事業会社における機械学習システム開発・運用　課題と展望

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1. 事業会社における 機械学習システム開発・運用の課題と展望 株式会社リブセンス 田中 祥太郎

2. • 事業会社において、Webサービスに組み込まれ実際に収益を挙げることを 目的とした機械学習 (ML) システムについて述べる • MLアルゴリズムそのものより、MLを利用するシステムの特徴や 開発・運用の体制、組織・プロジェクト管理に着目 • 実際の課題の列挙とそれに対する考察・展望の共有が目的であり、

   特定の課題に対する詳細な解決手法の提案は行わない ※実際の取組みは https://analytics.livesense.co.jp/ で紹介 内容について

3. 自己紹介 田中 祥太郎 / @yubessy • 株式会社リブセンス テクノロジカルマーケティング部 データプラットフォームグループ •

   データ分析基盤・機械学習基盤の開発・運用に従事 • 修士 (社会情報学) 経歴 2010 - 2014 京都大学工学部情報学科 2014 - 2016 京都大学大学院情報学研究科 2016 - 株式会社リブセンス

4. リブセンスのサービス 求人・不動産領域を中心に大小複数のサービスを運営

5. 成功報酬型ビジネスモデルが主流 リブセンスのビジネスモデル

6. 求人サービスの例 • 求人票の掲載：無料 • 応募者の採用：課金 掲載無料 = 営業努力だけでは収益を上げにくい データ活用によるマーケティング・UX向上施策に注力 →

   機械学習をはじめとする最適化手法の導入 • コンテンツと行動ログによる求人レコメンド • CVR予測に基づく検索ランキング最適化 成功報酬型ビジネスモデルとデータ活用

7. 例 コンテンツと行動ログによる求人レコメンド • 求人コンテンツの類似度に基づく Contents-Based Filtering • ユーザフィードバックに基づく Collaborative Filtering

8. 例 CVR予測に基づく検索ランキング最適化 • 求人のCVR (応募率・採用率) を予測し検索順位制御に利用

9. MLシステムの開発・運用課題 これらのシステムの開発・運用において多くの課題に直面 • システムの負荷が高い • 実環境での検証が困難 • … 以前は個別に対処してきたが、限界も見えてきた →

   これまで直面した課題を列挙し、今後の議論の一助としたい 今回は２つの観点から整理を試みる • システムの構造や計算の特性に関わる課題 • 開発・運用の工程や組織体制に関わる課題

10. システムの構造や計算の特性に関わる課題

11. MLシステムの一般的特徴 • 入出力を決定する関数 (=モデル) がデータに依存 • ロジックがコードではなく数理モデル → ブラックボックス化の懸念 •

    学習処理はスループット志向 ↔ 予測処理はレイテンシ志向

12. 課題 学習のリソース消費量が大きい • スループットを出すために大量の CPU, GPU, RAM が必要 • 学習は一時的・定期的に発生

    → リソースを常に確保するのは無駄 ◦ 事業会社ではハードウェア買い切りがコストに見合わないことも アイデアと展望 • コンテナ技術等によるインフラの共通化・再利用 • ジョブスケジューリングによるリソースシェアリング • 従量課金型の IaaS / PaaS の利用

13. 課題 予測のレイテンシを向上させにくい • Web利用に耐えうるオンライン予測の実現はハードルが高い ◦ 例 ユーザ特徴に基づいて動的に推薦アイテムを決定 • 処理のボトルネックが通常のシステムと異なる ◦

    通常：データベースI/O, ネットワーク ◦ ML：画像・テキストなどの前処理，モデル内部の数値計算 アイデアと展望 • 一部の処理を queue-worker などで非同期化 • 部分的な事前計算・インデックス技術の活用

14. 課題 処理の再現性が担保しづらい • データの時間・環境差異やノイズの混入により再現性が失われる ◦ 通常：開発環境と本番環境のDBは異なる ◦ ML：開発・検証時にも本番と同等のデータが必要 • 試験実行時のコンピューティング環境も同一が望ましい

    アイデアと展望 • データウェアハウスの整備とデータソースの一元化 • クラウドサービスのアイドリングリソース活用 ◦ GCP: Preemptible Instance / AWS: Spot Instance

