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Understanding LSTM forward propagation in two ways

August 31, 2020/0 Comments/in Artificial Intelligence, Data Mining, Data Science, Data Science Hack, Deep Learning, Machine Learning, Main Category, Predictive Analytics /by Yasuto Tamura

*This article is only for the sake of understanding the equations in the second page of the paper named “LSTM: A Search Space Odyssey”. If you have no trouble understanding the equations of LSTM forward propagation, I recommend you to skip this article and go the the next article.

1. Preface

I heard that in Western culture, smart people write textbooks so that other normal people can understand difficult stuff, and that is why textbooks in Western countries tend to be bulky, but also they are not so difficult as they look. On the other hand in Asian culture, smart people write puzzling texts on esoteric topics, and normal people have to struggle to understand what noble people wanted to say. Publishers also require the authors to keep the texts as short as possible, so even though the textbooks are thin, usually students have to repeat reading the textbooks several times because usually they are too abstract.

Both styles have cons and pros, and usually I prefer Japanese textbooks because they are concise, and sometimes it is annoying to read Western style long texts with concrete straightforward examples to reach one conclusion. But a problem is that when it comes to explaining LSTM, almost all the text books are like Asian style ones. Every study material seems to skip the proper steps necessary for “normal people” to understand its algorithms. But after actually making concrete slides on mathematics on LSTM, I understood why: if you write down all the equations on LSTM forward/back propagation, that is going to be massive, and actually I had to make 100-page PowerPoint animated slides to make it understandable to people like me.

I already had a feeling that “Does it help to understand only LSTM with this precision? I should do more practical codings.” For example François Chollet, the developer of Keras, in his book, said as below.

For me that sounds like “We have already implemented RNNs for you, so just shut up and use Tensorflow/Keras.” Indeed, I have never cared about the architecture of my Mac Book Air, but I just use it every day, so I think he is to the point. To make matters worse, for me, a promising algorithm called Transformer seems to be replacing the position of LSTM in natural language processing. But in this article series and in my PowerPoint slides, I tried to explain as much as possible, contrary to his advice.

But I think, or rather hope, it is still meaningful to understand this 23-year-old algorithm, which is as old as me. I think LSTM did build a generation of algorithms for sequence data, and actually Sepp Hochreiter, the inventor of LSTM, has received Neural Network Pioneer Award 2021 for his work.

I hope those who study sequence data processing in the future would come to this article series, and study basics of RNN just as I also study classical machine learning algorithms.

*In this article “Densely Connected Layers” is written as “DCL,” and “Convolutional Neural Network” as “CNN.”

2. Why LSTM?

First of all, let’s take a brief look at what I said about the structures of RNNs, in the first and the second article. A simple RNN is basically densely connected network with a few layers. But the RNN gets an input every time step, and it gives out an output at the time step. Part of information in the middle layer are succeeded to the next time step, and in the next time step, the RNN also gets an input and gives out an output. Therefore, virtually a simple RNN behaves almost the same way as densely connected layers with many layers during forward/back propagation if you focus on its recurrent connections.

That is why simple RNNs suffer from vanishing/exploding gradient problems, where the information exponentially vanishes or explodes when its gradients are multiplied many times through many layers during back propagation. To be exact, I think you need to consider this problem precisely like you can see in this paper. But for now, please at least keep it in mind that when you calculate a gradient of an error function with respect to parameters of simple neural networks, you have to multiply parameters many times like below, and this type of calculation usually leads to vanishing/exploding gradient problem.

LSTM was invented as a way to tackle such problems as I mentioned in the last article.

3. How to display LSTM

I would like you to just go to image search on Google, Bing, or Yahoo!, and type in “LSTM.” I think you will find many figures, but basically LSTM charts are roughly classified into two types: in this article I call them “Space Odyssey type” and “electronic circuit type”, and in conclusion, I highly recommend you to understand LSTM as the “electronic circuit type.”

*I just randomly came up with the terms “Space Odyssey type” and “electronic circuit type” because the former one is used in the paper I mentioned, and the latter one looks like an electronic circuit to me. You do not have to take how I call them seriously.

However, not that all the well-made explanations on LSTM use the “electronic circuit type,” and I am sure you sometimes have to understand LSTM as the “space odyssey type.” And the paper “LSTM: A Search Space Odyssey,” which I learned a lot about LSTM from, also adopts the “Space Odyssey type.”

The main reason why I recommend the “electronic circuit type” is that its behaviors look closer to that of simple RNNs, which you would have seen if you read my former articles.

*Behaviors of both of them look different, but of course they are doing the same things.

If you have some understanding on DCL, I think it was not so hard to understand how simple RNNs work because simple RNNs are mainly composed of linear connections of neurons and weights, whose structures are the same almost everywhere. And basically they had only straightforward linear connections as you can see below.

But from now on, I would like you to give up the ideas that LSTM is composed of connections of neurons like the head image of this article series. If you do that, I think that would be chaotic and I do not want to make a figure of it on Power Point. In short, sooner or later you have to understand equations of LSTM.

4. Forward propagation of LSTM in “electronic circuit type”

*For further understanding of mathematics of LSTM forward/back propagation, I recommend you to download my slides.

The behaviors of an LSTM block is quite similar to that of a simple RNN block: an RNN block gets an input every time step and gets information from the RNN block of the last time step, via recurrent connections. And the block succeeds information to the next block.

Let’s look at the simplified architecture of an LSTM block. First of all, you should keep it in mind that LSTM have two streams of information: the one going through all the gates, and the one going through cell connections, the “highway” of LSTM block. For simplicity, we will see the architecture of an LSTM block without peephole connections, the lines in blue. The flow of information through cell connections is relatively uninterrupted. This helps LSTMs to retain information for a long time.

In a LSTM block, the input and the output of the former time step separately go through sections named “gates”: input gate, forget gate, output gate, and block input. The outputs of the forget gate, the input gate, and the block input join the highway of cell connections to renew the value of the cell.

*The small two dots on the cell connections are the “on-ramp” of cell conection highway.

*You would see the terms “input gate,” “forget gate,” “output gate” almost everywhere, but how to call the “block gate” depends on textbooks.

Let’s look at the structure of an LSTM block a bit more concretely. An LSTM block at the time step $(t)$ gets $\boldsymbol{y}^{(t-1)}$ , the output at the last time step, and $\boldsymbol{c}^{(t-1)}$ , the information of the cell at the time step $(t-1)$ , via recurrent connections. The block at time step $(t)$ gets the input $\boldsymbol{x}^{(t)}$ , and it separately goes through each gate, together with $\boldsymbol{y}^{(t-1)}$ . After some calculations and activation, each gate gives out an output. The outputs of the forget gate, the input gate, the block input, and the output gate are respectively $\boldsymbol{f}^{(t)}, \boldsymbol{i}^{(t)}, \boldsymbol{z}^{(t)}, \boldsymbol{o}^{(t)}$ . The outputs of the gates are mixed with $\boldsymbol{c}^{(t-1)}$ and the LSTM block gives out an output $\boldsymbol{y}^{(t)}$ , and gives $\boldsymbol{y}^{(t)}$ and $\boldsymbol{c}^{(t)}$ to the next LSTM block via recurrent connections.

You calculate $\boldsymbol{f}^{(t)}, \boldsymbol{i}^{(t)}, \boldsymbol{z}^{(t)}, \boldsymbol{o}^{(t)}$ as below.

$\boldsymbol{f}^{(t)}= \sigma(\boldsymbol{W}_{for} \boldsymbol{x}^{(t)} + \boldsymbol{R}_{for} \boldsymbol{y}^{(t-1)} + \boldsymbol{b}_{for})$
$\boldsymbol{i}^{(t)}=\sigma(\boldsymbol{W}_{in} \boldsymbol{x}^{(t)} + \boldsymbol{R}_{in} \boldsymbol{y}^{(t-1)} + \boldsymbol{b}_{in})$
$\boldsymbol{z}^{(t)}=tanh(\boldsymbol{W}_z \boldsymbol{x}^{(t)} + \boldsymbol{R}_z \boldsymbol{y}^{(t-1)} + \boldsymbol{b}_z)$
$\boldsymbol{o}^{(t)}=\sigma(\boldsymbol{W}_{out} \boldsymbol{x}^{(t)} + \boldsymbol{R}_{out} \boldsymbol{y}^{(t-1)} + \boldsymbol{b}_{out})$

*You have to keep it in mind that the equations above do not include peephole connections, which I am going to show with blue lines in the end.

The equations above are quite straightforward if you understand forward propagation of simple neural networks. You add linear products of $\boldsymbol{y}^{(t)}$ and $\boldsymbol{c}^{(t)}$ with different weights in each gate. What makes LSTMs different from simple RNNs is how to mix the outputs of the gates with the cell connections. In order to explain that, I need to introduce a mathematical operator called Hadamard product, which you denote as $\odot$ . This is a very simple operator. This operator produces an elementwise product of two vectors or matrices with identical shape.

With this Hadamar product operator, the renewed cell and the output are calculated as below.

$\boldsymbol{c}^{(t)} = \boldsymbol{z}^{(t)}\odot \boldsymbol{i}^{(t)} + \boldsymbol{c}^{(t-1)} \odot \boldsymbol{f}^{(t)}$
$\boldsymbol{y}^{(t)} = \boldsymbol{o}^{(t)} \odot tanh(\boldsymbol{c}^{(t)})$

The values of $\boldsymbol{f}^{(t)}, \boldsymbol{i}^{(t)}, \boldsymbol{z}^{(t)}, \boldsymbol{o}^{(t)}$ are compressed into the range of $[0, 1]$ or $[-1, 1]$ with activation functions. You can see that the input gate and the block input give new information to the cell. The part $\boldsymbol{c}^{(t-1)} \odot \boldsymbol{f}^{(t)}$ means that the output of the forget gate “forgets” the cell of the last time step by multiplying the values from 0 to 1 elementwise. And the cell $\boldsymbol{c}^{(t)}$ is activated with $tanh()$ and the output of the output gate “suppress” the activated value of $\boldsymbol{c}^{(t)}$ . In other words, the output gatedecides how much information to give out as an output of the LSTM block. The output of every gate depends on the input $\boldsymbol{x}^{(t)}$ , and the recurrent connection $\boldsymbol{y}^{(t-1)}$ . That means an LSTM block learns to forget the cell of the last time step, to renew the cell, and to suppress the output. To describe in an extreme manner, if all the outputs of every gate are always $(1, 1, …1)^T$ , LSTMs forget nothing, retain information of inputs at every time step, and gives out everything. And if all the outputs of every gate are always $(0, 0, …0)^T$ , LSTMs forget everything, receive no inputs, and give out nothing.

This model has one problem: the outputs of each gate do not directly depend on the information in the cell. To solve this problem, some LSTM models introduce some flows of information from the cell to each gate, which are shown as lines in blue in the figure below.

LSTM models, for example the one with or without peephole connection, depend on the library you use, and the model I have showed is one of standard LSTM structure. However no matter how complicated structure of an LSTM block looks, you usually cover it with a black box as below and show its behavior in a very simplified way.

5. Space Odyssey type

I personally think there is no advantages of understanding how LSTMs work with this Space Odyssey type chart, but in several cases you would have to use this type of chart. So I will briefly explain how to look at that type of chart, based on understandings of LSTMs you have gained through this article.

In Space Odyssey type of LSTM chart, at the center is a cell. Electronic circuit type of chart, which shows the flow of information of the cell as an uninterrupted “highway” in an LSTM block. On the other hand, in a Spacey Odyssey type of chart, the information of the cell rotate at the center. And each gate gets the information of the cell through peephole connections, $\boldsymbol{x}^{(t)}$ , the input at the time step $(t)$ , sand $\boldsymbol{y}^{(t-1)}$ , the output at the last time step $(t-1)$ , which came through recurrent connections. In Space Odyssey type of chart, you can more clearly see that the information of the cell go to each gate through the peephole connections in blue. Each gate calculates its output.

Just as the charts you have seen, the dotted line denote the information from the past. First, the information of the cell at the time step $(t-1)$ goes to the forget gate and get mixed with the output of the forget cell In this process the cell is partly “forgotten.” Next, the input gate and the block input are mixed to generate part of new value of the the cell at time step $(t)$ . And the partly “forgotten” $\boldsymbol{c}^{(t-1)}$ goes back to the center of the block and it is mixed with the output of the input gate and the block input. That is how $\boldsymbol{c}^{(t)}$ is renewed. And the value of new cell flow to the top of the chart, being mixed with the output of the output gate. Or you can also say the information of new cell is “suppressed” with the output gate.

I have finished the first four articles of this article series, and finally I am gong to write about back propagation of LSTM in the next article. I have to say what I have written so far is all for the next article, and my long long Power Point slides.

[References]

[1] Klaus Greff, Rupesh Kumar Srivastava, Jan Koutník, Bas R. Steunebrink, Jürgen Schmidhuber, “LSTM: A Search Space Odyssey,” (2017)

[2] Francois Chollet, Deep Learning with Python,(2018), Manning , pp. 202-204

[3] “Sepp Hochreiter receives IEEE CIS Neural Networks Pioneer Award 2021”, Institute of advanced research in artificial intelligence, (2020)
URL: https://www.iarai.ac.at/news/sepp-hochreiter-receives-ieee-cis-neural-networks-pioneer-award-2021/?fbclid=IwAR27cwT5MfCw4Tqzs3MX_W9eahYDcIFuoGymATDR1A-gbtVmDpb8ExfQ87A

[4] Oketani Takayuki, “Machine Learning Professional Series: Deep Learning,” (2015), pp. 120-125
岡谷貴之著, 「機械学習プロフェッショナルシリーズ深層学習」, (2015), pp. 120-125

[5] Harada Tatsuya, “Machine Learning Professional Series: Image Recognition,” (2017), pp. 252-257
原田達也著, 「機械学習プロフェッショナルシリーズ画像認識」, (2017), pp. 252-257

[6] “Understandable LSTM ~ With the Current Trends,” Qiita, (2015)
「わかるLSTM ～最近の動向と共に」, Qiita, (2015)
URL: https://qiita.com/t_Signull/items/21b82be280b46f467d1b

Interview: Data Science in der Finanzbranche

July 29, 2020/0 Comments/in Data Science, Insights, Interviews, Main Category /by Benjamin Aunkofer

Interview mit Torsten Nahm von der DKB (Deutsche Kreditbank AG) über Data Science in der Finanzbranche

Torsten Nahm ist Head of Data Science bei der DKB (Deutsche Kreditbank AG) in Berlin. Er hat Mathematik in Bonn mit einem Schwerpunkt auf Statistik und numerischen Methoden studiert. Er war zuvor u.a. als Berater bei KPMG und OliverWyman tätig sowie bei dem FinTech Funding Circle, wo er das Risikomanagement für die kontinentaleuropäischen Märkte geleitet hat.

