谷歌机器学习白皮书全解析 43条黄金法则（一）

编者按：此白皮书为谷歌总结的机器学习（ML）最优实践方法，浓缩了其多年技术积累与经验，尤其是 Youtube、Google Play 和 Google+ 等平台背后的 ML 算法开发、维护经历。谷歌于白皮书中总结了四十三条 ML 黄金法则，旨在帮助已经掌握了基础知识的开发者少走弯路。鉴于其珍贵程度与技术性，雷锋网逐条做了严格尊重原文的翻译。若你已学习过机器学习课程，抑或有开发 ML 模型的经验，那么应当具备足够的背景知识理解这篇文章。

以下是对文中反复出现的术语的解释。

实例（ Instance）：做预测的对象。比如说，实例可以是一个网页，你想要把它分类为“关于猫”或者“与猫不相关”。

标记（Label）：预测任务的答案。它既可以是机器学习系统生成的答案，也可以是训练数据中提供的正确答案（雷锋网注：比如监督学习中的人工标记）。举例来说，一个网页的标记可以是“关于猫”。

特征（Feature）：预测任务中实例的属性。比如说，某网页可能有“包含关键词‘猫’”的特征

特征栏 （Feature Column）:这是谷歌自创的术语，意为关联特征的集合。比如说，用户的所有可能居住国家的集合。一个样例的特征栏可以有一个或多个特征。特征栏可被看作是 VW 系统（微软、雅虎所用）中的命名空间，或者场（ field）。

流水线（Pipeline）：机器学习算法的基础设施；包括从前端收集数据，把它放入训练数据文档，训练一个或多个模型，以及把模型输出、产品化。

为了开发出好产品：

做机器学习这一行首先要摆正心态，你是一名（优秀的）工程师，不要拿专家的标准来要求自己。

事实上，你将要面对的大多数难题是工程问题（engineering problems）。即便是一个杰出的ML 专家，坐拥该级别才有的资源，其大多数收获也来自于特征而不是 ML 算法。所以，ML 开发的基本路线是：

该方法能帮你赚钱养家，并且让很多人满意。只有当无路可走、简单的技巧无法再起作用时，你才需要偏离该路线。但注意，提高复杂度会拖慢将来的产品发布。另外，当你穷尽了简单技巧，或许就到了登堂入室、探索 ML 最前沿技术的时候了。具体请看本文机器学习第三阶。

本文分为四个部分：

第一部分“1.0 做机器学习之前”，会帮你搞清楚，你创建机器学习系统的时机是否已经成熟。

确保训练和服务一样好的最直接办法是：保存服务时使用的特征，然后将这些特征导入日志，以便在训练中使用。

在二进制分类过滤的应用场景中（例如垃圾邮件检测），不要为了纯净的数据做太大的性能牺牲

1. 对发布一个不含 ML 技术的产品，不要有顾虑

机器学习很酷，但要有数据。理论上，你可以把另一个相近课题的数据拿来用，调整下模型变成一个新产品。但这么做的实际效果，通常比简单的启发式算法（heuristics）还差。如果你认为机器学习能完成任务的 100%。那么启发式算法能帮你完成 50%。

比如说，若你为应用商店进行 app 排名，不妨直接利用下载率和装机量写个简单算法；若你在检测垃圾邮件，可以先把发送过垃圾邮件的地址过滤掉。也不要在人工编辑上有顾虑。如果机器学习对于你的产品不是必需的，那么在获得数据之前不要用它。

2. 首先要设计和贯彻指标

在定义你的 ML 系统要做什么之前，要尽可能多得追踪你当前的系统。这出于以下原因：

如果你设计系统时考虑了指标的工具化（ metric instrumentation），会省下将来的许多力气。你绝对不想为了指标而查找日志字符串。

有些东西会改变，有些不会。比如说，假设你想要直接优化每日活跃用户。但是，在你对系统的早期操作中，你也许会发现用户体验的大幅变化并不会显著改变这个指标。

Google+ 团队会衡量每次阅读的扩展数（expands per read）、分享、点赞、评论，以及每用户评论数、分享等等。然后他们利用这些数据计算发布消息的质量。另外要注意，能通过试验把用户分组并整合数据的试验框架非常重要，参考第 12 条。

通过更灵活地收集指标，你能用更大的视角观察系统。发现一个问题？添加一个指标来追踪它！对上一个发布版本的量化变动很兴奋？添加指标来追踪!