15. 課題 コード実行を伴うテストや検証が大変 • 構造上、単体テストによる検証がしづらい ◦ Webサーバ：実行時間の短い関数を独立・並行実行 ◦ MLジョブ：実行時間の長い関数を依存・直列実行 • テストケースの整備にMLの専門知識が必要

    ◦ データのサイズや分布が異なると挙動が変わる ◦ アルゴリズムに対する数理的な理解が要求される • 一度のテスト実行に多大な時間とリソースが必要 アイデアと展望 • ソフトウェアの静的解析手法の応用 ◦ 出力の値域や計算量を実行前にある程度知りたい ◦ アルゴリズム実装の正しさの検証ができないか？ • 現状は動的型言語 (Python, R, ...) が主流なので難しさも

16. 開発・運用の工程や組織体制に関わる課題

17. Webサービス運営事業の一般的特徴 サービスのローンチ後に継続的なモニタリングと改善を行う • システムの運用と並行して開発とリリースが繰り返される • 拡張性・スケーラビリティを強く意識する必要がある ※ • ウォータフォールモデルよりアジャイル的手法が好まれやすい ※もちろん安定性・堅牢性を軽視してはならない

    業態 Webサービス運営 システムインテグレーション 提供するもの サービス ソリューション 売上の発生 利用 納品・保守 顧客単価 比較的小 比較的大 顧客数 比較的多 比較的少

18. 課題 実環境下でのオンライン評価が必要 • オフライン評価では精度指標は算出できてもビジネス効果は不明 • 実環境ではフィードバックループにより学習データ自体が変化 ◦ 例 レコメンドによる一部商品へのコンバージョンの偏り •

    → オフライン評価の結果が常に有用とは限らない アイデアと展望 • 実環境でのオンライン評価の仕組みの整備 ◦ スプリットテストによる統制実験 ◦ 段階的ロールアウトによる変化傾向の把握

19. 課題 ソフトウェア品質が低くなりやすい • PoCでも実環境検証が必要 ↔ PoCではコードや設計に気を使えない ◦ MLの専門性 ≠ ソフトウェアエンジニアリングの専門性

    • → 品質の低いソフトウェアの実環境投入による運用負荷 ◦ アプリケーション・インフラエンジニアが対応に追われる • → クリティカルな機能でのML利用が進みにくい ◦ 例 検索ランキングの動的制御, A/Bテストのパターン配信 アイデアと展望 • フェイルオーバーの仕組みの整備 ◦ MLが要求を満たせない → ヒューリスティクスでリカバリ • SLI / SLO / SLA の導入によるサービスレベルの明確化 ◦ 客観的指標があれば問題をトリアージしやすい

20. 課題 モデル精度とビジネス収益の関係が不透明 • 精度がX%向上するとどの程度のビジネス収益につながるか？ • みかけの精度向上の裏に重要な機会損失が潜むことも ◦ 例 検索の適合率が向上するも一部の高収益商品の順位が低下 アイデアと展望

    • 実際のユースケースに即した評価指標の選定 ◦ 適合率 vs 再現率 ◦ ペアワイズ評価 vs リストワイズ評価 • 精度指標とビジネス指標の統合的なモニタリング

21. 課題 プロジェクト・組織管理の方法論が未整備 • 異なるバックグラウンドのメンバーからなる混成チーム ◦ 高度な専門性が必要 ⇔ 属人化しやすい • 適当なプロジェクト管理の方法論が存在しない

    ◦ CRISP-DM※ はシステム開発・運用の観点が薄い アイデアと展望 • 組織・事業に応じた体制づくりはどこも模索中 • → まずは事例共有から ※https://en.wikipedia.org/wiki/Cross-industry_standard_process_for_data_mining

22. まとめ 事業会社でのMLシステムの開発・運用における課題を列挙・整理 • システムの構造や計算の特徴に関わる課題 ◦ 学習のリソース消費が大きい ◦ 予測のレイテンシを向上させにくい ◦ 処理の再現性が担保しづらい

    ◦ コード実行を伴うテストや検証が大変 • 開発・運用の工程や組織体制に関わる課題 ◦ 実環境下でのオンライン評価が必要 ◦ ソフトウェア品質が低くなりやすい ◦ モデル精度とビジネス収益の関係が不透明 ◦ プロジェクト・組織管理の方法論が未整備 今後の議論の一助になれば