機械学習で Dataproc、BigQuery、Apache Spark ML を使用する

Apache Spark 用の BigQuery コネクタを使用すると、データサイエンティストは、BigQuery のシームレスでスケーラブルな SQL エンジンの能力と Apache Spark の機械学習機能を融合できます。このチュートリアルでは、Dataproc、BigQuery、Apache Spark ML を使用してデータセットで機械学習を実施する方法を示します。

目標

線形回帰を使用して次の 5 つの要素に基づく出生時体重のモデルを構築します。

妊娠週
母親の年齢
父親の年齢
母親の妊娠中の体重増加
アプガースコア

次のツールを使用します。

BigQuery（Google Cloud プロジェクトに書き込まれる線形回帰入力テーブルを準備する）
BigQuery でのデータのクエリと管理に使用する Python
生成された線形回帰テーブルにアクセスする Apache Spark
モデルの構築と評価を行う Spark ML
Spark ML 関数を呼び出す Dataproc PySpark ジョブ

費用

このドキュメントでは、Google Cloud の次の課金対象のコンポーネントを使用します。

Compute Engine
Dataproc
BigQuery

料金計算ツールを使うと、予想使用量に基づいて費用の見積もりを生成できます。新しい Google Cloud ユーザーは無料トライアルをご利用いただける場合があります。

始める前に

Dataproc クラスタには、Spark ML などの Spark コンポーネントがインストールされています。Dataproc クラスタをセットアップしてこの例で示すコードを実行するには、次のことを行う（またはすでに行っている）必要があります。

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

Go to project selector

Enable the Dataproc, BigQuery, Compute Engine APIs.

Enable the APIs

Install the Google Cloud CLI.

To initialize the gcloud CLI, run the following command:

gcloud init

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

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Enable the Dataproc, BigQuery, Compute Engine APIs.

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Install the Google Cloud CLI.

To initialize the gcloud CLI, run the following command:

gcloud init

プロジェクト内で Dataproc クラスタを作成します。クラスタでは、Spark 2.0 以降の Dataproc バージョン（機械学習ライブラリが含まれているバージョン）が実行されている必要があります。

BigQuery `natality` データのサブセットを作成する

このセクションでは、プロジェクトにデータセットを作成し、そのデータセットにテーブルを作成して、公表されている出生率 BigQuery データセットから出生率データのサブセットをコピーします。このチュートリアルの後半では、このテーブルのサブセットデータを使用して、母親の年齢、父親の年齢、妊娠週に基づいて出生体重を予測します。

データサブセットは、Google Cloud Console を使用するか、ローカルマシンで Python スクリプトを実行して作成できます。

Console

プロジェクトにデータセットを作成します。
1. BigQuery ウェブ UI に移動します。
2. 左側のナビゲーションパネルでプロジェクト名をクリックし、続いて [データセットを作成] をクリックします。
3. [データセットを作成] ダイアログで、次のように指定します。
  1. [データセット ID] に「natality_regression」と入力します。
  2. [データのロケーション] では、データセットのロケーションを選択できます。ロケーションのデフォルト値は、US multi-region です。データセットの作成後はロケーションを変更できません。
  3. [デフォルトのテーブルの有効期限] では、次のいずれかのオプションを選択します。
    - [無期限]（デフォルト）: テーブルは手動で削除する必要があります。
    - [日数]: テーブルは、作成日から指定した日数後に削除されます。
  4. [暗号化] では、次のいずれかのオプションを選択します。
    - Google が所有し、Google が管理する鍵（デフォルト）。
    - [顧客管理の暗号鍵]: Cloud KMS 鍵でデータを保護するをご覧ください。
  5. [データセットを作成] をクリックします。
    ウェブ UI を使用してデータセットを作成する場合、説明やラベルは追加できません。データセットの作成後は、説明の追加やラベルの追加が可能です。
公表されている出生率データセットに対してクエリを実行し、クエリ結果をデータセット内の新しいテーブルに保存します。
1. 次のクエリをクエリエディタにコピーして貼り付け、[実行] をクリックします。
```
CREATE OR REPLACE TABLE natality_regression.regression_input as
SELECT
weight_pounds,
mother_age,
father_age,
gestation_weeks,
weight_gain_pounds,
apgar_5min
FROM
`bigquery-public-data.samples.natality`
WHERE
weight_pounds IS NOT NULL
AND mother_age IS NOT NULL
AND father_age IS NOT NULL
AND gestation_weeks IS NOT NULL
AND weight_gain_pounds IS NOT NULL
AND apgar_5min IS NOT NULL
```
2. クエリが完了すると（約 1 分）、結果がプロジェクトの natality_regression データセットの「regression_input」BigQuery テーブルとしてプロジェクトに保存されます。