3. 在机器学习和复杂启发算法之间，选择前者

一个简单的启发算法能帮助产品走向市场，而复杂启发算法难以维护。一旦你有了数据以及需要实现的目标的蓝图，就可以转去开发 ML。在大多数软件工程任务中，开发者需要不停更新开发方式，不管是启发式算法还是 ML 模型。你会发现后者更加容易更新维护（参考第 16 条）。

2.0 机器学习第一阶 2.1 你的第一条流水线

对于第一条流水线，关注你的系统基础设施。虽然，设想你将要做的种种 ML 应用很有趣；但如果你无法信任自己的流水线，你会很难搞清楚状况。

4. 第一个模型要简单，把基础设施弄好

第一个模型为你的产品提供了最大的助力，所以它不需要花哨。而且你会遇到许多想象之外的基础设施问题。在你的新 ML 系统诞生之前，你需要决定：

如何把模型整合入应用。你可以实时应用模型，也可以在线下预计算模型，并把结果保存好。比如对网页预分类，然后在表格里保存结果。但有的任务可能需要对实时聊天信息进行分类。

当你有了能可靠做到上述三点的系统，大部分的工作就已完成。简单模型提供给你基础的指标和行为，然后你可以用它们来测试更复杂的模型。有些团队把目标定为“中性”的首发——故意在首次发布不那么重视机器学习成果，以避免分心。

5. 测试基础设施要与 ML 测试分开

要确保基础设施可测试，而且系统的学习部分都被包含在内，使得你能够测试所有相关物。特别是：

测试把数据导入算法。检查可填充的特征栏是不是空的。若条件允许，手工检查训练算法的输入。若可能，把流水线数据与其他地方作比较，比如 RASTA。

测试把数据导出训练算法。确保训练环境的模型与服务环境（serving environment）的模型产生同样的得分（详见第 37 条）。

ML 有不可预测的因素。所以一定要对生成训练、服务样例的代码进行测试；这样你可以在服务中载入、使用固定模型。另外，理解你的数据也十分重要。

6. 复制流水线时当心数据遗落

我们经常复制现成的流水线来创建新流水线（例如 cargo cult 编程），但有时旧流水线遗落了新流水线需要的数据。举个例子， Google Plus What’s Hot（雷锋网按：社交软件 Google+ 的热门新闻版块） 的流水线会遗落旧帖子（因为它试图为新帖子排名）。我们复制该流水线，用于 Google Plus Stream（Google+ 流）。对于后者，旧帖子仍然有意义，但新流水线仍然会丢掉数据。

另一个常见的模式是只记录用户看过的数据。因此，当你需要对为什么用户没有看到某个信息进行建模，该数据完全没用——因为所有反例已经被丢掉了。Google Play 发生过一个类似的问题：当我们开发 Google Play 应用商城主页时，创建出的新流水线包含另外两个登录页面（Play Games Home and Play Home Home，游戏主页和家庭主页）的样例。但是，并没有能够对“样例来自于哪个主页”加以区分的特征。

7. 把启发式（heuristics）变为特征，不然就对它们做外部处理

通常来讲，ML 试图解决的问题并不是什么新问题——一般有现成的排名、分类等各种系统。这意味着有一大堆规则和启发式算法可用。这些启发式能在你调整 ML 时起到帮助。你应该压榨出启发式算法的所有信息，这有两个原因：1. 到 ML 系统的过渡会更顺畅。2. 这些规则通常包含一大堆关于系统的直觉信息，你绝对不想把它们扔掉。有四种利用现成启发式算法的途径：

使用启发式算法预处理。如果该特征非常棒，那么这就是一个选择。举个垃圾邮件过滤器的例子，若发件人已经被加入黑名单，不要试图重新学习“加入黑名单”是啥意思。直接拦截该信息。该方法最适用于二分类任务。

