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雲端中的數據科學：「低代碼/無代碼」方式


雲端中的數據科學：低代碼 - Sketchnote by @nitya

雲端中的數據科學：「低代碼/無代碼」方式

課前測驗

1. 簡介

1.1 什麼是 Azure Machine Learning？

Azure 雲端平台包含超過 200 種產品和雲端服務，旨在幫助您實現創新解決方案。數據科學家通常需要花費大量精力來探索和預處理數據，並嘗試各種模型訓練算法以生成準確的模型。這些任務耗時且可能導致昂貴的計算硬件使用效率低下。

Azure ML 是一個基於雲端的平台，用於在 Azure 中構建和運行機器學習解決方案。它提供了多種功能和能力，幫助數據科學家準備數據、訓練模型、發布預測服務並監控其使用情況。最重要的是，它通過自動化許多與模型訓練相關的耗時任務來提高效率；並且它能夠使用可有效擴展的雲端計算資源來處理大量數據，僅在實際使用時產生成本。

Azure ML 提供了開發者和數據科學家所需的所有工具，用於機器學習工作流程，包括：

Azure Machine Learning Studio：Azure Machine Learning 的網頁入口，提供低代碼和無代碼選項，用於模型訓練、部署、自動化、跟蹤和資產管理。Studio 與 Azure Machine Learning SDK 集成，提供無縫體驗。
Jupyter Notebooks：快速原型設計和測試 ML 模型。
Azure Machine Learning Designer：允許通過拖放模塊來構建實驗，並在低代碼環境中部署管道。
自動化機器學習界面 (AutoML)：自動化機器學習模型開發的迭代任務，能以高效和高生產力的方式構建 ML 模型，同時保持模型質量。
數據標籤：一種輔助 ML 工具，用於自動標籤數據。
Visual Studio Code 的機器學習擴展：提供完整的開發環境，用於構建和管理 ML 項目。
機器學習 CLI：提供命令行管理 Azure ML 資源的功能。
與開源框架集成：如 PyTorch、TensorFlow、Scikit-learn 等，用於訓練、部署和管理端到端的機器學習過程。
MLflow：一個開源庫，用於管理機器學習實驗的生命周期。MLFlow Tracking 是 MLflow 的一個組件，用於記錄和跟蹤訓練運行的指標和模型工件，無論實驗環境如何。

1.2 心臟衰竭預測項目：

毫無疑問，製作和構建項目是檢驗技能和知識的最佳方式。在本課程中，我們將探索兩種不同的方式來構建一個心臟衰竭攻擊預測的數據科學項目，分別是通過低代碼/無代碼方式和通過 Azure ML SDK，如下圖所示：

每種方式都有其優缺點。低代碼/無代碼方式更容易入門，因為它涉及與 GUI（圖形用戶界面）交互，無需事先了解代碼。此方法能快速測試項目的可行性並創建 POC（概念驗證）。然而，隨著項目規模的擴大並需要進入生產階段，通過 GUI 創建資源的方式將不再可行。我們需要以編程方式自動化所有內容，從資源的創建到模型的部署。在這種情況下，了解如何使用 Azure ML SDK 就變得至關重要。

	低代碼/無代碼	Azure ML SDK
代碼專業知識	不需要	需要
開發時間	快速且簡單	取決於代碼專業知識
生產準備	否	是

1.3 心臟衰竭數據集：

心血管疾病（CVDs）是全球死亡的首要原因，佔全球死亡人數的 31%。環境和行為風險因素，如吸煙、不健康飲食和肥胖、缺乏運動以及有害的酒精使用，可以用作估算模型的特徵。能夠估算 CVD 發展的概率對於預防高風險人群的攻擊非常有用。

Kaggle 提供了一個心臟衰竭數據集，我們將在此項目中使用該數據集。您現在可以下載該數據集。這是一個包含 13 列（12 個特徵和 1 個目標變量）和 299 行的表格數據集。

