产品级深度学习开发指南

众所周知，深度学习模型仅仅只是构建 AI 产品的重要步骤，但并不是全部。一个互联网产品（如 APP）想要集成深度学习能力，往往还需要走完很多设计、开发和测试方面的工作。如何部署深度学习往往成为了系统设计中更关键的问题。近日，GitHub 上有这样一个项目，专门介绍了如何将深度学习算法和模型融入到互联网产品中。项目基本以流程、架构图为主，目前仍在完善中，适合产品经理和开发者学习。项目地址：https://github.com/alirezadir/Production-Level-Deep-Learning深度学习产品架构概览训练深度学习模型不及在生产阶段部署算法模型那样困难。如图所示，模型仅仅只是整个系统中的一部分。

在深度学习模型之前，有配置、服务基础设施、数据获取、特征抽取等步骤，而在其之后则有数据验证、分析、监控、流程管理和机器资源管理等。生产级别的深度学习应用非常复杂。而涉及这些环节的程序、应用、工具和硬件则更加复杂多样，因此需要遵循特定的流程和步骤，选择合适的工具进行项目。

为了介绍必要的产品构建流程，项目作者将其分为多个部分，包括数据管理、开发训练评估、测试等步骤。数据管理
数据管理是产品级深度学习应用需要解决的第一个问题。选择合适的工具，可以保证模型获得稳定、标注正确、平衡的数据。数据源怎样获取数据？这是一个常见的问题。通常有以下三种方法：

• 使用公开数据——刚开始构建产品的时候可以使用；
• 数据增强，如图像数据的旋转裁剪等；
• 合成数据；

数据标注正确的数据标注对模型的影响非常大，会影响着整个应用的性能。标注数据的工作可以交给人工进行，或使用标注平台辅助。

• 人工标注

•  众包；
•  数据标注公司： FigureEight、雇佣专门的标注人员

• 标注平台：

• Prodigy ：一个由 Spacy 团队开发者开发的标注工具，使用主动学习，适用于文本和图像数据；
• HIVE：AI 标注平台，针对图像数据；
  
• Supervisely：计算机视觉数据标注平台；
• Labelbox：计算机视觉标注；
• Scale：AI 数据平台，适用于计算机视觉和 NLP 领域。   

数据存储
数据存储则需要选择合适服务器和数据库，方便业务使用。

• 按对象存储：（即将数据存储为二进制数据，包括图像、音频文件和压缩文本）

•  Aamzon S3 
•  Ceph Object Store

• 数据库：（保存存储文件路径、标签和用户活动等信息）
• Postgres：对大部分应用都适用的数据库，支持 SQL 和无结构 json 文件；

• 数据湖：（用于收集数据库获得不了的特征，如日志）
• Amazon Redshift

• 特征存储：（保存机器学习的特征）

• FEAST：基于谷歌云，目前已开源；
• Michelangelo：Uber 的开源平台；

版本控制

• DVC：开源的机器学习版本控制工具；
• Pachyderm：数据版本控制；
• Dolt：SQL 数据库的版本控制；

处理流程

• 训练生产级模型时，通常会将不同来源的数据提取出来，包括存储在数据库和对象存储中的数据、日志，以及其他分类器的输出结果；
• 此外，如果不同任务之间有依赖，则需要在上一个任务完成后将其移除出工作流；
• 工作流管理：Airflow

开发、训练和评估
在这一阶段，项目开发者需要选择合适的工具，对深度学习模型、应用框架等进行开发。软件工程

• 编辑器
  

• Vim
• Emacs
• VS Code (https://code.visualstudio.com/)
• 有着内置的 git 和 diff 工具，可以通过 ssh 远程打开项目；
• Jupyter Notebook：适合项目的开始阶段，但是扩展较困难；
• Streamlit：交互式数据科学工具；

• 开发设备推荐配置

• 对于个人和初创公司：开发用 4 核图灵架构电脑；训练和评估用同样的 4 核带 GPU 的电脑，如果需要运行很多实验，可以购买云服务；
•  对大型公司：开发上每个机器学习工程师都可以配备 4 核图灵架构电脑，或者直接使用 V100 等服务器；训练和评估则购买云服务，并配置合适的运行环境和崩溃处理机制。