Hallo Torsten, wie bist du zu deinem aktuellen Job bei der DKB gekommen?

Die Themen Künstliche Intelligenz und maschinelles Lernen haben mich schon immer fasziniert. Den Begriff „Data Science“ gibt es ja noch gar nicht so lange. In meinem Studium hieß das „statistisches Lernen“, aber im Grunde ging es um das gleiche Thema: dass ein Algorithmus Muster in den Daten erkennt und dann selbstständig Entscheidungen treffen kann.

Im Rahmen meiner Tätigkeit als Berater für verschiedene Unternehmen und Banken ist mir klargeworden, an wie vielen Stellen man mit smarten Algorithmen ansetzen kann, um Prozesse und Produkte zu verbessern, Risiken zu reduzieren und das Kundenerlebnis zu verbessern. Als die DKB jemanden gesucht hat, um dort den Bereich Data Science weiterzuentwickeln, fand ich das eine äußerst spannende Gelegenheit. Die DKB bietet mit über 4 Millionen Kunden und einem auf Nachhaltigkeit fokussierten Geschäftsmodell m.E. ideale Möglichkeiten für anspruchsvolle aber auch verantwortungsvolle Data Science.

Du hast viel Erfahrung in Data Science und im Risk Management sowohl in der Banken- als auch in der Versicherungsbranche. Welche Rolle siehst du für Big Data Analytics in der Finanz- und Versicherungsbranche?

Banken und Versicherungen waren mit die ersten Branchen, die im großen Stil Computer eingesetzt haben. Das ist einfach ein unglaublich datengetriebenes Geschäft. Entsprechend haben komplexe Analysemethoden und auch Big Data von Anfang an eine große Rolle gespielt – und die Bedeutung nimmt immer weiter zu. Technologie hilft aber vor allem dabei Prozesse und Produkte für die Kundinnen und Kunden zu vereinfachen und Banking als ein intuitives, smartes Erlebnis zu gestalten – Stichwort „Die Bank in der Hosentasche“. Hier setzen wir auf einen starken Kundenfokus und wollen die kommenden Jahre als Bank deutlich wachsen.

Kommen die Bestrebungen hin zur Digitalisierung und Nutzung von Big Data gerade eher von oben aus dem Vorstand oder aus der Unternehmensmitte, also aus den Fachbereichen, heraus?

Das ergänzt sich idealerweise. Unser Vorstand hat sich einer starken Wachstumsstrategie verschrieben, die auf Automatisierung und datengetriebenen Prozessen beruht. Gleichzeitig sind wir in Dialog mit vielen Bereichen der Bank, die uns fragen, wie sie ihre Produkte und Prozesse intelligenter und persönlicher gestalten können.

Was ist organisatorische Best Practice? Finden die Analysen nur in deiner Abteilung statt oder auch in den Fachbereichen?

Ich bin ein starker Verfechter eines „Hub-and-Spoke“-Modells, d.h. eines starken zentralen Bereichs zusammen mit dezentralen Data-Science-Teams in den einzelnen Fachbereichen. Wir als zentraler Bereich erschließen dabei neue Technologien (wie z.B. die Cloud-Nutzung oder NLP-Modelle) und arbeiten dabei eng mit den dezentralen Teams zusammen. Diese wiederum haben den Vorteil, dass sie direkt an den jeweiligen Kollegen, Daten und Anwendern dran sind.

Wie kann man sich die Arbeit bei euch in den Projekten vorstellen? Was für Profile – neben dem Data Scientist – sind beteiligt?

Inzwischen hat im Bereich der Data Science eine deutliche Spezialisierung stattgefunden. Wir unterscheiden grob zwischen Machine Learning Scientists, Data Engineers und Data Analysts. Die ML Scientists bauen die eigentlichen Modelle, die Date Engineers führen die Daten zusammen und bereiten diese auf und die Data Analysts untersuchen z.B. Trends, Auffälligkeiten oder gehen Fehlern in den Modellen auf den Grund. Dazu kommen noch unsere DevOps Engineers, die die Modelle in die Produktion überführen und dort betreuen. Und natürlich haben wir in jedem Projekt noch die fachlichen Stakeholder, die mit uns die Projektziele festlegen und von fachlicher Seite unterstützen.

Und zur technischen Organisation, setzt ihr auf On-Premise oder auf Cloud-Lösungen?

Unsere komplette Data-Science-Arbeitsumgebung liegt in der Cloud. Das vereinfacht die gemeinsame Arbeit enorm, da wir auch sehr große Datenmengen z.B. direkt über S3 gemeinsam bearbeiten können. Und natürlich profitieren wir auch von der großen Flexibilität der Cloud. Wir müssen also z.B. kein Spark-Cluster oder leistungsfähige Multi-GPU-Instanzen on premise vorhalten, sondern nutzen und zahlen sie nur, wenn wir sie brauchen.

Gibt es Stand heute bereits Big Data Projekte, die die Prototypenphase hinter sich gelassen haben und nun produktiv umgesetzt werden?

Ja, wir haben bereits mehrere Produkte, die die Proof-of-Concept-Phase erfolgreich hinter sich gelassen haben und nun in die Produktion umgesetzt werden. U.a. geht es dabei um die Automatisierung von Backend-Prozessen auf Basis einer automatischen Dokumentenerfassung und -interpretation, die Erkennung von Kundenanliegen und die Vorhersage von Prozesszeiten.

In wie weit werden unstrukturierte Daten in die Analysen einbezogen?

Das hängt ganz vom jeweiligen Produkt ab. Tatsächlich spielen in den meisten unserer Projekte unstrukturierte Daten eine große Rolle. Das macht die Themen natürlich anspruchsvoll aber auch besonders spannend. Hier ist dann oft Deep Learning die Methode der Wahl.

Wie stark setzt ihr auf externe Vendors? Und wie viel baut ihr selbst?

Wenn wir ein neues Projekt starten, schauen wir uns immer an, was für Lösungen dafür schon existieren. Bei vielen Themen gibt es gute etablierte Lösungen und Standardtechnologien – man muss nur an OCR denken. Kommerzielle Tools haben wir aber im Ergebnis noch fast gar nicht eingesetzt. In vielen Bereichen ist das Open-Source-Ökosystem am weitesten fortgeschritten. Gerade bei NLP zum Beispiel entwickelt sich der Forschungsstand rasend. Die besten Modelle werden dann von Facebook, Google etc. kostenlos veröffentlicht (z.B. BERT und Konsorten), und die Vendors von kommerziellen Lösungen sind da Jahre hinter dem Stand der Technik.

Letzte Frage: Wie hat sich die Coronakrise auf deine Tätigkeit ausgewirkt?

In der täglichen Arbeit eigentlich fast gar nicht. Alle unsere Daten sind ja per Voraussetzung digital verfügbar und unsere Cloudumgebung genauso gut aus dem Home-Office nutzbar. Aber das Brainstorming, gerade bei komplexen Fragestellungen des Feature Engineering und Modellarchitekturen, finde ich per Videocall dann doch deutlich zäher als vor Ort am Whiteboard. Insofern sind wir froh, dass wir uns inzwischen auch wieder selektiv in unseren Büros treffen können. Insgesamt hat die DKB aber schon vor Corona auf unternehmensweites Flexwork gesetzt und bietet dadurch per se flexible Arbeitsumgebungen über die IT-Bereiche hinaus.

Data Science für Smart Home im familiengeführten Unternehmen Miele

June 30, 2020/0 Comments/in Artificial Intelligence, Data Science, Insights, Interviews, Machine Learning, Main Category, Use Cases /by Benjamin Aunkofer

Dr. Florian Nielsen ist Principal for AI und Data Science bei Miele im Bereich Smart Home und zuständig für die Entwicklung daten-getriebener digitaler Produkte und Produkterweiterungen. Der studierte Informatiker promovierte an der Universität Ulm zum Thema multimodale kognitive technische Systeme.

Data Science Blog: Herr Dr. Nielsen, viele Unternehmen und Anwender reden heute schon von Smart Home, haben jedoch eher ein Remote Home. Wie machen Sie daraus tatsächlich ein Smart Home?

Tatsächlich entspricht das auch meiner Wahrnehmung. Die bloße Steuerung vernetzter Produkte über digitale Endgeräte macht aus einem vernetzten Produkt nicht gleich ein „smartes“. Allerdings ist diese Remotefunktion ein notwendiges Puzzlestück in der Entwicklung von einem nicht vernetzten Produkt, über ein intelligentes, vernetztes Produkt hin zu einem Ökosystem von sich ergänzenden smarten Produkten und Services. Vernetzte Produkte, selbst wenn sie nur aus der Ferne gesteuert werden können, erzeugen Daten und ermöglichen uns die Personalisierung, Optimierung oder gar Automatisierung von Produktfunktionen basierend auf diesen Daten voran zu treiben. „Smart“ wird für mich ein Produkt, wenn es sich beispielsweise besser den Bedürfnissen des Nutzers anpasst oder über Assistenzfunktionen eine Arbeitserleichterung im Alltag bietet.

Data Science Blog: Smart Home wiederum ist ein großer Begriff, der weit mehr als Geräte für Küchen und Badezimmer betrifft. Wie weit werden Sie hier ins Smart Home vordringen können?

Smart Home ist für mich schon fast ein verbrannter Begriff. Der Nutzer assoziiert hiermit doch vor allem die Steuerung von Heizung und Rollladen. Im Prinzip geht es doch um eine Vision in der sich smarte, vernetzte Produkt in ein kontextbasiertes Ökosystem einbetten um den jeweiligen Nutzer in seinem Alltag, nicht nur in seinem Zuhause, Mehrwert mit intelligenten Produkten und Services zu bieten. Für uns fängt das beispielsweise nicht erst beim Starten des Kochprozesses mit Miele-Geräten an, sondern deckt potenziell die komplette „User Journey“ rund um Ernährung (z. B. Inspiration, Einkaufen, Vorratshaltung) und Kochen ab. Natürlich überlegen wir verstärkt, wie Produkte und Services unser existierendes Produktportfolio ergänzen bzw. dem Nutzer zugänglicher machen könnten, beschränken uns aber hierauf nicht. Ein zusätzlicher für uns als Miele essenzieller Aspekt ist allerdings auch die Privatsphäre des Kunden. Bei der Bewertung potenzieller Use-Cases spielt die Privatsphäre unserer Kunden immer eine wichtige Rolle.

Data Science Blog: Die meisten Data-Science-Abteilungen befassen sich eher mit Prozessen, z. B. der Qualitätsüberwachung oder Prozessoptimierung in der Produktion. Sie jedoch nutzen Data Science als Komponente für Produkte. Was gibt es dabei zu beachten?

Kundenbedürfnisse. Wir glauben an nutzerorientierte Produktentwicklung und dementsprechend fängt alles bei uns bei der Identifikation von Bedürfnissen und potenziellen Lösungen hierfür an. Meist starten wir mit „Design Thinking“ um die Themen zu identifizieren, die für den Kunden einen echten Mehrwert bieten. Wenn dann noch Data Science Teil der abgeleiteten Lösung ist, kommen wir verstärkt ins Spiel. Eine wesentliche Herausforderung ist, dass wir oft nicht auf der grünen Wiese starten können. Zumindest wenn es um ein zusätzliches Produktfeature geht, das mit bestehender Gerätehardware, Vernetzungsarchitektur und der daraus resultierenden Datengrundlage zurechtkommen muss. Zwar sind unsere neuen Produktgenerationen „Remote Update“-fähig, aber auch das hilft uns manchmal nur bedingt. Dementsprechend ist die Antizipation von Geräteanforderungen essenziell. Etwas besser sieht es natürlich bei Umsetzungen von cloud-basierten Use-Cases aus.

Data Science Blog: Es heißt häufig, dass Data Scientists kaum zu finden sind. Ist Recruiting für Sie tatsächlich noch ein Thema?

Data Scientists, hier mal nicht interpretiert als Mythos „Unicorn“ oder „Full-Stack“ sind natürlich wichtig, und auch nicht leicht zu bekommen in einer Region wie Gütersloh. Aber Engineers, egal ob Data, ML, Cloud oder Software generell, sind der viel wesentlichere Baustein für uns. Für die Umsetzung von Ideen braucht es nun mal viel Engineering. Es ist mittlerweile hinlänglich bekannt, dass Data Science einen zwar sehr wichtigen, aber auch kleineren Teil des daten-getriebenen Produkts ausmacht. Mal abgesehen davon habe ich den Eindruck, dass immer mehr „Data Science“- Studiengänge aufgesetzt werden, die uns einerseits die Suche nach Personal erleichtern und andererseits ermöglichen Fachkräfte einzustellen die nicht, wie früher einen PhD haben (müssen).

Data Science Blog: Sie haben bereits einige Analysen erfolgreich in Ihre Produkte integriert. Welche Herausforderungen mussten dabei überwunden werden? Und welche haben Sie heute noch vor sich?

Wir sind, wie viele Data-Science-Abteilungen, noch ein relativ junger Bereich. Bei den meisten unserer smarten Produkte und Services stecken wir momentan in der MVP-Entwicklung, deshalb gibt es einige Herausforderungen, die wir aktuell hautnah erfahren. Dies fängt, wie oben erwähnt, bei der Berücksichtigung von bereits vorhandenen Gerätevoraussetzungen an, geht über mitunter heterogene, inkonsistente Datengrundlagen, bis hin zur Etablierung von Data-Science- Infrastruktur und Deploymentprozessen. Aus meiner Sicht stehen zudem viele Unternehmen vor der Herausforderung die Weiterentwicklung und den Betrieb von AI bzw. Data- Science- Produkten sicherzustellen. Verglichen mit einem „fire-and-forget“ Mindset nach Start der Serienproduktion früherer Zeiten muss ein Umdenken stattfinden. Daten-getriebene Produkte und Services „leben“ und müssen dementsprechend anders behandelt und umsorgt werden – mit mehr Aufwand aber auch mit der Chance „immer besser“ zu werden. Deshalb werden wir Buzzwords wie „MLOps“ vermehrt in den üblichen Beraterlektüren finden, wenn es um die nachhaltige Generierung von Mehrwert von AI und Data Science für Unternehmen geht. Und das zu Recht.

Data Science Blog: Data Driven Thinking wird heute sowohl von Mitarbeitern in den Fachbereichen als auch vom Management verlangt. Gerade für ein Traditionsunternehmen wie Miele sicherlich eine Herausforderung. Wie könnten Sie diese Denkweise im Unternehmen fördern?

