在 Amazon SageMaker notebook 实例上使用 R 编程

Original URL: https://aws.amazon.com/cn/blogs/machine-learning/coding-with-r-on-amazon-sagemaker-notebook-instances/

不少AWS客户已经开始将流行的开源统计计算与图形软件R全面引入大数据分析与数据科学领域。Amazon SageMaker则是一项全托管服务，可帮助用户快速完成机器学习（ML）模型的构建、训练与部署。Amazon SageMaker消除了机器学习流程中各个步骤带来的繁重负担，显著降低了高质量模型的开发门槛。2019年8月，Amazon SageMaker宣布在所有区域都预装R内核。这项功能开箱即用，且预先安装有reticulate库，负责为Amazon SageMaker Python SDK提供R接口，帮助用户直接从R脚本中调用Python模块。

在本文中，我们将了解如何在Amazon SageMaker notebook实例上使用R实现机器学习模型的训练、部署与预测结果检索。此模型将根据鲍鱼贝壳上的圈纹数量预测鲍鱼的年龄。大家可以使用reticulate工具包实现R与Python对象之间的翻译，Amazon SageMaker则提供无服务器环境，用于机器学习模型的大规模训练与部署。

要完成本篇文章，大家需要对R拥有基本了解，并熟悉以下 tidyverse软件包： dplyr, readr, stringr以及 ggplot2。

创建一个带有R内核的Amazon SageMaker notebook实例

要创建一个预装R内核的Amazon SageMaker notebook实例，我们需要完成以下操作步骤：

• 创建一个notebook实例。

我们可以根据需要选择实例类型与存储大小创建一个notebook实例。此外，请注意选择身份与访问管理（ Identity and Access Management，简称IAM）角色，保证您能够运行Amazon SageMaker并拥有对项目中使用的Amazon Simple Storage Service（Amazon S3）存储桶的访问权限。另外，大家也可以选择VPC、子网以及Git库（如果需要的话）。关于更多详细信息，请参阅创建IAM角色。

• 在确认notebook的当前状态为InService后，选择Open Jupyter。
• 在Jupyter环境中，通过New下拉菜单选择R。

Amazon SageMaker中的R内核使用 IRKernel软件包，并包含140多个标准工具包。关于为Amazon SageMaker Jupyter notebook实例创建自定义R环境的更多信息，请参阅为Amazon SageMaker创建持久自定义R环境。

在创建新notebook时，大家应该会在notebook环境的右上角看到R徽标，徽标下方则为R内核。这表明Amazon SageMaker已经成功为当前notebook启动R内核。

在Amazon SageMaker上通过R实现端到端机器学习

本文中的示例notebook可通过Using R with Amazon SageMaker GitHub repo中获取。

接下来加载reticulate库并导入sagemaker  Python模块。详见以下代码：

library(reticulate) 
sagemaker <- import('sagemaker')

在模块加载完成后，使用R中的$ 替代了Python中的 .。

创建并访问数据存储

Session类负责通过Amazon SageMaker对以下boto3资源进行操作：

• S3
• SageMaker
• SageMakerRuntime

在本用例中，我们为Amazon SageMaker创建一个默认S3存储桶。使用 default_bucket函数创建一个名为sagemaker-<aws-region-name>-<aws account number>的S3存储桶，详见以下代码：

session <- sagemaker$Session() 
bucket <- session$default_bucket()

指定IAM角色的ARN，以允许Amazon SageMaker访问该S3存储桶。大家可以选择创建notebook时使用过的同一IAM角色，详见以下代码：

role_arn <- sagemaker$get_execution_role()

下载并处理数据集

我们的模型使用来自UCI机器学习库的 Abalone数据集。下载相关数据并开始探索性数据分析。使用 tidyverse软件包读取数据、绘制数据并将其转换为适用于Amazon SageMaker的ML格式，详见以下代码。

library(readr)
data_file <- 'http://archive.ics.uci.edu/ml/machine-learning-databases/abalone/abalone.data'
abalone <- read_csv(file = data_file, col_names = FALSE)
names(abalone) <- c('sex', 'length', 'diameter', 'height', 'whole_weight', 'shucked_weight', 'viscera_weight', 'shell_weight', 'rings')
head(abalone)

下表为输出结果。

输出结果中的sex属于一种因子数据类型，但其目前属于字符数据类型（F为雌性、M为雄性、I为幼体）。将变量sex转换为一个因子数据类型，并使用以下代码查看数据集的统计摘要：

abalone$sex <- as.factor(abalone$sex)
summary(abalone)