	變量名稱	類型	描述	示例
1	age	數值型	患者年齡	25
2	anaemia	布爾型	紅細胞或血紅蛋白減少	0 或 1
3	creatinine_phosphokinase	數值型	血液中 CPK 酶的水平	542
4	diabetes	布爾型	患者是否患有糖尿病	0 或 1
5	ejection_fraction	數值型	每次心臟收縮時血液流出的百分比	45
6	high_blood_pressure	布爾型	患者是否患有高血壓	0 或 1
7	platelets	數值型	血液中的血小板數量	149000
8	serum_creatinine	數值型	血液中的血清肌酐水平	0.5
9	serum_sodium	數值型	血液中的血清鈉水平	jun
10	sex	布爾型	女性或男性	0 或 1
11	smoking	布爾型	患者是否吸煙	0 或 1
12	time	數值型	隨訪期（天）	4
----	---------------------------	-----------------	---------------------------------------------------------	-------------------
21	DEATH_EVENT [目標]	布爾型	患者是否在隨訪期內死亡	0 或 1

獲取數據集後，我們就可以在 Azure 中開始項目了。

2. 在 Azure ML Studio 中進行低代碼/無代碼模型訓練

2.1 創建 Azure ML 工作區

要在 Azure ML 中訓練模型，首先需要創建 Azure ML 工作區。工作區是 Azure Machine Learning 的頂級資源，提供了一個集中式位置，用於管理您使用 Azure Machine Learning 創建的所有工件。工作區會保留所有訓練運行的歷史記錄，包括日誌、指標、輸出以及腳本的快照。您可以使用這些信息來確定哪次訓練運行生成了最佳模型。了解更多

建議使用與您的操作系統兼容的最新瀏覽器。支持以下瀏覽器：

Microsoft Edge（最新版本的新 Microsoft Edge，不是 Microsoft Edge 遺留版）
Safari（最新版本，僅限 Mac）
Chrome（最新版本）
Firefox（最新版本）

要使用 Azure Machine Learning，請在您的 Azure 訂閱中創建工作區。然後，您可以使用此工作區來管理數據、計算資源、代碼、模型以及與機器學習工作負載相關的其他工件。

注意： 您的 Azure 訂閱將因數據存儲而產生少量費用，只要 Azure Machine Learning 工作區存在於您的訂閱中。因此，我們建議在不再使用工作區時刪除它。

使用與您的 Azure 訂閱相關聯的 Microsoft 賬戶登錄 Azure 入口網站。
選擇 ＋創建資源

搜索 Machine Learning 並選擇 Machine Learning 磚塊

點擊創建按鈕

按以下方式填寫設置：
- 訂閱：您的 Azure 訂閱
- 資源組：創建或選擇一個資源組
- 工作區名稱：輸入工作區的唯一名稱
- 地區：選擇離您最近的地理區域
- 存儲帳戶：注意將為您的工作區創建的默認新存儲帳戶
- 密鑰保管庫：注意將為您的工作區創建的默認新密鑰保管庫
- 應用洞察：注意將為您的工作區創建的默認新應用洞察資源
- 容器註冊表：無（第一次將模型部署到容器時會自動創建）
- 點擊創建 + 審核，然後點擊創建按鈕
等待您的工作區創建完成（這可能需要幾分鐘）。然後在入口網站中找到它。您可以通過 Machine Learning Azure 服務找到它。
在工作區的概覽頁面中，啟動 Azure Machine Learning Studio（或打開新的瀏覽器標籤並導航到 https://ml.azure.com），並使用您的 Microsoft 賬戶登錄 Azure Machine Learning Studio。如果提示，選擇您的 Azure 目錄和訂閱，以及您的 Azure Machine Learning 工作區。

在 Azure Machine Learning Studio 中，切換左上角的 ☰ 圖標以查看界面中的各個頁面。您可以使用這些頁面來管理工作區中的資源。

您可以使用 Azure 入口網站管理您的工作區，但對於數據科學家和機器學習運營工程師來說，Azure Machine Learning Studio 提供了一個更專注的用戶界面，用於管理工作區資源。

2.2 計算資源

計算資源是基於雲端的資源，用於運行模型訓練和數據探索過程。您可以創建四種類型的計算資源：

計算實例：數據科學家用於處理數據和模型的開發工作站。這涉及創建虛擬機（VM）並啟動筆記本實例。然後，您可以通過筆記本調用計算集群來訓練模型。
計算集群：可擴展的虛擬機集群，用於按需處理實驗代碼。訓練模型時需要使用計算集群。計算集群還可以使用專門的 GPU 或 CPU 資源。
推理集群：用於部署使用您訓練模型的預測服務的目標。
附加計算資源：連結到現有的 Azure 計算資源，例如虛擬機器或 Azure Databricks 群集。

