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Terminei a modelagem, e agora?

André Oliveira e Vivian Yamassaki

Python Brasil 2021

Sobre nós :)

Mestra em Sistemas de Informação pela USP
Data Scientist na Creditas
Co-organizadora da MIA (Mulheres em Inteligência Artificial)

Graduado em Engenharia de Automação e Controle pela FEI
MBA em IA e Machine Learning pela FIAP
Machine Learning Specialist na Creditas

Com o aumento das vagas na área de Dados, também tivemos um aumento no oferecimento de cursos na área

Fonte: Google Trends

Interesse pelo termo "Data Science" aqui no Brasil

Com o aumento das vagas na área de Dados, também tivemos um aumento no oferecimento de cursos na área

Mas nem todos passam por todas as etapas de um fluxo de Data Science...

Entendimento do problema

Coleta e limpeza dos dados

Análise exploratória

Feature Engineering

Modelagem

Avaliação dos resultados

Deploy do modelo

Antes de chegarmos do deploy, vamos falar de algumas coisas que precisamos fazer antes disso...

Para isso, vamos utilizar como exemplo o famoso desafio do Titanic!

Quem quiser, pode pegar os dados aqui:

https://www.kaggle.com/c/titanic

Para esse exemplo, vamos considerar apenas algumas variáveis

Primeira coisa que precisamos fazer: cuidar da feature engineering!

Como podemos fazer a normalização de dados que chegam em produção?

Primeira coisa que precisamos fazer: cuidar da feature engineering!

Como podemos tratar valores faltantes que chegam no modelo?

Primeira coisa que precisamos fazer: cuidar da feature engineering!

O que fazer quando recebemos um valor categórico desconhecido pelo modelo?

Primeira coisa que precisamos fazer: cuidar da feature engineering!

Supondo que fizemos uma transformação utilizando o MixMaxScaler em nosso conjunto de treinamento

Precisamos de alguma forma salvar a forma como essa transformação foi feita para que seja replicada em produção!

Pickle

Normalização de dados

Isso pode ser feito salvando o scaler como um objeto binário

from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler
import pickle

scaler = MinMaxScaler()

scaler.fit(df)

with open("models/scaler.pkl", "wb") as pickle_file:
  pickle.dump(scaler, pickle_file)

Normalização de dados

Podemos fazer isso da seguinte forma:

Tratamento de valores faltantes

Pensando em produção, não podemos simplesmente fazer o seguinte tratamento de valores faltantes:

df["Age"].fillna(df["Age"].median(), inplace=True)

Assim, temos algumas alternativas:

median_age = 35

df['Age'].fillna(median_age, inplace=True)

Salvar o valor da mediana do conjunto de treinamento para cada variável

Tratamento de valores faltantes

Assim, temos algumas alternativas:

2. Criar um imputer para calcular a mediana e usá-la para preencher valores faltantes (aqui estamos usando o SimpleImputer)

from sklearn.impute import SimpleImputer
import pickle
import pandas as pd

imputer = SimpleImputer(strategy='median')

imputer.fit(df)

with open("models/imputer.pkl", "wb") as pickle_file:
  pickle.dump(imputer, pickle_file)

Tratamento de valores faltantes

Para valores categóricos desconhecidos pelo modelo, temos duas alternativas

Vamos querer que ele retorne um erro caso receba um valor desconhecido
Valor querer que ele gere uma predição, por mais que receba um valor desconhecido

Tratamento de dados categóricos - One-hot encoding

import pandas as pd
from sklearn.preprocessing import OneHotEncoder
import pickle

enc = OneHotEncoder(handle_unknown='ignore', drop='if_binary')
enc.fit(df['Sex'].values.reshape(-1, 1))

with open("models/ohe.pkl", "wb") as pickle_file:
  pickle.dump(enc, pickle_file)

Para o segundo caso, podemos utilizar o OneHotEncoder e criá-lo de modo que ele ignore valores desconhecidos:

Tratamento de dados categóricos - One-hot encoding

Pipeline é uma classe do Scikit-learn que permite que as transformações da feature engineering sejam feitas na sequência uma das outras.

