DB4AI: 数据库驱动AI

MogDB当前版本支持了原生DB4AI能力，通过引入原生AI算子，简化操作流程，充分利用数据库优化器、执行器的优化与执行能力，获得高性能的数据库内模型训练能力。更简化的模型训练与预测流程、更高的性能表现，让开发者在更短时间内能更专注于模型的调优与数据分析上，而避免了碎片化的技术栈与冗余的代码实现。

关键字解析

表 1 DB4AI语法及关键字

名称		描述
语法	CREATE MODEL	创建模型并进行训练，同时保存模型。
	PREDICT BY	利用已有模型进行推断。
	DROP MODEL	删除模型。
关键字	TARGET	训练/推断任务的目标列名。
	FEATURES	训练/推断任务的数据特征列名。
	MODEL	训练任务的模型名称。

使用指导

1. 本版本支持的算法概述。

   当前版本的DB4AI新增支持算法如下：

   表 2 支持算法

   优化算法	算法
   GD	logistic_regression
   	linear_regression
   	svm_classification
   	PCA
   	multiclass
   Kmeans	kmeans
   xgboost	xgboost_regression_logistic
   	xgboost_binary_logistic
   	xgboost_regression_squarederror
   	xgboost_regression_gamma

2. 模型训练语法说明。

   • CREATE MODEL

     使用“CREATE MODEL”语句可以进行模型的创建和训练。模型训练SQL语句，选用公开数据集鸢尾花数据集iris。

   • 以multiclass为例，训练一个模型。从tb_iris训练集中指定sepal_length, sepal_width,petal_length,petal_widt为特征列，使用multiclass算法，创建并保存模型iris_classification_model。

     MogDB=# CREATE MODEL iris_classification_model USING xgboost_regression_logistic FEATURES sepal_length, sepal_width,petal_length,petal_width TARGET target_type < 2 FROM tb_iris_1 WITH nthread=4, max_depth=8;
     MODEL CREATED. PROCESSED 1

     上述命令中：

     • “CREATE MODEL”语句用于模型的训练和保存。

     • USING关键字指定算法名称。

     • FEATURES用于指定训练模模型的特征，需根据训练数据表的列名添加。

     • TARGET指定模型的训练目标，它可以是训练所需数据表的列名，也可以是一个表达式，例如: price > 10000。

     • WITH用于指定训练模型时的超参数。当超参未被用户进行设置的时候，框架会使用默认数值。

       针对不同的算子，框架支持不同的超参组合：

       表 3 算子支持的超参

       算子	超参
       GD (logistic_regression、linear_regression、svm_classification)	optimizer(char); verbose(bool); max_iterations(int); max_seconds(double); batch_size(int); learning_rate(double); decay(double); tolerance(double) 其中，SVM限定超参lambda(double)
       Kmeans	max_iterations(int); num_centroids(int); tolerance(double); batch_size(int); num_features(int); distance_function(char); seeding_function(char); verbose(int);seed(int)
       GD(pca)	batch_size(int);max_iterations(int);max_seconds(int);tolerance(float8);verbose(bool);number_components(int);seed(int)
       GD(multiclass)	classifier(char) 注意：multiclass的其他超参种类取决于选择的分类器中类
       xgboost_regression_logistic、xgboost_binary_logistic、xgboost_regression_squarederror、xgboost_regression_gamma	batch_size(int);booster(char);tree_method(char);eval_metric(char);seed(int);nthread(int);max_depth(int);gamma(float8);eta(float8);min_child_weight(int);verbosity(int)

