Стандартный план любого хакатона v

R, один из популярнейших языков программирования среди data scientist'ов, получает все большую и большую поддержку как среди opensource-сообщества, так и среди частных компаний, которые традиционно являлись разработчиками проприетарных продуктов. Среди таких компаний – Microsoft, чья интенсивно увеличивающая поддержка языка R в своих продуктах/сервисах, привлекла к себе и мое внимание.

Одним из «локомотивов» интеграции R с продуктами Майкрософт является облачная платформа Microsoft Azure. Кроме того, появился отличный повод повнимательнее взглянуть на связку R + Azure – это проходящий в эти выходные (21-22 мая) хакатон по машинному обучению, организованный Microsoft.

Хакатон – мероприятие, где кофе время чрезвычайно ценный ресурс. В контексте этого я ранее писал о best practices обучения моделей в Azure Machine Learning. Но Azure ML – это не инструмент для прототипирования; это скорее сервис для создания продукта с SLA со всеми вытекающими отсюда затратами как на время разработки, так и на стоимость владения.

R же прекрасно подходит для создания прототипов, для копания (mining) в данных, для быстрой проверки своих гипотез – то есть
всего того, что нам нужно на такого типа соревнованиях! Ниже я расскажу, как использовать всю мощь R в Azure – от создания прототипа до публикации готовой модели в Azure Machine Learning.

0. Microsoft love R

Сразу определимся со списком продуктов/сервисов Microsoft, которые нам позволят работать с R:

1. Microsoft R Server / R Server для Azure HDInsight
   
2. Data Science VM
   
3. Azure Machine Learning
   
4. SQL Server R Services
   
5. Power BI
   
6. R Tools for Visual Studio
   

И (о радость!) продукты 1-3 нам доступны в Azure по модели IaaS/PaaS. Рассмотрим их по очереди.

1. Microsoft R Server (+ для Azure HDInsight)

После покупки в прошлом году небезызвестной Revolution Analytics, Revolution R Open (RRO) и Revolution R Enterprise (RRE) были переименованы в Microsoft R Open (MRO) и Microsoft R Server, соответственно. Сейчас Microsoft R Server – хорошо сложенная экосистема, состоящая как из opensource-продуктов, так и проприетарных модулей Revolution Analytics.


Источник

Центральное место занимает R+CRAN, гарантируется 100%-ая совместимость как с языком R, так и совместимость с существующими пакетами. Еще один центральный компонент R Server – Microsoft R Open, представляющий собой среду выполнения с улучшенными показателями скорости работы с матрицами, математическими функциями, улучшенную поддержку многопоточности.

Модуль ConnectR позволяет получать доступ к данным, хранящимся в Hadoop, Teradata Database и др.

R Server для Azure HDInsight добавляет ко всему возможность выполнять R-скрипты непосредственно на Spark-кластере в облаке Azure. Таким образом, решена проблема того, что данные не помещаются в RAM машины, локально, по отношению которой, исполняется R-скрипт. Инструкция прилагается.

Сам же Azure HDInsight – облачный сервис, предоставляющий Hadoop/Spark-кластер по требованию. Так как это сервис, то из задач администрирования стоит только развертывание и удаления кластера. Все! Ни секунды потраченного времени на конфигурацию кластера, установку обновлений, настройку доступов и т.п.

2. Data Science VM

Если вам вдруг захотелось: 32x CPU, 448Gb RAM, ~0.5 TB SSD с предустановленными и сконфигурированными:

• Microsoft R Server Developer Edition,
  
• Anaconda Python distribution,
  
• Jupyter Notebooks для Python и R,
  
• Visual Studio Community Edition с Python и R Tools,
  
• Power BI desktop,
  
• SQL Server Express edition.
  

Если Вы собирайтесь писать на R, Python, C# и использовать SQL. А потом еще решили, что вам не помешает xgboost, Vowpal Wabbit, CNTK (open source deep learning library от Microsoft Research). Тогда Data Science Virtual Machine то, что вам нужно — там предуставновлены и готовы к работе все перечисленные выше продукты и не только. Развертывание несложное, но и для него есть инструкция.

3. Azure Machine Learning

Azure Machine Learning (Azure ML) – облачный сервис для выполнения задач, связанных с машинным обучением. Почти наверняка Azure ML будет центральным сервисом, которым вы будете пользоваться, в случае, если захотите обучить модель, в облаке Azure.