资源管理

• 资源管理的作用在于向系统中的任务提供计算资源，提高效率；
  
• 资源管理工具：

• 集群任务管理系统（如 Slurm）；
• Docker + Kubernetes；
• Kubeflow；
• Polyaxon （付费版本）。

深度学习框架

• 除非有充分的理由，否则使用 Tensorflow/Keras 或 PyTorch；
  
• 以下图表表示了不同框架在「开发」到「生产」的程度：

实验管理开发、训练和评估流程：

• 从简单的方法开始：训练一个小模型，使用小批的数据。如果这一方法可行，则扩展到更大的数据量和模型上，然后进行调参；
• 实验管理工具：

• Tensorboard；
  • 提供机器学习可视化工具；
•  Losswise ：用于深度学习监控；
•  Comet：可以让用户追踪代码、实验和结果；
•  Weights & Biases ：记录并可视化研究的每个细节；
•  MLFlow Tracking：用于记录参数、代码版本、评估指标和输出文件，并可视化结果。

调参
调参则是很重要的一个步骤，能让模型发挥更好的效果。

• Hyperas：Keras 的超参数算子的简单封装，能够提供一个超参范围供开发者调整；
• SIGOPT ：可扩展的企业级优化平台；
• Ray-Tune：可扩展的研究平台，能够进行分布式模型选择（主要关注深度学习和深度强化学习）；
• Sweeps from Weights & Biases：参数不会被开发者显式地定义，而是通过一个机器学习模型进行拟合和学习。

分布式训练

• 数据并行：如果迭代时间过长，则使用数据并行（TensorFlow 和 PyTorch 都支持）；
• 模型并行：当模型无法在单个 GPU 上拟合的时候使用；
• 其他解决方案：
  • Ray；
  • Horovod。

测试和部署
产品级深度学习的测试和部署需要完成以下几个步骤：测试和 CI/CD与传统软件相比，机器学习生产软件需要更加多样化的测试套件：

• 单元和集成测试类型

• 训练系统测试：测试训练管道；
• 验证测试：测试验证集上的预测系统；
• 功能测试：在少数重要的示例上测试预测系统。
  

• 持续集成：在每次新的代码更改推送到 repo 之后，运行测试；
• 用于持续集成的 SaaS（软件即服务）：
  • CircleCI, Travis；
  • Jenkins, Buildkite。

网络部署这里包括预测系统和服务系统：

• 预测系统：处理输入数据和进行预测
• 服务系统（网络服务器）：

•  为预测考虑规模；
•  使用 REST API 来预测 HTTP 请求；
•  调用预测系统做出响应。

• 服务选项：

• 部署到 VMs，并通过添加实例实现扩展
• 作为容器进行部署，并通过编排（orchestration）实现扩展；

• 容器（Docker）

• 容器编排（最流行的 Kubernetes、MESOS 和 Marathon）

• 将代码部署为「无服务器函数」；
  
• 通过模型服务解决方案进行部署。

模型服务

• 为 ML 模型进行专门的网络部署
• 批量请求 GPU 推理
• 框架（TensorFlow 服务、MXNet 模型服务器、Clipper 和 SaaS 解决方案）

决策制定

• CPU 推理
  •  如果满足需求，则最好选择 CPU 推理；
  •  通过添加更多服务器或选择无服务器来实现扩展。

• GPU 推理

• TF 服务或 Clipper；
• 自适应批处理是有用的。

监测

• 目的：防止宕机、错误等；
• 捕捉服务和数据恶化的问题；
• 测试云供应商的解决方案是否有效。

在嵌入和移动设备上部署

• 主要挑战：内存占用和计算约束
• 解决方案

• 量化
• 缩减模型大小（MobileNets）
• 知识蒸馏（DistillBERT）

• 嵌入式和移动端框架：
  

• Tensorflow Lite
  
• PyTorch Mobile
• Core ML
• ML Kit
• FRITZ
• OpenVINO

• 模型转换
• 开放神经网络交换（Open Neural Network Exchange，ONNX）：用于深度学习模型的开源格式

一体化解决方案

• Tensorflow Extended (TFX)
• Michelangelo (Uber)
• Google Cloud AI Platform
• Amazon SageMaker
• Neptune
• FLOYD
• Paperspace
• Determined AI
• Domino data lab

在这里，作者提供了一张对比图，用于说明不同的技术选型的优劣势。

来源：机器之心