Python+Spark2.0+hadoop学习笔记——Spark ML Pipeline机器学习流程

情况一：二元分类

这部分使用的数据集是判断网页是暂时的还是长青的。因为涉及到了文本的信息，所以需要进行文本的数字化和向量化。

在这部分中，机器学习分为三个部分，第一部分是建立机器学习流程pipeline，第二部分是训练，第三部分是预测。

在建立机器学习流程pipeline中包含4个阶段，如下所示：

StringIndexer：将文字的分类特征转换为数字。

OneHotEncoder：将一个数字的分类特征字段转为多个字段。

VectorAssembler：将所有的特征字段整合成一个Vector字段。

DesionTreeClassifier：进行训练并且产生模型。

训练过程是指“训练数据DataFrame”使用pipeline.fit()进行训练，然后产生pipelineModel模型。

预测过程是指“新数据DataFrame”使用pipelineModel.transform()进行预测，预测完成后会产生“预测结果DataFrame”。

这部分先使用DecisionTree Classifier Model进行预测，代码如下：

global Path
if sc.master[0:5]=="local":
Path="file:/home/jorlinlee/pythonwork/PythonProject/"
else:
Path="hdfs://master:9000/user/jorlinlee"

创建row_dr DataFrame

row_df=sqlContext.read.format("csv").option("header","true").option("delimiter","\t").load(Path+"data/train.tsv")

编写DataFrames UDF 用户自定义函数（将"?"转换为"0"）

from pyspark.sql.functions import udf

def replace_question(x):

return("0" if x=="?" else x)

replace_question=udf(replace_question)

将string数据类型转换为double数据类型

from pyspark.sql.functions import col

import pyspark.sql.types

df=row_df.select(

['url','alchemy_category'] +

[replace_question(col(colimn)).cast("double").alias(column)

for column in row_df.columns[4:]])

将数据分成train_df与test_df

train_df,test_df=df.randomSplit([0.7,0.3])
train_df.cache()
test_df.cache()

使用StringIndexer：将字符串分类特征字段转换为数值

from pyspark.ml.feature import StringIndexer

categoryIndexer=StringIndexer(inputCol='alchemy_category',outputCol="alchemy_category_Index")

categoryTransformer=categoryIndexer.fit(df)

df1=categoryTransformer.transform(train_df)

使用OneHotEncoder：将一个数值的分类特征字段转换为多个字段的Vector

from pyspark.ml.feature import OneHotEncoder

encoder=OneHotEncoder(dropLast=false,inputCol='alchemy_category_Index',outputCol="alchemy_category_IndexVec")

df2=encoder.transform(df1)

使用VectorAssembler：将多个特征字段整合成一个特征的Vector

from pyspark.ml.feature import VectorAssembler

assemblerInputs=['alchemy_category_IndexVec'] + row_df.columns[4:-1]

assembler=VectorAssembler(inputCols=assemblerInputs,outputCol="feature")

df3=assembler.transform(df2)

使用DecisionTreeClassifier二元分类

from pyspark.ml.classification import DecisionTreeClassifier

dt=DecisionTreeClassifier(labelCol="label",featuresCol="features",impurity="gini",maxDepth=10,maxBins=14)

dt_model=dt.fit(df3)

进行预测

df4=dt_model.transform(df3)

以上是分解过程，下面使用pipeline流程组件

from pyspark.ml import Pipeline
from pyspark.ml.feature import StringIndexer,OneHotEncoder,VectorAssembler
from pyspark.ml.classification import DecisionTreeClassifier

建立pipeline

stringIndexer=StringIndexer(inputCol='alchemy_category',
outputCol="alchemy_category_Index")
encoder=OneHotEncoder(dropLast=False,
inputCol='alchemy_category_Index',
outputCol="alchemy_category_IndexVec")
assemblerInputs=['alchemy_category_IndexVec']+row_df.columns[4:-1]
assembler=VectorAssembler(inputCols=assemblerInputs,outputCol="feature")
dt=DecisionTreeClassifier(labelCol="label",featuresCol="feature",impurity="gini",maxDepth=10,maxBins=14)
pipeline=Pipeline(stages=[stringIndexer,encoder,assembler,dt])

