AutoMLライブラリのFLAMLで機械学習モデルの作成を自動化する

こんにちは。現役エンジニアの”はやぶさ”@Cpp_Learningです。

今回はAutoMLライブラリのFLAMLを使い、機械学習モデルを自動作成する方法を紹介します。

Contents

1 AutoMLとは
2 FLAMLとは
3 実践！FLAMLで機械学習モデルの自動生成
4 まとめ -FLAMLで機械学習モデルの作成を自動化-

AutoMLとは

AutoMLとは、Automated Machine Learningの略称で「手動で行っていた機械学習関連のあらゆる作業を自動化すること」を英語でクールに言ったものです。

本サイトで公開しているAutoMLの記事が以下です。

Optunaでハイパーパラメータの自動チューニング -Pytorch Lightning編-ハイパーパラメータ自動最適化フレームワークOptunaについて、入門から実践まで学べる記事を書きました。基本的な使い方からpytorch-lightningへの適用例までソースコード付きで公開しています。ご参考までに。...

【Tune-sklearn】機械学習のハイパーパラメータを自動チューニングする -skorch（Pytorch）編-

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【AutoML】Laleでパイプライン構築からハイパーパラメータチューニングまで自動化するこんにちは。現役エンジニアの”はやぶさ”@Cpp_Learningです。仕事でもプライベートでも機械学習で色々やってます。 ...

本稿はAutoML記事の第4弾になります。

FLAMLとは

FLAMLとは、Microsoft製の高速なAutoMLライブラリ（A Fast Library for Automated Machine Learning & Tuning）です。

特にFastの部分がポイントのようですが、詳細については公式サイトをご確認ください。

実践！FLAMLで機械学習モデルの自動生成

FLAMLで、どれだけ手軽に機械学習モデルを自動生成できるのか実践してみます。

インストール

最初に以下のコマンドで FLAML をインストールします。

pip install flaml

以降からコードを書いていきます。

Import

まずはimportから

import pickle
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

from sklearn.manifold import TSNE
from sklearn.datasets import make_classification
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import classification_report, accuracy_score

# import flaml
from flaml import AutoML
from flaml.data import get_output_from_log
# from ray import tune

import pickle

import numpy as np

import matplotlib.pyplot as plt

from sklearn.manifold import TSNE

from sklearn.datasets import make_classification

from sklearn.model_selection import train_test_split

from sklearn.metrics import classification_report, accuracy_score

# import flaml

from flaml import AutoML

from flaml.data import get_output_from_log

# from ray import tune

【前準備】データセット作成

こちらの記事と同じデータセットを作成します。

# make dataset
x, y = make_classification(
                n_samples=300,
                n_classes=2,
                n_features=5,
                random_state=0
            )

# split dataset (train:test = 7:3)
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(x, y, test_size=0.3, random_state=42)

# make dataset

x, y = make_classification(

n_samples=300,

n_classes=2,

n_features=5,

random_state=0

)

# split dataset (train:test = 7:3)

x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(x, y, test_size=0.3, random_state=42)

このコードで作成したデータが下図です（可視化コードは割愛）。

上図のデータ（2クラス）を分類するモデルを、FLAMLで自動生成します。

AutoMLの設定

最初に 探索時間、Metric、Task などを設定します。

automl = AutoML()

settings = {
    "time_budget": 30,            # total running time in seconds
    "metric": 'accuracy',         # metric
    "task": 'classification',     # task type
    # "estimator_list": ['rf','lgbm', 'xgboost'],  # list of ML learners
    "log_file_name": 'automl.log',  # log file name
    "log_training_metric": True,  # whether to log training metric
    "seed": 1,                    # random seed
}

automl = AutoML()

settings = {

"time_budget": 30, # total running time in seconds

"metric": 'accuracy', # metric

"task": 'classification', # task type

# "estimator_list": ['rf','lgbm', 'xgboost'], # list of ML learners

"log_file_name": 'automl.log', # log file name

"log_training_metric": True, # whether to log training metric

"seed": 1, # random seed

}

estimatorリスト を設定しない場合は、以下がデフォルト設定（＝探索対象）となります。

estimators (task type is classification)

lgbm
xgboost
xgb_limitdepth
catboost
rf
extra_tree
lrl1

手動ではツライ「複数の Estimator を比較する作業」を、AutoMLが自動でやってくれるので、「気になる Estimator 2～3個のみを比較したい」などの理由がないなら、デフォルト設定で良いと思います。

