?用 PySpark ML 構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)模型

作者 | 云朵君

來源 | 數(shù)據(jù)STUDIO

Spark 是一種專門用于交互式查詢、機(jī)器學(xué)習(xí)和實(shí)時工作負(fù)載的開源框架，而 PySpark 是 Python 使用 Spark 的庫。

PySpark 是一種用于大規(guī)模執(zhí)行探索性數(shù)據(jù)分析、構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)管道以及為數(shù)據(jù)平臺創(chuàng)建 ETL 的出色語言。如果你已經(jīng)熟悉 Python 和 Pandas 等庫，那么 PySpark 是一種很好的學(xué)習(xí)語言，可以創(chuàng)建更具可擴(kuò)展性的分析和管道。

這篇文章的目的是展示如何使用 PySpark 構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)模型。

Conda 創(chuàng)建 python 虛擬環(huán)境

conda將幾乎所有的工具、第三方包都當(dāng)作package進(jìn)行管理，甚至包括python 和conda自身。Anaconda是一個打包的集合，里面預(yù)裝好了conda、某個版本的python、各種packages等。

打開命令行輸入conda -V檢驗(yàn)是否安裝及當(dāng)前conda的版本。通過Anaconda安裝默認(rèn)版本的Python，3.6的對應(yīng)的是 Anaconda3-5.2，5.3以后的都是python 3.7。
(https://repo.anaconda.com/archive/)

1) 查看安裝了哪些包

conda list

2) 查看當(dāng)前存在哪些虛擬環(huán)境

conda env list 
conda info -e

3) 檢查更新當(dāng)前conda

conda update conda

conda create -n your_env_name python=x.x

anaconda命令創(chuàng)建python版本為x.x，名字為your_env_name的虛擬環(huán)境。your_env_name文件可以在Anaconda安裝目錄envs文件下找到。

打開命令行，輸入python --version檢查當(dāng)前 python 版本。

Linux:  source activate your_env_nam
Windows: activate your_env_name

conda install -n your_env_name [package]

(即從當(dāng)前環(huán)境退出返回使用PATH環(huán)境中的默認(rèn)python版本)

deactivate env_name
# 或者`activate root`切回root環(huán)境
Linux下：source deactivate 

conda remove -n your_env_name --all

conda remove --name $your_env_name  $package_name 

http://Anaconda.org 的服務(wù)器在國外，安裝多個packages時，conda下載的速度經(jīng)常很慢。清華TUNA鏡像源有Anaconda倉庫的鏡像，將其加入conda的配置即可：

# 添加Anaconda的TUNA鏡像
conda config --add channels https://mirrors.tuna.tsinghua.edu.cn/anaconda/pkgs/free/

# 設(shè)置搜索時顯示通道地址
conda config --set show_channel_urls yes

conda config --remove-key channels

安裝 PySpark

PySpark 的安裝過程和其他 python 的包一樣簡單（例如 Pandas、Numpy、scikit-learn）。

一件重要的事情是，首先確保你的機(jī)器上已經(jīng)安裝了java。然后你可以在你的 jupyter notebook 上運(yùn)行 PySpark。

探索數(shù)據(jù)

我們使用糖尿病數(shù)據(jù)集，它與美國國家糖尿病、消化和腎臟疾病研究所的糖尿病疾病有關(guān)。分類目標(biāo)是預(yù)測患者是否患有糖尿?。ㄊ?否）。數(shù)據(jù)集可以從 Kaggle 下載：
https://www.kaggle.com/uciml/pima-indians-diabetes-database?ref=hackernoon.com

from pyspark.sql import SparkSession
spark = SparkSession.builder.appName('ml-diabetes').getOrCreate()
df = spark.read.csv('diabetes.csv', header = True, inferSchema = True)
df.printSchema()

數(shù)據(jù)集由幾個醫(yī)學(xué)預(yù)測變量和一個目標(biāo)變量 Outcome 組成。預(yù)測變量包括患者的懷孕次數(shù)、BMI、胰島素水平、年齡等。