Python

このサンプルを試す前に、Dataproc クイックスタート: クライアントライブラリの使用にある Python の設定手順を行ってください。詳細については、Dataproc Python API のリファレンスドキュメントをご覧ください。

Dataproc への認証を行うには、アプリケーションのデフォルト認証情報を設定します。詳細については、ローカル開発環境の認証を設定するをご覧ください。

Python および Python 用 Google Cloud クライアントライブラリ（コードの実行に必要）をインストールする方法については、Python 開発環境の設定をご覧ください。Python virtualenv をインストールして使用することをおすすめします。

下の natality_tutorial.py コードをローカルマシンの python シェルにコピーして貼り付けます。シェルで <return> キーを押してコードを実行し、デフォルトの Google Cloud プロジェクトに「natality_regression」BigQuery データセットを作成して、公表されている natality データのサブセットを「regression_input」テーブルに設定します。

"""Create a Google BigQuery linear regression input table.

In the code below, the following actions are taken:
* A new dataset is created "natality_regression."
* A query is run against the public dataset,
    bigquery-public-data.samples.natality, selecting only the data of
    interest to the regression, the output of which is stored in a new
    "regression_input" table.
* The output table is moved over the wire to the user's default project via
    the built-in BigQuery Connector for Spark that bridges BigQuery and
    Cloud Dataproc.
"""

from google.cloud import bigquery

# Create a new Google BigQuery client using Google Cloud Platform project
# defaults.
client = bigquery.Client()

# Prepare a reference to a new dataset for storing the query results.
dataset_id = "natality_regression"
dataset_id_full = f"{client.project}.{dataset_id}"

dataset = bigquery.Dataset(dataset_id_full)

# Create the new BigQuery dataset.
dataset = client.create_dataset(dataset)

# Configure the query job.
job_config = bigquery.QueryJobConfig()

# Set the destination table to where you want to store query results.
# As of google-cloud-bigquery 1.11.0, a fully qualified table ID can be
# used in place of a TableReference.
job_config.destination = f"{dataset_id_full}.regression_input"

# Set up a query in Standard SQL, which is the default for the BigQuery
# Python client library.
# The query selects the fields of interest.
query = """
    SELECT
        weight_pounds, mother_age, father_age, gestation_weeks,
        weight_gain_pounds, apgar_5min
    FROM
        `bigquery-public-data.samples.natality`
    WHERE
        weight_pounds IS NOT NULL
        AND mother_age IS NOT NULL
        AND father_age IS NOT NULL
        AND gestation_weeks IS NOT NULL
        AND weight_gain_pounds IS NOT NULL
        AND apgar_5min IS NOT NULL
"""

# Run the query.
client.query_and_wait(query, job_config=job_config)  # Waits for the query to finish

natality_regression データセットと regression_input テーブルの作成を確認します。

線形回帰を実行する

このセクションでは、Google Cloud Console を使用して Dataproc サービスにジョブを送信するか、ローカルのターミナルから gcloud コマンドを実行して PySpark 線形回帰を実行します。

Console

ローカルマシンの新しい natality_sparkml.py ファイルに、次のコードをコピーして貼り付けます。

"""Run a linear regression using Apache Spark ML.

In the following PySpark (Spark Python API) code, we take the following actions:

  * Load a previously created linear regression (BigQuery) input table
    into our Cloud Dataproc Spark cluster as an RDD (Resilient
    Distributed Dataset)
  * Transform the RDD into a Spark Dataframe
  * Vectorize the features on which the model will be trained
  * Compute a linear regression using Spark ML

"""
from pyspark.context import SparkContext
from pyspark.ml.linalg import Vectors
from pyspark.ml.regression import LinearRegression
from pyspark.sql.session import SparkSession
# The imports, above, allow us to access SparkML features specific to linear
# regression as well as the Vectors types.