FLAMLがサポートしている Metrics や Estimators については、以下を参考にしてください。

学習＆探索

scikit-learn 同様、 fit で学習 します。scikit-learn と異なる点は、「Estimator選定」や「ハイパーパラメータ調整」などの探索も fit で完結することです。

automl.fit(X_train=x_train, y_train=y_train, **settings)

automl.fit(X_train=x_train, y_train=y_train, **settings)

[flaml.automl: 03-05 02:47:52] {2068} INFO – task = classification
[flaml.automl: 03-05 02:47:52] {2070} INFO – Data split method: stratified
[flaml.automl: 03-05 02:47:52] {2074} INFO – Evaluation method: cv
[flaml.automl: 03-05 02:47:52] {2155} INFO – Minimizing error metric: 1-accuracy
[flaml.automl: 03-05 02:47:52] {2248} INFO – List of ML learners in AutoML Run: [‘lgbm’, ‘rf’, ‘xgboost’, ‘extra_tree’, ‘xgb_limitdepth’, ‘lrl1’]
[flaml.automl: 03-05 02:47:52] {2501} INFO – iteration 0, current learner lgbm
[flaml.automl: 03-05 02:47:52] {2617} INFO – Estimated sufficient time budget=432s. Estimated necessary time budget=10s.
[flaml.automl: 03-05 02:47:52] {2669} INFO – at 0.1s, estimator lgbm’s best error=0.0619, best estimator lgbm’s best error=0.0619
[flaml.automl: 03-05 02:47:52] {2501} INFO – iteration 1, current learner lgbm
[flaml.automl: 03-05 02:47:52] {2669} INFO – at 0.1s, estimator lgbm’s best error=0.0524, best estimator lgbm’s best error=0.0524
[flaml.automl: 03-05 02:47:52] {2501} INFO – iteration 2, current learner lgbm

（略）

[flaml.automl: 03-05 02:48:20] {2501} INFO – iteration 94, current learner lgbm
[flaml.automl: 03-05 02:48:20] {2669} INFO – at 28.2s, estimator lgbm’s best error=0.0190, best estimator lgbm’s best error=0.0190
[flaml.automl: 03-05 02:48:20] {2501} INFO – iteration 95, current learner extra_tree
[flaml.automl: 03-05 02:48:22] {2669} INFO – at 30.0s, estimator extra_tree’s best error=0.0333, best estimator lgbm’s best error=0.0190
[flaml.automl: 03-05 02:48:22] {2895} INFO – retrain lgbm for 0.0s
[flaml.automl: 03-05 02:48:22] {2900} INFO – retrained model: LGBMClassifier(colsample_bytree=0.5853444225011881, learning_rate=1.0,
max_bin=255, min_child_samples=10, n_estimators=4, num_leaves=5,
reg_alpha=0.04962236929536828, reg_lambda=1.4517932110796898,
verbose=-1)
[flaml.automl: 03-05 02:48:22] {2277} INFO – fit succeeded
[flaml.automl: 03-05 02:48:22] {2279} INFO – Time taken to find the best model: 8.27527928352356
CPU times: user 7.69 s, sys: 591 ms, total: 8.28 s
Wall time: 30 s

設定通りの30秒で学習および探索が終了しました。96回試行した結果、LGBMがベストモデルだったようです。

ベストモデルの確認

以下のコードでベストモデルの情報を確認できます。

print('Best ML leaner:', automl.best_estimator)
print('Best hyperparmeter config:', automl.best_config)
print('Best accuracy on validation data: {0:.4g}'.format(1-automl.best_loss))
print('Training duration of best run: {0:.4g} s'.format(automl.best_config_train_time))

print('Best ML leaner:', automl.best_estimator)

print('Best hyperparmeter config:', automl.best_config)

print('Best accuracy on validation data: {0:.4g}'.format(1-automl.best_loss))

print('Training duration of best run: {0:.4g} s'.format(automl.best_config_train_time))

Best ML leaner: lgbm
Best hyperparmeter config: {‘n_estimators’: 4, ‘num_leaves’: 5, ‘min_child_samples’: 10, ‘learning_rate’: 1.0, ‘log_max_bin’: 8, ‘colsample_bytree’: 0.5853444225011881, ‘reg_alpha’: 0.04962236929536828, ‘reg_lambda’: 1.4517932110796898}
Best accuracy on validation data: 0.981
Training duration of best run: 0.0111 s

