构建并用 TensorFlow Serving 部署 Wide & Deep 模型

Wide & Deep 模型是谷歌在 2016 年发表的论文中所提到的模型。在论文中，谷歌将 LR 模型与 深度神经网络 结合在一起作为 Google Play 的推荐获得了一定的效果。在这篇论文后，Youtube，美团等公司也进行了相应的尝试并公开了他们的工作（相关链接请看本文底部）

官方提供的 Wide & Deep 模型的（简称，WD 模型）教程 都是使用 TensorFlow （简称，TF ）自带的函数来做的特征工程，并且模型也进行了封装，但有时候我们的特征工程还使用到了 sklearn, numpy, pandas 来做，当我们想快速验证 WD 模型是否比旧模型要好的时候则显得不太便利，所以本文就向您展示了如何自己用 TF 搭建一个结构清晰，定制性更高的 WD 模型。在训练好 WD 模型后，我们还需要快速的看到模型预测的效果，所以在本文中我们利用 Docker 来快速部署一个可供服务的 TensorFlow 模型，也即可提供服务的 API。

因此，本文的内容如下：

• 使用 TF 搭建 WD 网络结构
• 使用 Docker 来快速部署模型

其对应的代码地址为：https://github.com/edvardHua/Articles
欢迎 star

本文实现的 WD 模型的结构如下图所示：

本文构建的网络

不难看出，Wide 模型这边其实就是一个 LR 模型，而右边 Deep 模型的部分则是一个三层隐藏层的神经网络，这三层隐藏层的神经元数目分别是 256-12-64，最后 Wide 模型 和 Deep 模型的结果进行相加后通过 ReLu 激活函数后输出预测结果。OK，先来看一下 Wide 模型部分的代码

def wide_model(input_data):
    """
    一层的神经网络，相当于是 LR
    :param input_data: 
    :return: 
    """
    input_len = int(input_data.shape[1])
    with tf.name_scope("wide"):
        # 修正的方式初始化权重，输出层结点只有一个
        weights = tf.Variable(tf.truncated_normal([input_len, 1],
                                                  stddev=1.0 / math.sqrt(float(input_len))
                                                  ), name="weights"
                              )
        output = tf.matmul(input_data, weights)
        # 沿着行这个纬度来求和
        output = tf.reduce_sum(output, 1, name="reduce_sum")
        # 输出每个样本经过计算的值
        output = tf.reshape(output, [-1, 1])
    return output

接下来看一下 Deep 模型的代码。

def deep_model(input_data, hidden1_units, hidden2_units, hidden3_units):
    """
    三层的神经网络
    :param input_data: 2-D tensor
    :param hidden1_units: int
    :param hidden2_units: int
    :param hidden3_units: int
    :return: 
    """
    # 得到每个样本的维度
    input_len = int(input_data.shape[1])
    with tf.name_scope("hidden1"):
        # 修正的方式初始化权重
        weights = tf.Variable(tf.truncated_normal([input_len, hidden1_units],
                                                  stddev=1.0 / math.sqrt(float(input_len))
                                                  ), name="weights1"
                              )
        biases = tf.Variable(tf.zeros([hidden1_units]), name='biases1')
        hidden1 = tf.nn.relu(tf.matmul(input_data, weights)) + biases

    ···
    # 另外两层隐藏层代码相似，所以这里省略掉，具体的代码请看 Github 仓库
    ··· 

    with tf.name_scope("output"):
        # 修正的方式初始化权重
        weights = tf.Variable(tf.truncated_normal([hidden3_units, 1],
                                                  stddev=1.0 / math.sqrt(float(input_len))
                                                  ), name="weights4"
                              )
        biases = tf.Variable(tf.zeros([1]), name='biases4')
        output = tf.nn.relu(tf.matmul(hidden3, weights) + biases)

    return tf.nn.relu(output)

虽然 Deep 模型的代码存在一定的冗余，但是这样方便我们修改和调整网络的结构。

最后，将 Wide 模型 和 Deep 模型的结果进行相加后通过 ReLu 激活函数输出预测的结果。

def build_wdl(deep_input, wide_input, y):
    """
    得到模型和损失函数
    :param deep_input: 
    :param wide_input: 
    :param y: 
    :return: 
    """
    central_bias = tf.Variable([np.random.randn()], name="central_bias")
    dmodel = deep_model(deep_input, 256, 128, 64)
    wmodel = wide_model(wide_input)

    # 使用 LR 将两个模型组合在一起
    dmodel_weight = tf.Variable(tf.truncated_normal([1, 1]), name="dmodel_weight")
    wmodel_weight = tf.Variable(tf.truncated_normal([1, 1]), name="wmodel_weight")

    network = tf.add(
        tf.matmul(dmodel, dmodel_weight),
        tf.matmul(wmodel, wmodel_weight)
    )

    prediction = tf.nn.sigmoid(tf.add(network, central_bias), name="prediction")

    loss = tf.reduce_mean(
        tf.nn.sigmoid_cross_entropy_with_logits(labels=y, logits=prediction)
    )
    train_step = tf.train.AdamOptimizer(0.001).minimize(loss)
    return train_step, loss, prediction

