解密谷歌机器学习工程最佳实践——机器学习43条军规 翻译 2017年09月19日 10:54:58 98310 本文是对Rules of Machine Learning: Best Practice
解密谷歌機(jī)器學(xué)習(xí)工程最佳實踐——機(jī)器學(xué)習(xí)43條軍規(guī)
翻譯?2017年09月19日 10:54:58本文是對Rules of Machine Learning: Best Practices for ML Engineering一文的翻譯和解讀。看過我翻譯文章的同學(xué)知道我翻譯文章一般都不太老實，沒有那么“忠于原著”，本篇也不例外，本篇對于原文的解讀大概有三種形式：
- 原文翻譯。對于作者本身闡述的比較好，而我也沒什么可補充的部分，基本會原文翻譯。
- 半翻譯半解讀。有的條目我覺得有些自己的經(jīng)驗和感想可以和大家分享，就會加一些自己的解讀在里面。
- 省略。還有一些時候我覺得作者說的太仔（luo）細(xì)（suo），或者這個條目說得比較基本，無需太多解釋，我就會不同程度的省略原文。
這種形式對于有的同學(xué)來講可能會對原文信息有所損失，所以想要讀到原文的同學(xué)，可以在這里找到原文：http://martin.zinkevich.org/rules_of_ml/rules_of_ml.pdf。 或者去搜一些其他人比較忠于原著的翻譯。
作者介紹
什么樣的NB人物寫東西敢起號稱”Rules of Machine Learning”這種不怕閃了腰的題目？首先我們來簡單介紹一下本文的作者M(jìn)artin Zinkevich。
Martin Zinkevich現(xiàn)在是谷歌大腦的高級科學(xué)家，負(fù)責(zé)和參與了YouTube、Google Play 以及Google Plus等產(chǎn)品中的機(jī)器學(xué)習(xí)項目，本文也是基于作者在這三個產(chǎn)品上面做機(jī)器學(xué)習(xí)項目的各種經(jīng)驗和教訓(xùn)提煉而成。在加入谷歌之前是雅虎的高級科學(xué)家，曾在2010年和2011年兩度獲得雅虎的最高榮譽Yahoo Team Superstar Awards，對雅虎的廣告系統(tǒng)做出過很多杰出貢獻(xiàn)。
擁有如此NB的背景，我們有理由相信這哥們兒寫出來的東西還是具有足夠的參考價值的。
梗概介紹
本文把在產(chǎn)品中應(yīng)用機(jī)器學(xué)習(xí)的過程從淺到深分成了三個大的階段，又在這三個大的階段中細(xì)分出了一些方面，以此對43條規(guī)則進(jìn)行邏輯分類。簡單來說，如果你是從頭開始做機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)，那么就可以在不同階段參考這里面對應(yīng)的條目，來保證自己走在正確的道路上。
正文開始
To make great products:?
do machine learning like the great engineer you are, not like the great machine learning expert you aren’t.
這句話一定程度上是對整篇文章（叫手冊可能更合適）的一個高度概括，ML在實際工作確實更多是工程問題，而不是算法問題。優(yōu)先從工程效率中要效果，當(dāng)把這部分榨干后，再考慮算法的升級。
Before Machine Learning
Rule #1: Don’t be afraid to launch a product without machine learning.
規(guī)則1：不要害怕上線沒有機(jī)器學(xué)習(xí)的產(chǎn)品。
中心思想一句話概括：If you think that machine learning will give you a 100% boost, then a heuristic will get you 50% of the way there.
Rule #2: First, design and implement metrics.
規(guī)則2：在動手之前先設(shè)計和實現(xiàn)評價指標(biāo)。
在構(gòu)建具體的機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)之前，首先在當(dāng)前系統(tǒng)中記錄盡量詳細(xì)的歷史信息，留好特征數(shù)據(jù)。這樣不僅能夠留好特征數(shù)據(jù)，還能夠幫助我們隨時了解系統(tǒng)的狀態(tài)，以及做各種改動時系統(tǒng)的變化。
Rule #3: Choose machine learning over a complex heuristic.
規(guī)則3：不要使用過于復(fù)雜的規(guī)則系統(tǒng)，使用機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)。
簡單來講，復(fù)雜的規(guī)則系統(tǒng)難以維護(hù)，不可擴(kuò)展，而我們很簡單就可以轉(zhuǎn)為ML系統(tǒng)，變得可維護(hù)可擴(kuò)展。
ML Phase I: Your First Pipeline
構(gòu)建第一個ML系統(tǒng)時，一定要更多關(guān)注系統(tǒng)架構(gòu)的建設(shè)。雖然機(jī)器學(xué)習(xí)的算法令人激動，但是基礎(chǔ)架構(gòu)不給力找不到問題時會令人抓狂。
Rule #4: Keep the first model simple and get the infrastructure right.
規(guī)則4：第一個模型要簡單，但是架構(gòu)要正確。
第一版模型的核心思想是抓住主要特征、與應(yīng)用盡量貼合以及快速上線。
Rule #5: Test the infrastructure independently from the machine learning.