今回の問題設定なら、ベストモデルを探索するのに 0.0111sec あれば十分だったようです。

はやぶさ

はえー

AutoML ログ

AutoMLの過程は automl.log に記録されます。以下のコードで可視化もできます。

time_history, best_valid_loss_history, valid_loss_history, config_history, metric_history = \
    get_output_from_log(filename=settings['log_file_name'], time_budget=240)

plt.title('Learning Curve')
plt.xlabel('Wall Clock Time (s)')
plt.ylabel('Validation Accuracy')
plt.scatter(time_history, 1 - np.array(valid_loss_history))
plt.step(time_history, 1 - np.array(best_valid_loss_history), where='post')
plt.show()

time_history, best_valid_loss_history, valid_loss_history, config_history, metric_history = \

get_output_from_log(filename=settings['log_file_name'], time_budget=240)

plt.title('Learning Curve')

plt.xlabel('Wall Clock Time (s)')

plt.ylabel('Validation Accuracy')

plt.scatter(time_history, 1 - np.array(valid_loss_history))

plt.step(time_history, 1 - np.array(best_valid_loss_history), where='post')

plt.show()

FLAMLで機械学習モデルの作成を自動化する

feature importance（特徴量重要度）

以下のコードで feature importance（特徴量重要度）を可視化できます。

plt.barh(
            automl.model.estimator.feature_name_,
            automl.model.estimator.feature_importances_
         )

plt.barh(

automl.model.estimator.feature_name_,

automl.model.estimator.feature_importances_

)

FLAMLで機械学習モデルの作成を自動化する

今回はダミーデータなので、重要な特徴量を把握した所で、何の旨味はありませんが、特徴量重要度や特徴量選定を重要視するケースもあります（下記参照）

sklearn.feature_selection.SelectFromModel

sklearn.feature_selectionで特徴量選定【scikit-learn】こんにちは。現役エンジニアの”はやぶさ”@Cpp_Learningです。仕事でもプライベートでも機械学習で色々やってます。 ...

推論

scikit-learn 同様に predict で推論 します。

y_pred = automl.predict(x_test)
print('Predicted labels', y_pred)
print('True labels     ', y_test)
# print(y_test-y_pred) # 真値と予測値の差分

y_pred = automl.predict(x_test)

print('Predicted labels', y_pred)

print('True labels ', y_test)

# print(y_test-y_pred) # 真値と予測値の差分

Predicted labels [0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 1 1 1 1 1]
True labels [0 0 1 1 0 1 1 0 0 1 1 1 0 1 1 0 0 0 0 1 0 1 0 0 1 0 1 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 1 1 1 0 0 1 0 0 1 0 0 0 1 1 1 1 1 0 0 0 1 0 1 1 1 0 0 0 1 1 0 1 0 0 1 0 1 0 0 0 1 0 1 1 0 1 1 0 1 1 1 1 1]

今回のテストデータの場合、真値と推論結果で異なるのは2か所でした。

モデルの評価

モデルの評価レポート作成には、scikit-learn のAPIを使うのが楽です。

# print precision, recall, f1-score, support
print(classification_report(y_test, y_pred))
print("score:", accuracy_score(y_test, y_pred))

# print precision, recall, f1-score, support

print(classification_report(y_test, y_pred))

print("score:", accuracy_score(y_test, y_pred))

FLAMLで機械学習モデルの作成を自動化する

問題設定が簡単だった可能性もありますが、複数のEstimator のハイパーパラメータをチューニングしながら、ベストモデルの探索が30秒（＝設定時間）で完了しました（前述した通り、結果的には 0.0111sec の探索時間で十分だったようですが）。

くるる

すごい！

はやぶさ

素敵！！

フクロウも人間も驚きの性能です。AutoML恐るべし、FLAMLすげー。

学習済みモデルの保存

学習済みモデルは、以下のコードで保存できます。

# pickle and save the model
with open('automl.pkl', 'wb') as f:
    pickle.dump(automl, f, pickle.HIGHEST_PROTOCOL)

# pickle and save the model

with open('automl.pkl', 'wb') as f:

pickle.dump(automl, f, pickle.HIGHEST_PROTOCOL)

FLAMLに関係なく、オブジェクトを pickle で保存するのは、よくやる処理です

学習済みモデルの読み込みと推論

先ほど保存した 学習済みモデル：automl.pkl を読み込んで、学習にも評価にも未使用なデータを分類するコードが以下です。

# load pickled model'''
with open('automl.pkl', 'rb') as f:
    my_automl = pickle.load(f)
    
# 適当なデータを作成
my_data = np.array([[1, 2, 3, 4, 5]])

# 推論
my_pred = my_automl.predict(my_data)
print("result：", my_pred)  #  result is 0 or 1