使用 Python 设置自动化机器学习训练

适用于：Python SDK azureml v1

在本指南中，了解如何使用 Azure 机器学习自动化机器学习将自动化机器学习训练设置为通过 Azure 机器学习 Python SDK 来运行。 自动化 ML 将自动选择算法和超参数，并生成随时可用于部署的模型。 本指南提供了可用于配置自动化机器学习试验的各种选项的详细信息。

有关端到端示例，请参阅教程：自动化机器学习 - 训练回归模型。

如果你更喜欢无代码体验，还可以 在 Azure 机器学习工作室中设置无代码自动化机器学习训练。

先决条件

在本文中，你需要：

• Azure 机器学习工作区。 若要创建工作区，请参阅创建工作区资源。

• 已安装 Azure 机器学习 Python SDK。 若要安装该 SDK，你可以：

  • 创建一个计算实例，该实例将自动安装 SDK 并针对 ML 工作流进行预先配置。 有关详细信息，请参阅创建和管理 Azure 机器学习计算实例。

  • 自行安装 automl 包，其中包括 SDK 默认安装。

  重要

  本文中的 Python 命令需要最新的 azureml-train-automl 包版本。

  • 将最新的 包安装到本地环境。
  • 有关最新 azureml-train-automl 包的详细信息，请参阅azureml-train-automl。

  警告

  Python 3.8 与 automl 不兼容。

选择试验类型

在开始试验之前，应确定要解决的机器学习问题类型。 自动化机器学习支持 classification、regression 和 forecasting 任务类型。 详细了解任务类型。

下面的代码使用 AutoMLConfig 构造函数中的 task 参数将试验类型指定为 classification。

from azureml.train.automl import AutoMLConfig

# task can be one of classification, regression, forecasting
automl_config = AutoMLConfig(task = "classification")

数据源和格式

自动化机器学习支持驻留在本地桌面上或云中（例如 Azure Blob 存储）的数据。 数据可以读入 Pandas 数据帧或 Azure 机器学习 TabularDataset 中 。 了解有关数据集的详细信息。

机器学习中对训练数据的要求：

• 数据必须为表格格式。
• 要预测的值（目标列）必须位于数据中。

对于远程试验，必须能够从远程计算访问训练数据。 自动化 ML 仅在处理远程计算时才接受 Azure 机器学习 TabularDataset。

Azure 机器学习数据集公开的功能可以：

• 轻松地将数据从静态文件或 URL 源传输到工作区。
• 在云计算资源上运行时，使数据可用于训练脚本。 有关使用 Dataset 类将数据装载到远程计算目标的示例，请参阅如何使用数据集进行训练。

下面的代码从一个 Web URL 创建 TabularDataset。 有关如何从其他源（例如本地文件和数据存储）创建数据集的代码示例，请参阅创建 TabularDataset。

from azureml.core.dataset import Dataset
data = "https://automlsamplenotebookdata.blob.core.chinacloudapi.cn/automl-sample-notebook-data/creditcard.csv"
dataset = Dataset.Tabular.from_delimited_files(data)

对于本地计算试验，我们建议使用 pandas 数据帧以提高处理速度。

import pandas as pd
from sklearn.model_selection import train_test_split

df = pd.read_csv("your-local-file.csv")
train_data, test_data = train_test_split(df, test_size=0.1, random_state=42)
label = "label-col-name"

训练、验证和测试数据

可以直接在 AutoMLConfig 构造函数中指定单独的训练数据和验证数据集。 详细了解如何为 AutoML 试验配置训练、验证、交叉验证和测试数据。

如果未显式指定 validation_data 或 n_cross_validation 参数，则自动化 ML 将应用默认技术来决定如何执行验证。 此决定依赖于分配给 training_data 参数的数据集中的行数。

大型数据

自动化 ML 支持使用有限数量的算法针对大型数据进行训练，以便在小型虚拟机上成功生成大数据的模型。 自动化 ML 启发式方法依据数据大小、虚拟机内存大小、试验超时和特征化设置等属性来确定是否应该应用这些大型数据算法。 详细了解自动化 ML 支持哪些模型。

