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Amazon SageMaker Model Monitor – 기계 학습 모델을 위한 완전 관리형 자동 모니터링 기능 출시 (서울 리전 포함)
Amazon SageMaker Model Monitor는 정식 서비스 환경에서 기계 학습(ML) 모델을 모니터링하고, 데이터 품질 문제가 발생했을 때 이를 알려주는 새로운 서비스입니다.
데이터 작업을 시작하면서 때 처음 깨달은 것은 데이터 품질에 아무리 주의를 기울여도 부족하다는 것입니다. 데이터베이스 중 하나에서 예기치 않은 NULL 값이나 복잡한 문자 인코딩 때문에 발생한 문제를 해결하기 위해 수많은 시간을 보낸 경험을 여러분 모두 한 번은 겪었을 거라 생각합니다.
기계 학습 모델은 말 그대로 대량의 데이터로 만들어지므로, ML 전문가들이 데이터 세트를 관리하는 데 왜 그토록 많은 시간을 투자하는지 쉽게 이해할 수 있습니다. 이들은 특히 학습 세트(모델 학습에 사용)와 검증 세트(정확도 측정에 사용)의 데이터 샘플이 동일한 통계 속성을 가지고 있는지 확인합니다.
어디서 괴물이 나타날지 모릅니다!
실험용 데이터 세트는 완벽하게 제어할 수 있지만 모델이 처리할 실제 데이터에 대해서는 확신하기 어렵습니다. 물론 실제 데이터는 정리되지 않은 상태일 것입니다. 하지만 더 걱정되는 문제는 “데이터 드리프트”, 즉 수신하는 데이터의 통계적 본질의 점진적인 변화입니다. 최소값, 최대값, 평균값, 중간값, 차이값 등은 모두 모델 학습 시 예측과 결정의 토대가 되는 핵심 속성입니다. 직관적으로 여러분도 이러한 값이 크게 변할 경우 예측 정확도에 영향을 미칠 것을 확실히 느낄 것입니다. 입력 기능이 바뀌거나 심지어 누락되어 대출 애플리케이션이 더 높은 금액을 예측한다고 상상해보십시오!
이러한 상황을 감지하는 것은 상당히 어렵습니다. 우선 모델에 수신되는 데이터를 캡처해야 하고, 이 데이터를 학습 세트와 비교하기 위해 온갖 통계적인 분석을 수행해야 합니다. 또한 드리프트를 감지하는 규칙을 정의하고 드리프트가 실제로 발생했을 때 경보도 전송해야 합니다. 여기서 끝나는 게 아니라 모델을 업데이트할 때마다 이 과정을 처음부터 다시 반복해야 합니다. 물론 ML 전문가들은 이렇게 복잡한 도구를 빌드하는 방법을 알고 있습니다. 하지만 이는 엄청난 시간과 리소스를 댓가로 얻어낼 수 있는 결과물입니다. 차별화되지 않는 일에 힘을 쏟아 붓는 상황이 반복되는 것입니다.
모든 고객이 가치를 창출하는 데 집중할 수 있도록 Amazon SageMaker Model Monitor가 탄생했습니다. 좀 더 자세히 설명해드리겠습니다.
Amazon SageMaker Model Monitor 소개
일반적인 모니터링 세션은 다음과 같은 순서를 따릅니다. 우선 모니터링할 SageMaker 엔드포인트에서 시작합니다. 엔드포인트는 기존 엔드포인트이거나 모니터링용으로 만든 새 엔드포인트일 수 있습니다. 모델이 기본 제공 알고리즘, 기본 제공 프레임워크 또는 자체 컨테이너를 사용하여 학습되었는지에 관계없이 모든 엔드포인트에서 SageMaker Model Monitor를 사용할 수 있습니다.
SageMaker SDK를 사용하여 엔드포인트로 전송된 데이터의 구성 가능한 일부를 캡처하고(원하는 경우 예측도 캡처할 수 있음) Amazon Simple Storage Service(S3) 버킷 중 하나에 저장할 수 있습니다. 캡처된 데이터에는 메타데이터(콘텐츠 유형, 타임스탬프 등)가 추가되며 다른 S3 객체와 마찬가지로 보호하고 액세스할 수 있습니다.
그런 다음 엔드포인트에 배포된 모델을 학습시키는 데 사용된 데이터 세트에서 기준선을 생성합니다(기존 기준선도 사용 가능). 이렇게 하면 Amazon SageMaker Processing 작업이 실행되고 SageMaker Model Monitor 가 다음을 수행합니다.
- 입력 데이터에 대해 스키마를 추론합니다(예: 각 기능에 대한 유형 및 완전성 정보). 검토 후 필요하면 업데이트해야 합니다.