Data Driven Thinking kann nur etabliert werden, wenn überhaupt der Zugriff auf Daten und darauf aufbauende Analysen gegeben ist. Deshalb ist Daten-Demokratisierung der wichtigste erste Schritt. Aus meiner Perspektive geht es darum initial die Potenziale aufzuzeigen, um dann mithilfe von Daten Unsicherheiten zu reduzieren. Wir haben die Erfahrung gemacht, dass viele Fachbereiche echtes Interesse an einer daten-getriebenen Analyse ihrer Hypothesen haben und dankbar für eine daten-getriebene Unterstützung sind. Miele war und ist ein sehr innovatives Unternehmen, dass „immer besser“ werden will. Deshalb erfahren wir momentan große Unterstützung von ganz oben und sind sehr positiv gestimmt. Wir denken, dass ein Schritt in die richtige Richtung bereits getan ist und mit zunehmender Zahl an Multiplikatoren ein „Data Driven Thinking“ sich im gesamten Unternehmen etablieren kann.

How Text to Speech Voices Are Used In Data Science

June 9, 2020/0 Comments/in Data Science News, Insights, Machine Learning, Main Category /by Walter T. Cassady

To speak on voices, text to speech platforms are bringing versatility to a new scale by implementing voices that sound more personal and less like a robot. As these services gain traction, vocal quality, and implementation improve to give sounds that feel like they’re speaking to you from a human mouth.

The intention of most text to speech platforms have always been to provide experiences that users feel comfortable using. Voices are a huge part of that, so great strides have been taken to ensure that they sound right.

How Voices are Utilized

Voices in the text to speech are generated by a computer itself. As the computer-generated voices transcribe the text into oral responses, they make up what we hear as dialogue read to us. These voice clips initially had the problem of sounding robotic and unpersonable as they were pulled digitally together. Lately, though, the technology has improved to bring faster response time in transcribing words, as well as seamlessly stringing together. This has brought the advantage of making a computer-generated voice sound much more natural and human. As people seek to connect more with the works they read, having a human-sounding voice is a huge step in letting listeners relate to their works.

To give an example of where this works, you might have a GPS in your car. The GPS has a function where it will transcribe the car’s route and tell you each instruction. Some GPS companies have made full use of this feature and added fun voices to help entertain drivers. These include Darth Vader and Yoda from Star Wars or having Morgan Freeman and Homer Simpson narrate your route. Different voice types are utilized in services depending on the situation. Professional uses like customer service centers will keep automated voices sounding professional and courteous when assisting customers. Educational systems will keep softer and kinder sounding voices to help sound more friendly with students.

When compared to older solutions, the rise of vocal variety in Text to Speech services has taken huge leaps as more people see the value of having a voice that they can connect to. Expressive voices and emotional variance are being applied to voices to help further convey this, with happy or sad sounding voices being implemented wherever appropriate. As time goes on, these services will get better at the reading context within sentences to apply emotion and tone at the correct times, and improve overall vocal quality as well. These reinvent past methods by advancing the once static and robotic sounds that used to be commonplace among text to voice services.

More infrastructures adopt these services to expand their reach to consumers who might not have the capabilities to utilize their offerings. Having clear and relatable voices matter because customers and users will be drawn to them considerably more than if they chose not to offer them at all. In the near future text to speech voices will develop even further, enhancing the way people of all kinds connect to the words they read.

As Businesses Struggle With ML, Automation Offers a Solution

May 19, 2020/0 Comments/in Artificial Intelligence, Gerneral, Insights, Main Category /by Philip Piletic

In recent years, machine learning technology and the business solutions it enables has developed into a big business in and of itself. According to the industry analysts at IDC, spending on ML and AI technology is set to grow to almost $98 billion per year by 2023. In practical terms, that figure represents a business environment where ML technology has become a key priority for companies of every kind.

That doesn’t mean that the path to adopting ML technology is easy for businesses. Far from it. In fact, survey data seems to indicate that businesses are still struggling to get their machine learning efforts up and running. According to one such survey, it currently takes the average business as many as 90 days to deploy a single machine learning model. For 20% of businesses, that number is even higher.

From the data, it seems clear that something is missing in the methodologies that most companies rely on to make meaningful use of machine learning in their business workflows. A closer look at the situation reveals that the vast majority of data workers (analysts, data scientists, etc.) spend an inordinate amount of time on infrastructure work – and not on creating and refining machine learning models.

Streamlining the ML Adoption Process

To fix that problem, businesses need to turn to another growing area of technology: automation. By leveraging the latest in automation technology, it’s now possible to build an automated machine learning pipeline (AutoML pipeline) that cuts down on the repetitive tasks that slow down ML deployments and lets data workers get back to the work they were hired to do. With the right customized solution in place, a business’s ML team can:

Reduce the time spent on data collection, cleaning, and ingestion
Minimize human errors in the development of ML models
Decentralize the ML development process to create an ML-as-a-service model with increased accessibility for all business stakeholders

In short, an AutoML pipeline turns the high-effort functions of the ML development process into quick, self-adjusting steps handled exclusively by machines. In some use cases, an AutoML pipeline can even allow non-technical stakeholders to self-create ML solutions tailored to specific business use cases with no expert help required. In that way, it can cut ML costs, shorten deployment time, and allow data scientists to focus on tackling more complex modelling work to develop custom ML solutions that are still outside the scope of available automation techniques.

The Parts of an AutoML Pipeline

Although the frameworks and tools used to create an AutoML pipeline can vary, they all contain elements that conform to the following areas:

Data Preprocessing – Taking available business data from a variety of sources, cleaning it, standardizing it, and conducting missing value imputation
Feature Engineering – Identifying features in the raw data set to create hypotheses for the model to base predictions on
Model Selection – Choosing the right ML approach or hyperparameters to produce the desired predictions
Tuning Hyperparameters – Determining which hyperparameters help the model achieve optimal performance

As anyone familiar with ML development can tell you, the steps in the above process tend to represent the majority of the labour and time-intensive work that goes into creating a model that’s ready for real-world business use. It is also in those steps where the lion’s share of business ML budgets get consumed, and where most of the typical delays occur.

The Limitations and Considerations for Using AutoML

Given the scope of the work that can now become part of an AutoML pipeline, it’s tempting to imagine it as a panacea – something that will allow a business to reduce its reliance on data scientists going forward. Right now, though, the technology can’t do that. At this stage, AutoML technology is still best used as a tool to augment the productivity of business data teams, not to supplant them altogether.

To that end, there are some considerations that businesses using AutoML will need to keep in mind to make sure they get reliable, repeatable, and value-generating results, including:

Transparency – Businesses must establish proper vetting procedures to make sure they understand the models created by their AutoML pipeline, so they can explain why it’s making the choices or predictions it’s making. In some industries, such as in medicine or finance, this could even fall under relevant regulatory requirements.
Extensibility – Making sure the AutoML framework may be expanded and modified to suit changing business needs or to tackle new challenges as they arise.
Monitoring and Maintenance – Since today’s AutoML technology isn’t a set-it-and-forget-it proposition, it’s important to establish processes for the monitoring and maintenance of the deployment so it can continue to produce useful and reliable ML models.

The Bottom Line

As it stands today, the convergence of automation and machine learning holds the promise of delivering ML models at scale for businesses, which would greatly speed up the adoption of the technology and lower barriers to entry for those who have yet to embrace it. On the whole, that’s great news both for the businesses that will benefit from increased access to ML technology, as well as for the legions of data professionals tasked with making it all work.

It’s important to note, of course, that complete end-to-end ML automation with no human intervention is still a long way off. While businesses should absolutely explore building an automated machine learning pipeline to speed up development time in their data operations, they shouldn’t lose sight of the fact that they still need plenty of high-skilled data scientists and analysts on their teams. It’s those specialists that can make appropriate and productive use of the technology. Without them, an AutoML pipeline would accomplish little more than telling the business what it wants to hear.

The good news is that the AutoML tools that exist right now are sufficient to alleviate many of the real-world problems businesses face in their road to ML adoption. As they become more commonplace, there’s little doubt that the lead time to deploy machine learning models is going to shrink correspondingly – and that businesses will enjoy higher ROI and enhanced outcomes as a result.

CAPTCHAs lösen via Maschine Learning

March 9, 2020/1 Comment/in Artificial Intelligence, Data Science, Deep Learning, Insights, Machine Learning, Main Category /by Pavel Shipilov

Wie weit ist das maschinelle Lernen auf dem Gebiet der CAPTCHA-Lösung fortgeschritten?

Maschinelles Lernen ist mehr als ein Buzzword, denn unter der Haube stecken viele Algorithemen, die eine ganze Reihe von Problemen lösen können. Die Lösung von CAPTCHA ist dabei nur eine von vielen Aufgaben, die Machine Learning bewältigen kann. Durch die Arbeit an ein paar Problemen im Zusammenhang mit dem konvolutionellen neuronalen Netz haben wir festgestellt, dass es in diesem Bereich noch viel Verbesserungspotenzial gibt. Die Genauigkeit der Erkennung ist oftmals noch nicht gut genug. Schauen wir uns im Einzelnen an, welche Dienste wir haben, um dieses Problem anzugehen, und welche sich dabei als die besten erweisen.

Was ist CAPTCHA?

CAPTCHA ist kein fremder Begriff mehr für Web-Benutzer. Es handelt sich um die ärgerliche menschliche Validierungsprüfung, die auf vielen Websites hinzugefügt wird. Es ist ein Akronym für Completely Automated Public Turing test for tell Computer and Humans Apart. CAPTCHA kann als ein Computerprogramm bezeichnet werden, das dazu entwickelt wurde, Mensch und Maschine zu unterscheiden, um jede Art von illegaler Aktivität auf Websites zu verhindern. Der Sinn von CAPTCHA ist, dass nur ein Mensch diesen Test bestehen können sollte und Bots bzw. irgend eine Form automatisierter Skripte daran versagen. So entsteht ein Wettlauf zwischen CAPTCHA-Anbietern und Hacker-Lösungen, die auf den Einsatz von selbstlernenden Systemen setzen.

Warum müssen wir CAPTCHA lösen?

Heutzutage verwenden die Benutzer automatisierte CAPTCHA-Lösungen für verschiedene Anwendungsfälle. Und hier ein entscheidender Hinweis: Ähnlich wie Penetrationstesting ist der Einsatz gegen Dritte ohne vorherige Genehmigung illegal. Gegen eigene Anwendungen oder gegen Genehmigung (z. B. im Rahmen eines IT-Security-Tests) ist die Anwendung erlaubt. Hacker und Spammer verwenden die CAPTCHA-Bewältigung, um die E-Mail-Adressen der Benutzer zu erhalten, damit sie so viele Spams wie möglich erzeugen können oder um Bruteforce-Attacken durchführen zu können. Die legitimen Beispiele sind Fälle, in denen ein neuer Kunde oder Geschäftspartner zu Ihnen gekommen ist und Zugang zu Ihrer Programmierschnittstelle (API) benötigt, die noch nicht fertig ist oder nicht mit Ihnen geteilt werden kann, wegen eines Sicherheitsproblems oder Missbrauchs, den es verursachen könnte.

Für diese Anwendungsfälle sollen automatisierte Skripte CAPTCHA lösen. Es gibt verschiedene Arten von CAPTCHA: Textbasierte und bildbasierte CAPTCHA, reCAPTCHA und mathematisches CAPTCHA.

Es gibt einen Wettlauf zwischen CAPTCHA-Anbieter und automatisierten Lösungsversuchen. Die in CAPTCHA und reCAPTCHA verwendete Technologie werden deswegen immer intelligenter wird und Aktualisierungen der Zugangsmethoden häufiger. Das Aufrüsten hat begonnen.

Populäre Methoden für die CAPTCHA-Lösung

Die folgenden CAPTCHA-Lösungsmethoden stehen den Benutzern zur Lösung von CAPTCHA und reCAPTCHA zur Verfügung:

OCR (optische Zeichenerkennung) via aktivierte Bots – Dieser spezielle Ansatz löst CAPTCHAs automatisch mit Hilfe der OCR-Technik (Optical Character Recognition). Werkzeuge wie Ocrad, tesseract lösen CAPTCHAs, aber mit sehr geringer Genauigkeit.
Maschinenlernen — Unter Verwendung von Computer Vision, konvolutionalem neuronalem Netzwerk und Python-Frameworks und Bibliotheken wie Keras mit Tensorflow. Wir können tiefe neuronale Konvolutionsnetzmodelle trainieren, um die Buchstaben und Ziffern im CAPTCHA-Bild zu finden.
Online-CAPTCHA-Lösungsdienstleistungen — Diese Dienste verfügen teilweise über menschliche Mitarbeiter, die ständig online verfügbar sind, um CAPTCHAs zu lösen. Wenn Sie Ihre CAPTCHA-Lösungsanfrage senden, übermittelt der Dienst sie an die Lösungsanbieter, die sie lösen und die Lösungen zurückschicken.

Leistungsanalyse der OCR-basierten Lösung

OCR Die OCR ist zwar eine kostengünstige Lösung, wenn es darum geht, eine große Anzahl von trivialen CAPTCHAs zu lösen, aber dennoch liefert sie nicht die erforderliche Genauigkeit. OCR-basierte Lösungen sind nach der Veröffentlichung von ReCaptcha V3 durch Google selten geworden. OCR-fähige Bots sind daher nicht dazu geeignet, CAPTCHA zu umgehen, die von Titanen wie Google, Facebook oder Twitter eingesetzt werden. Hierfür müsste ein besser ausgestattetes CAPTCHA-Lösungssystem eingesetzt werden.

OCR-basierte Lösungen lösen 1 aus 3 trivialen CAPTCHAs korrekt.

Leistungsanalyse der ML-basierten Methode

Schauen wir uns an, wie Lösungen auf dem Prinzip des Maschinenlernens funktionieren:

Die ML-basierte Verfahren verwenden OpenCV, um Konturen in einem Bild zu finden, das die durchgehenden Gebiete feststellt. Die Bilder werden mit der Technik der Schwellenwertbildung vorverarbeitet. Alle Bilder werden in Schwarzweiß konvertiert. Wir teilen das CAPTCHA-Bild mit der OpenCV-Funktion findContour() in verschiedene Buchstaben auf. Die verarbeiteten Bilder sind jetzt nur noch einzelne Buchstaben und Ziffern. Diese werden dann dem CNN-Modell zugeführt, um es zu trainieren. Und das trainierte CNN-Modell ist bereit, die richtige Captchas zu lösen.