• 适用于回归的联机梯度下降回归量和快速线性回归量

• 对于分类，平均感知器分类器和线性 SVM 分类器；其中，线性 SVM 分类器同时具有大型数据和小型数据版本。

如果要替代这些启发式方法，请应用以下设置：

用于运行试验的计算环境

接下来，确定要在何处训练模型。 自动化机器学习训练试验可在以下计算选项中运行。

• 选择本地计算：如果你的方案涉及到使用小数据和短训练（即，每个子运行持续几秒或几分钟）进行初始探索或演示，则可能更适合在本地计算机上进行训练。 这样就无需进行设置，并且可以直接使用基础结构资源（电脑或 VM）。 有关本地计算示例，请参阅此笔记本。

• 选择远程 ML 计算群集：如果使用较大的数据集进行训练（例如，在生产训练中创建需要较长时间训练的模型），则远程计算可以提供好得多的端到端时间性能，因为 AutoML 会在群集节点之间并行化训练。 在远程计算中，内部基础结构的启动时间将遵循每个子运行增加约 1.5 分钟的规律，如果 VM 尚未启动并运行，群集基础结构的启动时间将增加额外的时间。Azure 机器学习托管计算是一项托管服务，能够在 Azure 虚拟机群集上训练机器学习模型。 计算实例也支持作为计算目标。

• Azure 订阅中的 Azure Databricks 群集。 有关更多详细信息，可参阅为自动化 ML 设置 Azure Databricks 群集。 有关包含 Azure Databricks 的示例 Notebook，请参阅此 GitHub 站点。

选择计算目标时请考虑以下因素：

配置试验设置

可以使用多个选项来配置自动化机器学习试验。 通过实例化 AutoMLConfig 对象来设置这些参数。 有关参数的完整列表，请参阅 AutoMLConfig 类。

以下示例是针对分类任务的。 该试验使用加权 AUC 作为主要指标，并将试验超时设置为 30 分钟，且包含 2 折交叉验证。

    automl_classifier=AutoMLConfig(task='classification',
                                   primary_metric='AUC_weighted',
                                   experiment_timeout_minutes=30,
                                   blocked_models=['XGBoostClassifier'],
                                   training_data=train_data,
                                   label_column_name=label,
                                   n_cross_validations=2)

你还可以配置需要额外设置的预测任务。 有关更多详细信息，请参阅为时序预测设置自动化机器学习一文。

    time_series_settings = {
                            'time_column_name': time_column_name,
                            'time_series_id_column_names': time_series_id_column_names,
                            'forecast_horizon': n_test_periods
                           }
    
    automl_config = AutoMLConfig(
                                 task = 'forecasting',
                                 debug_log='automl_oj_sales_errors.log',
                                 primary_metric='normalized_root_mean_squared_error',
                                 experiment_timeout_minutes=20,
                                 training_data=train_data,
                                 label_column_name=label,
                                 n_cross_validations=5,
                                 path=project_folder,
                                 verbosity=logging.INFO,
                                 **time_series_settings
                                )

支持的模型

在自动化和优化过程中，自动化机器学习会尝试各种模型和算法。 用户不需要指定算法。

这三个不同的 task 参数值确定要应用的算法或模型的列表。 使用 allowed_models 或 blocked_models 参数通过要包含或排除的可用模型来进一步修改迭代。 下表按任务类型汇总了支持的模型。

主要指标

primary_metric 参数决定了将在模型训练期间用于优化的指标。 可以选择的可用指标由选择的任务类型决定。

选择自动化机器学习要优化的主要指标取决于许多因素。 建议主要考虑选择最能体现业务需求的指标。 然后考虑指标是否适用于数据集配置文件（数据大小、范围、类分布等）。 以下部分根据任务类型和业务方案总结了推荐的主要指标。