規(guī)則5：獨立于機(jī)器學(xué)習(xí)來測試架構(gòu)流程。
確保架構(gòu)是可單獨測試的，將系統(tǒng)的訓(xùn)練部分進(jìn)行封裝，以確保其他部分都是可測試的。特別來講：
Rule #6: Be careful about dropped data when copying pipelines.
規(guī)則6：復(fù)制pipeline時要注意丟棄的數(shù)據(jù)。
從一個場景復(fù)制數(shù)據(jù)到另一個場景時，要注意兩邊對數(shù)據(jù)的要求是否一致，是否有數(shù)據(jù)丟失的情況。
Rule #7: Turn heuristics into features, or handle them externally.
規(guī)則7：將啟發(fā)規(guī)則轉(zhuǎn)化為特征，或者在外部處理它們。
機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)解決的問題通常都不是新問題，而是對已有問題的進(jìn)一步優(yōu)化。這意味著有很多已有的規(guī)則或者啟發(fā)式規(guī)則可供使用。這部分信息應(yīng)該被充分利用（例如基于規(guī)則的推薦排序時用到的排序規(guī)則）。下面是幾種啟發(fā)式規(guī)則可以被使用的方式：
已有的啟發(fā)式規(guī)則可以幫助機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)更平滑的過渡，但是也要考慮是否有同等效果更簡單的實現(xiàn)方式。
Monitoring
概括來講，要保持好的監(jiān)控習(xí)慣，例如使報警是可應(yīng)對的，以及建設(shè)一個Dashboard頁面。
Rule #8: Know the freshness requirements of your system.
規(guī)則8：了解你系統(tǒng)對新鮮度的要求。
如果模型延遲一天更新，你的系統(tǒng)會受到多大的效果影響？如果是一周的延遲呢？或者更久？這個信息可以讓我們排布監(jiān)控的優(yōu)先級。如果模型一天不更新收入就會下降10%，那么可以考慮讓一個工程師全天候監(jiān)控它。了解系統(tǒng)對新鮮度的要求是決定具體監(jiān)控方案的第一步。
Rule #9: Detect problems before exporting models.
規(guī)則9：在模型上線之前檢測問題。
模型上線前一定要做完整性、正確性檢查，例如AUC、Calibration、NE等指標(biāo)的計算確認(rèn)等。如果是模型上線前出了問題，可以郵件通知，如果是用戶正在使用的模型出了問題，就需要電話通知了。
Rule #10: Watch for silent failures.
規(guī)則10：關(guān)注靜默失敗。
這是一個非常重要，而又經(jīng)常容易被忽略的問題。所謂的靜默失敗指的是全部流程都正常完成，但是背后依賴數(shù)據(jù)出了問題，導(dǎo)致模型效果逐步下降的問題。這種問題在其他系統(tǒng)中并不常出現(xiàn)，但是在機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)中出現(xiàn)幾率會比較高。例如訓(xùn)練依賴的某張數(shù)據(jù)表很久沒有更新了，或者表中的數(shù)據(jù)含義發(fā)生了變化等，再或者數(shù)據(jù)的覆蓋度忽然變少，都會對效果產(chǎn)生很大的影響。解決方法是是對關(guān)鍵數(shù)據(jù)的統(tǒng)計信息進(jìn)行監(jiān)控，并且周期性對關(guān)鍵數(shù)據(jù)進(jìn)行人工檢查。
Rule #11: Give feature column owners and documentation.
規(guī)則11：給特征組分配負(fù)責(zé)人，并記錄文檔。
這里的feature column指的是一個特征組，例如用戶可能屬于的國家這組特征就是一個feature column。
如果系統(tǒng)龐大，數(shù)據(jù)繁多，那么知道每組數(shù)據(jù)由誰生成就變得非常重要。雖然數(shù)據(jù)都有簡單描述，但是關(guān)于特征的具體計算邏輯，數(shù)據(jù)來源等都需要更詳細(xì)的記錄。
Your Fist Objective
objective是模型試圖優(yōu)化的值，而metric指的是任何用來衡量系統(tǒng)的值。
Rule #12: Don’t overthink which objective you choose to directly optimize.
規(guī)則12：不要過于糾結(jié)該優(yōu)化哪個目標(biāo)。
機(jī)器學(xué)習(xí)上線的初期，即使你只優(yōu)化一個目標(biāo)，很多指標(biāo)一般都會一起上漲的。所以不用太糾結(jié)究竟該優(yōu)化哪個。
雖然大佬這么說，但是在我自己的實踐經(jīng)驗中，只優(yōu)化一個目標(biāo)，系統(tǒng)的整體效果卻未必會上漲。典型的如推薦系統(tǒng)的CTR模型，上線之后CTR確實會提升，但是對應(yīng)的CVR很有可能會下降，這時還需要一個CVR模型，兩個模型同時使用才能真正提升系統(tǒng)效果。究其原因，是因為每個目標(biāo)只關(guān)注系統(tǒng)整個過程的一個子過程，貪心地去優(yōu)化這個子過程，不一定能夠得到全局的最優(yōu)解，通常需要把主要的幾個子過程都優(yōu)化之后，才能取得整體效果的提升。
Rule #13: Choose a simple, observable and attributable metric for your first objective.
