机器学习PMML简述

1.简述

PMML全称预言模型标记模型（Predictive Model Markup Language），以XML 为载体呈现数据挖掘模型。PMML 允许您在不同的应用程序之间轻松共享预测分析模型。因此，您可以在一个系统中定型一个模型，在 PMML 中对其进行表达，然后将其移动到另一个系统中，而不需考虑分析和预测过程中的具体实现细节。使得模型的部署摆脱了模型开发和产品整合的束缚。通俗地讲, 我有一个决策树模型, 使用效果也不错, 那么就可以把树的结构(节点间的父子关系, 节点内的丰富信息 等)序列化为PMML文件, 共享给其他人使用.  这样无论你的模型是sklearn,R还是Spark MLlib生成的，我们都可以将其转化为标准的XML格式来存储。当我们需要将这个PMML的模型用于部署的时候，可以使用目标环境的解析PMML模型的库来加载模型，并做预测。

附PMML4.4官方文档：http://dmg.org/pmml/v4-4/Mult...
附jpmml源码github地址：https://github.com/jpmml

2. 主要结构

PMML 文件的结构遵从了用于构建预测解决方案的常用步骤，包括：

数据词典 
这是一种数据分析阶段的产品，可以识别和定义哪些输入数据字段对于解决眼前的问题是最有用的。这可以包括数值、顺序和分类字段。
挖掘架构 
定义了处理缺少值和离群值的策略。这非常有用，因为通常情况，当将模型应用于实践时，所需的输入数据字段可能为空或者被误呈现。
数据转换 
定义了将原始输入数据预处理至派生字段所需的计算。派生字段（有时也称为特征检测器）对输入字段进行合并或修改，以获取更多相关信息。例如，为了预测停车所需的制动压力，一个预测模型可能将室外温度和水的存在（是否在下雨？）作为原始数据。派生字段可能会将这两个字段结合起来，以探测路上是否结冰。然后结冰字段被作为模型的直接输入来预测停车所需的制动压力。
模型定义 
定义了用于构建模型的结构和参数。PMML 涵盖了多种统计技术。例如，为了呈现一个神经网络，它定义了所有的神经层和神经元之间的连接权重。对于一个决策树来说，它定义了所有树节点及简单和复合谓语。
输出 
定义了预期模型输出。对于一个分类任务来说，输出可以包括预测类及与所有可能类相关的概率。
目标 
定义了应用于模型输出的后处理步骤。对于一个回归任务来说，此步骤支持将输出转变为人们很容易就可以理解的分数（预测结果）。
模型解释 
定义了将测试数据传递至模型时获得的性能度量标准（与训练数据相对）。这些度量标准包括字段相关性、混淆矩阵、增益图及接收者操作特征（ROC）曲线图。
模型验证 
定义了一个包含输入数据记录和预期模型输出的示例集。这是非常重要的一个步骤，因为在应用程序之间移动模型时，该模型需要通过匹配测试。这样就可以确保，在呈现相同的输入时，新系统可以生成与旧系统同样的输出。 如果实际情况是这样的话，一个模型将被认为经过了验证，且随时可用于实践。
 
一个通用的PMML文件结构如下(参考http://dmg.org/pmml/v4-3/Gene...：

<?xml version="1.0"?>
<PMML version="4.3"
  xmlns="http://www.dmg.org/PMML-4_3"
  xmlns:xsi="http://www.w3.org/2001/XMLSchema-instance">
 
  <Header copyright="Example.com"/>
  <DataDictionary> ... </DataDictionary>
 
  ... a model ...
 