Die Präzision einer solchen Lösung ist für alle textbasierten CAPTCHAs weitaus besser als die OCR-Lösung. Es gibt auch viele Nachteile dieser Lösung, denn sie löst nur eine bestimmte Art von CAPTCHAs und Google aktualisiert ständig seinen reCAPTCHA-Generierungsalgorithmus. Die letzte Aktualisierung schien die beste ReCaptcha-Aktualisierung zu sein, die disen Dienst bisher beeinflusst hat: Die regelmäßigen Nutzer hatten dabei kaum eine Veränderung der Schwierigkeit gespürt, während automatisierte Lösungen entweder gar nicht oder nur sehr langsam bzw. inakkurat funktionierten.

Das Modell wurde mit 1⁰⁴ Iterationen mit korrekten und zufälligen Stichproben und 1⁰⁵ Testbildern trainiert, und so wurde eine mittlere Genauigkeit von ~60% erreicht.

Bild-Quelle: “CAPTCHA Recognition with Active Deep Learning” @ TU München https://www.researchgate.net/publication/301620459_CAPTCHA_Recognition_with_Active_Deep_Learning

Wenn Ihr Anwendungsfall also darin besteht, eine Art von CAPTCHA mit ziemlich einfacher Komplexität zu lösen, können Sie ein solches trainiertes ML-Modell hervorragend nutzen. Eine bessere Captcha-Lösungslösung als OCR, muss aber noch eine ganze Menge Bereiche umfassen, um die Genauigkeit der Lösung zu gewährleisten.

Online-Captcha-Lösungsdienst

Online-CAPTCHA-Lösungsdienste sind bisher die bestmögliche Lösung für dieses Problem. Sie verfolgen alle Aktualisierungen von reCAPTCHA durch Google und bieten eine tadellose Genauigkeit von 99%.

Warum sind Online-Anti-Captcha-Dienste leistungsfähiger als andere Methoden?

Die OCR-basierten und ML-Lösungen weisen nach den bisherigen Forschungsarbeiten und Weiterentwicklungen viele Nachteile auf. Sie können nur triviale CAPTCHAs ohne wesentliche Genauigkeit lösen. Hier sind einige Punkte, die in diesem Zusammenhang zu berücksichtigen sind:

– Ein höherer Prozentsatz an korrekten Lösungen (OCR gibt bei wirklich komplizierten CAPTCHAs ein extrem hohes Maß an falschen Antworten; ganz zu schweigen davon, dass einige Arten von CAPTCHA überhaupt nicht mit OCR gelöst werden können, zumindest vorerst).

– Kontinuierlich fehlerfreie Arbeit ohne Unterbrechungen mit schneller Anpassung an die neu hinzugekommene Komplexität.

– Kostengünstig mit begrenzten Ressourcen und geringen Wartungskosten, da es keine Software- oder Hardwareprobleme gibt; alles, was Sie benötigen, ist eine Internetverbindung, um einfache Aufträge über die API des Anti-Captcha-Dienstes zu senden.

Die großen Anbieter von Online-Lösungsdiensten

Jetzt, nachdem wir die bessere Technik zur Lösung Ihrer CAPTCHAs geklärt haben, wollen wir unter allen Anti-Captcha-Diensten den besten auswählen. Einige Dienste bieten eine hohe Genauigkeit der Lösungen, API-Unterstützung für die Automatisierung und schnelle Antworten auf unsere Anfragen. Dazu gehören Dienste wie 2captcha, Imagetyperz, CaptchaSniper, etc.

2CAPTCHA ist einer der Dienste, die auf die Kombination von Machine Learning und echten Menschen setzen, um CAPTCHA zuverlässig zu lösen. Dabei versprechen Dienste wie 2captcha:

Schnelle Lösung mit 17 Sekunden für grafische und textuelle Captchas und ~23 Sekunden für ReCaptcha
Unterstützt alle populären Programmiersprachen mit einer umfassenden Dokumentation der fertigen Bibliotheken.
Hohe Genauigkeit (bis zu 99% je nach dem CAPTCHA-Typ).
Das Geld wird bei falschen Antworten zurückerstattet.
Fähigkeit, eine große Anzahl von Captchas zu lösen (mehr als 10.000 pro Minute)

Schlussfolgerung

Convolutional Neural Networks (CNN) wissen, wie die einfachsten Arten von Captcha zu bewältigen sind und werden auch mit der weiteren Enwicklung schritthalten können. Wir haben es mit einem Wettlauf um verkomplizierte CAPTCHAs und immer fähigeren Lösungen der automatisierten Erkennung zutun. Zur Zeit werden Online-Anti-Captcha-Dienste, die auf einen Mix aus maschinellem Lernen und menschlicher Intelligenz setzen, diesen Lösungen vorerst voraus sein.

Wie funktioniert Natural Language Processing in der Praxis? Ein Überblick

January 24, 2020/1 Comment/in Business Analytics, Data Mining, Data Science, Data Science News, Tutorial /by Aleksandra Klofat

Natural Language Processing (NLP,auf Deutsch auch als Computerlinguistik bezeichnet) gilt als ein Teilbereich des Machine Learning und der Sprachwissenschaften.

Beim NLP geht es vom Prinzip um das Extrahieren und Verarbeiten von Informationen, die in den natürlichen Sprachen enthalten sind. Im Rahmen von NLP wird die natürliche Sprache durch den Rechner in Zahlenabfolgen umgewandelt. Diese Zahlenabfolgen kann wiederum der Rechner benutzen, um Rückschlüsse auf unsere Welt zu ziehen. Kurz gesagt erlaubt NLP dem Computer unsere Sprache in ihren verschiedenen Formen zu verarbeiten.

Eine ausführlichere Definition von NLP wurde auf dem Data Science Blog von Christopher Kipp vorgenommen.

In diesem Beitrag werde ich dagegen einen Überblick über die spezifischen Schritte im NLP als Prozess darstellen, denn NLP erfolgt in mehreren Phasen, die aufeinander Folgen und zum Teil als Kreislauf verstanden werden können. In ihren Grundlagen ähneln sich diese Phasen bei jeder NLP-Anwendung, sei es Chatbot Erstellung oder Sentiment Analyse.

1. Datenreinigung / Normalisierung

In dieser Phase werden die rohen Sprachdaten aus ihrem ursprünglichen Format entnommen, sodass am Ende nur reine Textdaten ohne Format erhalten bleiben.

Beispielsweise können die Textdaten für unsere Analyse aus Webseiten stammen und nach ihrer Erhebung in HTML Code eingebettet sein.

Das Bild zeigt eine Beispielseite. Der Text hier ist noch in einen HTML Kontext eingebettet. Der erste Schritt muss daher sein, den Text von den diversen HTML-Tags zu bereinigen.

2. Tokenisierung und Normalisierung (Tokenizing and Normalizing)

Nach dem ersten Schritt steht als Ergebnis idealerweise reiner Text da, der aber auch Sprachelemente wie Punkte, Kommata sowie Groß- und Kleinschreibung beinhaltet.

Hier kommt der nächste Schritt ins Spiel – die Entfernung der Interpunktion vom Text. Der Text wird auf diese Weise auf seine Wort-Bestandteile (sog. Tokens) reduziert.

Zusätzlich zu diesem Schritt kann auch Groß- und Kleinschreibung entfernt werden (Normalisierung). Dies spart vor allem die Rechenkapazität.

So wird aus folgendem Abschnitt:

Auf diese Weise können wir die Daten aggregieren und in Subsets analysieren. Wir müssen nicht immer das ganze Machine Learning in Hadoop und Spark auf dem gesamten Datensatz starten.

folgender Text

auf diese weise können wir die daten aggregieren und in subsets analysieren wir müssen nicht immer das ganze machine learning in hadoop und spark auf dem gesamten datensatz starten

3. Füllwörterentfernung / Stop words removal

Im nächsten Schritt entfernen wir die sogenannten Füllwörter wie „und“, „sowie“, „etc.“. In den entsprechenden Python Bibliotheken sind die gängigen Füllwörter bereits gespeichert und können leicht entfernt werden. Trotzdem ist hier Vorsicht geboten. Die Bedeutung der Füllwörter in einer Sprache verändert sich je nach Kontext. Aus diesem Grund ist dieser Schritt optional und die zu entfernenden Füllwörter müssen kontextabhängig ausgewählt werden.

Nach diesem Schritt bleibt dann in unserem Beispiel folgender Text erhalten:

können daten aggregieren subsets analysieren müssen nicht immer machine learning hadoop spark datensatz starten

4. Pats of speech (POS)
Als weiterer Schritt können die Wörter mit ihrer korrekten Wortart markiert werden. Der Rechner markiert sie entsprechend als Verben, Nomen, Adjektive etc. Dieser Schritt könnte für manche Fälle der Grundformreduktion/Lemmatization notwendig sein (dazu sogleich unten).

5. Stemming und Lemmatization/Grundformreduktion

In weiteren Schritten kann weiter das sogenannte Stemming und Lemmatization folgen. Vom Prinzip werden hier die einzelnen Wörter in ihre Grundform bzw. Wörterbuchform gebracht.

Im Fall von Stemming werden die Wörter am Ende einfach abgeschnitten und auf den Wortstamm reduziert. So wäre zum Beispiel das Verb „gehen“, „geht“ auf die Form „geh“ reduziert.

Im Fall der Lemmatization bzw. Grundformreduktion werden die Wörter in ihre ursprüngliche Wörterbuchform gebracht: das Verb „geht“ wäre dann ins „gehen“ transformiert.

Parts of Speech, Stemming als auch Lemmatising sind vorteilhaft für die Komplexitätsreduktion. Sie führen deswegen zu mehr Effizienz und schnellerer Anwendbarkeit. Dies geschieht allerdings auf Kosten der Präzision. Die auf diese Weise erstellten Listen können dann im Fall einer Suchmaschine weniger relevante Ergebnisse liefern.

Nachfolgende Schritte beim NLP transformieren den Text in mathematische Zahlenfolgen, die der Rechner verstehen kann. Wie wir in diesem Schritt vorgehen, hängt stark davon ab, was das eigentliche Ziel des Projektes sei. Es gibt ein breites Angebot an Python Paketen, die die Zahlenbildung je nach Projektziel unterschiedlich gestalten

6a. Bag of Words Methoden in Python (https://en.wikipedia.org/wiki/Bag-of-words_model)

Zu den Bag of Words Methoden in Python gehört das sogenannte TF-IDF Vectorizer. Die Transformationsmethode mit dem TF-IDF eignet sich beispielsweise zum Bau eines Spamdetektors, da der TF-IDF Vectorizer die Wörter im Kontext des Gesamtdokumentes betrachtet.

6b. Word Embeddings Methoden in Python: Word2Vec, GloVe (https://en.wikipedia.org/wiki/Word_embedding)

Wie der Name bereits sagt transformiert Word2Vec die einzelnen Wörter zu Vektoren (Zahlenfolgen). Dabei werden ähnliche Wörter zu ähnlichen Vektoren transformiert. Die Methoden aus der Word Embeddings Kiste eignen sich zum Beispiel besser, um einen Chatbot zu erstellen.

Im letzten Schritt des NLP können wir die so prozessierte Sprache in die gängigen Machine Learning Modelle einspeisen. Das Beste an den oben erwähnten NLP Techniken ist die Transformation der Sprache in Zahlensequenzen, die durch jeden ML Algorithmus analysiert werden können. Die weitere Vorgehensweise hängt hier nur noch vom Ziel des Projektes ab.

Dies ist ein Überblick über die notwendigen (und optionalen) Schritte in einem NLP Verfahren. Natürlich hängt die Anwendung vom jeweiligen Use Case ab. Die hier beschriebenen NLP Phasen nehmen viele Ungenauigkeiten in Kauf, wie zum Beispiel die Reduzierung der Wörter auf Wortstämmen bzw. den Verzicht auf Großschreibung. Bei der Umsetzung in der Praxis müssen immer Kosten und Nutzen abgewogen werden und das Verfahren dem besonderen Fall angepasst werden.

Quellen:

Mandy Gu: „Spam or Ham: Introduction to Natural Language Processing Part 2“ https://towardsdatascience.com/spam-or-ham-introduction-to-natural-language-processing-part-2-a0093185aebd
Christopher D. Manning, Prabhakar Raghavan & Hinrich Schütze: „Introduction to Information Retrieval”, Cambridge University Press, https://nlp.stanford.edu/IR-book/
Hobson Lane, Cole Howard, Hannes Max Hapke: „Natural Language Processing in Action. Understanding, analyzing, and generating text with Python.” Manning Shelter Island

Daten als Frühwarnsystem einsetzen

January 14, 2020/0 Comments/in Artificial Intelligence, Business Analytics, Data Science, Main Category, Predictive Analytics /by Simon Krannig

In der klassischen Business Intelligence haben Unternehmen jahrelang Daten in Data Warehouses gesammelt und analysiert, um aus der Vergangenheit Lehren für die Zukunft zu ziehen. Zu seiner Zeit war das eine Revolution, aber da es sich dabei vor allem um Daten aus Transaktionssystemen handelte, war der Nutzen begrenzt. Erst mit der Verbreitung des IoT und von Sensoren, die permanent Daten liefern, konnten auch Gründe für Fehler oder Maschinenausfälle ausgelesen werden. Und wenn diese Gründe bestimmten Mustern folgen, liegt es nahe, einzugreifen, bevor ein Problem auftritt – das ist der Grundgedanke hinter dem Konzept von Predictive Analytics.

Großes bisher meist ungenutztes Potential

Systeme, die Risiken und Abweichungen als Frühwarnsystem erkennen, besitzen ein enormes wirtschaftliches Potential. In der Produktion beispielsweise können Maschinen länger reibungsfrei laufen und auch die IT-Infrastruktur profitiert. Predictive Analytics verändern aber auch die Unternehmensführung von Grund auf: Wenn Entscheidungen nur noch auf Basis von Daten anstatt von einem „Bauchgefühl” getroffen werden, verändert sich auch das Machtgefälle zugunsten der IT.

Wenn Entscheider sich nur noch auf Daten verlassen sollen/wollen und ihr Bauchgefühl ausschalten müssen, dann führt das zu einer Art “kultureller Überforderung” wie die Studie „Predictive Analytics 2018“ von IDG Research Services zeigt. Aber den meisten von ihnen ist klar, dass an dem Thema auf lange Sicht kein Weg vorbei führt. Zum Zeitpunkt der Befragung, die schon etwas zurückliegt, stuften bereits 47 Prozent der Unternehmen die Relevanz von Predictive Analytics als sehr hoch (18 Prozent) oder hoch (29 Prozent) ein. Über ein Drittel war aber bereits der Überzeugung, das Predictive Analytics spätestens 2021 eine sehr wichtige Rolle spielen wird.