規(guī)則13：為你的第一個objective選擇一個簡單可觀測可歸因的metric。
objective應(yīng)該是簡單可衡量的，并且是metric的有效代理。最適合被建模的是可直接觀測并被歸因的行為，例如：
……
盡量不要在第一次就建模非直接效果的行為，例如：
非直接指標(biāo)是很好的metric，可以用ABTest來進(jìn)行觀測，但不適合用作優(yōu)化指標(biāo)。此外，千萬不要試圖學(xué)習(xí)以下目標(biāo)：
……
這些指標(biāo)非常重要，但是非常難以學(xué)習(xí)。應(yīng)該使用一些代理指標(biāo)來學(xué)習(xí)，通過優(yōu)化代理指標(biāo)來優(yōu)化這些非直接指標(biāo)。為了公司的發(fā)展著想，最好有人工來連接機(jī)器學(xué)習(xí)的學(xué)習(xí)目標(biāo)和產(chǎn)品業(yè)務(wù)。
Rule #14: Starting with an interpretable model makes debugging easier.
規(guī)則14：使用可解釋性強的模型可降低debug難度。
優(yōu)先選擇預(yù)測結(jié)果有概率含義、預(yù)測過程可解釋的模型，可以更容易的確認(rèn)效果，debug問題。例如，如果使用LR做分類，那么預(yù)測過程不外乎一些相乘和相加，如果特征都做了離散化，就只有加法了，這樣很容易debug一條樣本的預(yù)測得分是如何被計算出來的。所以出了問題很容易debug。
Rule #15: Separate Spam Filtering and Quality Ranking in a Policy Layer.
規(guī)則15：將垃圾過濾和質(zhì)量排序的工作分離，放到策略層（policy layer）。
排序系統(tǒng)工作的環(huán)境中數(shù)據(jù)分布是相對靜態(tài)的，大家為了得到更好的排序，會遵守系統(tǒng)制定的規(guī)則。但是垃圾過濾更多是個對抗性質(zhì)的工作，數(shù)據(jù)分布會經(jīng)常變動。所以不應(yīng)該讓排序系統(tǒng)去處理垃圾信息的過濾，而是應(yīng)該有單獨的一層去處理垃圾信息。這也是一種可以推廣的思想，那就是：排序?qū)又蛔雠判驅(qū)拥氖虑?#xff0c;職責(zé)盡量單一，其他工作讓架構(gòu)上更合適的模塊去處理。此外，為了提升模型效果，應(yīng)該把垃圾信息從訓(xùn)練數(shù)據(jù)中去除。
ML Phase II: Feature Engineering
前面第一階段的重點是把數(shù)據(jù)喂到學(xué)習(xí)系統(tǒng)中，有了基礎(chǔ)的監(jiān)控指標(biāo)，有了基礎(chǔ)的架構(gòu)。等這一套系統(tǒng)建立起來后，第二階段就開始了。
整體來講，第二階段的核心工作是將盡量多的有效特征加入到第一版的系統(tǒng)中，一般都可以取得提升。
Rule #16: Plan to launch and iterate.
規(guī)則16：做好持續(xù)迭代上線的準(zhǔn)備。
簡單來說，就是要深刻認(rèn)識到，系統(tǒng)優(yōu)化永遠(yuǎn)沒有終點，所以系統(tǒng)設(shè)計方面要對迭代非常友好。例如增加刪除特征是否足夠簡單，正確性驗證是否足夠簡單，模型迭代是否可以并行運行，等等。
這雖然不是一條具體可行動的（actionable）規(guī)則，但是這種思想上的準(zhǔn)備對整個系統(tǒng)的開發(fā)很有幫助。只有真正深刻意識到了系統(tǒng)持續(xù)迭代上線的本質(zhì)，才會在設(shè)計在線和離線架構(gòu)時為持續(xù)迭代最好相應(yīng)的設(shè)計，并做好相應(yīng)的工具，而不是做一錘子系統(tǒng)。
Rule #17: Start with directly observed and reported features as opposed to learned features.
規(guī)則17：優(yōu)先使用直接觀測或收集到的特征，而不是學(xué)習(xí)出來的特征。
所謂學(xué)習(xí)出來的特征，指的是用另外的算法學(xué)習(xí)出來的特征，而非可以直接觀測或收集到的簡單特征。學(xué)習(xí)出來的特征由于存在外部依賴，或者計算邏輯復(fù)雜，不一定適用于你當(dāng)前的模型，所以穩(wěn)定性和有效性會有風(fēng)險。而直接可觀測的特征由于是相對比較客觀的，依賴較少的，所以比較穩(wěn)定。
Rule #18: Explore with features of content that generalize across contexts.
規(guī)則18：探索使用可以跨場景的內(nèi)容特征。
中心思想是在說，要多利用可以在多個場景下使用的特征，例如全局的點擊率、瀏覽量這些特征，可以在多個場景下作為特征使用。這樣可以在一些冷啟動或者缺乏有效特征的場景下作為特征使用。
Rule #19: Use very specific features when you can.