查看pipeline阶段

pipeline.getStages()

使用pipeline进行数据处理与训练

pipelineModel=pipeline.fit(train_df)

查看训练完成后的决策树模型（第3个阶段会产生决策树模型）

pipelineModel.stages[3]

使用pipelineModel.transform进行预测

predicted=pipelineModel.transform(test_df)

评估模型的准确性（使用AUC）

from pyspark.ml.evaluation import BinaryClassificationEvaluator

evaluator=BinaryClassificationEvaluator(
rawPredictionCol="rawPrediction",
labelCol="label",
metricName="areaUnderROC")

auc=evaluator.evaluate(predicted)

auc

结果是：0.617

提出改进方案：

方案一：

使用TrainValidation进行训练验证找出最佳模型

from pyspark.ml.tuning import ParamGridBuilder,TrainValidationSplit

设置训练验证的参数

paramGrid=ParamGridBuilder().addGrid(dt.impurity,["gini","entropy"]).addGrid(dt.maxDepth,[5,10,15]).addGrid(dt.maxBins,[10,15,20]).build()

创建TrainValidationSplit

tvs=TrainValidationSplit(estimator=dt,evaluator=evaluator,estimatorParamMaps=paramGrid,trainRatio=0.8)

建立tvs_pipeline

tvs_pipeline=Pipeline(stages=[stringIndexer,encoder,assembler,tvs])

使用tvs_pipeline流程进行训练验证

tvs_pipelineModel=tvs_pipeline.fit(train_df)

评估最佳模型AUC

predictions=tvs_pipelineModel.transform(test_df)

auc=evaluator.evaluate(predictions)

auc

结果：0.656

方案二：使用crossValidation交叉验证找出最佳模型

from pyspark.ml.tuning import CrossValidator

建立交叉验证的CrossValidator（与之前的paramGrid有联系）

cv=CrossValidator(estimator=dt,evaluator=evaluator,estimatorParamMaps=paramGrid,numFolds=3)

建立交叉验证的cv_pipeline

cv_pipeline=Pipeline(stages=[stringIndexer,encoder,assembler,cv])

训练模型

cv_pipelineModel=cv_pipeline.fit(train_df)

评估最佳模型AUC

predictions=cv_pipelineModel.transform(test_df)

auc=evaluator.evaluate(predictions)

auc

结果：0.658

方案三：使用随机森林RandomForestClassifier分类器

from pyspark.ml.classification import RandomForestClassifier

建立随机森林分类模型

rf=RandomForestClassifier(labelCol="label",featuresCol="feature",numTrees=10)

建立随机森林分类pipeline

rfpipeline=Pipeline(stages=[stringIndexer,encoder,assembler,rf])

对随机森林模型进行训练

rfpipelineModel=rfpipeline.fit(train_df)

使用模型进行预测

rfpredicted=rfpipelineModel.transform(test_df)

auc=evaluator.evaluate(rfpredicted)

auc

结果：0.738

使用RandomForestClassifier TrainValidation找出最佳模型

from pyspark.ml.tuning import ParamGridBuilder,TrainValidationSplit

paramGrid=ParamGridBuilder().addGrid(rf.impurity,['gini','entropy']).addGrid(rf.maxDepth,[5,10,15]).addGrid(rf.maxBins,[10,15,20]).addGrid(rf.numTrees,[10,20,30]).build()

rftvs=TrainValidationSplit(estimator=rf,evaluator=evaluator,estimatorParamMaps=paramGrid,trainRatio=0.8)

rftvs_pipeline=Pipeline(stages=[stringIndexer,encoder,assembler,rftvs])

rftvs_pipelineModel=rftvs_pipeline.fit(train_df)

rftvspredcitions=rftvs_pipelineMode.transform(test_df)

auc=evaluator.evaluate(rftvspredictions)

auc

结果是：0.760

使用crossValidation找出最佳模型

from pyspark.ml.tuning import CrossValidator,ParamGridBuilder

rfcv=CrossValidator(estimator=rf,evaluator=evaluator,estimatorParamMaps=paramGrid,numFolds=3)

rfcv_pipeline=Pipeline(stages=[stringIndexer,encoder,assembler,rfcv])