Para isso, cada uma das transformações será feita em arquivos separados e terá métodos de fit e transform.

Uma coisa importante que também usamos para organizar a feature engineering são os Pipelines

As vantagens de se utilizar pipelines são:

Permitir que seja criado um padrão que possa ser entendido por outras pessoas do time
Permitir a organização da feature engineering

Uma coisa importante que também usamos para organizar a feature engineering são os Pipelines

from abc import ABC

from sklearn.pipeline import Pipeline

from missing_imputer import MissingValuesImputer
from numerical_scaler import NumericalFeaturesScaler
from ohe_transformer import OneHotEncode


class FeatureEngineering(ABC):

    def get_pipeline(self):
        return Pipeline(
            [
                ("ohe", OneHotEncode()),
                ("missing_imputer", MissingValuesImputer()),
                ("numerical_scaler", NumericalFeaturesScaler(numerical_features=['Age', 'Fare', 'Pclass'])),

            ]
        )

Para o nosso exemplo, podemos ter esse pipeline:

from sklearn.base import BaseEstimator, TransformerMixin
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler
import pickle


class NumericalFeaturesScaler(BaseEstimator, TransformerMixin):

    def __init__(self, numerical_features):
        self.features = numerical_features
        self.scaler = self.load_numerical_features_scaler()

    def fit(self, df):
        self.scaler.fit(df[self.features])

        with open("models/scaler.pkl", "wb") as pickle_file:
            pickle.dump(self.scaler, pickle_file)

        return self

    def transform(self, df):
        df[self.features] = self.scaler.transform(df[self.features])

        return df

    def load_numerical_features_scaler(self):
        try:
            with open("models/scaler.pkl", "rb") as pickle_file:
                return pickle.load(pickle_file)
        except FileNotFoundError:
            return MinMaxScaler()

Cada um dos transformers vai ter as transformações necessárias para a feature engineering

from abc import ABC

from sklearn.pipeline import Pipeline

from missing_imputer import MissingValuesImputer
from numerical_scaler import NumericalFeaturesScaler
from ohe_transformer import OneHotEncode


class FeatureEngineering(ABC):

    def get_pipeline(self):
        return Pipeline(
            [
                ("ohe", OneHotEncode()),
                ("missing_imputer", MissingValuesImputer()),
                ("numerical_scaler", NumericalFeaturesScaler(numerical_features=['Age', 'Fare', 'Pclass'])),

            ]
        )

Note que a ordem do pipeline é importante!

Como saída desse pipeline, teríamos o seguinte conjunto de treinamento:

import pandas as pd
import pickle
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
from feature_engineering_pipeline import FeatureEngineering


def main():
    train = pd.read_csv('data/train.csv')
    X_train = train.drop(['Survived'], axis=1)
    y_train = train['Survived']

    X_test = pd.read_csv('data/test.csv')

    features = ['Pclass', 'Age', 'Sex', 'Fare']
    X_train = X_train[features]
    X_test = X_test[features]

    feature_engineering_pipeline = FeatureEngineering().get_pipeline()
    X_train = feature_engineering_pipeline.fit_transform(X_train)

    X_test = feature_engineering_pipeline.transform(X_test)

    X_train.to_csv('data/train_after_feature_engineering.csv', index=False)
    X_test.to_csv('data/test_after_feature_engineering.csv', index=False)

    model = LogisticRegression(random_state=42)

    model.fit(X_train, y_train)

    with open('models/model.pkl', 'wb') as pickle_file:
        pickle.dump(model, pickle_file)


if __name__ == '__main__':
    main()

Além de salvar as transformações da feature engineering, também é importante salvar o modelo!!!

Quando executamos esse código, temos um arquivo do modelo salvo no formato pickle e conseguimos utilizá-lo posteriormente sem depender de um notebook :)

Mas podemos utilizá-lo em notebooks também se assim quisermos!