Подробный рассказ про Azure ML не входит в цели данного поста, в тем более, что о сервисе уже достаточно написано: Azure ML для Data Scientist’ов, Best Practices обучения модели в Azure ML. Сконцентрируемся на следующей задаче: организация командной работы с максимально безболезненным переносом R-скриптов с локального компьютера в Azure ML Studio.

3.1. Начальные требования

Для задуманного понадобятся следующие бесплатные программные продукты:

• Для консерваторов: R (runtime), R Studio (IDE).
  
• Для демократов: R (runtime), Microsoft R Open (runtime), Visual Studio Community 2015 (IDE), R Tools для Visual Studio (IDE extension).
  

Для работы в Azure понадобится активная подписка Microsoft Azure.

3.2. Начало работы: collaboration everything

Один workspace в Azure ML на всех

Создаем один(!) на всю команду workspace в Azure ML и расшариваем его между всеми участниками команды.

Один репозиторий кода на всех

Создаем один облачный Team Project (TFS в Azure) / репозиторий в GitHub и также расшариваем его на всю команду.

Думаю, очевидно, что теперь часть команды, работающая над одной задачей хакатона, делает коммиты в один репозиторий, коммитит фичи в бранчи, бранчи мержит в мастер – в общем идет нормальная командная работа над кодом.

Один набор начальных данных на всех

Зайдите в Azure ML Studio (web IDE), перейдите на вкладку «Datasets» и загрузите набор изначальных данных в облако. Сгенерируйте код доступа (Data Access Code) и разошлите его команде.

Так выглядит интерфейс загрузки данных в Azure ML Studio:




Листинг 1. R-скрипт для загрузки данных
library("AzureML")

ws <- workspace(
id = "<workspace_id>",
auth = "<auth_token>",
api_endpoint = "https://europewest.studioapi.azureml.net")
data.raw <- download.datasets(
dataset = ws,
name = "ML-Hackathon-2016-dataset")


3.3. Jupyter Notebook: выполнение R-скриптов в облаке и визуализация результатов

После того, как дата, код и проект в Azure ML оказались в общем для всей команды доступе, пора научиться делиться визуальными результатами исследования.
Традиционно для этой задачи data science community любит использовать Jupyter Notebook – клиент-серверное веб-приложение, позволяющее разработчику объединить в рамках единого документа: код (R, Python), результаты его выполнения (в т.ч. графики) и rich-text-пояснения к нему.

Создадим в Azure ML документы Jupyter Notebook:

1. Создаем отдельный документ Jupyter Notebook на участника.
   
2. Заливаем единый расшаренный начальный набор данных из Azure ML (код из листинга 1). Код работает и при запуске из локальной R Studio, поэтому ничего нового для Jupyter Notebook писать не надо – просто берем и копируем код из R Studio.
   
   
   
   
3. Делимся ссылкой на документ Jupyter Notebook с командой, кидаемся ка обсуждаем, дополняем непосредственно в Jupyter Notebook.
   

В результате на каждую задачу хакатона должны получиться несколько Jupyter Notebook документов:

• содержащих R-скрипты и результаты их выполнения;
  
• над которыми пофантазировала-подумала вся команда;
  
• с полным flow: от загрузки данных до результата применения алгоритма машинного обучения.
  

Вот так это выглядит у меня:

3.4. Prototype to Production

На этом этапе у нас есть несколько исследований, по которым получен приемлемый результат и соответствующие этим исследованиям:

• в GitHub/Team Project: бранчи с R-скриптами;
  
• в Jupyter Notebook: несколько документом с обсужденными в команде результатами того, что получилось.
  

Следующий шаг – создание в Azure ML Studio экспериментов (вкладка «Experiments») – далее AzureML-экспериментов.

На этом этапе необходимо придерживаться следующих best practices при переносе R-кода в AzureML-эксперимент:

Модули:

1. По возможности не используйте встроенный модуль «Execute R script» как контейнер для выполнения R кода: у него нет поддержки версионности (сделанные внутри модуля изменения кода нельзя откатить), модуль в совокупности с R кодом не может быть переиспользован в рамках другого эксперимента.
   
2. Используйте возможность загружать пользовательские R-пакеты (Custom R Module) в Azure ML (о процессе загрузки ниже). Custom R Module имеют уникальное имя, описание модуля, модуль можно переиспользовать в рамках различных AzureML-экспериментов.
   

R-скрипты:

1. Организуйте R-скрипты внутри R-модулей как набор функций с одной точкой входа.
   