rfcv_pipelineModel=rfcv_pipeline.fit(train_df)

rfcvpredictions=rfcv_pipelineModel.transform(test_df)

auc=evaluator.evaluate(rfcvpredictions)

auc

结果：0.762

情况二：多元分类

这部分使用的数据是森林覆盖树种数据。数据中没有涉及到文本数据，因此在建立pipeline时使用VectorAssembler和相应的机器学习模型就好了。

读取数据

global path
if sc.master[0:5]=="local":
Path="file:/home/jorlinlee/pythonwork/PythonProject/"
else:
Path="hdfs://master:9000/user/jorlinlee/"

rawData=sc.textFile(Path+"data/covtype.data")
lines=rawData.map(lambda x:x.split(","))

因为这份数据最后需要转换成DataFrame形式，但是这份数据没有字段名，因此需要人工增加

from pyspark.sql.types import StringType, StructField, StructType

fields=[StructField("f"+str(i), StringType(), True) for i in range(fieldnum)]

schema=StructType(fields)

构造DataFrame

covtype_df=spark.createDataFrame(lines,schema)

将string格式转换为double

from pyspark.sql.functions import col
covtype_df=covtype_df.select([col(column).cast("double").alias(column) for column in covtype_df.columns])

创建特征字段List

featuresCols=covtype_df.columns[:54]

创建label字段

covtype_df=covtype_df.withColumn("label",covtype_df["f54"] - 1).drop("f54")

将数据分成train_df与test_df

train_df,test_df=covtype_df.randomSplit([0.7,0.3])

train_df.cache()

test_df.cache()

导入模块

from pyspark.ml import Pipeline
from pyspark.ml.feature import VectorAssembler
from pyspark.ml.classification import DecisionTreeClassifier

建立pipeline

vectorAssembler=VectorAssembler(inputCols=featuresCols,outputCol="features")
dt=DecisionTreeClassifier(labelCol="label",featuresCol="features",maxDepth=5,maxBins=20)
dt_pipeline=Pipeline(stages=[vectorAssembler,dt])

使用pipeline进行训练

pipelineModel=dt_pipeline.fit(train_df)

使用pipelinModel进行预测

from pyspark.ml.evaluation import MulticlassClassificationEvaluator

evaluator=MulticlassClassificationEvaluator(labelCol="label",predictionCol="prediction",metricName="accuracy")

predicted=pipelineModel.transform(test_df)

accuracy=evaluator.evaluate(predictions)

accuracy

结果：0.703

使用TrainValidation进行训练验证找出最佳模型

from pyspark.ml.tuning import ParamGridBuilder,TrainValidationSplit

paramGrid=ParamGridBuilder().addGrid(dt.impurity,["gini","entropy"]).addGrid(dt.maxDepth,[10,15,25]).addGrid(dt.maxBins,[30,40,50]).build()

tvs=TrainValidationSplit(estimator=dt,evaluator=evaluator,estimatorParamMaps=paramGrid,trainRatio=0.8)

tvs_pipeline=Pipeline(stages=[vectorAssembler,tvs])

tvs_pipelineModel=tvs_pipeline.fit(train_df)

predictions=tvs_pipelineModel.transform(test_df)

accuracy=evaluator.evaluate(predictions)
accuracy

结果：0.930

情况三：回归分析

这部分使用的是共享单车预测的数据。这部分在建立pipeline时使用VectorAssembler（将所有的特征字段整合成vector）、VectorIndexer（将不重复数值的数量小于等于maxCategories参数值所对应的字段视为分类字段，否则视为数值字段）和机器学习模型。

代码如下：

导入数据

global Path
if sc.master[0:5]=="local":
Path="file:/home/jorlinlee/pythonwork/PythonProject/"
else:
Path="hdfs://master:9000/user/jorlinlee/"

hour_df=spark.read.format('csv').option("header",'true').load(Path+"data/hour.csv")

去掉不重要的字段

hour_df=hour_df.drop("instant").drop("dteday").drop("yr").drop("casual").drop("registered")

数据类型变换

from pyspark.sql.functions import col

hour_df=hour_df.select([col(column).cast("double").alias(column) for column in hour_df.columns])