如需了解上述指标的具体定义，请参阅了解自动化机器学习结果集。

分类方案的指标

对于类别偏斜严重（类别不均衡）的小型数据集或预期的指标值非常接近 0.0 或 1.0 时，依赖阈值的指标（如 accuracy、recall_score_weighted、norm_macro_recall 和 precision_score_weighted）可能也不是最优的。 在这些情况下，对于主要指标，AUC_weighted 可能是更好的选择。 自动机器学习完成后，可以根据最能满足你业务需求的指标选择所需模型。

回归方案的指标

r2_score、normalized_mean_absolute_error 和 normalized_root_mean_squared_error 均在尝试最大限度减少预测错误。 r2_score 和 normalized_root_mean_squared_error 在最大限度减少平均平方误差，同时 normalized_mean_absolute_error 在最大限度减少平均绝对误差值。 绝对值会将所有误差大小均视为错误，而平方误差会对具有较大绝对值的误差实行更多处罚。 可以选择优化平方误差或绝对误差，具体取决于是否错误越大则处罚越多。

r2_score 和 normalized_root_mean_squared_error 的主要区别是二者的标准与含义。 normalized_root_mean_squared_error 是以范围为标准的根均方误差，可解释为预测的平均误差大小。 r2_score 是以数据方差估计值为标准的均方误差。 它是模型可捕获的变化比例。

如果关注点是排序而非精确值，则 spearman_correlation 可能是更好的选择，因为它会衡量实际值与预测值之间的排序相关性。

然而，当前没有可处理相对差异的主要回归指标。 例如，对于 3 万美元的薪水和 2000 万美元的薪金，如果这两个数据点属于相同的回归数据集或时序标识符指定的同一时序，r2_score、normalized_mean_absolute_error 和 normalized_root_mean_squared_error 均会将预测误差视为 2 万美元。 但实际上，在 2000 万美元薪水的基础上增减 2 万美元和增减前的预测应该非常接近（相对差值很小，增减占比 0.1%），而在 3 万美元薪水的基础上增减 2 万美元和增减前的预测应该非常大（相对差值很大，增减占比 67%）。 要处理相对差异的问题，可通过可用主要指标来训练模型，然后选择具有最佳 mean_absolute_percentage_error 或 root_mean_squared_log_error 的模型。

时序预测方案的指标

这些建议与针对回归方案提供的建议类似。

数据特征化

在每个自动化机器学习实验中，数据都是自动缩放和规范化，以帮助对不同规模上的特征敏感的某些算法。 此缩放和规范化称为特征化。 有关更多详细信息和代码示例，请参阅 AutoML 中的特征化。

在 AutoMLConfig 对象中配置试验时，可以启用/禁用设置 featurization。 下表列出了 AutoMLConfig 对象中的特征化的已接受设置。

集成配置

集成模型默认启用，在 AutoML 运行中显示为最终的运行迭代次数。 目前支持 VotingEnsemble 和 StackEnsemble。

投票采用使用加权平均值的软投票。 堆栈实现使用一个两层实现，其中的第一层具有与投票集成相同的模型，第二层模型用于从第一层中查找模型的最佳组合。

如果使用 ONNX 模型，或启用了模型可解释性，则会禁用堆栈，仅使用投票。

可以通过使用 enable_voting_ensemble 和 enable_stack_ensemble 布尔参数来禁用集成训练。

automl_classifier = AutoMLConfig(
                                 task='classification',
                                 primary_metric='AUC_weighted',
                                 experiment_timeout_minutes=30,
                                 training_data=data_train,
                                 label_column_name=label,
                                 n_cross_validations=5,
                                 enable_voting_ensemble=False,
                                 enable_stack_ensemble=False
                                )

若要更改默认集成行为，可以将多个默认参数作为 kwargs 在 AutoMLConfig 对象中提供。

• ensemble_download_models_timeout_sec：在 VotingEnsemble 和 StackEnsemble 模型生成期间，会下载来自先前子运行的多个拟合模型。 如果遇到此错误 AutoMLEnsembleException: Could not find any models for running ensembling，则可能需要为要下载的模型提供更多时间。 默认值为 300 秒并行下载这些模型，且没有最大超时限制。 如果需要更多时间，请将此参数配置为大于 300 秒的值。