規(guī)則19：盡量使用非常具體的特征。
如果數(shù)據(jù)量足夠大，那么相比少數(shù)復(fù)雜特征，使用海量簡單特征是更簡單有效的選擇。
所謂非常具體，指的是覆蓋樣本量比較少的特征，例如文檔的ID或者query的ID等。這樣的特征雖然每個只覆蓋很少一部分特征，但是只要這一組特征整體能夠覆蓋率比較高，例如90%，那就是OK的。而且還可以通過正則化來消除覆蓋率過低或者相關(guān)性差的特征。這也是大家都偏愛大規(guī)模ID特征的一個原因，現(xiàn)在很多大廠的排序模型特征都大量使用了大規(guī)模ID特征。
Rule #20: Combine and modify existing features to create new features in human--understandable ways.
規(guī)則20：用人類可理解的方式對已有特征進(jìn)行組合、修改來得到新特征。
離散化和交叉是最常用的兩種特征使用方式。其本質(zhì)都是用特征工程的方式，在不改變使用模型本身的情況下增加模型的非線性。這兩種方法本身沒什么好說的，值得一致的是，在大規(guī)模ID類特征的交叉時，例如一段是query里的關(guān)鍵詞，另一端是文檔里的關(guān)鍵詞，那就會產(chǎn)生很大量級的交叉特征，這時有兩種處理方法：
所謂“人類可理解的方式”，我的理解就是離散化和交叉要基于對業(yè)務(wù)邏輯的理解，不能亂交叉。
Rule #21: The number of feature weights you can learn in a linear model is roughly proportional to the amount of data you have.
規(guī)則21：線性模型中可學(xué)到的特征權(quán)重數(shù)量，與訓(xùn)練數(shù)據(jù)的數(shù)量大體成正比。
這背后有復(fù)雜的統(tǒng)計原理做支撐，但你只需要知道結(jié)論就可以了。這個原則給我們的啟示，是要根據(jù)數(shù)據(jù)量來選擇特征的生成方式，例如：
總結(jié)起來就是，根據(jù)樣本決定特征使用方式，樣本不夠就對特征進(jìn)行高層次抽象處理，指導(dǎo)和樣本量級相匹配。
Rule #22: Clean up features you are no longer using.
規(guī)則22：清理不再使用的特征。
如果某個特征已經(jīng)沒有用，并且它與其他特征的交叉也已經(jīng)沒有用，就應(yīng)該將其清理掉，保持架構(gòu)的整潔性。
在考慮添加或保留哪些特征時，需要統(tǒng)計一下特征的樣本覆蓋率，例如一些整體覆蓋率很低的個性化feature column，只有很少用戶能覆蓋到，那么大概率這組特征作用不大。但另一方面，如果某個特征覆蓋率很低，例如只有1%，但是其區(qū)分度非常大，例如90%取值為1的樣本都是正樣本，那么 這個特征就值得加入或保留。
Human Analysis of the System
在更進(jìn)一步之前，我們需要了解一些機(jī)器學(xué)習(xí)課程上不會教你的內(nèi)容：如何觀察分析模型，并改進(jìn)它。用作者的話說，這更像是一門藝術(shù) ，但仍然有一些規(guī)律可循。
Rule #23: You are not a typical end user.
規(guī)則23：你不是一個典型的終端用戶。
這條規(guī)則的中心思想是說，雖然吃自己的狗食是必要的，但也不要總是從工程師的角度來衡量模型的好壞。這不僅可能不值當(dāng)，而且可能看不出問題。所謂不值當(dāng)，是因為工程師的時間太貴了，這個大家都懂；而所謂看不出問題，是因為工程師自己看自己開發(fā)的模型，容易看不出問題，所謂“不識廬山真面目”。
所以作者認(rèn)為合理的方法是讓真正的終端用戶來衡量模型或產(chǎn)品的好壞。要么通過線上ABTest，要么通過眾包的方式來做。
Rule #24: Measure the delta between models.
規(guī)則24：離線衡量模型之間的差異。
原文沒有說是離線，但我通過上下文理解他說的應(yīng)該是離線。這一條規(guī)則說的是新模型在上線之前，需要先和老模型做差異對比。所謂差異對比，指的是對于同樣的輸入，新舊兩個模型給出的結(jié)果是否差異足夠大。例如對于同一個query，兩個排序模型給出的差異是否足夠大。如果離線計算發(fā)現(xiàn)差異很小，那也沒必要上線測試了，因為上線后差異肯定也大不了。如果差異比較大，那么還需要看差異是不是好的差異。通過觀察差異可以得知新模型究竟對數(shù)據(jù)產(chǎn)生了什么影響，這種影響是好是壞。
當(dāng)然，這一切的前提是你需要有一個穩(wěn)定的對比系統(tǒng)， 起碼一個模型和他自己對比的話差異應(yīng)該非常小，最好是零差異。
Rule #25: When choosing models, utilitarian performance trumps predictive power.