O TL;DR então é

Salve o modelo e as transformações feitas na feature engineering (preenchimento de valores faltantes, normalizações dos dados e tratamento de valores categóricos)!

Use pipelines para facilitar o entendimento e a organização da feature engineering.

Hora de implantar o modelo!

Vamos apresentar apenas uma de muitas formas possíveis para implantar o modelo. Alguns casos de usos podem precisar de algumas alterações.

Hora de implantar o modelo!

Etapas para implantação do modelo

Scripts da Feature Engineering

Serviço de predição

"Dockerização"

Implantação do modelo

Integração/Entrega Contínua

Serviço de predição

Serviço de predição usando FastAPI

import os
import logging

import pandas as pd
from fastapi.responses import JSONResponse
import uvicorn
from fastapi import FastAPI
from typing import List

from predictor.pipeline.predictor import Predictor
from predictor.serializers.response import ResponseSerializer
from predictor.serializers.passenger import Passenger
from predictor.settings import CONFIGS
from feature_engineering.feature_engineering_pipeline import FeatureEngineering

logger = logging.getLogger(__name__)

app = FastAPI()


@app.get('/health', status_code=200)
def health_check():
    return JSONResponse({"status": "healthy"})


@app.post('/predict')
async def predict(data: List[Passenger]):
    ids, raw_data = to_dataframe(data)
    processed_data = FeatureEngineering(CONFIGS['numerical_features']).transform(raw_data)
    predictions = Predictor(CONFIGS['model_path']).predict(processed_data)
    return ResponseSerializer().serialize(ids, predictions)


def to_dataframe(data: List[Passenger]) -> pd.DataFrame:
    id_column = CONFIGS['id']
    df = pd.DataFrame([vars(passenger) for passenger in data])
    return df[id_column], df.drop(id_column, axis=1)


if __name__ == "__main__":
    uvicorn.run(
        "app:app",
        host='0.0.0.0',
        port=os.environ.get('PORT', 8000),
        log_level=os.environ.get('LOGLEVEL', 'info').lower()
    )

Instalação das dependências com Pipfile

[[source]]
url = "https://pypi.python.org/simple"
verify_ssl = true
name = "pypi"

[packages]
# test requirements
pytest = "*"
pytest-cov = "*"
pytest-asyncio = "*"
# service requirements
fastapi = "*"
uvicorn = {extras = ["standard"], version = "*"}
gunicorn = "*"
pylint = "*"
# model requirements
scikit-learn = "==1.0"
pandas = "*"
numpy = "*"

[dev-packages]
jupyterlab = "*"

[requires]
python_version = "3.7"

Dockerização

FROM python:3.7-slim-buster

RUN mkdir /home/app
WORKDIR /home/app
COPY Pipfile .
COPY Pipfile.lock .
RUN apt-get update \
&& pip install --no-cache-dir pipenv pylint \
&& pipenv install --system --deploy --ignore-pipfile

COPY . .

ENTRYPOINT ["sh", "entrypoint.sh"]

Integração/Entrega Contínua

version: 2.1

orbs:
  aws-ecr: circleci/aws-ecr@7.0.0
  aws-ecs: circleci/aws-ecs@02.2.1

workflows:
  build-and-deploy:
    jobs:
      - aws-ecr/build-and-push-image:
          context: deploy
          repo: kaggle-titanic-deploy
          tag: "${CIRCLE_SHA1}"
          filters:
            branches:
              only:
                - main
      - aws-ecs/deploy-service-update:
          context: deploy
          requires:
            - aws-ecr/build-and-push-image
          filters:
            branches:
              only:
                - main
          family: kaggle-titanic-deploy-task
          cluster-name: $ECS_CLUSTER_NAME
          container-image-name-updates: "container=kaggle-titanic-deploy,tag=${CIRCLE_SHA1}"
          force-new-deployment: true
          service-name: kaggle-titanic-deploy-service

É necessário criar o cluster ECS previamente