- 사전 빌드된 컨테이너의 경우에만 Deequ를 사용하여 기능 통계를 계산합니다. Deequ는 Amazon에서 개발하여 사용 중인 Apache Spark 기반의 오픈 소스 도구입니다(블로그 게시물 및 연구 논문). 이러한 통계에는 데이터 스트림에서 정확한 분위수를 계산하는 고급 기술인 KLL sketches가 포함됩니다. 이 기술은 최근에 Deequ에 제공한 기술입니다.
이러한 아티팩트를 사용하여 다음 단계에서는 SageMaker Model Monitor가 수집된 데이터와 예측 품질을 검사할 수 있게 모니터링 일정을 시작해야 합니다. 기본 제공 컨테이너 또는 사용자 지정 컨테이너를 사용하는지에 관계없이 몇 가지 기본 제공 규칙이 적용되고 Amazon S3로 보고서가 정기적으로 푸시됩니다. 보고서에는 가장 최근 기간 동안 수신된 데이터에 대한 통계 및 스키마 정보뿐 아니라 감지된 모든 위반 사항이 포함됩니다.
마지막으로 SageMaker Model Monitor는 기능별 메트릭을 대시보드와 경보를 설정하는 데 사용할 수 있는 Amazon CloudWatch로 보냅니다. CloudWatch에 있는 요약 메트릭은 SageMaker Studio에서도 볼 수 있으며, 두말 할 필요 없이 모든 통계, 모니터링 결과 및 수집된 데이터는 노트북에서 보고 추가적으로 분석할 수 있습니다.
AWS CloudFormation을 사용하여 SageMaker Model Monitor를 사용하는 방법에 대한 자세한 내용 및 예를 보려면 개발자 안내서를 참조하십시오.
이제 기본 제공 XGBoost 알고리즘을 사용하여 학습된 churn prediction 모델을 사용하는 데모를 살펴보겠습니다.
데이터 캡처 활성화
첫 번째 단계는 데이터 캡처를 활성화하기 위해 엔드포인트 구성을 생성하는 것입니다. 이 데모에서는 수신 데이터뿐 아니라 모델 출력(예: 예측)도 100% 캡처하도록 설정하겠습니다. 그리고 CSV 및 JSON 데이터 콘텐츠 유형도 전달합니다.
data_capture_configuration = {
"EnableCapture": True,
"InitialSamplingPercentage": 100,
"DestinationS3Uri": s3_capture_upload_path,
"CaptureOptions": [
{ "CaptureMode": "Output" },
{ "CaptureMode": "Input" }
],
"CaptureContentTypeHeader": {
"CsvContentTypes": ["text/csv"],
"JsonContentTypes": ["application/json"]
}다음으로 일반적인 CreateEndpoint API를 사용하여 엔드포인트를 생성합니다.
create_endpoint_config_response = sm_client.create_endpoint_config(
EndpointConfigName = endpoint_config_name,
ProductionVariants=[{
'InstanceType':'ml.m5.xlarge',
'InitialInstanceCount':1,
'InitialVariantWeight':1,
'ModelName':model_name,
'VariantName':'AllTrafficVariant'
}],
DataCaptureConfig = data_capture_configuration)기존 엔드포인트인 경우 엔드포인트 구성을 원활하게 업데이트하기 위해 UpdateEndpoint API를 사용해야 합니다.
엔드포인트를 반복적으로 호출하고 나면 S3에 캡처된 데이터를 볼 수 있습니다. 명확하게 볼 수 있게 출력을 편집했습니다.
$ aws s3 ls --recursive s3://sagemaker-us-west-2-123456789012/sagemaker/DEMO-ModelMonitor/datacapture/DEMO-xgb-churn-pred-model-monitor-2019-11-22-07-59-33/AllTrafficVariant/2019/11/22/08/24-40-519-9a9273ca-09c2-45d3-96ab-fc7be2402d43.jsonl AllTrafficVariant/2019/11/22/08/25-42-243-3e1c653b-8809-4a6b-9d51-69ada40bc809.jsonl
다음은 이러한 파일 중 하나에서 가져온 줄입니다.
"endpointInput":{
"observedContentType":"text/csv",
"mode":"INPUT",
"data":"132,25,113.2,96,269.9,107,229.1,87,7.1,7,2,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,0,1,0,1,0,0,1",
"encoding":"CSV"
},
"endpointOutput":{
"observedContentType":"text/csv; charset=utf-8",
"mode":"OUTPUT",
"data":"0.01076381653547287",
"encoding":"CSV"}
},
"eventMetadata":{
"eventId":"6ece5c74-7497-43f1-a263-4833557ffd63",
"inferenceTime":"2019-11-22T08:24:40Z"},
"eventVersion":"0"}
예상한 것과 비슷하게 결과가 나왔습니다. 이제 이 모델의 기준선을 생성하겠습니다.