2. Переносите в Azure ML в виде R-кода только тот функционал, который невозможно/сложно воспроизвести с помощью встроенных модулей Azure ML Studio.
   
3. R-код в модулях выполняется со следующими ограничениями: отсутствует доступ к persistence-хранилищу и сетевому соединению.
   

В соответствии с правилами выше перенесем наш R-код в AzureML-эксперимент. Для нам необходим zip-архив, состоящий из 2-ух файлов:

1. .R-файл, содержащий код, который мы собираемся перенести в облако.
   
   Пример с поиском/фильтрацией выбросов в данных

   PreprocessingData <- function(dataset1, dataset2, swap = F, color = "red") {
# do something
# ...

# detecting outliners
range <- GetOutlinersRange(dataset1$TransAmount)
ds <- dataset1[dataset1$TransAmount >= range[["Lower"]] &
dataset1$TransAmount < range[["Upper"]], ]

return(ds)
}

# outlines detection for normal distributed values
GetOutlinersRange <- function(values, na.rm = F) {
# interquartile range: IQ = Q3 - Q1
Q1 = quantile(values, probs = c(0.25), na.rm = na.rm)
Q3 = quantile(values, probs = c(0.75), na.rm = na.rm)
IQ = Q3 - Q1

# outliners interval: [Q1 - 1.5IQR, Q3 + 1.5IQR]
range <- c(Q1 - 1.5*IQ, Q3 + 1.5*IQ)
names(range) <- c("Lower", "Upper")

return(range)
}
   
   
   
2. Xml-файл, содержащий определение/метаданные нашей R-функции.
   
   Пример (раздел Arguments просто для «широты» примера)

   <Module name="Preprocessing dataset">
<Owner>Dmitry Petukhov</Owner>
<Description>Preprocessing dataset for ML Hackathon Demo.</Description>
<!-- Specify the base language, script file and R function to use for this module. -->
<Language name="R" entryPoint="PreprocessingData " sourceFile="PreprocessingData.R" />
<!-- Define module input and output ports -->
<Ports>
<Input id="dataset1" name="Dataset 1" type="DataTable">
<Description>Transactions Log</Description>
</Input>
<Input id="dataset2" name="Dataset 2" type="DataTable">
<Description>MCC List</Description>
</Input>

<Output id="dataset" name="Dataset" type="DataTable">
<Description>Processed dataset</Description>
</Output>
<Output id="deviceOutput" name="View Port" type="Visualization">
<Description>View the R console graphics device output.</Description>
</Output>
</Ports>
<!-- Define module parameters -->
<Arguments>
<Arg id="swap" name="Swap" type="bool" >
<Description>Swap input datasets.</Description>
</Arg>
<Arg id="color" name="Color" type="DropDown">
<Properties default="red">
<Item id="red" name="Red Value"/>
<Item id="green" name="Green Value"/>
<Item id="blue" name="Blue Value"/>
</Properties>
<Description>Select a color.</Description>
</Arg>
</Arguments>
</Module>
   

Загрузим полученный архив через Azure ML Studio. И выполним эксперимент, убедившись, что скрипт отработал и мы обучили модель.



Теперь можно улучшить существующий модуль, загрузить новый, устроить соревнование между ними – в общем пользоваться благами инкапсуляции и модульной структуры.

Заключение

По моему мнению R экстремально эффективен в прототипировании, и от этого он прекрасно себя зарекомендовал на различного типа data science хакатонах. В то же время между прототипом и продуктом существует труднопреодолимая пропасть в таких вещах как масштабируемость, доступность, надежность.

Используя инструментарий Azure для R, мы довольно долго можем балансировать на грани между гибкостью R и надежностью + другими бенефитами, которые нам дает Azure ML.

И еще…

Приходите на хакатон по Azure Machine Learning (о нем я писал в начале) и попробуйте все это сами, пообщайтесь с экспертами и единомышленниками убейте себе выходные. Меня также там можно будет найти (в жюри).

Кроме того, для тех кому будет мало офлайн общения, приглашаю в теплый ламповый slack-чат, где участники хакатона смогут задавать вопросы, делится с друг другом опытом, а после хакатона рассказать о своем ML-решении и продолжать поддерживать профессиональные связи.

Стучитесь ко мне за инвайтом в slack через личные сообщения в Хабре или по любому из контактов, который найдете в моем блоге (ссылку ставить не буду – через профиль на Хабре найти его не составит труда).