規(guī)則25：當(dāng)選擇模型時，實用性指標(biāo)比預(yù)測能力更重要。
這是一條很有用的經(jīng)驗。雖然我們訓(xùn)練模型時objective一般都是logloss，也就是說實在追求模型的預(yù)測能力。但是我們在上層應(yīng)用中卻可能有多種用途，例如可能會用來排序，那么這時具體的預(yù)測能力就不如排序能力重要；如果用來劃定閾值然后跟根據(jù)閾值判斷垃圾郵件，那么準(zhǔn)確率就更重要。當(dāng)然大多數(shù)情況下這幾個指標(biāo)是一致的。
除了作者說的這一點，還有一種情況是需要特別注意的，那就是我們在訓(xùn)練時可能會對樣本做采樣，導(dǎo)致得到的預(yù)測值整體偏高或偏低。如果這個預(yù)測值是用來直接排序的，那么這個變化關(guān)系不大，但如果有其他用處，例如和另外的值相乘，典型的如廣告場景下的CTR*bid，或者電商推薦排序下的CTR*CVR，在這類場景下，預(yù)測值本身的準(zhǔn)確性也很重要，就需要對其進(jìn)行校準(zhǔn)（calibrate），使其與采樣前的樣本點擊率對齊。
Rule #26: Look for patterns in the measured errors, and create new features.
規(guī)則26：在錯誤中發(fā)現(xiàn)模式，并創(chuàng)建新特征。
這算是一種用來提升模型效果的通用思路。具體來說，指的是觀察訓(xùn)練數(shù)據(jù)中模型預(yù)測錯誤的樣本，看看是否能夠通過添加額外特征來使得這條樣本被模型預(yù)測正確。之所以使用訓(xùn)練集中的數(shù)據(jù)，是因為這部分?jǐn)?shù)據(jù)是模型已經(jīng)試圖優(yōu)化過的，這里面的錯誤，是模型知道自己搞錯了，目前學(xué)不出來的，所以如果你給它足夠好的其他特征，它或許就能把這條樣本學(xué)對了。
一旦發(fā)現(xiàn)錯誤的模式，就可以在當(dāng)前系統(tǒng)之外尋找新的特征。例如，如果你發(fā)現(xiàn)當(dāng)前系統(tǒng)傾向于錯誤地把長文章排到后面，那么就可以加入文章長度這一特征，讓系統(tǒng)去學(xué)習(xí)文章長度的相關(guān)性和重要性。
Rule #27: Try to quantify observed undesirable behavior.
規(guī)則27：盡量將觀測到的負(fù)面行為量化。
如果在系統(tǒng)中觀察到了模型沒有優(yōu)化到的問題，典型的例如推薦系統(tǒng)逼格不夠這種問題，這時應(yīng)該努力將這種不滿意轉(zhuǎn)化為具體的數(shù)字，具體來講可以通過人工標(biāo)注等方法標(biāo)注出不滿意的物品，然后進(jìn)行統(tǒng)計。如果問題可以被量化，后面就可以將其用作特征、objective或者metric。整體原則就是“先量化，再優(yōu)化”。
多說一句，這里的優(yōu)化，不一定是用模型來優(yōu)化，而是指的整體優(yōu)化。比如推薦系統(tǒng)逼格這種問題，模型可能很難優(yōu)化，但是只要能量化出來，就可以通過其他方法來盡量減少，例如單獨去學(xué)習(xí)有逼格物品的特征，或者在召回階段進(jìn)行一定傾斜。
Rule #28: Be aware that identical short--term behavior does not imply identical long--term behavior.
規(guī)則28：要注意短期內(nèi)觀察到的類似行為不一定會長期存在。
假設(shè)你搞了個系統(tǒng)，通過學(xué)習(xí)每個具體的文檔ID和query ID，計算出了每個query下每個文檔的點擊率。通過離線對比和ABTest，你發(fā)現(xiàn)這個系統(tǒng)的行為和當(dāng)前系統(tǒng)的行為一毛一樣，而這個系統(tǒng)又更簡單，所以你就把這個系統(tǒng)上線了。后面你會發(fā)現(xiàn)這個系統(tǒng)在任何query下都不會給出任何新的文檔。奇怪嗎？一點都不奇怪，因為你只讓它記住了之前的歷史數(shù)據(jù)，它對新數(shù)據(jù)沒有任何信息。
所以唯一能夠衡量一個系統(tǒng)是否長期有效的方法，就是讓它使用該模型在線上時收集到的真實數(shù)據(jù)上進(jìn)行訓(xùn)練。當(dāng)然這有難度。
往大了說，作者這條規(guī)則其實說的是個系統(tǒng)或者模型的泛化能力，如果一個系統(tǒng)或者模型不能對新數(shù)據(jù)做出很好的預(yù)測，那么無論他的離線表現(xiàn)如何，都不能代表它的真正能力。再換個角度來看，一個系統(tǒng)必須具有持續(xù)學(xué)習(xí)適應(yīng)新數(shù)據(jù)的能力，才能是一個合格的機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)，否則就只是個學(xué)舌的鸚鵡。
Training-Serving Skew
訓(xùn)練和服務(wù)之間的差異問題時一個大話題，主要原因包括訓(xùn)練時與服務(wù)時數(shù)據(jù)獲取方式不同、訓(xùn)練時與服務(wù)時數(shù)據(jù)分布不同以及模型和算法之間的反饋循環(huán)等。作者說這種差異在G家的多條產(chǎn)品線上出現(xiàn)過，都產(chǎn)生了負(fù)面影響。但要我說這絕對不僅僅是谷歌的問題，谷歌絕對是做的比較好的了，各種中小廠里面這種問題只多不少，所以這部分的經(jīng)驗是非常寶貴的。解決這類問題的核心是對系統(tǒng)和數(shù)據(jù)的變化進(jìn)行監(jiān)控，確保一切差異都在監(jiān)控之內(nèi)，不會悄悄進(jìn)入系統(tǒng)。
Rule #29: The best way to make sure that you train like you serve is to save the set of features used at serving time, and then pipe those features to a log to use them at training time.