Intelligenz in den Workflow bringen

Für Managed-Cloud-Unternehmen wie Adacor gewinnt Predictive Analytics in zweierlei Hinsicht an Bedeutung. Zum einen lassen sich damit Prozesse verbessern, mit denen bereits in der Vergangenheit Themen wie das Management von Server-Log-Daten oder CPU-Auslastungen automatisiert und vorausschauend gesteuert wurden.

Für Private Cloud Services, der maßgeschneiderten Erweiterung von internen Rechenzentren bedeutet dies, Teile des Live-Monitorings nach und nach in ein Predictive-Monitoring umzuwandeln und so auf mögliche Ausfälle oder Beeinträchtigungen von Servern im Vorfeld zu reagieren, um so auch den Ausfall für den Kunden zu verhindern. In einem einfachen Beispiel bewertet ein Deep-Learning Modell, ob auf einem beliebigen System die Festplattenfüllstände in der Zukunft stabil verlaufen werden oder ob mit instabilem Verhalten zu rechnen ist. Wird Stabilität erwartet, dann kann ein simpleres Vorhersagemodell diese Stabilität nutzen und die Füllstände vorhersagen. Ist mit instabilem Verhalten zu rechnen, dann wissen die Administratoren, dass sie ein besonderes Auge auf das entsprechende System werfen sollten. So wird durch vergleichsweise einfache Predictive-Monitoring Methoden bereits eine deutlich erhöhte Ausfallsicherheit der Systeme gewährleistet.

Neben stark individualisierten Cloud-Lösungen werden in Zukunft standardisierte Angebote immer mehr nachgefragt werden, die durch Predictive-Analytic-Tools „intelligenter” werden. Übersetzt bedeutet das, maschinelles Lernen nach Möglichkeit automatisch auf neue Prozesse anzuwenden und so Server bzw. die Cloud noch leistungsfähiger und sicherer zu machen.

Size matters

Die Studie zeigte, dass vor allem große Unternehmen Ressourcen für Analytics-Projekte bereitstellen. Über ein Drittel von ihnen hatte bereits Analytics-Projekte umgesetzt, mehr als die Hälfte davon im Bereich Predictive Analytics. Kleine und mittelständische Firmen hingegen verfügten noch wenig über umfangreiche Analytics-Systeme. Die Ergebnisse aus den Predictive-Analytics-Projekten beeinflussen im Wesentlichen auch die Management-Entscheidungen. 94 Prozent der Firmen, die Predictive Analytics anwenden, steuern über die Auswertungen Prozesse vor allem im IT-Bereich, im strategischen Management sowie in Produktion und Fertigung. Die großen Unternehmen sind also größtenteils schon dabei, sich die Vorteile zu nutzen zu machen. Bei mittelständischen und kleineren Unternehmen besteht noch deutlicher Nachholbedarf. Schon die technischen Voraussetzungen genügen häufig nicht den Anforderungen.

Fast alle Branchen können profitieren

Das erstaunt, denn Predictive Analytics kann in vielen Bereichen als eine Art Frühwarnsystem eingesetzt werden. Es hilft nicht nur dabei, Maschinenausfälle bei Produktionsunternehmen durch vorausschauende Wartungen zu minimieren. Es kann zum Beispiel auch den Vertrieb von Handelsunternehmen optimieren. In der Medizin kommen bereits Methoden zum Einsatz, durch die sich Risikofaktoren schneller identifizieren und die Behandlung von Krankheiten insgesamt verbessern lässt. Versicherungen und auch Finanzinstitute kalkulieren ihre Produkte und Prämien seit jeher erfolgreich auf Basis von Wahrscheinlichkeitsanalysen und Hochrechnungen. Auch im Bereich der Betrugsprävention werden entsprechend Methoden und Tools verstärkt eingesetzt, um Kriminellen das Handwerk zu legen.

Man sieht, es lohnt sich für Unternehmen, die Daten sammeln, ihre Strategie an die neuen Technologien anzupassen. Die aktuellen Möglichkeiten zur Analyse und Aggregierung von Daten und Informationen sind extrem groß. Es kommt darauf an, Muster in den „Big Data” zu erkennen und diese richtig zu interpretieren – anstatt dieselben Fehler immer und immer wieder zu machen.

“Saubere Ablage“ bringt Unternehmen nicht weiter

Unternehmen, die Daten sammeln, um diese lediglich sauber abzulegen und zu archivieren, sollten Ihre Strategie an die neuen Möglichkeiten des Predictive Analytics anpassen. Die aktuellen Möglichkeiten zur Auswertung und zur Verdichtung von Daten zu Informationen und somit zur Generierung von Wissen sind extrem groß. Nur wer Muster im großen Reich der Daten erkennt und diese auch richtig interpretieren kann, wird kann mit Predicitve Analytics ein Frühwarnsystem zu seinen Gunsten aufbauen.

Best machine learning algorithms you should know

November 27, 2019/0 Comments/in Data Science, Machine Learning /by Filip Ciesielski

Machine learning is a key technology tool businesses use to build tools that enhance their operations. To do that, they take advantage of machine learning algorithms that come in different shapes and sizes, servicing different purposes and working on different data sets. Choosing the right algorithm for the job is what makes machine learning and deep learning projects successful. That’s why being aware of all the different types of machine learning algorithms is so important – that’s how you get better results and build more advanced solutions.

Here’s an overview of the best machine learning algorithms you should know before starting your project.

What is meant by machine learning algorithms?

First things first, what is machine learning and how do algorithms fit into the picture? A machine learning (ML) algorithm is a process or set of procedures that allow a model to adapt to the data with a specific objective set as the goal.

An ML algorithm specifies how the data is transformed from the input to output, helping the model to learn the appropriate mapping from input to output. That model specifies the mapping functions and holds the parameters in place, while the machine learning algorithm updates the parameters to help the model match its goal.

What are the algorithms used in machine learning?

Algorithms can model problems in many different ways. The easiest way to differentiate between different ML algorithms is by comparing them by learning styles that they can adapt. Generally, machine learning algorithms can adapt to several learning styles that help to solve different problems.

Here are four learning styles in machine learning you need to know:

1 Supervised learning

In supervised learning, the input data serves as training data and comes with a known label or result – for example, the price at a time or spam/not-spam.

In this variant, the training process is critical for preparing a model that makes predictions and then is corrected when the predictions are wrong. The training process continues until the model achieves the appropriate level of accuracy. Classification and regression are examples of problems for this learning type.

2 Unsupervised learning

In unsupervised learning, input data isn’t labeled and doesn’t come with a known result. Data scientists prepare models by deducing the structures in the input data to extract general rules or reduce redundancy through mathematical processes. Unsupervised learning addresses problems such as association rule learning, dimensionality reduction, and clustering.

3 Semi-supervised learning

In this learning style, the input data is a mixture of labeled and unlabeled examples. The prediction problem is known, but the model needs to learn the structures for organizing data and making predictions on its own. This learning style is used to address problems such as regression and classification.

4 Reinforcement learning

One of three basic machine learning paradigms together with supervised learning and unsupervised learning, reinforcement learning (RL) is an area of machine learning that focuses on the ways in which software agents should take actions to maximize a specified notion of cumulative reward in a given environment.

The best machine learning algorithms you should know

1 Linear Regression

Linear regression is an algorithm that correlates between two variables in the data set, examining the input and output sets to show a relationship between them. For example, the algorithm can show how changing one of the input variables affects the other variable. The relationship is represented by plotting a line on the graph.

Linear regression is one of the most popular algorithms in machine learning because it’s transparent and requires no tuning to work. Practical applications of this algorithm are risk assessment or sales forecasting solutions.

2 Logistic regression

Logistic regression is a type of constrained Linear Regression with a non-linearity application after you apply weights. Note that this algorithm is used for classification, not regression. The algorithm restricts the outputs close to +/- classes (and 1 and 0 in the case of sigmoid) and can be trained with Gradient Descent or L-BFGS.

Logistic regression is used in Natural Language Processing (NLP) applications, where it often appears under the name of Maximum Entropy Classifier.

3 Principal component analysis (PCA or LDA)

Principal component analysis is an unsupervised method that helps data scientists to understand better the global properties of a data set that consists of vectors. It analyzes the covariance matrix of data points to learn which dimensions/data points have high variance among themselves and low covariance with others. The algorithm helps data scientists to get data points with reduced dimensions.

4 K-means clustering

K- means clustering is a type of unsupervised clustering algorithm that sorts data sets through defined clusters. It offers results in the form of groups based on internal patterns.

For example, you can use a K-means algorithm for sorting web results for the word “cat,” and it will show all the results in the form of groups. The main advantage of this algorithm is its accuracy as it provides data groupings faster than other algorithms.

5 Decision trees

A decision tree is made of various branches that represent the outcome of many decisions. This algorithm collects and graphs data in multiple branches to predict response variables on the basis of past decisions. It comes in handy for mapping our decisions and presents results visually to communicate findings easily.

Decision trees work best for smaller data sets and relatively low-stake decisions – otherwise, the long-tail visuals can be hard to decipher. The key advantage of this algorithm is that it allows showing multiple outcomes and tests without having to involve data scientists – it’s easy to use.

6 Random forests

A random forest consists of a great number of individual decision trees where they all operate as an ensemble. An individual tree in the random forest generates a class prediction – the class which receives the highest number of votes becomes the model’s prediction. Having many relatively uncorrelated models (trees) operating as a committee easily outperforms individual constituent models.

The low correlation between these models is the strength of this approach because it allows producing ensemble predictions that are far more accurate than individual predictions. Note that decisions trees protect each other from individual errors. While some trees may generate false predictions, others will generate the right ones – as a group; they will be able to move in the right direction.

7 Support Vector Machine

Support Vector Machines (SVMs) are linear models similar to linear or logistic regression we’ve discussed earlier. However, there’s one difference – they have a different margin-based loss function, which can be optimized by using methods such as L-BFGS or SGD. SVMs internally analyze data sets into classes, which is helpful for future classifications.

The main idea behind SVM is separating data into classes and maximizing the margins of entering future data into classes. This type of algorithm works best for training data. However, it can also serve as a tool for processing nonlinear data. The financial sector makes use of Support Vector Machines thanks to its accuracy in classifying both current and future data sets.

8 Apriori

The Apriori algorithm is used a lot in market analysis. It’s based on the principle of Apriori and checks for positive and negative correlations between products after analyzing values in data sets.

For example, if two values often correlate in a data set, the algorithm will conclude that A will often lead to B, referring to the information in data sets. For example, if customers often buy product A and product B together, this relation will hold a high percentage and help companies like Google or Amazon to predict product searches and purchases.

9 Naive Bayes Classifier

This handy classification technique is based on Bayes’ Theorem, which assumes independence among predictors. The algorithm will assume that the presence of a specific feature in a class is not related to the presence of any other feature in the same class.

For example, a fruit may be considered a banana if it’s yellow, curved, and about 15 cm long. These features depend on each other, and on the existence of hooter features, they all independently contribute to the probability that this fruit is a banana. That’s why the algorithm bears the name “Naive.”

The algorithm offers a model that is easy to build and helpful in handling very large data sets. It can outperform the most sophisticated classification methods.

10 K-Nearest Neighbors (KNN)

This is one of the simplest algorithm types used in machine learning for classification and regression. KNN algorithms classify new data points on the basis of similarity measures, such as the distance function. They perform classification by using a majority vote of the data points’ neighbors. They then assign data to the class, which has the nearest neighbors. Together with increasing the number of nearest neighbors (the value of k), the accuracy may increase as well.

11 Ordinary Least Squares Regression (OLSR)

Ordinary Least Squares Regression (OLSR) is a generalized linear modeling technique data scientists use for estimating unknown parameters that are part of a linear regression model. OLSR describes the relationship between a dependent variable and one or more of its independent variables.

The algorithm is applied in diverse fields such as economics, finance, medicine, and social sciences. Companies use it in machine learning and predictive analytics to dynamically predict specific outcomes on the basis of variables that change dynamically.

We hope that this machine learning algorithms list helps you pick the right tools of the trade for your next machine learning project. If you’d like to learn more about Machine Learning, Data Science and Web Development, visit the Sunscrapers company blog.

Wie passt Machine Learning in eine moderne Data- & Analytics Architektur?

August 22, 2019/0 Comments/in Cloud, Data Engineering, Data Migration, Data Science, Data Science Hack, Insights, Java, Machine Learning, Python, SQL, Tutorial /by Harald Erb

Einleitung

Aufgrund vielfältiger potenzieller Geschäftschancen, die Machine Learning bietet, arbeiten mittlerweile viele Unternehmen an Initiativen für datengetriebene Innovationen. Dabei gründen sie Analytics-Teams, schreiben neue Stellen für Data Scientists aus, bauen intern Know-how auf und fordern von der IT-Organisation eine Infrastruktur für “heavy” Data Engineering & Processing samt Bereitstellung einer Analytics-Toolbox ein. Für IT-Architekten warten hier spannende Herausforderungen, u.a. bei der Zusammenarbeit mit interdisziplinären Teams, deren Mitglieder unterschiedlich ausgeprägte Kenntnisse im Bereich Machine Learning (ML) und Bedarfe bei der Tool-Unterstützung haben. Einige Überlegungen sind dabei: Sollen Data Scientists mit ML-Toolkits arbeiten und eigene maßgeschneiderte Algorithmen nur im Ausnahmefall entwickeln, damit später Herausforderungen durch (unkonventionelle) Integrationen vermieden werden? Machen ML-Funktionen im seit Jahren bewährten ETL-Tool oder in der Datenbank Sinn? Sollen ambitionierte Fachanwender künftig selbst Rohdaten aufbereiten und verknüpfen, um auf das präparierte Dataset einen populären Algorithmus anzuwenden und die Ergebnisse selbst interpretieren? Für die genannten Fragestellungen warten junge & etablierte Software-Hersteller sowie die Open Source Community mit “All-in-one”-Lösungen oder Machine Learning-Erweiterungen auf. Vor dem Hintergrund des Data Science Prozesses, der den Weg eines ML-Modells von der experimentellen Phase bis zur Operationalisierung beschreibt, vergleicht dieser Artikel ausgewählte Ansätze (Notebooks für die Datenanalyse, Machine Learning-Komponenten in ETL- und Datenvisualisierungswerkzeugen vs. Speziallösungen für Machine Learning) und betrachtet mögliche Einsatzbereiche und Integrationsaspekte.