建立pipeline流程

from pyspark.ml import Pipeline
from pyspark.ml.feature import StringIndexer,VectorIndexer,VectorAssembler
from pyspark.ml.regression import DecisionTreeRegressor

featuresCols=hour_df.columns[:-1]

vectorAssembler=VectorAssembler(inputCols=featuresCols,outputCol="aFeatures")vectorIndexer=VectorIndexer(inputCol="aFeatures",outputCol="features",maxCategories=24)

dt=DecisionTreeRegressor(labelCol="cnt",featuresCol="features")

dt_pipeline=Pipeline(stages=[vectorAssembler,vectorIndexer,dt])

分割数据

train_df,test_df=hour_df.randomSplit([0.7,0.3])

train_df.cache()

test_df.cache()

使用pipeline进行数据处理与训练

dt_pipelineModel=dt_pipeline.fit(train_df)

predicted_df=dt_pipelineModel.transform(test_df)

评估模型的准确率

from pyspark.ml.evaluation import RegressionEvaluator

evaluator=RegressionEvaluator(labelCol='cnt',predictionCol='prediction',metricName="rmse")

predicted_df=dt_pipelineModel.transform(test_df)

rmse=evaluator.evaluate(predicted_df)

rmse

结果：95.617

使用TrainValidation进行训练验证找出最佳模型

from pyspark.ml.tuning import ParamGridBuilder,TrainValidationSplit

paramGrid=ParamGridBuilder().addGrid(dt.maxDepth,[5,10,15,25]).addGrid(dt.maxBins,[25,35,45,50]).build()

tvs=TrainValidationSplit(estimator=dt,evaluator=evaluator,estimatorParamMaps=paramGrid,trainRatio=0.8)

tvs_pipeline=Pipeline=Pipeline(stages=[vectorAssembler,vectorIndexer,tvs])

tvs_pipelineModel=tvs_pipeline.fit(train_df)

predictions=tvs_pipelineModel.transform(test_df)

rmse=evaluator.evaluate(predictions)

rmse

结果：78.285

使用crossValidation进行交叉验证找出最佳模型

from pyspark.ml.tuning import CrossValidator
from pyspark.ml import Pipeline

cv=CrossValidator(estimator=dt,evaluator=evaluator,estimatorParamMaps=paramGrid,numFolds=3)

cv_pipeline=Pipeline(stages=[vectorAssembler,vectorIndexer,cv])

cv_pipelineModel=cv_pipeline.fit(train_df)

predictions=cv_pipelineModel.transform(test_df)

rmse=evaluator.evaluate(predictions)

rmse

结果：78.457

使用GBT Regression（梯度提升树，一次只产生一棵决策树，再根据前一个决策树的结果决定如何产生下一个决策树）

from pyspark.ml.regression import GBTRegressor

gbt=GBTRegressor(labelCol='cnt',featuresCol='features')

gbt_pipeline=Pipeline(stages=[vectorAssembler,vectorIndexer,gbt])

gbt_pipelineModel=gbt_pipeline.fit(train_df)

predicted_df=gbt_pipelineModel.transform(test_df)

rmse=evaluator.evaluate(predicted_df)

rmse

结果：75.699

使用GBT Regression CrossValidation找出最佳模型

from pyspark.ml.tuning import CrossValidator,ParamGridBuilder
from pyspark.ml.evaluation import RegressionEvaluator
from pyspark.ml import Pipeline

paramGrid=ParamGridBuilder().addGrid(gbt.maxDepth,[5,10]).addGrid(gbt.maxBins,[25,40]).addGrid(gbt.maxIter,[10,50]).build()

cv=CrossValidator(estimator=gbt,evaluator=evaluator,estimatorParamMaps=paramGrid,numFolds=3)

cv_pipeline=Pipeline(stages=[vectorAssembler,vectorIndexer,cv])

cv_pipelineModel=cv_pipeline.fit(train_df)

predicted_df=cv_pipelineModel.transform(test_df)

evaluator=RegressionEvaluator(labelCol='cnt',predictionCol='prediction',metricName="rmse")

rmse=evaluator.evaluate(predicted_df)

rmse

结果：70.732