規(guī)則29：保證服務(wù)與訓(xùn)練一致性的最好方法是將服務(wù)時的特征保存下來，然后通過日志將特征喂到訓(xùn)練過程中去。
這句話基本道出了保證差異最小化的核心套路。這種基于特征日志的方法可以極大提升效果，同時能夠減少代碼復(fù)雜度。谷歌的很多團(tuán)隊也正在往這種做法上遷移。
Rule #30: Importance weight sampled data, don’t arbitrarily drop it!
規(guī)則30：對采樣樣本做重要性賦權(quán)，不要隨意丟棄！
這是作者唯一用了感嘆號的一條，可想而知背后的辛酸。當(dāng)我們有太多訓(xùn)練數(shù)據(jù)時，我們會只取其中的一部分。但這是錯誤的。正確的做法是，如果你給某條樣本30%的采樣權(quán)重，那么在訓(xùn)練時就給它10/3的訓(xùn)練權(quán)重。通過這樣的重要性賦權(quán)（importance weight），整個訓(xùn)練結(jié)果的校準(zhǔn)性（calibration）就還能夠保證。
多說一句，這個校準(zhǔn)性非常的重要，尤其對于廣告系統(tǒng)，或者多個預(yù)測值相加或相乘來得到最終結(jié)果的系統(tǒng)。如果單個值沒有校準(zhǔn)，偏低或偏高，那么在相乘或相加之后其含義就會不正確。如果直接使用模型預(yù)測值進(jìn)行排序，校準(zhǔn)性就沒那么重要，因為校準(zhǔn)性不會影響排序，只會影響具體的值。
Rule #31: Beware that if you join data from a table at training and serving time, the data in the table may change.
規(guī)則31：如果你在訓(xùn)練時和服務(wù)時都在join一張表，那么要注意這張表的數(shù)據(jù)可能會發(fā)生變化。
比如說某張表里存著一些文檔的特征，你在離線訓(xùn)練之前要去這個表里取這些特征用來訓(xùn)練，但這里就有個風(fēng)險，那就是這個表里的數(shù)據(jù)在你離線取的時候和在線服務(wù)的時候數(shù)據(jù)不一樣，發(fā)生了變化。最好的解決方式就是在服務(wù)端將特征記錄在日志中，這樣能保證數(shù)據(jù)的一致性。或者如果這張表的變化頻率比較低，也可以考慮對其做小時級或天級備份，以此來減少這種差異。但要記住這種方法并不能徹底解決這個問題。
Rule #32: Re-use code between your training pipeline and your serving pipeline whenever possible.
規(guī)則32：盡量在訓(xùn)練pipeline和服務(wù)pipeline之間復(fù)用代碼。
訓(xùn)練一般是離線批量進(jìn)行的，而服務(wù)則是在線流式進(jìn)行的，這兩者之間雖然在處理數(shù)據(jù)的方式上存在著較大差異，但仍然有很多代碼可以共享。這些代碼的共享可以從代碼層面介紹訓(xùn)練和服務(wù)之間的差異。換句話說，日志記錄特征是從數(shù)據(jù)角度消除差異，那么代碼復(fù)用就是從代碼角度消除差異，雙管齊下，效果更好。
Rule #33: If you produce a model based on the data until January 5th, test the model on the data from January 6th and after.
規(guī)則33：如果訓(xùn)練數(shù)據(jù)是1月5日之前的，那么測試數(shù)據(jù)要從1月6日開始。
這條規(guī)則的主要目的是讓測試結(jié)果與線上結(jié)果更加接近，因為我們在使用模型時就是在用服務(wù)當(dāng)天之前的數(shù)據(jù)訓(xùn)練，然后來預(yù)測當(dāng)天的數(shù)據(jù)。這樣得到的測試結(jié)果雖然可能會偏低，但卻更加真實。
Rule #34: In binary classification for filtering (such as spam detection or determining interesting e-mails), make small short--term sacrifices in performance for very clean data.