  注意

  如果已超时且下载了模型，则融合会使用它下载的多个模型继续执行。 并不需要下载所有模型才能在超时内完成。 以下参数只应用于 StackEnsemble 模型：

• stack_meta_learner_type：元学习器是针对单个异类模型的输出而训练出来的模型。 默认的元学习器是用于分类任务的 LogisticRegression（或为 LogisticRegressionCV，如果启用了交叉验证的话），以及用于回归/预测任务的 ElasticNet（或为 ElasticNetCV，如果启用了交叉验证的话）。 此参数可以是下列字符串之一：LogisticRegression、LogisticRegressionCV、LightGBMClassifier、ElasticNet、ElasticNetCV、LightGBMRegressor 或 LinearRegression。

• stack_meta_learner_train_percentage：指定为训练元学习器而保留的训练集的比例（选择训练的训练和验证类型时）。 默认值为 0.2。

• stack_meta_learner_kwargs：要传递给元学习器的初始值设定项的可选参数。 这些参数和参数类型对来自相应模型构造函数的参数和参数类型进行镜像，然后再转发到模型构造函数。

下面的代码示例展示了如何在 AutoMLConfig 对象中指定自定义融合行为。

ensemble_settings = {
                     "ensemble_download_models_timeout_sec": 600
                     "stack_meta_learner_type": "LogisticRegressionCV",
                     "stack_meta_learner_train_percentage": 0.3,
                     "stack_meta_learner_kwargs": {
                                                    "refit": True,
                                                    "fit_intercept": False,
                                                    "class_weight": "balanced",
                                                    "multi_class": "auto",
                                                    "n_jobs": -1
                                                  }
                    }
automl_classifier = AutoMLConfig(
                                 task='classification',
                                 primary_metric='AUC_weighted',
                                 experiment_timeout_minutes=30,
                                 training_data=train_data,
                                 label_column_name=label,
                                 n_cross_validations=5,
                                 **ensemble_settings
                                )

退出条件

可以在 AutoMLConfig 中定义几个选项来结束试验。

运行试验

对于自动化 ML，可以创建 Experiment 对象，这是 Workspace 中用于运行实验的命名对象。

from azureml.core.experiment import Experiment

ws = Workspace.from_config()

# Choose a name for the experiment and specify the project folder.
experiment_name = 'Tutorial-automl'
project_folder = './sample_projects/automl-classification'

experiment = Experiment(ws, experiment_name)

提交试验以运行和生成模型。 将 AutoMLConfig 传递给 submit 方法以生成模型。

run = experiment.submit(automl_config, show_output=True)

群集上的多个子运行

自动化 ML 试验子运行可以在已经运行另一个试验的群集上执行。 但是，计时取决于群集具有的节点数，以及这些节点是否可用于运行不同的试验。

群集中的每个节点充当单个可以完成一次训练运行的虚拟机 (VM)；对于自动化 ML，这意味着一个子运行。 如果所有节点都处于忙状态，则新的试验将排队。 但是，如果有空闲节点，新的试验将在可用节点/VM 中并行运行自动化 ML 子运行。

为了管理子运行及其执行时间，建议你为每个试验创建一个专用群集，使试验的 max_concurrent_iterations 数与群集中的节点数匹配。 这样就可以同时使用群集的所有节点以及所需数量的并发子运行/迭代。

在 AutoMLConfig 对象中配置 max_concurrent_iterations。 如果未进行配置，则默认情况下每个试验仅允许一个并发子运行/迭代。 对于计算实例，可以将 max_concurrent_iterations 设置为与计算实例 VM 上的核心数相同。