       当前各个超参数设置的默认值和取值范围如下：

       表 4 超参的默认值以及取值范围

       算子	超参(默认值)	取值范围	超参描述
       GD:logistic_regression、linear_regression、svm_classification、pca	optimizer = gd（梯度下降法）	gd/ngd（自然梯度下降）	优化器
       	verbose = false	T/F	日志显示
       	max_iterations = 100	(0, 10000]	最大迭代次数
       	max_seconds = 0 (不对运行时长设限制)	[0,INT_MAX_VALUE]	运行时长
       	batch_size = 1000	(0, 1048575]	一次训练所选取的样本数
       	learning_rate = 0.8	(0, DOUBLE_MAX_VALUE]	学习率
       	decay = 0.95	(0, DOUBLE_MAX_VALUE]	权值衰减率
       	tolerance = 0.0005	(0, DOUBLE_MAX_VALUE]	公差
       	seed = 0（对seed取随机值）	[0, INT_MAX_VALUE]	种子
       	just for linear、SVM：kernel = “linear”	linear/gaussian/polynomial	核函数
       	just for linear、SVM：components = MAX(2*features, 128)	[0, INT_MAX_VALUE]	高维空间维数
       	just for linear、SVM：gamma = 0.5	(0, DOUBLE_MAX_VALUE]	gaussian核函数参数
       	just for linear、SVM：degree = 2	[2, 9]	polynomial核函数参数
       	just for linear、SVM：coef0 = 1.0	[0, DOUBLE_MAX_VALUE]	polynomial核函数的参数
       	just for SVM：lambda = 0.01	(0, DOUBLE_MAX_VALUE)	正则化参数
       	just for pca： number_components	（0，INT_MAX_VALUE]	降维的目标维度
       GD:multiclass	classifier=“svm_classification”	svm_classification\logistic_regression	多分类任务的分类器
       Kmeans	max_iterations = 10	[1, 10000]	最大迭代次数
       	num_centroids = 10	[1, 1000000]	簇的数目
       	tolerance = 0.00001	(0,1]	中心点误差
       	batch_size = 10	[1,1048575]	一次训练所选取的样本数
       	num_features = 2	[1, INT_MAX_VALUE]	输入样本特征数
       	distance_function = “L2_Squared”	L1\L2\L2_Squared\Linf	正则化方法
       	seeding_function = “Random++”	“Random++”\“KMeans
       	verbose = 0U	{ 0, 1, 2 }	冗长模式
       	seed = 0U	[0, INT_MAX_VALUE]	种子
       xgboost: xgboost_regression_logistic、xgboost_binary_logistic、xgboost_regression_gamma、xgboost_regression_squarederror	n_iter=10	(0, 10000]	迭代次数
       	batch_size=10000	(0, 1048575]	一次训练所选取的样本数
       	booster=“gbtree”	gbtree\gblinear\dart	booster种类
       	tree_method=“auto”	auto\exact\approx\hist\gpu_hist 注意：gpu_hist参数需要相应的库GPU版本，否则DB4AI平台不支持该值。	树构建算法
       	eval_metric=“rmse”	rmse\rmsle\map\mae\auc\aucpr	验证数据的评估指标
       	seed=0	[0, 100]	种子
       	nthread=1	(0, MAX_MEMORY_LIMIT]	并发量
       	max_depth=5	(0, MAX_MEMORY_LIMIT]	树的最大深度，该超参仅对树型booster生效。
       	gamma=0.0	[0, 1]	叶节点上进行进一步分区所需的最小损失减少
       	eta=0.3	[0, 1]	更新中使用的步长收缩，以防止过拟合
       	min_child_weight=1	[0, INT_MAX_VALUE]	孩子节点中所需的实例权重的最小总和
       	verbosity=1	0 (silent)\1 (warning)\2 (info)\3 (debug)	打印信息的详细程度
       MAX_MEMORY_LIMIT = 最大内存加载的元组数量
       GS_MAX_COLS = 数据库单表最大属性数量