規(guī)則34：在為過濾服務(wù)的二分類問題中（例如垃圾郵件過濾），可以為了干凈的數(shù)據(jù)犧牲一些短期效果。
在過濾類的任務(wù)中，被標(biāo)記為負(fù)的樣本是不會展示給用戶的，例如可能會把75%標(biāo)記為負(fù)的樣本阻攔住不展現(xiàn)給用戶。但如果你只從展示給用戶的結(jié)果中獲取下次訓(xùn)練的樣本，顯然你的訓(xùn)練樣本是有偏的。
更好的做法是使用一定比例的流量（例如1%）專門收集訓(xùn)練數(shù)據(jù)，在這部分流量中的用戶會看到所有的樣本。這樣顯然會影響線上的真實過濾效果，但是會收集到更好的數(shù)據(jù)，更有利于系統(tǒng)的長遠(yuǎn)發(fā)展。否則系統(tǒng)會越訓(xùn)練越偏，慢慢就不可用了。同時還能保證至少過濾掉74%的負(fù)樣本，對系統(tǒng)的影響也不是很大。
但是如果你的系統(tǒng)會過濾掉95%或者更多的負(fù)樣本，這種做法就不那么可行了。即使如此，為了準(zhǔn)確衡量模型的效果，你仍然可以通過構(gòu)造一個更小的數(shù)據(jù)集（0.1%或者更小）來測試。十萬級別的樣本足夠給出準(zhǔn)確的評價指標(biāo)了。
Rule #35: Beware of the inherent skew in ranking problems.
規(guī)則35：注意排序問題中固有的數(shù)據(jù)偏置。
當(dāng)新的排序算法對線上排序結(jié)果產(chǎn)生了重大改變時，你其實是改變了算法將來會看到的數(shù)據(jù)。這時這種偏置就會出現(xiàn)。這種問題有以下幾種方法來解決，核心思想都是更偏重模型已經(jīng)看到過的數(shù)據(jù)。
Rule #36: Avoid feedback loops with positional features.
規(guī)則36：使用位置特征來避免反饋回路。
大家都知道排序位置本身就會影響用戶是否會對物品產(chǎn)生互動，例如點擊。所以如果模型中沒有位置特征，本來由于位置導(dǎo)致的影響會被算到其他特征頭上去，導(dǎo)致模型不夠準(zhǔn)。可以用加入位置特征的方法來避免這種問題，具體來講，在訓(xùn)練時加入位置特征，預(yù)測時去掉位置特征，或者給所有樣本一樣的位置特征。這樣會讓模型更正確地分配特征的權(quán)重。
需要注意的是，位置特征要保持相對獨立，不要與其他特征發(fā)生關(guān)聯(lián)。可以將位置相關(guān)的特征用一個函數(shù)表達(dá)，然后將其他特征用另外的函數(shù)表達(dá)，然后組合起來。具體應(yīng)用中，可以通過位置特征不與任何其他特征交叉來實現(xiàn)這個目的。
Rule #37: Measure Training/Serving Skew.
規(guī)則37：衡量訓(xùn)練和服務(wù)之間的差異。
整體來講有多種原因會導(dǎo)致這種差異，我們可以將其進(jìn)行細(xì)分為以下幾部分：
ML Phase III: Slowed Growth, Optimization Refinement, and Complex Models
一般會有一些明確的信號來標(biāo)識第二階段的尾聲。首先，每月的提升會逐步降低。你開始在不同指標(biāo)之間做權(quán)衡，有的上升有的下降。嗯，游戲變得有趣了。既然收益不容易獲得了，機(jī)器學(xué)習(xí)就得變得更復(fù)雜了。
在前兩個階段，大部分團(tuán)隊都可以過得很開心，但到了這個階段，每個團(tuán)隊都需要找到適合自己的路。
Rule #38: Don’t waste time on new features if unaligned objectives have become the issue.
規(guī)則38：如果objective沒有達(dá)成一致，不要在新特征上浪費時間。
當(dāng)系統(tǒng)整體達(dá)到一個穩(wěn)定期，大家會開始關(guān)注機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)優(yōu)化目標(biāo)以外的一些問題。這個時候，目標(biāo)就不如之前那么清晰，那么如果目標(biāo)沒有確定下來的話，先不要在特征上浪費時間。
Rule #39: Launch decisions are a proxy for long-term product goals.
規(guī)則39：上線決策是長期產(chǎn)品目標(biāo)的代理。
這句話讀起來有點別扭，作者舉了幾個例子來說明，我覺得核心就是在講一件事情：系統(tǒng)、產(chǎn)品甚至公司的長遠(yuǎn)發(fā)展需要通過多個指標(biāo)來綜合衡量，而新模型是否上線要綜合考慮這些指標(biāo)。所謂代理，指的就是優(yōu)化這些綜合指標(biāo)就是在優(yōu)化產(chǎn)品、公司的長遠(yuǎn)目標(biāo)。
決策只有在所有指標(biāo)都在變好的情況下才會變得簡單。但常常事情沒那么簡單，尤其是當(dāng)不同指標(biāo)之間無法換算的時候，例如A系統(tǒng)有一百萬日活和四百萬日收入，B系統(tǒng)有兩百萬日活和兩百萬日收入，你會從A切換到B嗎？或者反過來？答案是或許都不會，因為你不知道某個指標(biāo)的提升是否會cover另外一個指標(biāo)的下降。
關(guān)鍵是，沒有任何一個指標(biāo)能回答：“五年后我的產(chǎn)品在哪里”？
而每個個體，尤其是工程師們，顯然更喜歡能夠直接優(yōu)化的目標(biāo)，而這也是機(jī)器學(xué)習(xí)系統(tǒng)常見的場景 。現(xiàn)在也有一些多目標(biāo)學(xué)習(xí)系統(tǒng)在試圖解決這種問題。但仍然有很多目標(biāo)無法建模為機(jī)器學(xué)習(xí)問題，比如用戶為什么會來訪問你的網(wǎng)站等等。作者說這是個AI-complete問題，也常被稱為強AI問題，簡單來說就是不能用某個單一算法解決的問題。
Rule #40: Keep ensembles simple.