</PMML>

 

3 PMML模型的生成和加载相关类库

PMML模型的生成相关的库需要看我们使用的离线训练库。如果我们使用的是sklearn，那么可以使用sklearn2pmml这个python库来做模型文件的生成，这个库安装很简单，使用"pip install sklearn2pmml"即可。如果使用的是Spark MLlib, 这个库有一些模型已经自带了保存PMML模型的方法，可惜并不全。如果是R，则需要安装包"XML"和“PMML”。此外，JAVA库JPMML可以用来生成R,SparkMLlib,xgBoost,Sklearn的模型对应的PMML文件。github地址是：https://github.com/jpmml/jpmml。

加载PMML模型需要目标环境支持PMML加载的库，如果是JAVA，则可以用JPMML来加载PMML模型文件。

可以看出，要使用PMML，需要两步的工作，第一块是将离线训练得到的模型转化为PMML模型文件，第二块是将PMML模型文件载入在线预测环境，进行预测。这两块都需要相关的库支持。

不过，当训练和预测使用同一种开发语言的时候，PMML 就没有必要使用了，因为任何中间格式都会牺牲掉独有的优化。

整个流程分为两部分：离线和在线。
离线部分流程是将样本进行特征工程，然后进行训练，生成模型。一般离线部分常用 Python 中的 sklearn、R 或者 Spark ML 来训练模型。
在线部分是根据请求得到样本数据，对这些数据采用与离线特征工程一样的方式来处理，然后使用模型进行评估。一般在线部分常用 Java、C++ 来开发。
离线部分与在线部分是通过 PMML 连接的，也就是说离线训练好了模型之后，将模型导出为 PMML 文件，在线部分加载该 PMML 文件生成对应的评估模型。
我们可以看到，PMML 是连接离线与在线环节的关键，一般导出 PMML 文件和 加载 PMML 文件都需要各个语言来做单独的实现。不过幸运的是，已经有很多大神实现了这些，可以参见：https://github.com/jpmml 。

 

4. PMML模型生成和加载示例

将离线训练得到的模型转化为PMML模型文件

下面给一个示例，使用sklearn生成一个决策树模型，用sklearn2pmml生成模型文件，用JPMML加载模型文件，并做预测。

首先是用用sklearn生成一个决策树模型，由于我们是需要保存PMML文件，所以最好把模型先放到一个Pipeline数组里面。这个数组里面除了我们的决策树模型以外，还可以有归一化，降维等预处理操作，这里作为一个示例，我们Pipeline数组里面只有决策树模型。代码如下:

import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
%matplotlib inline
import pandas as pd
from sklearn import tree
from sklearn2pmml.pipeline import PMMLPipeline
from sklearn2pmml import sklearn2pmml
 
import os
os.environ["PATH"] += os.pathsep + 'C:/Program Files/Java/jdk1.8.0_171/bin'
 
X=[[1,2,3,1],[2,4,1,5],[7,8,3,6],[4,8,4,7],[2,5,6,9]]
y=[0,1,0,2,1]
pipeline = PMMLPipeline([("classifier", tree.DecisionTreeClassifier(random_state=9))]);
pipeline.fit(X,y)
 
sklearn2pmml(pipeline, ".\demo.pmml", with_repr = True)

上面这段代码做了一个非常简单的决策树分类模型，只有5个训练样本，特征有4个，输出类别有3个。实际应用时，我们需要将模型调参完毕后才将其放入PMMLPipeline进行保存。运行代码后，在当前目录会得到一个PMML的XML文件，可以直接打开看，内容大概如下：