Data Science Prozess und Teams

Im Zuge des Big Data-Hypes kamen neben Design-Patterns für Big Data- und Analytics-Architekturen auch Begriffsdefinitionen auf, die Disziplinen wie Datenintegration von Data Engineering und Data Science voneinander abgrenzen [1]. Prozessmodelle, wie das ab 1996 im Rahmen eines EU-Förderprojekts entwickelte CRISP-DM (CRoss-Industry Standard Process for Data Mining) [2], und Best Practices zur Organisation erfolgreich arbeitender Data Science Teams [3] weisen dabei die Richtung, wie Unternehmen das Beste aus den eigenen Datenschätzen herausholen können. Die Disziplin Data Science beschreibt den, an ein wissenschaftliches Vorgehen angelehnten, Prozess der Nutzung von internen und externen Datenquellen zur Optimierung von Produkten, Dienstleistungen und Prozessen durch die Anwendung statistischer und mathematischer Modelle. Bild 1 stellt in einem Schwimmbahnen-Diagramm einzelne Phasen des Data Science Prozesses den beteiligten Funktionen gegenüber und fasst Erfahrungen aus der Praxis zusammen [5]. Dabei ist die Intensität bei der Zusammenarbeit zwischen Data Scientists und System Engineers insbesondere bei Vorbereitung und Bereitstellung der benötigten Datenquellen und später bei der Produktivsetzung des Ergebnisses hoch. Eine intensive Beanspruchung der Server-Infrastruktur ist in allen Phasen gegeben, bei denen Hands-on (und oft auch massiv parallel) mit dem Datenpool gearbeitet wird, z.B. bei Datenaufbereitung, Training von ML Modellen etc.

Abbildung 1: Beteiligung und Interaktion von Fachbereichs-/IT-Funktionen mit dem Data Science Team

Mitarbeiter vom Technologie-Giganten Google haben sich reale Machine Learning-Systeme näher angesehen und festgestellt, dass der Umsetzungsaufwand für den eigentlichen Kern (= der ML-Code, siehe den kleinen schwarzen Kasten in der Mitte von Bild 2) gering ist, wenn man dies mit der Bereitstellung der umfangreichen und komplexen Infrastruktur inklusive Managementfunktionen vergleicht [4].

Abbildung 2: Versteckte technische Anforderungen in maschinellen Lernsystemen

Konzeptionelle Architektur für Machine Learning und Analytics

Die Nutzung aller verfügbaren Daten für Analyse, Durchführung von Data Science-Projekten, mit den daraus resultierenden Maßnahmen zur Prozessoptimierung und -automatisierung, bedeutet für Unternehmen sich neuen Herausforderungen zu stellen: Einführung neuer Technologien, Anwendung komplexer mathematischer Methoden sowie neue Arbeitsweisen, die in dieser Form bisher noch nicht dagewesen sind. Für IT-Architekten gibt es also reichlich Arbeit, entweder um eine Data Management-Plattform neu aufzubauen oder um das bestehende Informationsmanagement weiterzuentwickeln. Bild 3 zeigt hierzu eine vierstufige Architektur nach Gartner [6], ausgerichtet auf Analytics und Machine Learning.

Abbildung 3: Konzeptionelle End-to-End Architektur für Machine Learning und Analytics

Was hat sich im Vergleich zu den traditionellen Data Warehouse- und Business Intelligence-Architekturen aus den 1990er Jahren geändert? Denkt man z.B. an die Präzisionsfertigung eines komplexen Produkts mit dem Ziel, den Ausschuss weiter zu senken und in der Produktionslinie eine höhere Produktivitätssteigerung (Kennzahl: OEE, Operational Equipment Efficiency) erzielen zu können: Die an der Produktherstellung beteiligten Fertigungsmodule (Spezialmaschinen) messen bzw. detektieren über zahlreiche Sensoren Prozesszustände, speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) regeln dazu die Abläufe und lassen zu Kontrollzwecken vom Endprodukt ein oder mehrere hochauflösende Fotos aufnehmen. Bei diesem Szenario entsteht eine Menge interessanter Messdaten, die im operativen Betrieb häufig schon genutzt werden. Z.B. für eine Echtzeitalarmierung bei Über- oder Unterschreitung von Schwellwerten in einem vorher definierten Prozessfenster. Während früher vielleicht aus Kostengründen nur Statusdaten und Störungsinformationen den Weg in relationale Datenbanken fanden, hebt man heute auch Rohdaten, z.B. Zeitreihen (Kraftwirkung, Vorschub, Spannung, Frequenzen,…) für die spätere Analyse auf.

Bezogen auf den Bereich Acquire bewältigt die IT-Architektur in Bild 3 nun Aufgaben, wie die Übernahme und Speicherung von Maschinen- und Sensordaten, die im Millisekundentakt Datenpunkte erzeugen. Während IoT-Plattformen das Registrieren, Anbinden und Management von Hunderten oder Tausenden solcher datenproduzierender Geräte („Things“) erleichtern, beschreibt das zugehörige IT-Konzept den Umgang mit Protokollen wie MQTT, OPC-UA, den Aufbau und Einsatz einer Messaging-Plattform für Publish-/Subscribe-Modelle (Pub/Sub) zur performanten Weiterverarbeitung von Massendaten im JSON-Dateiformat. Im Bereich Organize etablieren sich neben relationalen Datenbanken vermehrt verteilte NoSQL-Datenbanken zum Persistieren eingehender Datenströme, wie sie z.B. im oben beschriebenen Produktionsszenario entstehen. Für hochauflösende Bilder, Audio-, Videoaufnahmen oder andere unstrukturierte Daten kommt zusätzlich noch Object Storage als alternative Speicherform in Frage. Neben der kostengünstigen und langlebigen Datenaufbewahrung ist die Möglichkeit, einzelne Objekte mit Metadaten flexibel zu beschreiben, um damit später die Auffindbarkeit zu ermöglichen und den notwendigen Kontext für die Analysen zu geben, hier ein weiterer Vorteil. Mit dem richtigen Technologie-Mix und der konsequenten Umsetzung eines Data Lake– oder Virtual Data Warehouse-Konzepts gelingt es IT-Architekten, vielfältige Analytics Anwendungsfälle zu unterstützen.

Im Rahmen des Data Science Prozesses spielt, neben der sicheren und massenhaften Datenspeicherung sowie der Fähigkeit zur gleichzeitigen, parallelen Verarbeitung großer Datenmengen, das sog. Feature-Engineering eine wichtige Rolle. Dazu wieder ein Beispiel aus der maschinellen Fertigung: Mit Hilfe von Machine Learning soll nach unbekannten Gründen für den zu hohen Ausschuss gefunden werden. Was sind die bestimmenden Faktoren dafür? Beeinflusst etwas die Maschinenkonfiguration oder deuten Frequenzveränderungen bei einem Verschleißteil über die Zeit gesehen auf ein Problem hin? Maschine und Sensoren liefern viele Parameter als Zeitreihendaten, aber nur einige davon sind – womöglich nur in einer bestimmten Kombination – für die Aufgabenstellung wirklich relevant. Daher versuchen Data Scientists bei der Feature-Entwicklung die Vorhersage- oder Klassifikationsleistung der Lernalgorithmen durch Erstellen von Merkmalen aus Rohdaten zu verbessern und mit diesen den Lernprozess zu vereinfachen. Die anschließende Feature-Auswahl wählt bei dem Versuch, die Anzahl von Dimensionen des Trainingsproblems zu verringern, die wichtigste Teilmenge der ursprünglichen Daten-Features aus. Aufgrund dieser und anderer Arbeitsschritte, wie z.B. Auswahl und Training geeigneter Algorithmen, ist der Aufbau eines Machine Learning Modells ein iterativer Prozess, bei dem Data Scientists dutzende oder hunderte von Modellen bauen, bis die Akzeptanzkriterien für die Modellgüte erfüllt sind. Aus technischer Sicht sollte die IT-Architektur auch bei der Verwaltung von Machine Learning Modellen bestmöglich unterstützen, z.B. bei Modell-Versionierung, -Deployment und -Tracking in der Produktionsumgebung oder bei der Automatisierung des Re-Trainings.

Die Bereiche Analyze und Deliver zeigen in Bild 3 einige bekannte Analysefähigkeiten, wie z.B. die Bereitstellung eines Standardreportings, Self-service Funktionen zur Geschäftsplanung sowie Ad-hoc Analyse und Exploration neuer Datasets. Data Science-Aktivitäten können etablierte Business Intelligence-Plattformen inhaltlich ergänzen, in dem sie durch neuartige Kennzahlen, das bisherige Reporting „smarter“ machen und ggf. durch Vorhersagen einen Blick in die nahe Zukunft beisteuern. Machine Learning-as-a-Service oder Machine Learning-Produkte sind alternative Darreichungsformen, um Geschäftsprozesse mit Hilfe von Analytik zu optimieren: Z.B. integriert in einer Call Center-Applikation, die mittels Churn-Indikatoren zu dem gerade anrufenden erbosten Kunden einen Score zu dessen Abwanderungswilligkeit zusammen mit Handlungsempfehlungen (Gutschein, Rabatt) anzeigt. Den Kunden-Score oder andere Risikoeinschätzungen liefert dabei eine Service Schnittstelle, die von verschiedenen unternehmensinternen oder auch externen Anwendungen (z.B. Smartphone-App) eingebunden und in Echtzeit angefragt werden kann. Arbeitsfelder für die IT-Architektur wären in diesem Zusammenhang u.a. Bereitstellung und Betrieb (skalierbarer) ML-Modelle via REST API’s in der Produktionsumgebung inklusive Absicherung gegen unerwünschten Zugriff.

Ein klassischer Ansatz: Datenanalyse und Machine Learning mit Jupyter Notebook & Python

Jupyter ist ein Kommandozeileninterpreter zum interaktiven Arbeiten mit der Programmiersprache Python. Es handelt sich dabei nicht nur um eine bloße Erweiterung der in Python eingebauten Shell, sondern um eine Softwaresuite zum Entwickeln und Ausführen von Python-Programmen. Funktionen wie Introspektion, Befehlszeilenergänzung, Rich-Media-Einbettung und verschiedene Editoren (Terminal, Qt-basiert oder browserbasiert) ermöglichen es, Python-Anwendungen als auch Machine Learning-Projekte komfortabel zu entwickeln und gleichzeitig zu dokumentieren. Datenanalysten sind bei der Arbeit mit Juypter nicht auf Python als Programmiersprache begrenzt, sondern können ebenso auch sog. Kernels für Julia, R und vielen anderen Sprachen einbinden. Ein Jupyter Notebook besteht aus einer Reihe von “Zellen”, die in einer Sequenz angeordnet sind. Jede Zelle kann entweder Text oder (Live-)Code enthalten und ist beliebig verschiebbar. Texte lassen sich in den Zellen mit einer einfachen Markup-Sprache formatieren, komplexe Formeln wie mit einer Ausgabe in LaTeX darstellen. Code-Zellen enthalten Code in der Programmiersprache, die dem aktiven Notebook über den entsprechenden Kernel (Python 2 Python 3, R, etc.) zugeordnet wurde. Bild 4 zeigt auszugsweise eine Analyse historischer Hauspreise in Abhängigkeit ihrer Lage in Kalifornien, USA (Daten und Notebook sind öffentlich erhältlich [7]). Notebooks erlauben es, ganze Machine Learning-Projekte von der Datenbeschaffung bis zur Evaluierung der ML-Modelle reproduzierbar abzubilden und lassen sich gut versionieren. Komplexe ML-Modelle können in Python mit Hilfe des Pickle Moduls, das einen Algorithmus zur Serialisierung und De-Serialisierung implementiert, ebenfalls transportabel gemacht werden.

Abbildung 4: Datenbeschaffung, Inspektion, Visualisierung und ML Modell-Training in einem Jupyter Notebook (Pro-grammiersprache: Python)

Ein Problem, auf das man bei der praktischen Arbeit mit lokalen Jupyter-Installationen schnell stößt, lässt sich mit dem “works on my machine”-Syndrom bezeichnen. Kleine Data Sets funktionieren problemlos auf einem lokalen Rechner, wenn sie aber auf die Größe des Produktionsdatenbestandes migriert werden, skaliert das Einlesen und Verarbeiten aller Daten mit einem einzelnen Rechner nicht. Aufgrund dieser Begrenzung liegt der Aufbau einer server-basierten ML-Umgebung mit ausreichend Rechen- und Speicherkapazität auf der Hand. Dabei ist aber die Einrichtung einer solchen ML-Umgebung, insbesondere bei einer on-premise Infrastruktur, eine Herausforderung: Das Infrastruktur-Team muss physische Server und/oder virtuelle Maschinen (VM’s) auf Anforderung bereitstellen und integrieren. Dieser Ansatz ist aufgrund vieler manueller Arbeitsschritte zeitaufwändig und fehleranfällig. Mit dem Einsatz Cloud-basierter Technologien vereinfacht sich dieser Prozess deutlich. Die Möglichkeit, Infrastructure on Demand zu verwenden und z.B. mit einem skalierbaren Cloud-Data Warehouse zu kombinieren, bietet sofortigen Zugriff auf Rechen- und Speicher-Ressourcen, wann immer sie benötigt werden und reduziert den administrativen Aufwand bei Einrichtung und Verwaltung der zum Einsatz kommenden ML-Software. Bild 5 zeigt den Code-Ausschnitt aus einem Jupyter Notebook, das im Rahmen des Cloud Services Amazon SageMaker bereitgestellt wird und via PySpark Kernel auf einen Multi-Node Apache Spark Cluster (in einer Amazon EMR-Umgebung) zugreift. In diesem Szenario wird aus einem Snowflake Cloud Data Warehouse ein größeres Data Set mit 220 Millionen Datensätzen via Spark-Connector komplett in ein Spark Dataframe geladen und im Spark Cluster weiterverarbeitet. Den vollständigen Prozess inkl. Einrichtung und Konfiguration aller Komponenten, beschreibt eine vierteilige Blog-Serie [8]). Mit Spark Cluster sowie Snowflake stehen für sich genommen zwei leistungsfähige Umgebungen für rechenintensive Aufgaben zur Verfügung. Mit dem aktuellen Snowflake Connector für Spark ist eine intelligente Arbeitsteilung mittels Query Pushdown erreichbar. Dabei entscheidet Spark’s optimizer (Catalyst), welche Aufgaben (Queries) aufgrund der effizienteren Verarbeitung an Snowflake delegiert werden [9].

Abbildung 5: Jupyter Notebook in der Cloud – integriert mit Multi-Node Spark Cluster und Snowflake Cloud Data Warehouse

Welches Machine Learning Framework für welche Aufgabenstellung?

