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神經(jīng)網(wǎng)絡在過去幾年中取得了驚人的進步，現(xiàn)在已成為圖像識別和自動翻譯領域***進的技術。TensorFlow是 Google 為數(shù)字計算和神經(jīng)網(wǎng)絡發(fā)布的新框架。在這篇博文中，我們將演示如何使用 TensorFlow 和 Spark 一起來訓練和應用深度學習模型。

你可能會想：當大多數(shù)高性能深度學習實現(xiàn)只是單節(jié)點時，Apache Spark 在這里使用什么?為了回答這個問題，我們將通過兩個用例來解釋如何使用 Spark 和 TensorFlow 的集群機器來改進深度學習流程：

超參數(shù)調整：使用 Spark 找到神經(jīng)網(wǎng)絡訓練的***超參數(shù)，使得訓練時間減少 10 倍并且錯誤率降低 34 %。

大規(guī)模部署模型：使用 Spark，在大量數(shù)據(jù)上應用訓練后神經(jīng)網(wǎng)絡模型。

超參數(shù)調優(yōu)

深度學習機器學習(ML)技術的一個例子是人工神經(jīng)網(wǎng)絡。它們采取復雜的輸入，例如圖像或音頻記錄，然后對這些信號應用復雜的數(shù)學變換。該變換的輸出是數(shù)值向量，其更容易被其他 ML 算法運算。人工神經(jīng)網(wǎng)絡通過模仿人腦視覺皮質中的神經(jīng)元(以簡化形式)執(zhí)行這種轉化。

正如人類學習解釋他們所看到的那樣，人工神經(jīng)網(wǎng)絡需要被訓練來識別「有趣」的特定模式。例如，這些可以是簡單的圖案，例如，邊緣，圓形，但是它們可能要復雜。在這里，我們將使用由 NIST 組合的經(jīng)典數(shù)據(jù)集，并訓練神經(jīng)網(wǎng)絡來識別這些數(shù)字：

TensorFlow 庫自動化訓練各種形狀和大小的神經(jīng)網(wǎng)絡算法的創(chuàng)建。然而，構建神經(jīng)網(wǎng)絡的實際過程比僅在數(shù)據(jù)集上運行一些函數(shù)更復雜。通常會有許多非常重要的影響模型訓練效果的超參數(shù)(外行人術語中的配置參數(shù))設置。選擇正確的參數(shù)會導致高性能，而不良參數(shù)會導致訓練時間長，性能不佳。在實踐中，機器學習從業(yè)者用不同的超參數(shù)多次重復運行相同的模型，以便找到***超參數(shù)集。這是一種稱為超參數(shù)優(yōu)化的經(jīng)典技術。

建立神經(jīng)網(wǎng)絡時，有很多要慎重選擇的超參數(shù)。例如：

• 每層神經(jīng)元數(shù)量：太少的神經(jīng)元會降低網(wǎng)絡的表達力，但太多會大大增加運行時間并返回帶有噪聲的估計。
• 學習率：如果太高，神經(jīng)網(wǎng)絡只會關注最近幾個樣本，忽視以前積累的所有經(jīng)驗。如果太低，達到好狀態(tài)需要太長時間。

有趣的是，即使 TensorFlow 本身沒有分布，超參數(shù)調整過程也是「尷尬并行」，可以使用 Spark 進行分布。在這種情況下，我們可以使用 Spark 來 broadcast 諸如數(shù)據(jù)和模型描述之類的常見元素，然后在整個機器群集之間以容錯方式調度各個重復計算。

使用Spark如何提高準確性?超級參數(shù)的默認設置精度為 99.2%。通過超參數(shù)調優(yōu)，在測試集上***的結果是具有 99.47% 的精度，這減少 34% 的測試誤差。分配添加到集群的節(jié)點數(shù)呈線性關系的計算：使用 13 節(jié)點集群，我們能夠并行訓練 13 個模型，這相當于在一臺機器上一次訓練一個模型的 7 倍速度。以下是關于機器集群數(shù)量的計算時間(以秒為單位)的圖表：

更重要的是，我們深入了解訓練過程的各種訓練超參數(shù)的敏感性。例如，對于不同數(shù)量的神經(jīng)元，我們繪制關于學習率的最終測試性能：

這顯示了神經(jīng)網(wǎng)絡的典型權衡曲線：

• 學習率至關重要：如果太低，神經(jīng)網(wǎng)絡不會學到任何東西(高測試錯誤率);如果太高，在某些配置中，訓練過程可能隨機振蕩甚至發(fā)散。
• 神經(jīng)元的數(shù)量對于獲得良好的性能并不重要，并且具有許多神經(jīng)元的網(wǎng)絡對于學習率更加敏感。這是奧卡姆的剃刀原理：對于大多數(shù)目標來說，更簡單的模型往往都是「夠好」的。如果你在缺少 1% 的測試錯誤率后有足夠的時間和資源，你可以投入大量資源進行訓練，并找到產(chǎn)生影響的適當?shù)某瑓?shù)。

通過使用稀疏的參數(shù)樣本，我們可以對最有希望的參數(shù)集進行歸零。

我該怎么用?

由于 TensorFlow 可以使用每個機器的所有核心，因此我們一次只能在每個機器運行一個任務，并將它們批處理以限制競爭。TensorFlow 庫可以作為常規(guī) Python 庫安裝在 Spark 集群上，遵循 TensorFlow 網(wǎng)站上的說明。以下筆記本顯示如何安裝 TensorFlow，讓用戶重新運行此博客的實驗：

使用TensorFlow分布式處理圖像

使用TensorFlow測試圖像的分布處理

規(guī)模部署模型

TensorFlow 模型可以直接嵌入到管道中，以對數(shù)據(jù)集執(zhí)行復雜的識別任務。例如，我們展示了如何從已經(jīng)訓練的股票神經(jīng)網(wǎng)絡模型中標注一組圖像。

該模型首先使用 Spark 的內置 broadcasting 機制分配給集群的機器：

然后將該模型加載到每個節(jié)點上并應用于圖像。這是每個節(jié)點上運行代碼的草圖：

通過將圖像批量化在一起，可以使此代碼更有效率。

這是一個圖像的例子：

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這里是根據(jù)神經(jīng)網(wǎng)絡對這個圖像的解釋，這是非常準確的：

期待

針對手寫數(shù)字識別和圖像標識，我們已經(jīng)展示了如何結合 Spark 和 TensorFlow 訓練和部署神經(jīng)網(wǎng)絡。即使我們使用的神經(jīng)網(wǎng)絡框架本身只適用于單節(jié)點，我們可以使用 Spark 來分配超參數(shù)調整過程和模型部署。這不僅減少了訓練時間，而且提高了準確度，使我們更好地了解了各種超參數(shù)的敏感性。

雖然此支持僅適用于 Python，但我們期待在 TensorFlow 和 Spark 框架的其余部分之間進行更深入的集成。