<?xml version="1.0" encoding="UTF-8" standalone="yes"?>
<PMML xmlns="http://www.dmg.org/PMML-4_3" version="4.3">
    <Header>
        <Application name="JPMML-SkLearn" version="1.5.3"/>
        <Timestamp>2018-06-24T05:47:17Z</Timestamp>
    </Header>
    <MiningBuildTask>
        <Extension>PMMLPipeline(steps=[('classifier', DecisionTreeClassifier(class_weight=None, criterion='gini', max_depth=None,
            max_features=None, max_leaf_nodes=None,
            min_impurity_decrease=0.0, min_impurity_split=None,
            min_samples_leaf=1, min_samples_split=2,
            min_weight_fraction_leaf=0.0, presort=False, random_state=9,
            splitter='best'))])</Extension>
    </MiningBuildTask>
    <DataDictionary>
        <DataField name="y" optype="categorical" dataType="integer">
            <Value value="0"/>
            <Value value="1"/>
            <Value value="2"/>
        </DataField>
        <DataField name="x3" optype="continuous" dataType="float"/>
        <DataField name="x4" optype="continuous" dataType="float"/>
    </DataDictionary>
    <TransformationDictionary>
        <DerivedField name="double(x3)" optype="continuous" dataType="double">
            <FieldRef field="x3"/>
        </DerivedField>
        <DerivedField name="double(x4)" optype="continuous" dataType="double">
            <FieldRef field="x4"/>
        </DerivedField>
    </TransformationDictionary>
    <TreeModel functionName="classification" missingValueStrategy="nullPrediction" splitCharacteristic="multiSplit">
        <MiningSchema>
            <MiningField name="y" usageType="target"/>
            <MiningField name="x3"/>
            <MiningField name="x4"/>
        </MiningSchema>
        <Output>
            <OutputField name="probability(0)" optype="continuous" dataType="double" feature="probability" value="0"/>
            <OutputField name="probability(1)" optype="continuous" dataType="double" feature="probability" value="1"/>
            <OutputField name="probability(2)" optype="continuous" dataType="double" feature="probability" value="2"/>
        </Output>
        <Node>
            <True/>
            <Node>
                <SimplePredicate field="double(x3)" operator="lessOrEqual" value="3.5"/>
                <Node score="1" recordCount="1.0">
                    <SimplePredicate field="double(x3)" operator="lessOrEqual" value="2.0"/>
                    <ScoreDistribution value="0" recordCount="0.0"/>
                    <ScoreDistribution value="1" recordCount="1.0"/>
                    <ScoreDistribution value="2" recordCount="0.0"/>
                </Node>
                <Node score="0" recordCount="2.0">
                    <True/>
                    <ScoreDistribution value="0" recordCount="2.0"/>
                    <ScoreDistribution value="1" recordCount="0.0"/>
                    <ScoreDistribution value="2" recordCount="0.0"/>
                </Node>
            </Node>
            <Node score="2" recordCount="1.0">
                <SimplePredicate field="double(x4)" operator="lessOrEqual" value="8.0"/>
                <ScoreDistribution value="0" recordCount="0.0"/>
                <ScoreDistribution value="1" recordCount="0.0"/>
                <ScoreDistribution value="2" recordCount="1.0"/>
            </Node>
            <Node score="1" recordCount="1.0">
                <True/>
                <ScoreDistribution value="0" recordCount="0.0"/>
                <ScoreDistribution value="1" recordCount="1.0"/>
                <ScoreDistribution value="2" recordCount="0.0"/>
            </Node>
        </Node>
    </TreeModel>
</PMML>

可以看到里面就是决策树模型的树结构节点的各个参数，以及输入值。我们的输入被定义为x1-x4,输出定义为y。

将PMML模型文件载入在线预测环境，进行预测

创建一个Maven或者gradle工程，加入JPMML的依赖，这里给出maven在pom.xml的依赖，gradle的结构是类似的。

<dependency>
    <groupId>org.jpmml</groupId>
    <artifactId>pmml-evaluator</artifactId>
    <version>1.4.1</version>
</dependency>
<dependency>
    <groupId>org.jpmml</groupId>
    <artifactId>pmml-evaluator-extension</artifactId>
    <version>1.4.1</version>
</dependency>

接着就是读取模型文件并预测的代码了，具体代码如下：

import org.dmg.pmml.FieldName;
import org.dmg.pmml.PMML;
import org.jpmml.evaluator.*;
import org.xml.sax.SAXException;
 
import javax.xml.bind.JAXBException;
import java.io.FileInputStream;
import java.io.IOException;
import java.io.InputStream;
import java.util.HashMap;
import java.util.LinkedHashMap;
import java.util.List;
import java.util.Map;