規(guī)則40：ensemble策略保持簡單。
什么叫簡單的ensemble？作者認(rèn)為，只接受其他模型的輸出作為輸入，不附帶其他特征的ensemble，叫做簡單的ensemble。換句話說，你的模型要么是單純的ensemble模型，要么是普通的接收大量特征的基模型。
除了保持簡單，ensemble模型最好還能具有一些良好的性質(zhì)。例如，某個基模型的性能提升不能降低組合模型的性能。以及，基模型最好都是可解釋的（例如是校準(zhǔn)的)，這樣基模型的變化對上層的組合模型來說也是可解釋的。同時，一個基模型預(yù)測概率值的提升不會降低組合模型的預(yù)測概率值。
Rule #41: When performance plateaus, look for qualitatively new sources of information to add rather than refining existing signals.
規(guī)則41：當(dāng)效果進(jìn)入穩(wěn)定期，尋找本質(zhì)上新的信息源，而不是優(yōu)化已有的信號。
你加了一些用戶的人口統(tǒng)計學(xué)特征，你加了一些文檔的文字特征，等等，但是關(guān)鍵指標(biāo)上的提升還不到1%。現(xiàn)在咋整？
這時就應(yīng)該考慮加一些根本上不同的特征，例如用戶再過去一天、一周看過的文檔歷史，或者另外一個數(shù)據(jù)源的數(shù)據(jù)。總之，要加入完全不同的維度的特征。此外也可以嘗試使用深度學(xué)習(xí)，但同時也要調(diào)整你對ROI的預(yù)期，并且要評估增加的復(fù)雜度換來的收益是否值得。
Rule #42: Don’t expect diversity, personalization, or relevance to be as correlated with popularity as you think they are.
規(guī)則42：多樣性，個性化或者相關(guān)性與流行度的相關(guān)性關(guān)系可能要比你想的弱很多。
多樣性意味著內(nèi)容或者來源的多樣性；個性化意味著每個用戶得到不一樣的東西；相關(guān)性意味著一個query的返回結(jié)果相比其他query與這個query更相關(guān)。所以這三個指標(biāo)的含義都是與普通不一樣。
但問題在于普通的東西很難被打敗。
如果你的衡量指標(biāo)是點擊、停留時長、觀看數(shù)、分享數(shù)等等，你本質(zhì)上是在衡量東西的流行度。有的團(tuán)隊有時會希望學(xué)到一個多樣化的個性化模型。為此，會加入個性化特征和多樣化特征，但是最后會發(fā)現(xiàn)這些特征并沒有得到預(yù)期的權(quán)重。
這并不能說明多樣性、個性化和相關(guān)性不重要。像前文指出，可以通過后續(xù)的處理來增加多樣性或相關(guān)性。如果這時看到長期目標(biāo)提升了，你就可以確定多樣性/相關(guān)性是有用的。這時你就可以選擇繼續(xù)使用后續(xù)處理的方式，或者根據(jù)多樣性和相關(guān)性直接修改要優(yōu)化的objective。
Rule #43: Your friends tend to be the same across different products. Your interests tend not to be.
規(guī)則43：你在不同產(chǎn)品上的好友一般是一樣的，但你的興趣通常會不一樣。
谷歌經(jīng)常在不同產(chǎn)品上使用同樣的好友關(guān)系預(yù)測模型，并且取得了很好的效果，這證明不同的產(chǎn)品上好友關(guān)系是可以遷移的，畢竟他們是固定的同一批人。但他們嘗試將一個產(chǎn)品上的個性化特征使用到另外一個產(chǎn)品上時卻常常得不到好結(jié)果。可行的做法是使用一個數(shù)據(jù)源上的原始數(shù)據(jù)來預(yù)測另外數(shù)據(jù)源上的行為，而不是使用加工后的特征。此外，用戶在另一個數(shù)據(jù)源上的行為歷史也會有用。
總結(jié)
從上面洋洋灑灑43條經(jīng)驗之談中不難看出，大神作者認(rèn)為，對于大多數(shù)機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用場景來說，我們需要解決的問題大多數(shù)都是工程問題，解決這些工程問題需要的并不是復(fù)雜的理論，更多是對細(xì)節(jié)、架構(gòu)、過程的仔細(xì)推敲和精致追求。而這些是我們非大神的普通人可以做到的，如果說大神做的是95分以上的系統(tǒng)，那么我們只要對工程架構(gòu)、過程和細(xì)節(jié)做好足夠的優(yōu)化，我們也可以做出至少80分的系統(tǒng)。
總結(jié)
以上是生活随笔為你收集整理的解密谷歌机器学习工程最佳实践——机器学习43条军规 翻译 2017年09月19日 10:54:58 98310 本文是对Rules of Machine Learning: Best Practice的全部內(nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問題。
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