2.2.1 為您的計算資源選擇合適的選項

在創建計算資源時需要考慮一些關鍵因素，這些選擇可能是至關重要的決策。

您需要 CPU 還是 GPU？

CPU（中央處理器）是執行計算機程序指令的電子電路。GPU（圖形處理器）是一種專門的電子電路，可以以非常高的速度執行與圖形相關的代碼。

CPU 和 GPU 架構的主要區別在於，CPU 設計用於快速處理廣泛的任務（以 CPU 時鐘速度衡量），但在同時運行的任務數量上有限。GPU 則設計用於並行計算，因此在深度學習任務中表現更佳。

CPU	GPU
價格較低	價格較高
並行性較低	並行性較高
深度學習模型訓練速度較慢	深度學習的最佳選擇

群集大小

較大的群集成本更高，但響應速度更快。因此，如果您有時間但預算有限，應該選擇小型群集。相反，如果您有預算但時間有限，應該選擇大型群集。

虛擬機器大小

根據您的時間和預算限制，您可以調整 RAM、磁碟、核心數量和時鐘速度的大小。增加這些參數會提高成本，但性能也會更好。

專用或低優先級實例？

低優先級實例意味著它是可中斷的：基本上，Microsoft Azure 可以將這些資源分配給其他任務，從而中斷作業。專用實例（不可中斷）意味著作業不會在未經您允許的情況下被終止。這是另一個時間與金錢的考量，因為可中斷實例比專用實例便宜。

2.2.2 創建計算群集

在我們之前創建的 Azure ML 工作區中，進入計算資源頁面，您將能看到我們剛剛討論的不同計算資源（例如計算實例、計算群集、推理群集和附加計算資源）。在這個項目中，我們需要一個計算群集來進行模型訓練。在 Studio 中，點擊 "Compute" 菜單，然後選擇 "Compute cluster" 標籤，點擊 "+ New" 按鈕以創建計算群集。

選擇您的選項：專用 vs 低優先級、CPU 或 GPU、虛擬機器大小和核心數量（您可以保留此項目的默認設置）。
點擊 "Next" 按鈕。

為群集命名。
選擇您的選項：最小/最大節點數量、閒置秒數後縮減、SSH 訪問。注意，如果最小節點數量為 0，當群集閒置時您可以節省成本。注意，最大節點數量越高，訓練時間越短。建議的最大節點數量為 3。
點擊 "Create" 按鈕。此步驟可能需要幾分鐘。

太棒了！現在我們有了一個計算群集，接下來需要將數據加載到 Azure ML Studio。

2.3 加載數據集

在我們之前創建的 Azure ML 工作區中，點擊左側菜單中的 "Datasets"，然後點擊 "+ Create dataset" 按鈕以創建數據集。選擇 "From local files" 選項並選擇我們之前下載的 Kaggle 數據集。
為您的數據集命名、選擇類型並添加描述。點擊 "Next"。從文件中上傳數據。點擊 "Next"。
在 Schema 中，將以下特徵的數據類型更改為 Boolean：anaemia、diabetes、高血壓、性別、吸煙和 DEATH_EVENT。點擊 "Next" 並點擊 "Create"。

太棒了！現在數據集已準備好，計算群集也已創建，我們可以開始訓練模型了！

2.4 使用 AutoML 進行低代碼/無代碼訓練

傳統的機器學習模型開發資源密集，需要大量的領域知識和時間來生成並比較多個模型。自動化機器學習（AutoML）是一種自動化機器學習模型開發中耗時且迭代任務的過程。它使數據科學家、分析師和開發者能夠以高效和高生產力的方式構建 ML 模型，同時保持模型質量。它減少了生成可投入生產的 ML 模型所需的時間，並且操作簡便高效。了解更多

在我們之前創建的 Azure ML 工作區中，點擊左側菜單中的 "Automated ML"，選擇您剛剛上傳的數據集。點擊 "Next"。
輸入新的實驗名稱、目標列（DEATH_EVENT）以及我們創建的計算群集。點擊 "Next"。
選擇 "Classification" 並點擊 "Finish"。此步驟可能需要 30 分鐘到 1 小時，具體取決於您的計算群集大小。
一旦運行完成，點擊 "Automated ML" 標籤，點擊您的運行，然後在 "Best model summary" 卡片中點擊算法。