Pregnancies：懷孕次數(shù)
Glucose：2小時內(nèi)口服葡萄糖耐量試驗(yàn)的血糖濃度
BloodPressure：舒張壓(mm Hg)
SkinThickness：三頭肌皮膚褶皺厚度(mm)
Insulin：2小時血清胰島素(mu U/ml)
BMI：身體質(zhì)量指數(shù)(體重單位kg/(身高單位m)2)
diabespedigreefunction：糖尿病譜系功能
Age：年齡(年)
Outcome：類變量(0或1)

輸入變量： 葡萄糖、血壓、BMI、年齡、懷孕、胰島素、皮膚厚度、糖尿病譜系函數(shù)。
輸出變量： 結(jié)果。

看看前五個觀察結(jié)果。Pandas 數(shù)據(jù)框比 Spark DataFrame.show() 更漂亮。

import pandas as pd
pd.DataFrame(df.take(5), 
             columns=df.columns).transpose()

在 PySpark 中，您可以使用 Pandas 的 DataFrame 顯示數(shù)據(jù) toPandas()。

df.toPandas()

檢查類是完全平衡的！

df.groupby('Outcome').count().toPandas()

描述性統(tǒng)計(jì)

numeric_features = [t[0] for t in df.dtypes if t[1] == 'int']
df.select(numeric_features)\
      .describe()\
      .toPandas()\
      .transpose()

from pandas.plotting import scatter_matrix
numeric_data = df.select(numeric_features).toPandas()

axs = scatter_matrix(numeric_data, figsize=(8, 8));

# Rotate axis labels and remove axis ticks
n = len(numeric_data.columns)
for i in range(n):
    v = axs[i, 0]
    v.yaxis.label.set_rotation(0)
    v.yaxis.label.set_ha('right')
    v.set_yticks(())
    h = axs[n-1, i]
    h.xaxis.label.set_rotation(90)
    h.set_xticks(())

數(shù)據(jù)準(zhǔn)備和特征工程

在這一部分中，我們將刪除不必要的列并填充缺失值。最后，為機(jī)器學(xué)習(xí)模型選擇特征。這些功能將分為訓(xùn)練和測試兩部分。

from pyspark.sql.functions import isnull, when, count, col
df.select([count(when(isnull(c), c)).alias(c)
           for c in df.columns]).show()

這個數(shù)據(jù)集很棒，沒有任何缺失值。

dataset = dataset.drop('SkinThickness')
dataset = dataset.drop('Insulin')
dataset = dataset.drop('DiabetesPedigreeFunction')
dataset = dataset.drop('Pregnancies')

dataset.show()

VectorAssembler —— 將多列合并為向量列的特征轉(zhuǎn)換器。

# 用VectorAssembler合并所有特性
required_features = ['Glucose',
                    'BloodPressure',
                    'BMI',
                    'Age']

from pyspark.ml.feature import VectorAssembler

assembler = VectorAssembler(
        inputCols=required_features, 
        outputCol='features')

transformed_data = assembler.transform(dataset)
transformed_data.show()

現(xiàn)在特征轉(zhuǎn)換為向量已完成。

將數(shù)據(jù)隨機(jī)分成訓(xùn)練集和測試集，并設(shè)置可重復(fù)性的種子。

(training_data, test_data) = transformed_data.randomSplit([0.8,0.2], seed =2020)
print("訓(xùn)練數(shù)據(jù)集總數(shù): " + str(training_data.count()))
print("測試數(shù)據(jù)集總數(shù): " + str(test_data.count()))

訓(xùn)練數(shù)據(jù)集總數(shù)：620  
測試數(shù)據(jù)集數(shù)量：148

隨機(jī)森林是一種監(jiān)督學(xué)習(xí)算法，用于分類和回歸。但是，它主要用于分類問題。眾所周知，森林是由樹木組成的，樹木越多，森林越茂盛。類似地，隨機(jī)森林算法在數(shù)據(jù)樣本上創(chuàng)建決策樹，然后從每個樣本中獲取預(yù)測，最后通過投****選擇最佳解決方案。這是一種比單個決策樹更好的集成方法，因?yàn)樗ㄟ^對結(jié)果進(jìn)行平均來減少過擬合。

from pyspark.ml.classification import RandomForestClassifier

rf = RandomForestClassifier(labelCol='Outcome', 
                            featuresCol='features',
                            maxDepth=5)
model = rf.fit(training_data)
rf_predictions = model.transform(test_data)

from pyspark.ml.evaluation import MulticlassClassificationEvaluator

multi_evaluator = MulticlassClassificationEvaluator(
      labelCol = 'Outcome', metricName = 'accuracy')
print('Random Forest classifier Accuracy:', multi_evaluator.evaluate(rf_predictions))