Bevor die nächsten Abschnitte weitere Werkzeuge und Technologien betrachten, macht es nicht nur für Data Scientists sondern auch für IT-Architekten Sinn, zunächst einen Überblick auf die derzeit verfügbaren Machine Learning Frameworks zu bekommen. Aus Architekturperspektive ist es wichtig zu verstehen, welche Aufgabenstellungen die jeweiligen ML-Frameworks adressieren, welche technischen Anforderungen und ggf. auch Abhängigkeiten zu den verfügbaren Datenquellen bestehen. Ein gemeinsamer Nenner vieler gescheiterter Machine Learning-Projekte ist häufig die Auswahl des falschen Frameworks. Ein Beispiel: TensorFlow ist aktuell eines der wichtigsten Frameworks zur Programmierung von neuronalen Netzen, Deep Learning Modellen sowie anderer Machine Learning Algorithmen. Während Deep Learning perfekt zur Untersuchung komplexer Daten wie Bild- und Audiodaten passt, wird es zunehmend auch für Use Cases benutzt, für die andere Frameworks besser geeignet sind. Bild 6 zeigt eine kompakte Entscheidungsmatrix [10] für die derzeit verbreitetsten ML-Frameworks und adressiert häufige Praxisprobleme: Entweder werden Algorithmen benutzt, die für den Use Case nicht oder kaum geeignet sind oder das gewählte Framework kann die aufkommenden Datenmengen nicht bewältigen. Die Unterteilung der Frameworks in Small Data, Big Data und Complex Data ist etwas plakativ, soll aber bei der Auswahl der Frameworks nach Art und Volumen der Daten helfen. Die Grenze zwischen Big Data zu Small Data ist dabei dort zu ziehen, wo die Datenmengen so groß sind, dass sie nicht mehr auf einem einzelnen Computer, sondern in einem verteilten Cluster ausgewertet werden müssen. Complex Data steht in dieser Matrix für unstrukturierte Daten wie Bild- und Audiodateien, für die sich Deep Learning Frameworks sehr gut eignen.

Abbildung 6: Entscheidungsmatrix zu aktuell verbreiteten Machine Learning Frameworks

Self-Service Machine Learning in Business Intelligence-Tools

Mit einfach zu bedienenden Business Intelligence-Werkzeugen zur Datenvisualisierung ist es für Analytiker und für weniger technisch versierte Anwender recht einfach, komplexe Daten aussagekräftig in interaktiven Dashboards zu präsentieren. Hersteller wie Tableau, Qlik und Oracle spielen ihre Stärken insbesondere im Bereich Visual Analytics aus. Statt statische Berichte oder Excel-Dateien vor dem nächsten Meeting zu verschicken, erlauben moderne Besprechungs- und Kreativräume interaktive Datenanalysen am Smartboard inklusive Änderung der Abfragefilter, Perspektivwechsel und Drill-downs. Im Rahmen von Data Science-Projekten können diese Werkzeuge sowohl zur Exploration von Daten als auch zur Visualisierung der Ergebnisse komplexer Machine Learning-Modelle sinnvoll eingesetzt werden. Prognosen, Scores und weiterer ML-Modell-Output lässt sich so schneller verstehen und unterstützt die Entscheidungsfindung bzw. Ableitung der nächsten Maßnahmen für den Geschäftsprozess. Im Rahmen einer IT-Gesamtarchitektur sind Analyse-Notebooks und Datenvisualisierungswerkzeuge für die Standard-Analytics-Toolbox Unternehmens gesetzt. Mit Hinblick auf effiziente Team-Zusammenarbeit, unternehmensinternen Austausch und Kommunikation von Ergebnissen sollte aber nicht nur auf reine Desktop-Werkzeuge gesetzt, sondern Server-Lösungen betrachtet und zusammen mit einem Nutzerkonzept eingeführt werden, um zehnfache Report-Dubletten, konkurrierende Statistiken („MS Excel Hell“) einzudämmen.

Abbildung 7: Datenexploration in Tableau – leicht gemacht für Fachanwender und Data Scientists

Zusätzliche Statistikfunktionen bis hin zur Möglichkeit R- und Python-Code bei der Analyse auszuführen, öffnet auch Fachanwender die Tür zur Welt des Maschinellen Lernens. Bild 7 zeigt das Werkzeug Tableau Desktop mit der Analyse kalifornischer Hauspreise (demselben Datensatz wie oben im Jupyter Notebook-Abschnitt wie in Bild 4) und einer Heatmap-Visualisierung zur Hervorhebung der teuersten Wohnlagen. Mit wenigen Klicks ist auch der Einsatz deskriptiver Statistik möglich, mit der sich neben Lagemaßen (Median, Quartilswerte) auch Streuungsmaße (Spannweite, Interquartilsabstand) sowie die Form der Verteilung direkt aus dem Box-Plot in Bild 7 ablesen und sogar über das Vorhandensein von Ausreißern im Datensatz eine Feststellung treffen lassen. Vorteil dieser Visualisierungen sind ihre hohe Informationsdichte, die allerdings vom Anwender auch richtig interpretiert werden muss. Bei der Beurteilung der Attribute, mit ihren Wertausprägungen und Abhängigkeiten innerhalb des Data Sets, benötigen Citizen Data Scientists (eine Wortschöpfung von Gartner) allerdings dann doch die mathematischen bzw. statistischen Grundlagen, um Falschinterpretationen zu vermeiden. Fraglich ist auch der Nutzen des Data Flow Editors [11] in Oracle Data Visualization, mit dem eins oder mehrere der im Werkzeug integrierten Machine Learning-Modelle trainiert und evaluiert werden können: technisch lassen sich Ergebnisse erzielen und anhand einiger Performance-Metriken die Modellgüte auch bewerten bzw. mit anderen Modellen vergleichen – aber wer kann die erzielten Ergebnisse (wissenschaftlich) verteidigen? Gleiches gilt für die Integration vorhandener R- und Python Skripte, die am Ende dann doch eine Einweisung der Anwender bzgl. Parametrisierung der ML-Modelle und Interpretationshilfen bei den erzielten Ergebnissen erfordern.

Machine Learning in und mit Datenbanken

Die Nutzung eingebetteter 1-click Analytics-Funktionen der oben vorgestellten Data Visualization-Tools ist zweifellos komfortabel und zum schnellen Experimentieren geeignet. Der gegenteilige und eher puristische Ansatz wäre dagegen die Implementierung eigener Machine Learning Modelle in der Datenbank. Für die Umsetzung des gewählten Algorithmus reichen schon vorhandene Bordmittel in der Datenbank aus: SQL inklusive mathematischer und statistische SQL-Funktionen, Tabellen zum Speichern der Ergebnisse bzw. für das ML-Modell-Management und Stored Procedures zur Abbildung komplexer Geschäftslogik und auch zur Ablaufsteuerung. Solange die Algorithmen ausreichend skalierbar sind, gibt es viele gute Gründe, Ihre Data Warehouse Engine für ML einzusetzen:

Einfachheit – es besteht keine Notwendigkeit, eine andere Compute-Plattform zu managen, zwischen Systemen zu integrieren und Daten zu extrahieren, transferieren, laden, analysieren usw.
Sicherheit – Die Daten bleiben dort, wo sie gut geschützt sind. Es ist nicht notwendig, Datenbank-Anmeldeinformationen in externen Systemen zu konfigurieren oder sich Gedanken darüber zu machen, wo Datenkopien verteilt sein könnten.
Performance – Eine gute Data Warehouse Engine verwaltet zur Optimierung von SQL Abfragen viele Metadaten, die auch während des ML-Prozesses wiederverwendet werden könnten – ein Vorteil gegenüber General-purpose Compute Plattformen.

Die Implementierung eines minimalen, aber legitimen ML-Algorithmus wird in [12] am Beispiel eines Entscheidungsbaums (Decision Tree) im Snowflake Data Warehouse gezeigt. Decision Trees kommen für den Aufbau von Regressions- oder Klassifikationsmodellen zum Einsatz, dabei teilt man einen Datensatz in immer kleinere Teilmengen auf, die ihrerseits in einem Baum organisiert sind. Bild 8 zeigt die Snowflake Benutzeroberfläche und ein Ausschnitt von der Stored Procedure, die dynamisch alle SQL-Anweisungen zur Berechnung des Decision Trees nach dem ID3 Algorithmus [13] generiert.

Abbildung 8: Snowflake SQL-Editor mit Stored Procedure zur Berechnung eines Decission Trees

Allerdings ist der Entwicklungs- und Implementierungsprozess für ein Machine Learning Modell umfassender: Es sind relevante Daten zu identifizieren und für das ML-Modell vorzubereiten. Einfach Rohdaten bzw. nicht aggregierten Informationen aus Datenbanktabellen zu extrahieren reicht nicht aus, stattdessen benötigt ein ML-Modell als Input eine flache, meist sehr breite Tabelle mit vielen Aggregaten, die als Features bezeichnet werden. Erst dann kann der Prozess fortgesetzt und der für die Aufgabenstellung ausgewählte Algorithmus trainiert und die Modellgüte bewertet werden. Ist das Ergebnis zufriedenstellend, steht die Implementierung des ML-Modells in der Zielumgebung an und muss sich künftig beim Scoring „frischer Datensätze“ bewähren. Viele zeitaufwändige Teilaufgaben also, bei der zumindest eine Teilautomatisierung wünschenswert wäre. Allein die Datenaufbereitung kann schon bis zu 70…80% der gesamten Projektzeit beanspruchen. Und auch die Implementierung eines ML-Modells wird häufig unterschätzt, da in Produktionsumgebungen der unterstützte Technologie-Stack definiert und ggf. für Machine Learning-Aufgaben erweitert werden muss. Daher ist es reizvoll, wenn das Datenbankmanagement-System auch hier einsetzbar ist – sofern die geforderten Algorithmen dort abbildbar sind. Wie ein ML-Modell für die Kundenabwanderungsprognose (Churn Prediction) werkzeuggestützt mit Xpanse AI entwickelt und beschleunigt im Snowflake Cloud Data Warehouse bereitgestellt werden kann, beschreibt [14] sehr anschaulich: Die benötigten Datenextrakte sind schnell aus Snowflake entladen und stellen den Input für ein neues Xpanse AI-Projekt dar. Sobald notwendige Tabellenverknüpfungen und andere fachliche Informationen hinterlegt sind, analysiert das Tool Datenstrukturen und transformiert alle Eingangstabellen in eine flache Zwischentabelle (u.U. mit Hunderten von Spalten), auf deren Basis im Anschluss ML-Modelle trainiert werden. Nach dem ML-Modell-Training erfolgt die Begutachtung der Ergebnisse: das erstellte Dataset, Güte des ML-Modells und der generierte SQL(!) ETL-Code zur Erstellung der Zwischentabelle sowie die SQL-Repräsentation des ML-Modells, das basierend auf den Input-Daten Wahrscheinlichkeitswerte berechnet und in einer Scoring-Tabelle ablegt. Die Vorteile dieses Ansatzes sind liegen auf der Hand: kürzere Projektzeiten, der Einsatz im Rahmen des Snowflake Cloud Data Warehouse, macht das Experimentieren mit der Zuweisung dedizierter Compute-Ressourcen für die performante Verarbeitung äußerst einfach. Grenzen liegen wiederum bei der zur Verfügung stehenden Algorithmen.

Spezialisierte Software Suites für Machine Learning

Während sich im Markt etablierte Business Intelligence- und Datenintegrationswerkzeuge mit Erweiterungen zur Ausführung von Python- und R-Code als notwendigen Bestandteil der Analyse-Toolbox für den Data Science Prozess positionieren, gibt es daneben auch Machine-Learning-Plattformen, die auf die Arbeit mit künstlicher Intelligenz (KI) zugeschnittenen sind. Für den Einstieg in Data Science bieten sich die oft vorhandenen quelloffenen Distributionen an, die auch über Enterprise-Versionen mit erweiterten Möglichkeiten für beschleunigtes maschinelles Lernen durch Einsatz von Grafikprozessoren (GPUs), bessere Skalierung sowie Funktionen für das ML-Modell Management (z.B. durch Versionsmanagement und Automatisierung) verfügen.

Eine beliebte Machine Learning-Suite ist das Open Source Projekt H2O. Die Lösung des gleichnamigen kalifornischen Unternehmens verfügt über eine R-Schnittstelle und ermöglicht Anwendern dieser statistischen Programmiersprache Vorteile in puncto Performance. Die in H2O verfügbaren Funktionen und Algorithmen sind optimiert und damit eine gute Alternative für das bereits standardmäßig in den R-Paketen verfügbare Funktionsset. H2O implementiert Algorithmen aus dem Bereich Statistik, Data-Mining und Machine Learning (generalisierte Lineare Modelle, K-Means, Random Forest, Gradient Boosting und Deep Learning) und bietet mit einer In-Memory-Architektur und durch standardmäßige Parallelisierung über alle vorhandenen Prozessorkerne eine gute Basis, um komplexe Machine-Learning-Modelle schneller trainieren zu können. Bild 9 zeigt wieder anhand des Datensatzes zur Analyse der kalifornischen Hauspreise die webbasierte Benutzeroberfläche H20 Flow, die den oben beschriebenen Juypter Notebook-Ansatz mit zusätzlich integrierter Benutzerführung für die wichtigsten Prozessschritte eines Machine-Learning-Projektes kombiniert. Mit einigen Klicks kann das California Housing Dataset importiert, in einen H2O-spezifischen Dataframe umgewandelt und anschließend in Trainings- und Testdatensets aufgeteilt werden. Auswahl, Konfiguration und Training der Machine Learning-Modelle erfolgt entweder durch den Anwender im Einsteiger-, Fortgeschrittenen- oder Expertenmodus bzw. im Auto-ML-Modus. Daran anschließend erlaubt H20 Flow die Vorhersage für die Zielvariable (im Beispiel: Hauspreis) für noch unbekannte Datensätze und die Aufbereitung der Ergebnismenge. Welche Unterstützung H2O zur Produktivsetzung von ML-Modellen anbietet, wird an einem Beispiel in den folgenden Abschnitten betrachtet.

Abbildung 9: H2O Flow Benutzeroberfläche – Datenaufbereitung, ML-Modell-Training und Evaluierung.