public class PMMLDemo {
    private Evaluator loadPmml(){
        PMML pmml = new PMML();
        InputStream inputStream = null;
        try {
            inputStream = new FileInputStream("D:/demo.pmml");
        } catch (IOException e) {
            e.printStackTrace();
        }
        if(inputStream == null){
            return null;
        }
        InputStream is = inputStream;
        try {
            pmml = org.jpmml.model.PMMLUtil.unmarshal(is);
        } catch (SAXException e1) {
            e1.printStackTrace();
        } catch (JAXBException e1) {
            e1.printStackTrace();
        }finally {
            //关闭输入流
            try {
                is.close();
            } catch (IOException e) {
                e.printStackTrace();
            }
        }
        ModelEvaluatorFactory modelEvaluatorFactory = ModelEvaluatorFactory.newInstance();
        Evaluator evaluator = modelEvaluatorFactory.newModelEvaluator(pmml);
        pmml = null;
        return evaluator;
    }
    private int predict(Evaluator evaluator,int a, int b, int c, int d) {
        Map<String, Integer> data = new HashMap<String, Integer>();
        data.put("x1", a);
        data.put("x2", b);
        data.put("x3", c);
        data.put("x4", d);
        List<InputField> inputFields = evaluator.getInputFields();
        //过模型的原始特征，从画像中获取数据，作为模型输入
        Map<FieldName, FieldValue> arguments = new LinkedHashMap<FieldName, FieldValue>();
        for (InputField inputField : inputFields) {
            FieldName inputFieldName = inputField.getName();
            Object rawValue = data.get(inputFieldName.getValue());
            FieldValue inputFieldValue = inputField.prepare(rawValue);
            arguments.put(inputFieldName, inputFieldValue);
        }
 
        Map<FieldName, ?> results = evaluator.evaluate(arguments);
        List<TargetField> targetFields = evaluator.getTargetFields();
 
        TargetField targetField = targetFields.get(0);
        FieldName targetFieldName = targetField.getName();
 
        Object targetFieldValue = results.get(targetFieldName);
        System.out.println("target: " + targetFieldName.getValue() + " value: " + targetFieldValue);
        int primitiveValue = -1;
        if (targetFieldValue instanceof Computable) {
            Computable computable = (Computable) targetFieldValue;
            primitiveValue = (Integer)computable.getResult();
        }
        System.out.println(a + " " + b + " " + c + " " + d + ":" + primitiveValue);
        return primitiveValue;
    }
    public static void main(String args[]){
        PMMLDemo demo = new PMMLDemo();
        Evaluator model = demo.loadPmml();
        demo.predict(model,1,8,99,1);
        demo.predict(model,111,89,9,11);
 
    }
}

 
代码里有两个函数，第一个loadPmml是加载模型的，第二个predict是读取预测样本并返回预测值的。

代码运行结果如下：

target: y value: {result=2, probability_entries=[0=0.0, 1=0.0, 2=1.0], entityId=5, confidence_entries=[]}
1 8 99 1:2
target: y value: {result=1, probability_entries=[0=0.0, 1=1.0, 2=0.0], entityId=6, confidence_entries=[]}
111 89 9 11:1

也就是样本（1,8,99,1）被预测为类别2，而（111,89,9,11）被预测为类别1。

以上就是PMML生成和加载的一个示例，使用起来其实门槛并不高，也很简单。

5. PMML总结与思考

第一个就是PMML为了满足跨平台，牺牲了很多平台独有的优化，所以很多时候我们用算法库自己的保存模型的API得到的模型文件，要比生成的PMML模型文件小很多。同时PMML文件加载速度也比算法库自己独有格式的模型文件加载慢很多。

第二个就是PMML加载得到的模型和算法库自己独有的模型相比，预测会有一点点的偏差，当然这个偏差并不大。比如某一个样本，用sklearn的决策树模型预测为类别1，但是如果我们把这个决策树落盘为一个PMML文件，并用JAVA加载后，继续预测刚才这个样本，有较小的概率出现预测的结果不为类别1.

第三个就是对于超大模型，比如大规模的集成学习模型，比如xgboost, 随机森林，或者tensorflow，生成的PMML文件很容易得到几个G，甚至上T，这时使用PMML文件加载预测速度会非常慢，此时推荐为模型建立一个专有的环境，就没有必要去考虑跨平台了。

此外，对于TensorFlow，不推荐使用PMML的方式来跨平台。可能的方法一是TensorFlow serving，自己搭建预测服务，但是会稍有些复杂。另一个方法就是将模型保存为TensorFlow的模型文件，并用TensorFlow独有的JAVA库加载来做预测。