探索模型和指标

自动化 ML 提供用于监视和评估训练结果的选项。

• 如果在笔记本中操作，可以在小组件或内联单元中查看训练结果。 请参阅监视自动化机器学习运行，了解更多详细信息。

• 有关为每次运行提供的性能图表和指标的定义和示例，请参阅评估自动化机器学习试验结果。

• 若要获取特征化摘要并了解哪些功能已添加到特定模型，请参阅特征化透明度。

你可以使用自定义代码解决方案 print_model() 查看应用于特定自动化 ML 运行的超参数、缩放和规范化技术以及算法。

监视自动化机器学习运行

对于自动化机器学习运行，若要访问根据以前的运行生成的图表，请将 <<experiment_name>> 替换为相应的试验名称：

from azureml.widgets import RunDetails
from azureml.core.run import Run

experiment = Experiment (workspace, <<experiment_name>>)
run_id = 'autoML_my_runID' #replace with run_ID
run = Run(experiment, run_id)
RunDetails(run).show()

测试模型（预览版）

将 test_data 或 test_size 参数传递到 AutoMLConfig 中，会自动触发远程测试运行，该运行使用提供的测试数据来评估自动化 ML 在试验完成后推荐的最佳模型。 确定最佳模型后，便会在试验结束时完成该远程测试运行。 了解如何将测试数据传递到 AutoMLConfig。

获取测试作业结果

可以从 Azure 机器学习工作室或使用以下代码从远程测试作业中获取预测和指标。

best_run, fitted_model = remote_run.get_output()
test_run = next(best_run.get_children(type='automl.model_test'))
test_run.wait_for_completion(show_output=False, wait_post_processing=True)

# Get test metrics
test_run_metrics = test_run.get_metrics()
for name, value in test_run_metrics.items():
    print(f"{name}: {value}")

# Get test predictions as a Dataset
test_run_details = test_run.get_details()
dataset_id = test_run_details['outputDatasets'][0]['identifier']['savedId']
test_run_predictions = Dataset.get_by_id(workspace, dataset_id)
predictions_df = test_run_predictions.to_pandas_dataframe()

# Alternatively, the test predictions can be retrieved via the run outputs.
test_run.download_file("predictions/predictions.csv")
predictions_df = pd.read_csv("predictions.csv")

模型测试作业将生成 predictions.csv 文件，该文件存储在与工作区一起创建的默认数据存储中。 此数据存储对使用同一订阅的所有用户可见。 如果用于测试作业或由测试作业创建的任何信息需要保密，则不建议使用测试作业。

测试现有的自动化 ML 模型

若要测试创建的其他现有自动化 ML 模型、最佳作业或子作业，请在主 AutoML 运行完成后使用 ModelProxy() 测试模型。 ModelProxy() 已返回预测和指标，无需进一步处理即可检索输出。

以下代码演示了如何使用 ModelProxy.test() 方法从任何运行中测试模型。 在 test() 方法中，可以选择指定是否只想使用 include_predictions_only 参数查看测试运行的预测。

from azureml.train.automl.model_proxy import ModelProxy

model_proxy = ModelProxy(child_run=my_run, compute_target=cpu_cluster)
predictions, metrics = model_proxy.test(test_data, include_predictions_only= True
)

注册和部署模型

测试模型并确认想在生产环境中使用它后，可以注册该模型以备后用，并且

若要从自动化 ML 运行注册模型，请使用 register_model() 方法。

best_run = run.get_best_child()
print(fitted_model.steps)

model_name = best_run.properties['model_name']
description = 'AutoML forecast example'
tags = None

model = run.register_model(model_name = model_name, 
                                  description = description, 
                                  tags = tags)

有关如何创建部署配置以及将注册模型部署到 Web 服务的详细信息，请参阅如何部署模型以及在何处部署模型。

模型可解释性

模型可解释性让你可以了解模型进行预测的原因，以及基础特征重要性值。 SDK 包括各种包，这些包用于在训练和推理时间为本地和已部署的模型启用模型可解释性功能。

了解如何专门在自动化机器学习试验中启用可解释性特征。

有关如何在自动化机器学习之外的 SDK 其他区域中启用模型解释和特征重要性的一般信息，请参阅关于可解释性的概念文章。

后续步骤

• 详细了解如何以及在何处部署模型。

• 详细了解如何使用自动化机器学习训练回归模型。

• 对自动化 ML 试验进行故障排除。