搭建好结构后，我们可以生成一些随机数据来测试 Wide & Deep 模型，在这里我们随机生成 1000 个样本，每个样本的维度为 10，作为训练样本，为了简单起见，没有再创建验证样本。
训练只迭代一次，也即只遍历一次训练样本，这里的每个样本的 label 取值都为 0 或 1，所以目标函数为交叉熵，代码如下：

def build_and_saved_wdl():
    """
    训练并保存模型
    :return: 
    """
    # 训练数据
    x_deep_data = np.random.rand(10000)
    x_deep_data = x_deep_data.reshape(-1, 10)

    x_wide_data = np.random.rand(10000)
    x_wide_data = x_wide_data.reshape(-1, 10)

    x_deep = tf.placeholder(tf.float32, [None, 10])
    x_wide = tf.placeholder(tf.float32, [None, 10])
    y = tf.placeholder(tf.float32, [None, 1])

    y_data = np.array(
        [random.randint(0, 1) for i in range(1000)]
    )
    y_data = y_data.reshape(-1, 1)

    # 为了简单起见，这里没有验证集，也就没有验证集的 loss
    train_step, loss, prediction = build_wdl(x_deep, x_wide, y)
    sess = tf.Session()
    sess.run(tf.global_variables_initializer())
    sess.run(train_step, feed_dict={x_deep: x_deep_data, x_wide: x_wide_data, y: y_data})

训练完成后，还需要将模型进行保存，若要在 TensorFlow Serving 中使用，则需要用 SavedModelBuilder 来保存模型，代码如下：

def build_and_saved_wdl():
   ···
   # 将训练好的模型保存在当前的文件夹下
   builder = tf.saved_model.builder.SavedModelBuilder(join("./model_name", MODEL_VERSION))
   inputs = {
       "x_wide": tf.saved_model.utils.build_tensor_info(x_wide),
       "x_deep": tf.saved_model.utils.build_tensor_info(x_deep)
   }
   output = {"output": tf.saved_model.utils.build_tensor_info(prediction)}
   prediction_signature = tf.saved_model.signature_def_utils.build_signature_def(
       inputs=inputs,
       outputs=output,
       method_name=tf.saved_model.signature_constants.PREDICT_METHOD_NAME
   )

   builder.add_meta_graph_and_variables(
       sess,
       [tf.saved_model.tag_constants.SERVING],
       {tf.saved_model.signature_constants.DEFAULT_SERVING_SIGNATURE_DEF_KEY: prediction_signature}
   )
   builder.save()

这里需要注意的是 MODEL_VERSION 必须为数字（代表着模型的版本），TF Serving 默认只会加载数字最大的那个模型，譬如说在这里我们执行完代码后，保存模型的 model_name 的文件夹的目录如下：

λ root [tf_demo/servering/model_name] → tree
.
└── 1
    ├── saved_model.pb
    └── variables
        ├── variables.data-00000-of-00001
        └── variables.index

2 directories, 3 files 

保存完模型后，在这里我们使用容器来部署模型，当然你也可以选择自己在机器上配置相关的环境，我们使用的镜像是由 Bitnami 提供的(Dockerhub 的地址请戳这里)，当你需要部署模型时，只需要将模型所在的路径映射到容器中的 /bitnami/model-data 路径下即可，也即是键入如下命令

λ edvard [tf_demo/servering/model_name] → docker run -it -p 5000:9000 --volume /root/tf_demo/servering/model_name:/bitnami/model-data bitnami/tensorflow-serving
 
Welcome to the Bitnami tensorflow-serving container
 
...
 
2017-11-01 03:43:55.983106: I tensorflow_serving/core/loader_harness.cc:86] Successfully loaded servable version {name: inception version: 1}
2017-11-01 03:43:55.986130: I tensorflow_serving/model_servers/main.cc:288] Running ModelServer at 0.0.0.0:9000 ...

这里可能需要一些 Docker 相关的知识，我在参考资料中提供了一份很不错的 Gitbook 入门书籍，感兴趣的可以看看。

我们将容器中的服务映射到了宿主机的 5000 端口，接下来我们来测试一下 API 接口。代码如下：

def test_servable_api():
    """
    测试 API
    :return: 
    """
    # 随机产生 10 条测试数据
    x_deep_data = np.random.rand(100).reshape(-1, 10)

    x_wide_data = np.random.rand(100).reshape(-1, 10)

    channel = implementations.insecure_channel('127.0.0.1', int(5000))
    stub = prediction_service_pb2.beta_create_PredictionService_stub(channel)

    # 发送请求
    request = predict_pb2.PredictRequest()
    request.model_spec.name = 'inception'
    request.model_spec.signature_name = tf.saved_model.signature_constants.DEFAULT_SERVING_SIGNATURE_DEF_KEY
    request.inputs[INPUT_WIDE_KEY].CopyFrom(
        tf.contrib.util.make_tensor_proto(x_wide_data, shape=[10, WIDE_DIM], dtype=tf.float32))
    request.inputs[INPUT_DEEP_KEY].CopyFrom(
        tf.contrib.util.make_tensor_proto(x_deep_data, shape=[10, DEEP_DIM], dtype=tf.float32))
    # 10 秒超时
    res = stub.Predict(request, 10.0)

    pprint(res.outputs[OUTPUT_KEY])

输出的预测结果的结构如下：

dtype: DT_FLOAT
tensor_shape {
  dim {
    size: 10
  }
  dim {
    size: 1
  }
}
float_val: 0.355874538422
float_val: 0.3225004673
float_val: 0.32104665041
float_val: 0.233089879155
float_val: 0.376621931791
float_val: 0.144557282329
float_val: 0.34686845541
float_val: 0.304817527533
float_val: 0.367866277695
float_val: 0.393035560846

参考资料

谷歌 Wide & Deep 论文
Youtube 深度推荐的论文
美团点评深度排序技术文章
Docker 从入门到实践（Gitbook）