Развертывание и создание прогнозов с помощью модели ONNX и машинного обучения SQL

Из этого краткого руководства вы узнаете, как обучить модель, преобразовать ее в ONNX, развернуть в SQL Azure для пограничных вычислений, а затем выполнить собственную функцию прогноза (PREDICT) с данными с помощью переданной модели ONNX.

Это краткое руководство основано на библиотеке машинного обучения scikit-learn и в нем используется набор данных о жилье в Бостоне.

Подготовка к работе

• Если вы используете SQL Azure для пограничных вычислений или еще не развернули модуль SQL Azure для пограничных вычислений, выполните действия по развертыванию SQL Azure для пограничных вычислений (предварительная версия) с помощью портала Azure.

• Установите Azure Data Studio.

• Установите пакеты Python, необходимые для этого краткого руководства:

  1. Откройте новую записную книжку, подключенную к ядру Python 3.
  2. Выбор " Управление пакетами"
  3. На вкладке Установлено найдите следующие пакеты Python в списке установленных пакетов. Если ни один из этих пакетов не установлен, выберите вкладку "Добавить новую ", найдите пакет и нажмите кнопку "Установить".
     • scikit-learn;
     • numpy
     • onnxmltools
     • onnxruntime
     • pyodbc
     • setuptools
     • skl2onnx
     • sqlalchemy

• Для каждой части скрипта в следующих разделах введите ее в ячейку в записной книжке Azure Data Studio и запустите ячейку.

Обучение конвейера

Разделите набор данных, чтобы спрогнозировать медиану дома на основе признаков.

import numpy as np
import onnxmltools
import onnxruntime as rt
import pandas as pd
import skl2onnx
import sklearn
import sklearn.datasets

from sklearn.datasets import load_boston
boston = load_boston()
boston

df = pd.DataFrame(data=np.c_[boston['data'], boston['target']], columns=boston['feature_names'].tolist() + ['MEDV'])

target_column = 'MEDV'

# Split the data frame into features and target
x_train = pd.DataFrame(df.drop([target_column], axis = 1))
y_train = pd.DataFrame(df.iloc[:,df.columns.tolist().index(target_column)])

print("\n*** Training dataset x\n")
print(x_train.head())

print("\n*** Training dataset y\n")
print(y_train.head())

Выходные данные:

*** Training dataset x

        CRIM    ZN  INDUS  CHAS    NOX     RM   AGE     DIS  RAD    TAX  \
0  0.00632  18.0   2.31   0.0  0.538  6.575  65.2  4.0900  1.0  296.0
1  0.02731   0.0   7.07   0.0  0.469  6.421  78.9  4.9671  2.0  242.0
2  0.02729   0.0   7.07   0.0  0.469  7.185  61.1  4.9671  2.0  242.0
3  0.03237   0.0   2.18   0.0  0.458  6.998  45.8  6.0622  3.0  222.0
4  0.06905   0.0   2.18   0.0  0.458  7.147  54.2  6.0622  3.0  222.0

    PTRATIO       B  LSTAT
0     15.3  396.90   4.98
1     17.8  396.90   9.14
2     17.8  392.83   4.03
3     18.7  394.63   2.94
4     18.7  396.90   5.33

*** Training dataset y

0    24.0
1    21.6
2    34.7
3    33.4
4    36.2
Name: MEDV, dtype: float64

Создайте конвейер для обучения модели LinearRegression. Можно также использовать другие модели регрессии.

from sklearn.compose import ColumnTransformer
from sklearn.linear_model import LinearRegression
from sklearn.pipeline import Pipeline
from sklearn.preprocessing import RobustScaler

continuous_transformer = Pipeline(steps=[('scaler', RobustScaler())])

# All columns are numeric - normalize them
preprocessor = ColumnTransformer(
    transformers=[
        ('continuous', continuous_transformer, [i for i in range(len(x_train.columns))])])

model = Pipeline(
    steps=[
        ('preprocessor', preprocessor),
        ('regressor', LinearRegression())])

# Train the model
model.fit(x_train, y_train)

Проверьте точность модели, а затем вычислите коэффициент детерминации и среднеквадратическую погрешность.