在這裡，您可以看到 AutoML 生成的最佳模型的詳細描述。您還可以在 "Models" 標籤中探索其他生成的模型。花幾分鐘時間探索 "Explanations (preview)" 按鈕中的模型。一旦您選擇了要使用的模型（在這裡我們選擇 AutoML 選擇的最佳模型），我們將了解如何部署它。

3. 低代碼/無代碼模型部署及端點使用

3.1 模型部署

自動化機器學習界面允許您將最佳模型部署為網絡服務，僅需幾步。部署是模型的集成，使其能夠基於新數據進行預測並識別潛在的機會領域。對於此項目，部署到網絡服務意味著醫療應用程序將能夠使用該模型進行患者心臟病風險的即時預測。

在最佳模型描述中，點擊 "Deploy" 按鈕。

為其命名、添加描述、選擇計算類型（Azure Container Instance），啟用身份驗證並點擊 "Deploy"。此步驟可能需要約 20 分鐘完成。部署過程包括註冊模型、生成資源並配置它們以供網絡服務使用。部署狀態下會顯示狀態消息。定期點擊 "Refresh" 檢查部署狀態。當狀態顯示 "Healthy" 時，表示已部署並正在運行。

部署完成後，點擊 "Endpoint" 標籤並點擊您剛剛部署的端點。在這裡，您可以找到有關端點的所有詳細信息。

太棒了！現在我們已經部署了模型，可以開始使用端點。

3.2 端點使用

點擊 "Consume" 標籤。在這裡，您可以找到 REST 端點以及消耗選項中的 Python 腳本。花些時間閱讀 Python 代碼。

此腳本可以直接從您的本地機器運行，並將使用您的端點。

花些時間檢查以下兩行代碼：

url = 'http://98e3715f-xxxx-xxxx-xxxx-9ec22d57b796.centralus.azurecontainer.io/score'
api_key = '' # Replace this with the API key for the web service

url 變量是消耗標籤中找到的 REST 端點，而 api_key 變量是消耗標籤中找到的主密鑰（僅在啟用了身份驗證的情況下）。這就是腳本如何使用端點。

運行腳本，您應該看到以下輸出：
```
b'"{\\"result\\": [true]}"'
```

這意味著給定數據的心臟衰竭預測為真。這是合理的，因為如果您仔細查看腳本中自動生成的數據，所有值默認為 0 和 false。您可以使用以下輸入樣本更改數據：

data = {
    "data":
    [
        {
            'age': "0",
            'anaemia': "false",
            'creatinine_phosphokinase': "0",
            'diabetes': "false",
            'ejection_fraction': "0",
            'high_blood_pressure': "false",
            'platelets': "0",
            'serum_creatinine': "0",
            'serum_sodium': "0",
            'sex': "false",
            'smoking': "false",
            'time': "0",
        },
        {
            'age': "60",
            'anaemia': "false",
            'creatinine_phosphokinase': "500",
            'diabetes': "false",
            'ejection_fraction': "38",
            'high_blood_pressure': "false",
            'platelets': "260000",
            'serum_creatinine': "1.40",
            'serum_sodium': "137",
            'sex': "false",
            'smoking': "false",
            'time': "130",
        },
    ],
}

腳本應返回： python b'"{\\"result\\": [true, false]}"'

恭喜！您剛剛使用 Azure ML 訓練並部署了模型，並成功使用了端點！

注意： 完成項目後，請記得刪除所有資源。

🚀 挑戰

仔細查看 AutoML 為頂級模型生成的模型解釋和詳細信息。嘗試理解為什麼最佳模型比其他模型更好。比較了哪些算法？它們之間有什麼差異？為什麼在這種情況下最佳模型表現更好？

課後測驗

回顧與自學

在本課中，您學習了如何在雲端以低代碼/無代碼方式訓練、部署和使用模型來預測心臟衰竭風險。如果您尚未完成，請深入研究 AutoML 為頂級模型生成的模型解釋，並嘗試理解為什麼最佳模型比其他模型更好。

您可以通過閱讀此文檔進一步了解低代碼/無代碼 AutoML。

作業

基於 Azure ML 的低代碼/無代碼數據科學項目

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