【机器学习】在大数据上使用PySpark进行K-Means

编译 | VK
来源 | Towards Data Science

如果你不熟悉K Means聚类，我建议你阅读下面的文章。本文主要研究数据并行和聚类，大数据上的K-Means聚类。

https://towardsdatascience.com/unsupervised-learning-techniques-using-python-k-means-and-silhouette-score-for-clustering-d6dd1f30b660

聚类是一种无监督的学习技术，简而言之，你处理的是数据，没有任何关于目标属性或因变量的信息。

聚类的一般思想是在数据中发现一些内在的结构，通常被称为相似对象的簇。该算法研究数据以识别这些簇，使得簇中的每个成员更接近簇中的另一个成员（较低的簇内距离），而远离不同簇中的另一个成员（较高的簇间距离）。

你们大多数人都熟悉现实生活中的这些例子：

1. 客户细分-广泛用于目标营销
2. 图像分割-识别景观
3. 推荐引擎

K-Means聚类，使用欧氏距离形式的相似性度量,通常被称为分裂聚类或分区聚类。

K均值的基本思想是从每个数据点都属于一个簇，然后根据用户输入K（或聚类数）将它们分成更小的簇。每个簇都有一个称为质心的中心。质心总数总是等于K。该算法迭代地寻找数据点并将它们分配给最近的簇。

一旦所有数据点被分配到各自的质心（这里代表每个簇），质心值将被重新计算，过程将重复，直到簇达到收敛标准。

质心只不过是每个簇的新平均值（例如，由客户A、B、C组成的簇，平均支出为100、200、300，篮子大小为10、15和20，质心分别为200和15）。收敛准则是衡量簇的稳定性的一个指标，即任意两次迭代之间的簇内距离在给定的阈值范围内不变。

在我们讨论为什么PySpark不是基于Sklearn的算法之前，让我们先讨论一下PySpark中的过程有什么不同。

在使用PySpark构建任何聚类算法时，都需要执行一些数据转换。让我们先理解数据，用于分析的数据可以在这里找到。

https://www.kaggle.com/arjunbhasin2013/ccdata

数据

该数据集由超过6个月的9K名活跃信用卡持卡人及其交易和账户属性组成。其想法是制定一个客户细分的营销策略。

使用Pypark

from pyspark.sql import SparkSession

spark = SparkSession.builder.appName(‘Clustering using K-Means’).getOrCreate()

data_customer=spark.read.csv('CC General.csv', header=True, inferSchema=True)

data_customer.printSchema()

属性可以分为三大类。客户信息（主键为CUST_ID）、帐户信息（余额、余额频率、购买、信用额度、使用期限等）和交易（购买频率、付款、预付现金等）。

data_customer=data_customer.na.drop()

所考虑的所有属性都是数字或离散数字，因此我们需要使用向量汇编器(Vector Assembler)将它们转换为特征。向量汇编器是一种转换器，它将一组特征转换为单个向量列，通常称为特征数组，这里的特征是列。

customer id不会用于聚类。我们首先使用.columns提取所需的列，将其作为输入传递给Vector Assembler，然后使用transform将输入列转换为一个称为feature的向量列。

from pyspark.ml.feature import VectorAssembler
data_customer.columns

assemble=VectorAssembler(inputCols=[
 'BALANCE',
 'BALANCE_FREQUENCY',
 'PURCHASES',
 'ONEOFF_PURCHASES',
 'INSTALLMENTS_PURCHASES',
 'CASH_ADVANCE',
 'PURCHASES_FREQUENCY',
 'ONEOFF_PURCHASES_FREQUENCY',
 'PURCHASES_INSTALLMENTS_FREQUENCY',
 'CASH_ADVANCE_FREQUENCY'


    
,
 'CASH_ADVANCE_TRX',
 'PURCHASES_TRX',
 'CREDIT_LIMIT',
 'PAYMENTS',
 'MINIMUM_PAYMENTS',
 'PRC_FULL_PAYMENT',
 'TENURE'], outputCol='features')

assembled_data=assemble.transform(data_customer)

assembled_data.show(2)

既然所有的列都被转换成一个单一的特征向量，我们就需要对数据进行标准化，使它们具有可比的规模。例如，BALANCE可以是10-1000，而BALANCE_FREQUENCY可以是0-1。

欧几里德距离总是在大尺度上受到更大的影响，因此对变量进行标准化是非常重要的。

from pyspark.ml.feature import StandardScaler

scale=StandardScaler(inputCol='features',outputCol='standardized')

data_scale=scale.fit(assembled_data)
data_scale_output=data_scale.transform(assembled_data)

data_scale_output.show(2)

既然我们的数据已经标准化了，我们就可以开发K均值算法了。

K-means是最常用的聚类算法之一，用于将数据分簇到预定义数量的聚类中。

spark.mllib包括k-means++方法的一个并行化变体，称为kmeans||。KMeans函数来自pyspark.ml.clustering，包括以下参数：