Random Forest classifier Accuracy：0.79452

決策樹被廣泛使用，因?yàn)樗鼈円子诮忉?、處理分類特征、擴(kuò)展到多類分類設(shè)置、不需要特征縮放，并且能夠捕獲非線性和特征交互。

from pyspark.ml.classification import DecisionTreeClassifier

dt = DecisionTreeClassifier(featuresCol = 'features',
                            labelCol = 'Outcome',
                            maxDepth = 3)
dtModel = dt.fit(training_data)
dt_predictions = dtModel.transform(test_data)
dt_predictions.select('Glucose', 'BloodPressure', 
                      'BMI', 'Age', 'Outcome').show(10)

評估決策樹模型

from pyspark.ml.evaluation import MulticlassClassificationEvaluator

multi_evaluator = MulticlassClassificationEvaluator(
      labelCol = 'Outcome', 
          metricName = 'accuracy')
print('Decision Tree Accuracy:', 
      multi_evaluator.evaluate(dt_predictions))

Decision Tree Accuracy: 0.78767

邏輯回歸是在因變量是二分（二元）時進(jìn)行的適當(dāng)回歸分析。與所有回歸分析一樣，邏輯回歸是一種預(yù)測分析。邏輯回歸用于描述數(shù)據(jù)并解釋一個因二元變量與一個或多個名義、序數(shù)、區(qū)間或比率水平自變量之間的關(guān)系。當(dāng)因變量（目標(biāo)）是分類時，使用邏輯回歸。

from pyspark.ml.classification import LogisticRegression

lr = LogisticRegression(featuresCol = 'features', 
                        labelCol = 'Outcome', 
                        maxIter=10)
lrModel = lr.fit(training_data)
lr_predictions = lrModel.transform(test_data)

評估我們的邏輯回歸模型。

from pyspark.ml.evaluation import MulticlassClassificationEvaluator

multi_evaluator = MulticlassClassificationEvaluator(
      labelCol = 'Outcome',
          metricName = 'accuracy')
print('Logistic Regression Accuracy:', 
      multi_evaluator.evaluate(lr_predictions))

Logistic Regression Accuracy：0.78767

梯度提升是一種用于回歸和分類問題的機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)，它以弱預(yù)測模型（通常是決策樹）的集合形式生成預(yù)測模型。

from pyspark.ml.classification import GBTClassifier
gb = GBTClassifier(
      labelCol = 'Outcome', 
      featuresCol = 'features')
gbModel = gb.fit(training_data)
gb_predictions = gbModel.transform(test_data)

評估我們的梯度提升樹分類器。

from pyspark.ml.evaluation import MulticlassClassificationEvaluator
multi_evaluator = MulticlassClassificationEvaluator(
        labelCol = 'Outcome',
        metricName = 'accuracy')
print('Gradient-boosted Trees Accuracy:',
      multi_evaluator.evaluate(gb_predictions))

Gradient-boosted Trees Accuracy：0.80137

PySpark 是一種非常適合數(shù)據(jù)科學(xué)家學(xué)習(xí)的語言，因?yàn)樗С挚蓴U(kuò)展的分析和 ML 管道。如果您已經(jīng)熟悉 Python 和 Pandas，那么您的大部分知識都可以應(yīng)用于 Spark。

總而言之，我們已經(jīng)學(xué)習(xí)了如何使用 PySpark 構(gòu)建機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用程序。我們嘗試了三種算法，梯度提升在我們的數(shù)據(jù)集上表現(xiàn)最好。