以下截屏为上述代码片段的输出结果，此代码片段提供了abalone数据框的统计摘要。

摘要中显示， height的最小值为0。大家可以使用以下代码与库绘制不同性别值的rings （即文章开头提到的贝壳圈数）与 height之间的关系，从而直观了解哪些鲍鱼的 height值为0。

library(ggplot2) 
options(repr.plot.width = 5, repr.plot.height = 4) 
ggplot(abalone, aes(x = height, y = rings, color = sex)) + geom_point() + geom_jitter()

下图为数据绘出的图。

图中显示出多个异常值：2个height为0的幼体鲍鱼，以及数个height远超平均水平的雌性与雄性鲍鱼。要过滤掉这2个height为0的幼体鲍鱼，请使用以下代码：

library(dplyr)
abalone <- abalone %>%
  filter(height != 0)

为模型训练准备数据集

本模型需要3个数据集：训练数据集、测试数据集以及验证数据集。大家需要完成以下操作步骤：

• 将变量sex转换为虚拟变量 (Dummy Variable），而后将目标rings移动至第一列：

  abalone <- abalone %>%
    mutate(female = as.integer(ifelse(sex == 'F', 1, 0)),
           male = as.integer(ifelse(sex == 'M', 1, 0)),
           infant = as.integer(ifelse(sex == 'I', 1, 0))) %>%
    select(-sex)
  abalone <- abalone %>%
    select(rings:infant, length:shell_weight)
  head(abalone)

Amazon SageMaker算法要求目标位于数据集的第一列。

下表是输出结果。

• 全部数据样本中，有70%被用于进行ML算法训练，其余30%则被进一步拆分成两个部分，一部分用于测试、一部分用于验证：

  abalone_train <- abalone %>%
    sample_frac(size = 0.7)
  abalone <- anti_join(abalone, abalone_train)
  abalone_test <- abalone %>%
    sample_frac(size = 0.5)
  abalone_valid <- anti_join(abalone, abalone_test)

现在，我们可以将训练与验证数据上传至Amazon S3，从而进行模型训练。请注意，对于CSV文件训练时，XGBoost算法会假定目标变量位于第一列中，且CSV没有列名称。对于CSV文件推理时，该算法则假定CSV输入中不存在列名称。以下代码不会将列名称保存在CSV文件中。

• 以.csv格式将训练与验证数据集写入至本地文件系统当中：

  write_csv(abalone_train, 'abalone_train.csv', col_names = FALSE) 
  write_csv(abalone_valid, 'abalone_valid.csv', col_names = FALSE)

• 将2套数据集上传至S3存储桶中的data“目录”内：

  s3_train <- session$upload_data(path = 'abalone_train.csv', 
                                  bucket = bucket, 
                                  key_prefix = 'data')
  s3_valid <- session$upload_data(path = 'abalone_valid.csv', 
                                  bucket = bucket, 
                                  key_prefix = 'data')

• 为Amazon SageMaker算法定义Amazon S3输入类型：

  s3_train_input <- sagemaker$s3_input(s3_data = s3_train, content_type = 'csv') 
  s3_valid_input <- sagemaker$s3_input(s3_data = s3_valid, content_type = 'csv')

训练模型

Amazon SageMaker使用容器Docker来进行训练。要训练XGBoost模型，请完成以下操作步骤：

• 在您所用区域的Amazon Elastic Container Registry (Amazon ECR)当中指定训练容器，详见以下代码：

  registry <- sagemaker$amazon$amazon_estimator$registry(session$boto_region_name, algorithm='xgboost')
  container <- paste(registry, '/xgboost:latest', sep='')
  container
  
  '811284229777.dkr.ecr.us-east-1.amazonaws.com/xgboost:latest'

• 定义一个Amazon SageMaker Estimator，它可以训练容器化的任意算法。在创建Estimator时，请使用以下参数：
• image_name – 在训练中使用的容器镜像
• role – Amazon SageMaker服务角色
• train_instance_count – 在训练中使用的EC2实例数量
• train_instance_type – 在训练中使用的EC2实例类型
• train_volume_size – 在训练过程中用于存储输入数据的Amazon Elastic Block Store (Amazon EBS)存储卷的容量大小（单位为GB）
• train_max_run – 训练超时（单位为秒）
• input_mode – 算法支持的输入模式
• output_path – 用于保存训练结果（包括模型工件与输出文件）的Amazon S3位置
• output_kms_key – 用于加密训练输出结果的AWS Key Management Service (AWS KMS)密钥
• base_job_name – 训练作业的名称前缀
• sagemaker_session – 负责管理与Amazon SageMaker API间交互的Session对象