   • 模型保存成功，则返回创建成功信息：

     MODEL CREATED. PROCESSED x

3. 查看模型信息。

   当训练完成后模型会被存储到系统表gs_model_warehouse中。系统表gs_model_warehouse可以查看到关于模型本身和训练过程的相关信息。

   关于模型的详细描述信息以二进制的形式存储在系统表中，用户可用过使用函数gs_explain_model完成对模型的查看，语句如下：

   MogDB=# select * from gs_explain_model("iris_classification_model");
    DB4AI MODEL
   -------------------------------------------------------------
    Name: iris_classification_model
    Algorithm: xgboost_regression_logistic
    Query: CREATE MODEL iris_classification_model
    USING xgboost_regression_logistic
    FEATURES sepal_length, sepal_width,petal_length,petal_width
    TARGET target_type < 2
    FROM tb_iris_1
    WITH nthread=4, max_depth=8;
    Return type: Float64
    Pre-processing time: 0.000000
    Execution time: 0.001443
    Processed tuples: 78
    Discarded tuples: 0
    n_iter: 10
    batch_size: 10000
    max_depth: 8
    min_child_weight: 1
    gamma: 0.0000000000
    eta: 0.3000000000
    nthread: 4
    verbosity: 1
    seed: 0
    booster: gbtree
    tree_method: auto
    eval_metric: rmse
    rmse: 0.2648450136
    model size: 4613

4. 利用已存在的模型做推断任务。

   使用“SELECT”和“PREDICT BY”关键字利用已有模型完成推断任务。

   查询语法：SELECT…PREDICT BY…(FEATURES…)…FROM…;

   MogDB=# SELECT id, PREDICT BY iris_classification (FEATURES sepal_length,sepal_width,petal_length,petal_width) as "PREDICT" FROM tb_iris limit 3;
   
   id  | PREDICT
   -----+---------
     84 |       2
     85 |       0
     86 |       0
   (3 rows)

   针对相同的推断任务，同一个模型的结果是大致稳定的。且基于相同的超参数和训练集训练的模型也具有稳定性，同时AI模型训练存在随机成分（每个batch的数据分布、随机梯度下降），所以不同的模型间的计算表现、结果允许存在小的差别。

5. 查看执行计划。

   使用explain语句可对“CREATE MODEL”和“PREDICT BY”的模型训练或预测过程中的执行计划进行分析。Explain关键字后可直接拼接CREATE MODEL/ PREDICT BY语句（子句），也可接可选的参数，支持的参数如下：

   表 5 EXPLAIN支持的参数

   参数名	描述
   ANALYZE	布尔型变量，追加运行时间、循环次数等描述信息
   VERBOSE	布尔型变量，控制训练的运行信息是否输出到客户端
   COSTS	布尔型变量
   CPU	布尔型变量
   DETAIL	布尔型变量，不可用。
   NODES	布尔型变量，不可用
   NUM_NODES	布尔型变量，不可用
   BUFFERS	布尔型变量
   TIMING	布尔型变量
   PLAN	布尔型变量
   FORMAT	可选格式类型：TEXT / XML / JSON / YAML

   示例：

   MogDB=# Explain CREATE MODEL patient_logisitic_regression USING logistic_regression FEATURES second_attack, treatment TARGET trait_anxiety > 50 FROM patients WITH batch_size=10, learning_rate = 0.05;
                                  QUERY PLAN
   -------------------------------------------------------------------------
    Train Model - logistic_regression  (cost=0.00..0.00 rows=0 width=0)
      ->  Materialize  (cost=0.00..41.08 rows=1776 width=12)
            ->  Seq Scan on patients  (cost=0.00..32.20 rows=1776 width=12)
   (3 rows)

6. 异常场景。

   • 训练阶段。

     • 场景一：当超参数的设置超出取值范围，模型训练失败，返回ERROR，并提示错误，例如：

       MogDB=# CREATE MODEL patient_linear_regression USING linear_regression FEATURES second_attack,treatment TARGET trait_anxiety  FROM patients WITH optimizer='aa';
       ERROR:  Invalid hyperparameter value for optimizer. Valid values are: gd, ngd.

     • 场景二：当模型名称已存在，模型保存失败，返回ERROR，并提示错误原因，例如：

       MogDB=# CREATE MODEL patient_linear_regression USING linear_regression FEATURES second_attack,treatment TARGET trait_anxiety  FROM patients;
       ERROR:  The model name "patient_linear_regression" already exists in gs_model_warehouse.

