2018-01-22 10:58:02 | 2018-01-22 12:01:11 |               1 |          16.1 | 1         | N                  | 1            |        54.5 |     0 |     0.5 |            0 |           0.3 |         55.3 | 140                | 91                  |           2018 |               1 |     0 |
   |        7 |  4.677393985230036 | 1         | 2018-01-16 10:14:35 | 2018-01-16 11:07:28 |               1 |            18 | 1         | N                  | 2            |        54.5 |     0 |     0.5 |            0 |           0.3 |         55.3 | 138                | 67                  |           2018 |               1 |     0 |
   |        7 |  7.938988937253062 | 2         | 2018-01-16 07:05:15 | 2018-01-16 08:06:31 |               1 |          17.8 | 1         | N                  | 1            |        54.5 |     0 |     0.5 |            0 |           0.3 |        66.36 | 132                | 255                 |           2018 |               1 | 11.06 |
   +----------+--------------------+-----------+---------------------+---------------------+-----------------+---------------+-----------+--------------------+--------------+-------------+-------+---------+--------------+---------------+--------------+--------------------+---------------------+----------------+-----------------+-------+
   

Limpar

Para evitar cobranças na sua conta do Google Cloud pelos recursos usados no tutorial, exclua o projeto que os contém ou mantenha o projeto e exclua os recursos individuais.

• exclua o projeto que você criou; ou
• Mantenha o projeto e exclua o conjunto de dados.

Excluir o conjunto de dados

A exclusão do seu projeto removerá todos os conjuntos de dados e tabelas no projeto. Caso prefira reutilizá-lo, exclua o conjunto de dados criado neste tutorial:

1. Se necessário, abra a página do BigQuery no console do Google Cloud.

   Acesse a página do BigQuery

2. No painel de navegação, clique no conjunto de dados bqml_tutorial que você criou.

3. No lado direito da janela, clique em Excluir conjunto de dados. Essa ação exclui o conjunto, a tabela e todos os dados.

4. Na caixa de diálogo Excluir conjunto de dados, confirme o comando de exclusão digitando o nome do seu conjunto de dados (bqml_tutorial). Em seguida, clique em Excluir.

Excluir o projeto

Para excluir o projeto:

Cuidado: excluir um projeto tem os seguintes efeitos:

• Tudo no projeto é excluído. Se você tiver usado um projeto existente para as tarefas neste documento, a exclusão dele incluirá a exclusão de quaisquer outros trabalhos feitos no projeto.
• Os IDs do projeto personalizados são perdidos. Ao criar o projeto, você pode ter criado um código do projeto personalizado para ser usado no futuro. Para preservar os URLs que usam o ID do projeto, como um URL appspot.com, exclua recursos específicos do projeto, em vez de excluir o projeto inteiro.

Se você planeja passar por várias arquiteturas, tutoriais ou guias de início rápido, a reutilização de projetos pode evitar que você exceda os limites da cota do projeto.

1. In the Google Cloud console, go to the Manage resources page.

   Go to Manage resources

2. In the project list, select the project that you want to delete, and then click Delete.
3. In the dialog, type the project ID, and then click Shut down to delete the project.

A seguir

• Para saber mais sobre machine learning, consulte o Curso intensivo de machine learning.
• Para uma visão geral do BigQuery ML, consulte Introdução ao BigQuery ML.
• Para saber mais, consulte Como usar o console do Google Cloud.