모니터링 기준선 생성
이 단계는 매우 간단합니다. 기준선 데이터 세트의 위치와 결과를 저장할 위치를 전달하면 됩니다.
from processingjob_wrapper import ProcessingJob
processing_job = ProcessingJob(sm_client, role).
create(job_name, baseline_data_uri, baseline_results_uri)
이 작업을 완료하면 S3에서 새 객체 2개를 볼 수 있는데 하나는 통계 객체이고 다른 하나는 제약 조건 객체입니다.
aws s3 ls s3://sagemaker-us-west-2-123456789012/sagemaker/DEMO-ModelMonitor/baselining/results/
constraints.json
statistics.jsonconstraints.json 파일은 교육 데이터 세트에 대해 추론된 스키마의 정보를 제공합니다(정확한지 확인 필요). 각 기능의 유형 및 기능이 항상 표시되는지 여부에 대한 정보도 볼 수 있습니다(여기서 1.0은 100%를 의미함). 다음은 처음 몇 개의 줄입니다.
{
"version" : 0.0,
"features" : [ {
"name" : "Churn",
"inferred_type" : "Integral",
"completeness" : 1.0
}, {
"name" : "Account Length",
"inferred_type" : "Integral",
"completeness" : 1.0
}, {
"name" : "VMail Message",
"inferred_type" : "Integral",
"completeness" : 1.0
}, {
"name" : "Day Mins",
"inferred_type" : "Fractional",
"completeness" : 1.0
}, {
"name" : "Day Calls",
"inferred_type" : "Integral",
"completeness" : 1.0이 파일의 맨 끝에는 CloudWatch 모니터링에 대한 구성 정보(켜기/끄기, 드리프트 임계값 설정 등)가 나옵니다.
"monitoring_config" : {
"evaluate_constraints" : "Enabled",
"emit_metrics" : "Enabled",
"distribution_constraints" : {
"enable_comparisons" : true,
"min_domain_mass" : 1.0,
"comparison_threshold" : 1.0
}
}statistics.json 파일에는 각 기능의 서로 다른 통계(중간값, 평균값, 분위수 등)는 물론 엔드포인트에 수신된 고유한 값이 표시됩니다. 다음은 한 가지 예제입니다.
"name" : "Day Mins",
"inferred_type" : "Fractional",
"numerical_statistics" : {
"common" : {
"num_present" : 2333,
"num_missing" : 0
},
"mean" : 180.22648949849963,
"sum" : 420468.3999999996,
"std_dev" : 53.987178959901556,
"min" : 0.0,
"max" : 350.8,
"distribution" : {
"kll" : {
"buckets" : [ {
"lower_bound" : 0.0,
"upper_bound" : 35.08,
"count" : 14.0
}, {
"lower_bound" : 35.08,
"upper_bound" : 70.16,
"count" : 48.0
}, {
"lower_bound" : 70.16,
"upper_bound" : 105.24000000000001,
"count" : 130.0
}, {
"lower_bound" : 105.24000000000001,
"upper_bound" : 140.32,
"count" : 318.0
}, {
"lower_bound" : 140.32,
"upper_bound" : 175.4,
"count" : 565.0
}, {
"lower_bound" : 175.4,
"upper_bound" : 210.48000000000002,
"count" : 587.0
}, {
"lower_bound" : 210.48000000000002,
"upper_bound" : 245.56,
"count" : 423.0
}, {
"lower_bound" : 245.56,
"upper_bound" : 280.64,
"count" : 180.0
}, {
"lower_bound" : 280.64,
"upper_bound" : 315.72,
"count" : 58.0
}, {
"lower_bound" : 315.72,
"upper_bound" : 350.8,
"count" : 10.0
} ],
"sketch" : {
"parameters" : {
"c" : 0.64,
"k" : 2048.0
},
"data" : [ [ 178.1, 160.3, 197.1, 105.2, 283.1, 113.6, 232.1, 212.7, 73.3, 176.9, 161.9, 128.6, 190.5, 223.2, 157.9, 173.1, 273.5, 275.8, 119.2, 174.6, 133.3, 145.0, 150.6, 220.2, 109.7, 155.4, 172.0, 235.6, 218.5, 92.7, 90.7, 162.3, 146.5, 210.1, 214.4, 194.4, 237.3, 255.9, 197.9, 200.2, 120, ...이제 엔드포인트 모니터링을 시작해 보겠습니다.