     • 场景三：FEATURE或者TARGETS列是*，返回ERROR，并提示错误原因，例如：

       MogDB=# CREATE MODEL patient_linear_regression USING linear_regression FEATURES *  TARGET trait_anxiety  FROM patients;
       ERROR:  FEATURES clause cannot be *
       -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
       MogDB=# CREATE MODEL patient_linear_regression USING linear_regression FEATURES second_attack,treatment TARGET *  FROM patients;
       ERROR:  TARGET clause cannot be *

     • 场景四：对于无监督学习方法使用TARGET关键字，或者在监督学习方法中不适用TARGET关键字，均会返回ERROR，并提示错误原因，例如：

       MogDB=# CREATE MODEL patient_linear_regression USING linear_regression FEATURES second_attack,treatment FROM patients;
       ERROR:  Supervised ML algorithms require TARGET clause
       -----------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
       CREATE MODEL patient_linear_regression USING linear_regression TARGET trait_anxiety  FROM patients;
       ERROR:  Supervised ML algorithms require FEATURES clause

     • 场景五：当进行分类任务时TARGET列的分类只有1种情况，会返回ERROR，并提示错误原因，例如：

       MogDB=# CREATE MODEL ecoli_svmc USING multiclass FEATURES f1, f2, f3, f4, f5, f6, f7 TARGET cat FROM (SELECT * FROM db4ai_ecoli WHERE cat='cp');
       ERROR:  At least two categories are needed

     • 场景六：DB4AI在训练过程中会过滤掉含有空值的数据，当参与训练的模型数据为空的时候，会返回ERROR，并提示错误原因，例如：

       MogDB=# create model iris_classification_model using xgboost_regression_logistic features message_regular target error_level from error_code;
       ERROR:  Training data is empty, please check the input data.

     • 场景七：DB4AI的算法对于支持的数据类型是有限制的。当数据类型不在支持白名单中，会返回ERROR，并提示非法的oid，可通过pg_type查看OID确定非法的数据类型，例如：

       MogDB=# CREATE MODEL ecoli_svmc USING multiclass FEATURES f1, f2, f3, f4, f5, f6, f7, cat TARGET cat FROM db4ai_ecoli ;
       ERROR:  Oid type 1043 not yet supported

     • 场景八：当GUC参数statement_timeout设置了时长，训练超时执行的语句将被终止：执行CREATE MODEL语句。训练集的大小、训练轮数(iteration)、提前终止条件(tolerance、max_seconds)、并行线程数(nthread)等参数都会影响训练时长。当时长超过数据库限制，语句被终止模型训练失败。

   • 模型解析。

     • 场景九：当模型名在系统表中查找不到，数据库会报ERROR，例如：

       MogDB=# select gs_explain_model("ecoli_svmc");
       ERROR:  column "ecoli_svmc" does not exist

   • 推断阶段。

     • 场景十：当模型名在系统表中查找不到，数据库会报ERROR，例如：

       MogDB=# select id, PREDICT BY patient_logistic_regression (FEATURES second_attack,treatment) FROM patients;
       ERROR:  There is no model called "patient_logistic_regression".

     • 场景十一：当做推断任务FEATURES的数据维度和数据类型与训练集存在不一致，将报ERROR，并提示错误原因，例如：

       MogDB=# select id, PREDICT BY patient_linear_regression (FEATURES second_attack) FROM patients;
       ERROR:  Invalid number of features for prediction, provided 1, expected 2
       CONTEXT:  referenced column: patient_linear_regression_pred
       -------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
       MogDB=# select id, PREDICT BY patient_linear_regression (FEATURES 1,second_attack,treatment) FROM patients;
       ERROR:  Invalid number of features for prediction, provided 3, expected 2
       CONTEXT:  referenced column: patient_linear_regression_pre

说明: DB4AI特性需要读取数据参与计算，不适用于密态数据库等情况。