创建特征。直接用启发式创建特征相当棒。比如说，如果你用启发式计算一个问题结果的相关度分值，你可以把该得分作为特征值。之后，你或许想用 ML 技术来操作数值（比如把数值转化为有限个独立值集合，或与其他特征合并），但却拿启发式生成的原始数值来开头。

挖掘启发式的原始输入。如果有面向 APP 的启发式把装机量、文字中字母数目和日期组合到一起，就得考虑把它们分开——把这些输入分开来学习。有些应用于整体的技巧可用在这里（详见第 40 条）。

修正标记。当你发现启发式抓取了标记中未包含的信息时，这是一个选择。举个例子，如果你试图最大化下载量，但却仍然想要高品质内容，那么或许最好的方案是把标记与 APP 的平均星星得分相乘。这里有很大的余地。请参考“2.3 你的第一个目标”部分。

请注意启发式为 ML 系统加入的复杂度。在新 ML 算法中加入旧启发式有助于平滑地过渡，但你需要考虑是否更简单的实现方式。

2.2 监测

总的来讲，养成处理警告（alerts）的好习惯，比如对每个提醒付诸行动，并且建立一个仪表页面（dashboard page）。

8. 了解系统的时效性

当你的模型已经开发出来一天、一周、一季度了，它的效果分别会降低多少？该信息能帮助你理解维护任务的优先级。假设模型一天没更新，你就要损失 10% 的收入。那么你或许要考虑雇佣专人每天维护。许多广告服务系统每天都有需要处理的新广告，因此必须每日更新。再举一个例子，如果 Google Play 的搜索 ML 模型停止更新，一个月内就会造成很大的损失。Google+ What’s Hot（雷锋网注：热门推荐）的一些模型，并没有针对发布信息的身份确认机制，所以不需要频繁导出这些模型。但有身份确认机制的模型就需要非常频繁地更新。另外需注意，时效性会随时间而变化，尤其是为模型添加或移除特征栏的时候。

9. 在输出模型之前发现问题

许多 ML 系统包含该步骤：输出模型到服务端。如果输出的模型有问题，会直接让用户们遇上。而这个环节之前的问题只是训练问题，不会影响用户体验。

在导出模型之前一定要检查，尤其要确保模型在给定数据上有合理的效果。另外，若你对数据有顾虑，不要输出该模型。许多开发团队会在模型输出前检查 ROC 曲线 (或 AUC) 下的区域。未输出的模型存在问题，可能只需要一封 email 提醒一下。但用户端模型出了问题，很可能需要你向上司、同事解释一整页。所以最好多花点时间，在影响到用户之前做到胸有成竹。

10. 于无声处听惊雷：注意没表现出来的故障

这是一个多见于机器学习、而少见于其他系统的问题。设想一个不再更新的特定表格：机器学习系统会调整，其行为仍会有合理表现，但逐渐退化。有时候开发者会发现过期几个月的表格——这时，一个简单的更新所提高的性能，比该季度的所有发布新版本都要高。举个例子，对一个特征的取舍会因为执行情况的变化而变化：覆盖 90% 样例的特征栏可能突然降低到只覆盖 60%。Google Play 曾经就有一个过期了六个月的表格，单单更新那个表格就带来了 2% 的安装率提升。如果你对统计数据进行跟踪，并偶尔人工检查，就能减少这类失误。

11. 注意特征栏的维护者和文件

如果系统很大、有许多特征栏，你需要知道谁创立、维护了每一个特征栏。如果你发现懂得特征栏的那个人要跳槽了，一定要确保团队里有还有人知道这些信息。虽然许多特征栏有描述名称，你仍然需要更详细的解释，知道它是什么、从哪里来、起什么作用。

2.3 你的第一个目标

你有许多关心的系统指标或度量，但 ML 算法通常只需要一个目标——算法试图优化的某个数字。这里，我要区别目标（objectives）和指标（metrics）：指标是系统报告的任何数字，或许重要，或许不重要。详见第二条。