Vom Prototyp zur produktiven Machine Learning-Lösung

Warum ist es für viele Unternehmen noch schwer, einen Nutzen aus ihren ersten Data Science-Aktivitäten, Data Labs etc. zu ziehen? In der Praxis zeigt sich, erst durch Operationalisierung von Machine Learning-Resultaten in der Produktionsumgebung entsteht echter Geschäftswert und nur im Tagesgeschäft helfen robuste ML-Modelle mit hoher Güte bei der Erreichung der gesteckten Unternehmensziele. Doch leider erweist sich der Weg vom Prototypen bis hin zum Produktiveinsatz bei vielen Initativen noch als schwierig. Bild 10 veranschaulicht ein typisches Szenario: Data Science-Teams fällt es in ihrer Data Lab-Umgebung technisch noch leicht, Prototypen leistungsstarker ML-Modelle mit Hilfe aktueller ML-Frameworks wie TensorFlow-, Keras- und Word2Vec auf ihren Laptops oder in einer Sandbox-Umgebung zu erstellen. Doch je nach verfügbarer Infrastruktur kann, wegen Begrenzungen bei Rechenleistung oder Hauptspeicher, nur ein Subset der Produktionsdaten zum Trainieren von ML-Modellen herangezogen werden. Ergebnispräsentationen an die Stakeholder der Data Science-Projekte erfolgen dann eher durch Storytelling in MS Powerpoint bzw. anhand eines Demonstrators – selten aber technisch schon so umgesetzt, dass anderere Applikationen z.B. über eine REST-API von dem neuen Risiko Scoring-, dem Bildanalyse-Modul etc. (testweise) Gebrauch machen können. Ausgestattet mit einer Genehmigung vom Management, übergibt das Data Science-Team ein (trainiertes) ML-Modell an das Software Engineering-Team. Nach der Übergabe muss sich allerdings das Engineering-Team darum kümmern, dass das ML-Modell in eine für den Produktionsbetrieb akzeptierte Programmiersprache, z.B. in Java, neu implementiert werden muss, um dem IT-Unternehmensstandard (siehe Line of Governance in Bild 10) bzw. Anforderungen an Skalierbarkeit und Laufzeitverhalten zu genügen. Manchmal sind bei einem solchen Extraschritt Abweichungen beim ML-Modell-Output und in jedem Fall signifikante Zeitverluste beim Deployment zu befürchten.

Abbildung 10: Übergabe von Machine Learning-Resultaten zur Produktivsetzung im Echtbetrieb

Unterstützt das Data Science-Team aktiv bei dem Deployment, dann wäre die Einbettung des neu entwickelten ML-Modells in eine Web-Applikation eine beliebte Variante, bei der typischerweise Flask, Tornado (beides Micro-Frameworks für Python) und Shiny (ein auf R basierendes HTML5/CSS/JavaScript Framework) als Technologiekomponenten zum Zuge kommen. Bei diesem Vorgehen müssen ML-Modell, Daten und verwendete ML-Pakete/Abhängigkeiten in einem Format verpackt werden, das sowohl in der Data Science Sandbox als auch auf Produktionsservern lauffähig ist. Für große Unternehmen kann dies einen langwierigen, komplexen Softwareauslieferungsprozess bedeuten, der ggf. erst noch zu etablieren ist. In dem Zusammenhang stellt sich die Frage, wie weit die Erfahrung des Data Science-Teams bei der Entwicklung von Webanwendungen reicht und Aspekte wie Loadbalancing und Netzwerkverkehr ausreichend berücksichtigt? Container-Virtualisierung, z.B. mit Docker, zur Isolierung einzelner Anwendungen und elastische Cloud-Lösungen, die on-Demand benötigte Rechenleistung bereitstellen, können hier Abhilfe schaffen und Teil der Lösungsarchitektur sein. Je nach analytischer Aufgabenstellung ist das passende technische Design [15] zu wählen: Soll das ML-Modell im Batch- oder Near Realtime-Modus arbeiten? Ist ein Caching für wiederkehrende Modell-Anfragen vorzusehen? Wie wird das Modell-Deployment umgesetzt, In-Memory, Code-unabhängig durch Austauschformate wie PMML, serialisiert via R- oder Python-Objekte (Pickle) oder durch generierten Code? Zusätzlich muss für den Produktiveinsatz von ML-Modellen auch an unterstützenden Konzepten zur Bereitstellung, Routing, Versionsmanagement und Betrieb im industriellen Maßstab gearbeitet werden, damit zuverlässige Machine Learning-Produkte bzw. -Services zur internen und externen Nutzung entstehen können (siehe dazu Bild 11)

Abbildung 11: Unterstützende Funktionen für produktive Machine Learning-Lösungen

Die Deployment-Variante „Machine Learning Code-Generierung“ lässt sich gut an dem bereits mit H2O Flow besprochenen Beispiel veranschaulichen. Während Bild 9 hierzu die Schritte für Modellaufbau, -training und -test illustriert, zeigt Bild 12 den Download-Vorgang für den zuvor generierten Java-Code zum Aufbau eines ML-Modells zur Vorhersage kalifornischer Hauspreise. In dem generierten Java-Code sind die in H2O Flow vorgenommene Datenaufbereitung sowie alle Konfigurationen für den Gradient Boosting Machine (GBM)-Algorithmus gut nachvollziehbar, Bild 13 gibt mit den ersten Programmzeilen einen ersten Eindruck dazu und erinnert gleichzeitig an den ähnlichen Ansatz der oben mit dem Snowflake Cloud Data Warehouse und dem Tool Xpanse AI bereits beschrieben wurde.

Abbildung 12: H2O Flow Benutzeroberfläche – Java-Code Generierung und Download eines trainierten Models

Abbildung 13: Generierter Java-Code eines Gradient Boosted Machine – Modells zur Vorhersage kaliforn. Hauspreise

Nach Abschluss der Machine Learning-Entwicklung kann der Java-Code des neuen ML-Modells, z.B. unter Verwendung der Apache Kafka Streams API, zu einer Streaming-Applikation hinzugefügt und publiziert werden [16]. Vorteil dabei: Die Kafka Streams-Applikation ist selbst eine Java-Applikation, in die der generierte Code des ML-Modells eingebettet werden kann (siehe Bild 14). Alle zukünftigen Events, die neue Immobilien-Datensätze zu Häusern aus Kalifornien mit (denselben) Features wie Geoposition, Alter des Gebäudes, Anzahl Zimmer etc. enthalten und als ML-Modell-Input über Kafka Streams hereinkommen, werden mit einer Vorhersage des voraussichtlichen Gebäudepreises von dem auf historischen Daten trainierten ML-Algorithmus beantwortet. Ein Vorteil dabei: Weil die Kafka Streams-Applikation unter der Haube alle Funktionen von Apache Kafka nutzt, ist diese neue Anwendung bereits für den skalierbaren und geschäftskritischen Einsatz ausgelegt.

Abbildung 14: Deployment des generierten Java-Codes eines H2O ML-Models in einer Kafka Streams-Applikation

Machine Learning as a Service – “API-first” Ansatz

In den vorherigen Abschnitten kam bereits die Herausforderung zur Sprache, wenn es um die Überführung der Ergebnisse eines Datenexperiments in eine Produktivumgebung geht. Während die Mehrheit der Mitglieder eines Data Science Teams bevorzugt R, Python (und vermehrt Julia) als Programmiersprache einsetzen, gibt es auf der Abnehmerseite das Team der Softwareingenieure, die für technische Implementierungen in der Produktionsumgebung zuständig sind, womöglich einen völlig anderen Technologie-Stack verwenden (müssen). Im Extremfall droht das Neuimplementieren eines Machine Learning-Modells, im besseren Fall kann Code oder die ML-Modellspezifikation transferiert und mit wenig Aufwand eingebettet (vgl. das Beispiel H2O und Apache Kafka Streams Applikation) bzw. direkt in einer neuen Laufzeitumgebung ausführbar gemacht werden. Alternativ wählt man einen „API-first“-Ansatz und entkoppelt das Zusammenwirken von unterschiedlich implementierten Applikationen bzw. -Applikationsteilen via Web-API’s. Data Science-Teams machen hierzu z.B. die URL Endpunkte ihrer testbereiten Algorithmen bekannt, die von anderen Softwareentwicklern für eigene „smarte“ Applikationen konsumiert werden. Durch den Aufbau von REST-API‘s kann das Data Science-Team den Code ihrer ML-Modelle getrennt von den anderen Teams weiterentwickeln und damit eine Arbeitsteilung mit klaren Verantwortlichkeiten herbeiführen, ohne Teamkollegen, die nicht am Machine Learning-Aspekt des eines Projekts beteiligt sind, bei ihrer Arbeit zu blockieren.

Bild 15 zeigt ein einfaches Szenario, bei dem die Gegenstandserkennung von beliebigen Bildern mit einem Deep Learning-Verfahren umgesetzt ist. Einzelne Fotos können dabei via Kommandozeileneditor als Input für die Bildanalyse an ein vortrainiertes Machine Learning-Modell übermittelt werden. Die Information zu den erkannten Gegenständen inkl. Wahrscheinlichkeitswerten kommt dafür im Gegenzug als JSON-Ausgabe zurück. Für die Umsetzung dieses Beispiels wurde in Python auf Basis der Open Source Deep-Learning-Bibliothek Keras, ein vortrainiertes ML-Modell mit Hilfe des Micro Webframeworks Flask über eine REST-API aufrufbar gemacht. Die in [17] beschriebene Applikation kümmert sich außerdem darum, dass beliebige Bilder via cURL geladen, vorverarbeitet (ggf. Wandlung in RGB, Standardisierung der Bildgröße auf 224 x 224 Pixel) und dann zur Klassifizierung der darauf abgebildeten Gegenstände an das ML-Modell übergeben wird. Das ML-Modell selbst verwendet eine sog. ResNet50-Architektur (die Abkürzung steht für 50 Layer Residual Network) und wurde auf Grundlage der öffentlichen ImageNet Bilddatenbank [18] vortrainiert. Zu dem ML-Modell-Input (in Bild 15: Fußballspieler in Aktion) meldet das System für den Tester nachvollziehbare Gegenstände wie Fußball, Volleyball und Trikot zurück, fragliche Klassifikationen sind dagegen Taschenlampe (Torch) und Schubkarre (Barrow).

Abbildung 15: Gegenstandserkennung mit Machine Learning und vorgegebenen Bildern via REST-Service

Bei Aufbau und Bereitstellung von Machine Learning-Funktionen mittels REST-API’s bedenken IT-Architekten und beteiligte Teams, ob der Einsatzzweck eher Rapid Prototyping ist oder eine weitreichende Nutzung unterstützt werden muss. Während das oben beschriebene Szenario mit Python, Keras und Flask auf einem Laptop realisierbar ist, benötigen skalierbare Deep Learning Lösungen mehr Aufmerksamkeit hinsichtlich der Deployment-Architektur [19], in dem zusätzlich ein Message Broker mit In-Memory Datastore eingehende bzw. zu analysierende Bilder puffert und dann erst zur Batch-Verarbeitung weiterleitet usw. Der Einsatz eines vorgeschalteten Webservers, Load Balancers, Verwendung von Grafikprozessoren (GPUs) sind weitere denkbare Komponenten für eine produktive ML-Architektur.

Als abschließendes Beispiel für einen leistungsstarken (und kostenpflichtigen) Machine Learning Service soll die Bildanalyse von Google Cloud Vision [20] dienen. Stellt man dasselbe Bild mit der Fußballspielszene von Bild 15 und Bild 16 bereit, so erkennt der Google ML-Service neben den Gegenständen weit mehr Informationen: Kontext (Teamsport, Bundesliga), anhand der Gesichtserkennung den Spieler selbst und aktuelle bzw. vorherige Mannschaftszugehörigkeiten usw. Damit zeigt sich am Beispiel des Tech-Giganten auch ganz klar: Es kommt vorallem auf die verfügbaren Trainingsdaten an, inwieweit dann mit Algorithmen und einer dazu passenden Automatisierung (neue) Erkenntnisse ohne langwierigen und teuren manuellen Aufwand gewinnen kann. Einige Unternehmen werden feststellen, dass ihr eigener – vielleicht einzigartige – Datenschatz einen echten monetären Wert hat?

Abbildung 16: Machine Learning Bezahlprodukt (Google Vision)

Fazit

Machine Learning ist eine interessante “Challenge” für Architekten. Folgende Punkte sollte man bei künftigen Initativen berücksichtigen:

Finden Sie das richtige Geschäftsproblem bzw geeignete Use Cases
Identifizieren und definieren Sie die Einschränkungen (Sind z.B. genug Daten vorhanden?) für die zu lösende Aufgabenstellung
Nehmen Sie sich Zeit für das Design von Komponenten und Schnittstellen
Berücksichtigen Sie frühzeitig mögliche organisatorische Gegebenheiten und Einschränkungen
Denken Sie nicht erst zum Schluss an die Produktivsetzung Ihrer analytischen Modelle oder Machine Learning-Produkte
Der Prozess ist insgesamt eine Menge Arbeit, aber es ist keine Raketenwissenschaft.

Quellenverzeichnis

[1]	Bill Schmarzo: “What’s the Difference Between Data Integration and Data Engineering?”, LinkedIn Pulse -> Link, 2018
[2]	William Vorhies: “CRISP-DM – a Standard Methodology to Ensure a Good Outcome”, Data Science Central -> Link, 2016
[3]	Bill Schmarzo: “A Winning Game Plan For Building Your Data Science Team”, LinkedIn Pulse -> Link, 2018
[4]	D. Sculley, G. Holt, D. Golovin, E. Davydov, T. Phillips, D. Ebner, V. Chaudhary, M. Young, J.-F. Crespo, D. Dennison: “Hidden technical debt in Machine learning systems”. In NIPS’15 Proceedings of the 28th International Conference on Neural Information Processing Systems – Volume 2, 2015
[5]	K. Bollhöfer: „Data Science – the what, the why and the how!“, Präsentation von The unbelievable Machine Company, 2015
[6]	Carlton E. Sapp: “Preparing and Architecting for Machine Learning”, Gartner, 2017
[7]	A. Geron: “California Housing” Dataset, Jupyter Notebook. GitHub.com -> Link, 2018
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[10]	Dr. D. James: „Entscheidungsmatrix „Machine Learning“, it-novum.com -> Link, 2018
[11]	Oracle Analytics@YouTube: “Oracle DV – ML Model Comparison Example”, Video -> Link
[12]	J. Weakley: Machine Learning in Snowflake, Towards Data Science Blog -> Link, 2019
[13]	Dr. S. Sayad: An Introduction to Data Science, Website -> Link, 2019
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[15]	Sergei Izrailev: Design Patterns for Machine Learning in Production, Präsentation H2O World, 2017
[16]	K. Wähner: How to Build and Deploy Scalable Machine Learning in Production with Apache Kafka, Confluent Blog -> Link, 2017
[17]	A. Rosebrock: “Building a simple Keras + deep learning REST API”, The Keras Blog -> Link, 2018
[18]	Stanford Vision Lab, Stanford University, Princeton University: Image database, Website -> Link
[19]	A. Rosebrock: “A scalable Keras + deep learning REST API”, Blog -> Link, 2018
[20]	Google Cloud Vision API (Beta Version) -> Link, abgerufen 2018

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