  s3_output <- paste0('s3://', bucket, '/output')
  estimator <- sagemaker$estimator$Estimator(image_name = container,
                                       role = role_arn,
                                       train_instance_count = 1L,
                                       train_instance_type = 'ml.m5.large',
                                       train_volume_size = 30L,
                                       train_max_run = 3600L,
                                       input_mode = 'File',
                                       output_path = s3_output,
                                       output_kms_key = NULL,
                                       base_job_name = NULL,
                                       sagemaker_session = NULL)

Python中的None相当于R中的NULL。

• 指定 XGBoost超参数 并进行模型拟合。
  • 将训练轮数设置为100，这也是在Amazon SageMaker之外使用XGBoost库时的默认值。
  • 根据当前时间戳指定输入数据与作业名称。

    estimator$set_hyperparameters(num_round = 100L)
    
    job_name <- paste('sagemaker-train-xgboost', format(Sys.time(), '%H-%M-%S'), sep = '-')
    
    input_data <- list('train' = s3_train_input,
                       'validation' = s3_valid_input)
    
    estimator$fit(inputs = input_data,
                  job_name = job_name)

在训练完成之后，Amazon SageMaker会将模型的二进制文件（gzip压缩文件）复制至指定的Amazon S3输出位置。使用以下代码以获取完整的Amazon S3路径：

estimator$model_data

部署模型

Amazon SageMaker为用户提供一个预测入口（Endpoint），我们可以使用HTTPS请求通过安全、简单API调用以完成模型部署。要将训练完成的模型部署在ml.t2.medium实例上，请输入以下代码：

model_endpoint <- estimator$deploy(initial_instance_count = 1L,
                                   instance_type = 'ml.t2.medium')

使用模型进行预测

现在，大家可以使用测试数据进行预测。请完成以下操作步骤：

• 通过为预测入口（Endpoint）指定text/csv 与 csv_serializer，将以逗号分隔的文本传递为JSON格式，具体参见以下代码：

  model_endpoint$content_type <- 'text/csv'
  model_endpoint$serializer <- sagemaker$predictor$csv_serializer

• 删除目标列，并将前500个行数据转换为没有列名称的矩阵：

  abalone_test <- abalone_test[-1]
  num_predict_rows <- 500
  test_sample <- as.matrix(abalone_test[1:num_predict_rows, ])
  dimnames(test_sample)[[2]] <- NULL

本文只使用500行数据，以避免超出预测入口（Endpoint）上限。

• 预测并将其转换成以逗号分隔的字符串：

  library(stringr)
  predictions <- model_endpoint$predict(test_sample)
  predictions <- str_split(predictions, pattern = ',', simplify = TRUE)
  predictions <- as.numeric(predictions)

• 将预测出的圈数与测试数据集的列绑定：

  # 把预测值转换成整数
  abalone_test <- cbind(predicted_rings = as.integer(predictions), 
                        abalone_test[1:num_predict_rows, ])
  head(abalone_test)

下表所示为代码的输出结果，其将predicted_rings添加至abalone_test表当中。请注意，您的实际代码输出可能与此不同，因为步骤2中“为模型训练准备数据集”阶段内的数据集训练/验证/测试拆分属于随机拆分，所以您的拆分结果很可能与本示例有所区别。

删除预测入口（Endpoint）

在模型使用完成之后，请删除预测入口（Endpoint）以避免产生不必要的部署成本。具体参见以下代码：

session$delete_endpoint(model_endpoint$endpoint)

总结

本文引导大家完成了一个端到端机器学习项目，全面涵盖数据收集、数据处理、模型训练、将模型部署为端点、使用所部署模型进行推理等各个步骤。关于为Amazon SageMaker Jupyter notebook实例创建自定义R环境的更多信息，请参阅为Amazon SageMaker创建持久自定义R环境。关于Amazon SageMaker上的R notebook示例，请参阅Amazon SageMaker示例GitHub repo。大家也可以参考开发者指南上的《Amazon SageMaker R用户指南》以了解关于通过R使用Amazon SageMaker各项功能的详细信息。此外，也推荐大家访问AWS机器学习博客获取关于Amazon SageMaker以及其他AWS AI与机器学习服务的最新消息及更新内容。

本篇作者