엔드포인트 모니터링
이번에도 API를 한 번만 호출하면 됩니다. 엔드포인트에 대한 모니터링 일정을 생성하고 기준선 데이터 세트에 대한 제약 조건 파일과 통계 파일을 전달하면 됩니다. 데이터와 예측을 조정하려는 경우에는 필요에 따라 사전 처리 및 사후 처리 함수도 전달할 수 있습니다.
ms = MonitoringSchedule(sm_client, role)
schedule = ms.create(
mon_schedule_name,
endpoint_name,
s3_report_path,
# record_preprocessor_source_uri=s3_code_preprocessor_uri,
# post_analytics_source_uri=s3_code_postprocessor_uri,
baseline_statistics_uri=baseline_results_uri + '/statistics.json',
baseline_constraints_uri=baseline_results_uri+ '/constraints.json'
)그런 후 엔드포인트에 가짜 데이터(예: 임의 값으로 만든 샘플)를 전송하고 SageMaker 모델 모니터가 보고서를 생성할 때까지 기다립니다. 엄청 긴장되는 순간입니다!
보고서 검사
얼마 지나지 않아 S3에 보고서가 표시됩니다.
mon_executions = sm_client.list_monitoring_executions(MonitoringScheduleName=mon_schedule_name, MaxResults=3)
for execution_summary in mon_executions['MonitoringExecutionSummaries']:
print("ProcessingJob: {}".format(execution_summary['ProcessingJobArn'].split('/')[1]))
print('MonitoringExecutionStatus: {} \n'.format(execution_summary['MonitoringExecutionStatus']))
ProcessingJob: model-monitoring-201911221050-df2c7fc4
MonitoringExecutionStatus: Completed
ProcessingJob: model-monitoring-201911221040-3a738dd7
MonitoringExecutionStatus: Completed
ProcessingJob: model-monitoring-201911221030-83f15fb9
MonitoringExecutionStatus: Completed 모니터링 작업 중 하나에 대한 보고서를 찾아보겠습니다.
desc_analytics_job_result=sm_client.describe_processing_job(ProcessingJobName=job_name)
report_uri=desc_analytics_job_result['ProcessingOutputConfig']['Outputs'][0]['S3Output']['S3Uri']
print('Report Uri: {}'.format(report_uri))
Report Uri: s3://sagemaker-us-west-2-123456789012/sagemaker/DEMO-ModelMonitor/reports/2019112208-2019112209보고서에 어떤 내용이 있을까요?
aws s3 ls s3://sagemaker-us-west-2-123456789012/sagemaker/DEMO-ModelMonitor/reports/2019112208-2019112209/
constraint_violations.json
constraints.json
statistics.json예상대로 constraints.json과 statistics.json에는 모니터링 작업을 통해 처리된 데이터 샘플에 대한 스키마 정보와 통계 정보가 포함되어 있습니다. 세 번째 파일인 constraints_violations.json을 직접 열어보겠습니다.
violations" : [ {
"feature_name" : "State_AL",
"constraint_check_type" : "data_type_check",
"description" : "Value: 0.8 does not meet the constraint requirement! "
}, {
"feature_name" : "Eve Mins",
"constraint_check_type" : "baseline_drift_check",
"description" : "Numerical distance: 0.2711598746081505 exceeds numerical threshold: 0"
}, {
"feature_name" : "CustServ Calls",
"constraint_check_type" : "baseline_drift_check",
"description" : "Numerical distance: 0.6470588235294117 exceeds numerical threshold: 0"
}이런! 정수 기능에 부동 소수점 값을 잘못 할당한 것 같군요. 이렇게 되면 문제가 생길 수밖에 없습니다.
일부 기능에서도 드리프트가 나타나고 있는데, 이 또한 좋은 결과가 아닙니다. 데이터 수집 프로세스에서 문제가 있었거나 데이터 배분이 실제로 변경되었을 수 있으므로 모델을 다시 학습해야 합니다. 이 모든 정보를 CloudWatch 메트릭으로 사용할 수 있기 때문에 임계값을 정의하거나, 알람을 설정하거나, 새로운 교육 작업을 자동으로 트리거할 수도 있습니다.
지금 이용 가능
보시다시피 Amazon SageMaker Model Monitor는 설정하기 쉽고 ML 모델의 품질 문제점을 빠르게 파악할 수 있게 도와줍니다.
이제 여러분도 Amazon SageMaker를 사용할 수 있는 모든 상용 리전에서 지금 바로 Amazon SageMaker Model Monitor를 사용해볼 수 있습니다. 이 기능은 Amazon의 ML 프로젝트 워크벤치인 Amazon SageMaker Studio에도 통합되어 있습니다. 마지막으로, 모든 정보는 쥬피터 노트북에서 보고 추가적으로 분석할 수 있습니다.
사용해 보시고 피드백이 있으면 Amazon SageMaker에 대한 AWS 포럼 또는 평소에 연락하는 AWS Support 담당자를 통해 알려주시기 바랍니다.