# Define a function that collects the features of interest
# (mother_age, father_age, and gestation_weeks) into a vector.
# Package the vector in a tuple containing the label (`weight_pounds`) for that
# row.
def vector_from_inputs(r):
  return (r["weight_pounds"], Vectors.dense(float(r["mother_age"]),
                                            float(r["father_age"]),
                                            float(r["gestation_weeks"]),
                                            float(r["weight_gain_pounds"]),
                                            float(r["apgar_5min"])))

sc = SparkContext()
spark = SparkSession(sc)

# Read the data from BigQuery as a Spark Dataframe.
natality_data = spark.read.format("bigquery").option(
    "table", "natality_regression.regression_input").load()
# Create a view so that Spark SQL queries can be run against the data.
natality_data.createOrReplaceTempView("natality")

# As a precaution, run a query in Spark SQL to ensure no NULL values exist.
sql_query = """
SELECT *
from natality
where weight_pounds is not null
and mother_age is not null
and father_age is not null
and gestation_weeks is not null
"""
clean_data = spark.sql(sql_query)

# Create an input DataFrame for Spark ML using the above function.
training_data = clean_data.rdd.map(vector_from_inputs).toDF(["label",
                                                             "features"])
training_data.cache()

# Construct a new LinearRegression object and fit the training data.
lr = LinearRegression(maxIter=5, regParam=0.2, solver="normal")
model = lr.fit(training_data)
# Print the model summary.
print("Coefficients:" + str(model.coefficients))
print("Intercept:" + str(model.intercept))
print("R^2:" + str(model.summary.r2))
model.summary.residuals.show()

ローカルの natality_sparkml.py ファイルをプロジェクトの Cloud Storage バケットにコピーします。
```
gcloud storage cp natality_sparkml.py gs://bucket-name
```
プロジェクトのユーザーバケットにファイルをコピーする代わりに、クラスタの作成時に Dataproc が作成したステージングバケットにファイルをコピーできます。
Dataproc の [ジョブを送信] ページから回帰を実行します。
1. [メインの Python ファイル] フィールドで、natality_sparkml.py ファイルのコピーが置かれている Cloud Storage バケットの gs:// URI を挿入します。
2. [ジョブタイプ] として PySpark を選択します。
3. gs://spark-lib/bigquery/spark-bigquery-latest_2.12.jar を JAR ファイル フィールドに挿入します。これにより、実行時に spark-bigquery-connector を PySpark アプリケーションで使用できるようになり、BigQuery データを Spark DataFrame に読み込めます。
  2.12 jar は、1.5 以降のイメージで作成された Dataproc クラスタと互換性があります。Dataproc クラスタが 1.3 または 1.4 のイメージで作成された場合は、代わりに 2.11 jar を指定します（gs://spark-lib/bigquery/spark-bigquery-latest_2.11.jar）。
4. [ジョブ ID]、[リージョン]、[クラスタ] フィールドに入力します。
5. [送信] をクリックして、クラスタでジョブを実行します。

ジョブが完了すると、線形回帰出力モデルの概要が Dataproc の [ジョブの詳細] ウィンドウに表示されます。

gcloud

ローカルマシンの新しい natality_sparkml.py ファイルに、次のコードをコピーして貼り付けます。

"""Run a linear regression using Apache Spark ML.

In the following PySpark (Spark Python API) code, we take the following actions:

  * Load a previously created linear regression (BigQuery) input table
    into our Cloud Dataproc Spark cluster as an RDD (Resilient
    Distributed Dataset)
  * Transform the RDD into a Spark Dataframe
  * Vectorize the features on which the model will be trained
  * Compute a linear regression using Spark ML

"""
from pyspark.context import SparkContext
from pyspark.ml.linalg import Vectors
from pyspark.ml.regression import LinearRegression
from pyspark.sql.session import SparkSession
# The imports, above, allow us to access SparkML features specific to linear
# regression as well as the Vectors types.


# Define a function that collects the features of interest
# (mother_age, father_age, and gestation_weeks) into a vector.
# Package the vector in a tuple containing the label (`weight_pounds`) for that
# row.
def vector_from_inputs(r):
  return (r["weight_pounds"], Vectors.dense(float(r["mother_age"]),
                                            float(r["father_age"]),
                                            float(r["gestation_weeks"]),
                                            float(r["weight_gain_pounds"]),
                                            float(r["apgar_5min"])))

sc = SparkContext()
spark = SparkSession(sc)

# Read the data from BigQuery as a Spark Dataframe.
natality_data = spark.read.format("bigquery").option(
    "table", "natality_regression.regression_input").load()
# Create a view so that Spark SQL queries can be run against the data.
natality_data.createOrReplaceTempView("natality")

# As a precaution, run a query in Spark SQL to ensure no NULL values exist.
sql_query = """
SELECT *
from natality
where weight_pounds is not null
and mother_age is not null
and father_age is not null
and gestation_weeks is not null
"""
clean_data = spark.sql(sql_query)

# Create an input DataFrame for Spark ML using the above function.
training_data = clean_data.rdd.map(vector_from_inputs).toDF(["label",
                                                             "features"])
training_data.cache()