# Score the model
from sklearn.metrics import r2_score, mean_squared_error
y_pred = model.predict(x_train)
sklearn_r2_score = r2_score(y_train, y_pred)
sklearn_mse = mean_squared_error(y_train, y_pred)
print('*** Scikit-learn r2 score: {}'.format(sklearn_r2_score))
print('*** Scikit-learn MSE: {}'.format(sklearn_mse))

Выходные данные:

*** Scikit-learn r2 score: 0.7406426641094094
*** Scikit-learn MSE: 21.894831181729206

Преобразование модели в ONNX

Преобразуйте типы данных в поддерживаемые типы данных SQL. Это преобразование также требуется для других кадров данных.

from skl2onnx.common.data_types import FloatTensorType, Int64TensorType, DoubleTensorType

def convert_dataframe_schema(df, drop=None, batch_axis=False):
    inputs = []
    nrows = None if batch_axis else 1
    for k, v in zip(df.columns, df.dtypes):
        if drop is not None and k in drop:
            continue
        if v == 'int64':
            t = Int64TensorType([nrows, 1])
        elif v == 'float32':
            t = FloatTensorType([nrows, 1])
        elif v == 'float64':
            t = DoubleTensorType([nrows, 1])
        else:
            raise Exception("Bad type")
        inputs.append((k, t))
    return inputs

С помощью skl2onnx преобразуйте модель LinearRegression в формат ONNX и сохраните ее локально.

# Convert the scikit model to onnx format
onnx_model = skl2onnx.convert_sklearn(model, 'Boston Data', convert_dataframe_schema(x_train), final_types=[('variable1',FloatTensorType([1,1]))])
# Save the onnx model locally
onnx_model_path = 'boston1.model.onnx'
onnxmltools.utils.save_model(onnx_model, onnx_model_path)

Тестирование модели ONNX

После преобразования модели в формат ONNX оцените модель и убедитесь, что она снижает производительность незначительно или не оказывает на нее никакого влияния.

import onnxruntime as rt
sess = rt.InferenceSession(onnx_model_path)

y_pred = np.full(shape=(len(x_train)), fill_value=np.nan)

for i in range(len(x_train)):
    inputs = {}
    for j in range(len(x_train.columns)):
        inputs[x_train.columns[j]] = np.full(shape=(1,1), fill_value=x_train.iloc[i,j])

    sess_pred = sess.run(None, inputs)
    y_pred[i] = sess_pred[0][0][0]

onnx_r2_score = r2_score(y_train, y_pred)
onnx_mse = mean_squared_error(y_train, y_pred)

print()
print('*** Onnx r2 score: {}'.format(onnx_r2_score))
print('*** Onnx MSE: {}\n'.format(onnx_mse))
print('R2 Scores are equal' if sklearn_r2_score == onnx_r2_score else 'Difference in R2 scores: {}'.format(abs(sklearn_r2_score - onnx_r2_score)))
print('MSE are equal' if sklearn_mse == onnx_mse else 'Difference in MSE scores: {}'.format(abs(sklearn_mse - onnx_mse)))
print()

Выходные данные:

*** Onnx r2 score: 0.7406426691136831
*** Onnx MSE: 21.894830759270633

R2 Scores are equal
MSE are equal

Вставка модели ONNX

Сохраните модель в SQL Azure для пограничных вычислений в таблице models базы данных onnx. В строке подключения укажите адрес сервера, имя пользователя и пароль.

import pyodbc

server = '' # SQL Server IP address
username = '' # SQL Server username
password = '' # SQL Server password

# Connect to the master DB to create the new onnx database
connection_string = "Driver={ODBC Driver 17 for SQL Server};Server=" + server + ";Database=master;UID=" + username + ";PWD=" + password + ";"

conn = pyodbc.connect(connection_string, autocommit=True)
cursor = conn.cursor()

database = 'onnx'
query = 'DROP DATABASE IF EXISTS ' + database
cursor.execute(query)
conn.commit()

# Create onnx database
query = 'CREATE DATABASE ' + database
cursor.execute(query)
conn.commit()

# Connect to onnx database
db_connection_string = "Driver={ODBC Driver 17 for SQL Server};Server=" + server + ";Database=" + database + ";UID=" + username + ";PWD=" + password + ";"

conn = pyodbc.connect(db_connection_string, autocommit=True)
cursor = conn.cursor()

table_name = 'models'