12. 选择直接优化哪个目标时，不需要想太多

你想要赚钱，让用户满意，并且让地球更美好。有许多你关心的指标，你应该全部都去测量（见第二条）。但在 ML 初期，你会注意到它们全都有提升，即便是那些没有直接优化的也是如此。举个例子，假设你关注点击数、浏览时间和每日活跃用户。如果你优化点击数，你会看到浏览时间也在上升。

所以简简单单就好。当你能轻易地提高所有指标，不需要在不同指标之间的平衡上想太多。但也不要误解这条建议：别把目标与系统最终的健康混为一谈（详见第 39 条）。另外，如果你增加了直接优化的指标，但决定不予发布，或许有必要重新修订目标。

13. 选择一个简单、可观察并且可归属（attributable）的指标来作为第一个目标

很多情况下你不知道真正的目标是什么——你以为你知道。但当你仔细观察数据，以及对旧系统和新 ML 系统进行分析，你意识到自己其实想要对原定目标进行修改。团队不同成员也经常无法在真正的目标上取得一致意见。ML 目标应当易于测量，并可作为“真正”目标的代理。所以最好采用简单的 ML 目标训练，然后考虑在这之上设一个 policy layer （规则层），允许你加入额外的逻辑（但愿是简单的逻辑）来做最终排名。

最容易建模的是，能被直接观察到、并且可归属于系统中某个行动的用户行为：

其实，间接作用是非常不错的指标，并且可在 A/B 测试和发布决定中使用。

最后，不要试图让 ML 搞懂：

这些都很重要，但是极度困难。你应该用代理来替代：如果用户感到开心，他们会在页面停留更长时间。如果用户满意，他明天会再次访问。目前，当涉及到福祉和公司健康状态，把 ML 目标与产品本质和商业计划之间做关联需要人的判断。

14. 用可解释的模型开头，修补漏洞会更简单

线性回归、逻辑回归、泊松回归（Poisson regression）直接被概率模型驱动，每个预测都可作为概率或期望值解释。这使得相比使用了目标、直接优化分类精度或排序效果的模型（zero­one 损失、各种 hinge 损失等等），它们修补漏洞更加简单。如果通过对比或检查产品系统，发现训练里的概率偏离了预测概率，就可能存在问题。

比如说，在线性回归、逻辑回归、泊松回归之中，有的数据子集里平均预期和平均标签相等（1-­moment 校准，或者普通校准 ）。对于一个值要么是 0 要么是 1 的特征，三个特征值为 1 的样例集就会被校准。同样地，若某特征下所有样例的特征值都是 1，它们都会被校准。

对于简单的模型，处理反馈回路（ feedback loops ）更加容易。我们经常用这些概率预期来做决定：比如以期望值（点击概率/下载量等）为标准对发布消息进行降序排列。但要记住，当决定采用那个模型的时候，你的决定比给定模型数据的可能性（ the likelihood of the data given the model ）更加重要（参考第 21 条）。

15. 用 policy layer（规则层）把垃圾信息过滤和质量排序分来

质量排序是一门高雅的艺术，而垃圾信息过滤是一场战争。对于使用你系统的人，你用来判断高质量消息的信号十分显而易见。然后，他们会据此调整他们的发布信息来获得这些属性。因此，你的质量排序应当专注于有信誉的内容——不应该让质量排序学习器退化到给垃圾信息高排名。同样的，重口味内容应当与质量排序分开。而垃圾信息过滤是另一回事了。你需要创建的特征会不断变化，对此要有心理准备。通常，你加入系统里的规则有些很显而易见（比如，若一个发布信息得到超过三个“垃圾信息”票数，不要恢复它）。任何学习到的模型需要至少每天更新。内容生产者的名誉会起到相当大的作用。

在某个层级，这两个系统的输出需要整合在一起。需要注意的是，在搜索结果里过滤垃圾信息，比过滤垃圾邮件要更加强力。 为了高质量的分类器而去除训练数据中的垃圾，已是行业标准。

未完待续，请见雷锋网(公众号：雷锋网)“谷歌机器学习白皮书全解析 43 条黄金法则（二）”。谷歌白皮书原文地址：http://martin.zinkevich.org/rules_of_ml/rules_of_ml.pdf

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