# Construct a new LinearRegression object and fit the training data.
lr = LinearRegression(maxIter=5, regParam=0.2, solver="normal")
model = lr.fit(training_data)
# Print the model summary.
print("Coefficients:" + str(model.coefficients))
print("Intercept:" + str(model.intercept))
print("R^2:" + str(model.summary.r2))
model.summary.residuals.show()

ローカルの natality_sparkml.py ファイルをプロジェクトの Cloud Storage バケットにコピーします。
```
gcloud storage cp natality_sparkml.py gs://bucket-name
```
プロジェクトのユーザーバケットにファイルをコピーする代わりに、クラスタの作成時に Dataproc が作成したステージングバケットにファイルをコピーできます。
下に示すようにローカルマシンのターミナルウィンドウから gcloud コマンドを実行することにより、Pyspark ジョブを Dataproc サービスに送信します。
1. --jars フラグの値を指定することで、実行時に spark-bigquery-connector を PySpark jobv で使用できるようになり、BigQuery データを Spark DataFrame に読み込めます。
```
gcloud dataproc jobs submit pyspark \
    gs://your-bucket/natality_sparkml.py \
    --cluster=cluster-name \
    --region=region \
    --jars=gs://spark-lib/bigquery/spark-bigquery-with-dependencies_SCALA_VERSION-CONNECTOR_VERSION.jar
```
  2.12 jar には、1.5 以降のイメージで作成された Dataproc クラスタとの互換性があります。Dataproc クラスタが 1.3 または 1.4 のイメージで作成された場合は、代わりに 2.11 jar を指定します。詳細については、アプリケーションでコネクタを使用できるようにするをご覧ください。

ジョブが完了すると、線形回帰出力（モデル概要）がターミナルウィンドウに表示されます。

<<< # モデルサマリーを出力します。
... print "Coefficients:" + str(model.coefficients)
Coefficients:[0.0166657454602,-0.00296751984046,0.235714392936,0.00213002070133,-0.00048577251587]
<<< print "Intercept:" + str(model.intercept)
Intercept:-2.26130330748
<<< print "R^2:" + str(model.summary.r2)
R^2:0.295200579035
<<< model.summary.residuals.show()
+--------------------+
|           residuals|
+--------------------+
| -0.7234737533344147|
|  -0.985466980630501|
| -0.6669710598385468|
|  1.4162434829714794|
|-0.09373154375186754|
|-0.15461747949235072|
| 0.32659061654192545|
|  1.5053877697929803|
|  -0.640142797263989|
|   1.229530260294963|
|-0.03776160295256...|
| -0.5160734239126814|
| -1.5165972740062887|
|  1.3269085258245008|
|  1.7604670124710626|
|  1.2348130901905972|
|   2.318660276655887|
|  1.0936947030883175|
|  1.0169768511417363|
| -1.7744915698181583|
+--------------------+
only showing top 20 rows.

クリーンアップ

チュートリアルが終了したら、作成したリソースをクリーンアップして、割り当ての使用を停止し、課金されないようにできます。次のセクションで、リソースを削除または無効にする方法を説明します。

プロジェクトの削除

課金をなくす最も簡単な方法は、チュートリアル用に作成したプロジェクトを削除することです。

プロジェクトを削除するには:

注意: プロジェクトを削除すると、次のような影響があります。

プロジェクト内のすべてのものが削除されます。このドキュメントのタスクで既存のプロジェクトを使用した場合、それを削除すると、そのプロジェクトで行った他の作業もすべて削除されます。
カスタムプロジェクト ID が失われます。このプロジェクトを作成したときに、将来使用するカスタムプロジェクト ID を作成した可能性があります。そのプロジェクト ID を使用した URL（たとえば、appspot.com）を保持するには、プロジェクト全体ではなくプロジェクト内の選択したリソースだけを削除します。

複数のアーキテクチャ、チュートリアル、クイックスタートを実施する予定がある場合は、プロジェクトを再利用すると、プロジェクトの割り当て上限を超えないようにすることができます。

In the Google Cloud console, go to the Manage resources page.
Go to Manage resources
In the project list, select the project that you want to delete, and then click Delete.
In the dialog, type the project ID, and then click Shut down to delete the project.

Dataproc クラスタの削除

クラスタの削除をご覧ください。

次のステップ

Spark ジョブ調整のヒントを見る。

機械学習で Dataproc、BigQuery、Apache Spark ML を使用する

目標

費用

始める前に

BigQuery natality データのサブセットを作成する

Console

Python

線形回帰を実行する

Console

gcloud

クリーンアップ

プロジェクトの削除

Dataproc クラスタの削除

次のステップ

BigQuery `natality` データのサブセットを作成する