# Drop the table if it exists
query = f'drop table if exists {table_name}'
cursor.execute(query)
conn.commit()

# Create the model table
query = f'create table {table_name} ( ' \
    f'[id] [int] IDENTITY(1,1) NOT NULL, ' \
    f'[data] [varbinary](max) NULL, ' \
    f'[description] varchar(1000))'
cursor.execute(query)
conn.commit()

# Insert the ONNX model into the models table
query = f"insert into {table_name} ([description], [data]) values ('Onnx Model',?)"

model_bits = onnx_model.SerializeToString()

insert_params  = (pyodbc.Binary(model_bits))
cursor.execute(query, insert_params)
conn.commit()

Загрузка данных

Загрузите данные в SQL.

Сначала создайте две таблицы, features (для признаков) и target (целевое значение), чтобы сохранить в них подмножества набора данных о жилье в Бостоне.

• Таблица features содержит все данные, используемые для прогнозирования целевого значения (медианы).
• Таблица target содержит медианы для каждой записи в наборе данных.

import sqlalchemy
from sqlalchemy import create_engine
import urllib

db_connection_string = "Driver={ODBC Driver 17 for SQL Server};Server=" + server + ";Database=" + database + ";UID=" + username + ";PWD=" + password + ";"

conn = pyodbc.connect(db_connection_string)
cursor = conn.cursor()

features_table_name = 'features'

# Drop the table if it exists
query = f'drop table if exists {features_table_name}'
cursor.execute(query)
conn.commit()

# Create the features table
query = \
    f'create table {features_table_name} ( ' \
    f'    [CRIM] float, ' \
    f'    [ZN] float, ' \
    f'    [INDUS] float, ' \
    f'    [CHAS] float, ' \
    f'    [NOX] float, ' \
    f'    [RM] float, ' \
    f'    [AGE] float, ' \
    f'    [DIS] float, ' \
    f'    [RAD] float, ' \
    f'    [TAX] float, ' \
    f'    [PTRATIO] float, ' \
    f'    [B] float, ' \
    f'    [LSTAT] float, ' \
    f'    [id] int)'

cursor.execute(query)
conn.commit()

target_table_name = 'target'

# Create the target table
query = \
    f'create table {target_table_name} ( ' \
    f'    [MEDV] float, ' \
    f'    [id] int)'

x_train['id'] = range(1, len(x_train)+1)
y_train['id'] = range(1, len(y_train)+1)

print(x_train.head())
print(y_train.head())

Наконец, используйте sqlalchemy, чтобы вставить кадры данных Pandas x_train и y_train в таблицы features и targetсоответственно.

db_connection_string = 'mssql+pyodbc://' + username + ':' + password + '@' + server + '/' + database + '?driver=ODBC+Driver+17+for+SQL+Server'
sql_engine = sqlalchemy.create_engine(db_connection_string)
x_train.to_sql(features_table_name, sql_engine, if_exists='append', index=False)
y_train.to_sql(target_table_name, sql_engine, if_exists='append', index=False)

Теперь можно просмотреть данные в базе данных.

Выполнение функции PREDICT с помощью модели ONNX

Когда модель будет подготовлена в SQL, выполните собственную функцию PREDICT с данными, используя переданную модель ONNX.

USE onnx

DECLARE @model VARBINARY(max) = (
        SELECT DATA
        FROM dbo.models
        WHERE id = 1
        );

WITH predict_input
AS (
    SELECT TOP (1000) [id],
        CRIM,
        ZN,
        INDUS,
        CHAS,
        NOX,
        RM,
        AGE,
        DIS,
        RAD,
        TAX,
        PTRATIO,
        B,
        LSTAT
    FROM [dbo].[features]
    )
SELECT predict_input.id,
    p.variable1 AS MEDV
FROM PREDICT(MODEL = @model, DATA = predict_input, RUNTIME = ONNX) WITH (variable1 FLOAT) AS p;

Связанный контент

• Машинное обучение и ИИ с применением ONNX в SQL для пограничных вычислений