• k是用户指定的簇数
• maxIterations是聚类算法停止之前的最大迭代次数。请注意，如果簇内距离的变化不超过上面提到的epsilon值，迭代将停止，而不考虑最大迭代次数
• initializationMode指定质心的随机初始化或通过k-means||初始化（类似于k-means++）
• epsilon决定k-均值收敛的距离阈值
• initialModel是一簇可选的群集质心，用户可以将其作为输入提供。如果使用此参数，算法只运行一次，将点分配到最近的质心

train(k=4 , maxIterations=20, minDivisibleClusterSize=1.0, seed=-1888008604)是默认值。

from pyspark.ml.clustering import KMeans
from pyspark.ml.evaluation import ClusteringEvaluator

silhouette_score=[]

evaluator = ClusteringEvaluator(predictionCol='prediction', featuresCol='standardized', \
                                metricName='silhouette', distanceMeasure='squaredEuclidean')

for i in range(2,10):

    KMeans_algo=KMeans(featuresCol='standardized', k=i)

    KMeans_fit=KMeans_algo.fit(data_scale_output)

    output=KMeans_fit.transform(data_scale_output)



    score=evaluator.evaluate(output)

    silhouette_score.append(score)

    print("Silhouette Score:",score)

可视化分数。注意，以前版本的K Means有computeScore，它计算聚类内距离的总和，但在spark3.0.0中被弃用。

轮廓分数使用ClusteringEvaluator，它测量一个簇中的每个点与相邻簇中的点的接近程度，从而帮助判断簇是否紧凑且间隔良好

# 可视化轮廓分数
import matplotlib.pyplot as plt
fig, ax = plt.subplots(1,1, figsize =(8,6))
ax.plot(range(2,10),silhouette_score)
ax.set_xlabel(‘k’)
ax.set_ylabel(‘cost’)

我更喜欢用K=7，在那里可以观察到轮廓分数的局部最大值。什么值的K是好的没有正确的答案。

我们可以使用描述性统计和其他图表来检查，这点在SkLearn和PCA上实现更方便。我们中的大多数人更喜欢研究肘部图，而不是轮廓分数，但PySpark有它的优点。

PySpark在执行K均值聚类时使用数据并行或结果并行的概念。

假设你需要为墨尔本节礼日活动开展有针对性的营销活动，并且你希望接触到具有不同购买属性的20万客户。想象一下在本地系统上运行K Means的多次迭代。对于K=5，需要计算的距离度量数为5 x 200K=1百万。100万个这样的度量需要计算30次才能满足收敛标准，即3000万个距离（欧几里德距离）。处理这样的场景需要大量的计算能力和时间。

数据并行性

数据并行所做的是，通过将数据集划分为更小的分区，从一开始就创建并行性。另一方面，结果并行是基于目标聚类的。例如：

D=记录数{X1，X2，…，Xn}

k=簇数

P=处理器数{P1，P2，…，Pm}

C=初始质心{C1，C2，…，Ck}

1. 数据D被P个处理器分割。每个处理器处理一簇记录（由spark配置决定）。初始质心值C在每个处理器之间共享
2. 现在每个处理器都有质心信息。处理器计算它们的记录到这些质心的距离，并通过将数据点分配到最近的质心来形成局部聚类
3. 完成步骤2后，主进程将存储P个处理器上每个聚类的记录总数和计数，以供将来参考
4. 一旦一次迭代完成，来自处理器的信息被交换，主进程计算更新的质心并再次在P个处理器之间共享它们，即，主进程更新质心，并与处理器重新共享信息
5. 这个过程不断迭代直到收敛。一旦满足收敛条件，主进程就收集本地簇并将它们组合成一个全局聚类

想象一下，将20万条记录分成3个处理器，每个处理器有约70万条记录。这就是分布式处理的用武之地，以减少数据量，同时确保完整的结果。

结果并行性

例如：

D=记录数{X1，X2，…，Xn}

k=簇数

P=处理器数{P1，P2，…，Pm}

C=初始质心{C1，C2，…，Ck}

1. 数据D被P个处理器分割，然后在每个处理器内排序。每个处理器处理一组记录（由spark配置决定）
2. 初始质心值C被初始化，并在这些处理器中的每一个处理器之间进行分割/共享（即，与所有质心值在所有处理器之间共享的数据并行性不同，这里，我们将一个质心值传递给一个处理器）
3. 现在每个处理器都有一个中心。计算这些点到这些质心的距离。对于处理器中的数据点：如果它们更接近处理器的质心，则将它们分配给该簇，否则如果它们更接近属于其他处理器的质心，则将数据点移动到新处理器
4. 重复，直到收敛。

有用的链接

1. https://spark.apache.org/docs/latest/mllib-clustering.html
2. https://spark.apache.org/docs/latest/api/python/pyspark.mllib.html#pyspark.mllib.clustering.KMeansModel
3. https://spark.apache.org/docs/latest/api/python/pyspark.ml.html#pyspark.ml.evaluation.ClusteringEvaluator
4. https://spark.apache.org/docs/latest/api/python/_modules/pyspark/ml/evaluation.html

感谢阅读。

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