機器學習實用技巧：用多進程加速你的特徵工程

在數據科學和機器學習中，特徵工程是提高模型性能的關鍵步驟之一，通過創建新特徵或轉換現有特徵，我們可以更好地捕捉數據中的信息，提高模型的預測能力。然而，當處理大數據集時，特徵工程可能變得耗時，而且若是在研發階段，特徵其實是需要快速迭代去產生並且做後續的實驗，這也是近期遇到的問題，因此想在這篇文章實作多進程的優化。那要執行特徵工程的流程，其實有很多個選擇，在本次文章中，想分享最近實做的一種方法，雖然他不是最好的，但它是可行的，如果有比較建議的方法歡迎分享交流，一起學習成長！

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目的

使用Python的多進程功能來加速特徵工程，並將結果存儲在SQLite數據庫中，這可以達到快速產生特徵，並且在RAM資源有限的情況下，可以如預期執行。

主要用到的 python package

• Pandas：處理數據
• SQLite：資料庫
• Multiprocessing：多線程處理

流程

1. 建立模擬資料
2. 寫特徵工程 function
3. multiprocess function 執行

建立模擬資料

num : 表示帳戶號碼，建立100個帳戶

date : 表示交易日期，建立交易日期在 2023-10-20 到 2023-10-30日之間

time : 表示交易時間，一天24 小時內都可以

amount : 這筆交易的金額，金額範圍 1- 1000000

sample 如下:

import pandas as pd
import numpy as np
import random
from faker import Faker
from datetime import datetime, timedelta


np.random.seed(0)
random.seed(0)


fake = Faker()
data = pd.DataFrame(columns=['num', 'date', 'time', 'amount'])

account_numbers = [fake.unique.random_number(digits=6) for _ in range(100)]


for _ in range(1000):
    acct_num = random.choice(account_numbers)
    date = (datetime(2023, 10, 20) + timedelta(days=random.randint(0, 10))).date()
    time = fake.time(pattern='%H:%M')
		 amt = random.randint(1, 1000000)  

    data = pd.concat([data, pd.DataFrame({'num': [num], 'date': [date], 'time': [time],
                                          'amount': [amount]})], ignore_index=True)


data.to_csv('data/transaction.csv', index=False)

寫特徵工程 function (舉例幾個特徵)

import multiprocessing
import sqlite3
import pandas as pd


def create_db_connection():
    return sqlite3.connect('mydatabase.db')


def calculate_average_amount(data, num):

    average_amount = data.groupby('num')['amount'].mean().reset_index()
    print(average_amount)
    return average_amount


def calculate_variance(data, num ):
    
    variance_data = data.groupby('num')['amount'].var().reset_index()
    variance_data.rename(columns={'amount': 'amount_variance'}, inplace=True)
    
    return variance_data



def calculate_time_diff(data):
    account_data = data.copy()
    account_data['time'] = pd.to_datetime(account_data['time'], format='%H:%M')
    

    account_data = account_data.sort_values(by=['date', 'time'])
    account_data['time_diff'] = account_data['time'].diff().dt.total_seconds() / 60.0
    
    return account_data[['num', 'time_diff']]


def calculate_average_time_diff(time_df):
    
    average_time_diff = time_df.groupby('num')['time_diff'].mean().reset_index()
    average_time_diff.rename(columns={'time_diff': 'time_diff_mean'}, inplace=True)
    
    return average_time_diff

def process_feature(data,num):
    print('in function process_feature: ',data.shape)
    data = data[data['num'] == num]
    ori_df = calculate_average_amount(data, num)
    output_df = calculate_variance(data,num )
    output_df = ori_df.merge(output_df, on='num')
    print(output_df.columns)

    time_df = calculate_time_diff(data)
    time_df_o = calculate_average_time_diff(time_df)
    print(time_df_o.columns)
    output_df = output_df.merge(time_df_o, on='num')

    return output_df

multi-process 完成

import multiprocessing
import sqlite3
import pandas as pd 
from feature import calculate_average_amount, calculate_variance, process_feature
from functools import partial

def create_db_connection():
    return sqlite3.connect('feature.db')

def process_acct_num(num, data):

    output_df = process_feature(data,num)
    conn = create_db_connection()
    output_df.to_sql('feature', conn, if_exists='append', index=False)

    conn.close()

if __name__ == '__main__':

    data = pd.read_csv('./data/transaction.csv')
    nums = data['num'].unique()
    start_date, end_date = '2023-10-20' , '2023-10-30'

    num_processes = multiprocessing.cpu_count()  
    print(num_processes)
    num_processes = num_processes-2

    process_acct_num_partial = partial(process_acct_num, data=data)

    with multiprocessing.Pool(num_processes) as pool:
        pool.map(process_acct_num_partial, nums)

小心得

我們使用 Python 和多進程來進行特徵工程的例子，並將結果存儲在 SQLite 數據庫中。這個例子展示了對於一個交易數據集，如何計算每個帳戶的平均交易金額，特徵可以根據現實的情況擴增，這裡只展示一個框架。

過程中利用了 Python 的 multiprocessing 模塊，有效地利用了多核 CPU 資源，加快了大量數據的處理速度，特別是在處理大型數據集時，使用多進程可以顯著提高效率。

最後，我們將計算完的特徵通過 SQLite 數據庫進行了存儲，這樣不僅便於管理和存取這些數據，也為後續的數據分析和機器學習建模提供了方便。透過這篇文章，記錄下前些日子在資源有限的情況，可以 work 的 solution 。

歡迎交流～分享～一起成長！