Data Science & Big Data

Buzzword Bingo: Data Science – Teil II

Im ersten Teil unserer Serie „Buzzword Bingo: Data Science“ widmeten wir uns den Begriffen Künstliche Intelligenz, Algorithmen und Maschinelles Lernen. Nun geht es hier im zweiten Teil weiter mit der Begriffsklärung dreier weiterer Begriffe aus dem Data Science-Umfeld.

Buzzword Bingo: Data Science – Teil II: Big Data, Predictive Analytics & Internet of Things

Im zweiten Teil unserer dreiteiligen Reihe „Buzzword Bingo Data Science“ beschäftigen wir uns mit den Begriffen „Big Data“, „Predictive Analytics“ und „Internet of Things“.

Big Data

Interaktionen auf Internetseiten und in Webshops, Likes, Shares und Kommentare in Social Media, Nutzungsdaten aus Streamingdiensten wie Netflix und Spotify, von mobilen Endgeräten wie Smartphones oder Fitnesstrackern aufgezeichnete Bewegungsdate oder Zahlungsaktivitäten mit der Kreditkarte: Wir alle produzieren in unserem Leben alltäglich immense Datenmengen.

Im Zusammenhang mit künstlicher Intelligenz wird dabei häufig von „Big Data“ gesprochen. Und weil es in der öffentlichen Diskussion um Daten häufig um personenbezogene Daten geht, ist der Begriff Big Data oft eher negativ konnotiert. Dabei ist Big Data eigentlich ein völlig wertfreier Begriff. Im Wesentlichen müssen drei Faktoren erfüllt werden, damit Daten als „big“ gelten. Da die drei Fachbegriffe im Englischen alle mit einem „V“ beginnen, wird häufig auch von den drei V der Big Data gesprochen.

Doch welche Eigenschaften sind dies?

  • Volume (Datenmenge): Unter Big Data werden Daten(-mengen) verstanden, die zu groß sind, um sie mit klassischen Methoden zu bearbeiten, weil beispielsweise ein einzelner Computer nicht in der Läge wäre, diese Datenmenge zu verarbeiten.
  • Velocity (Geschwindigkeit der Datenerfassung und -verarbeitung): Unter Big Data werden Daten(-mengen) verstanden, die in einer sehr hohen Geschwindigkeit generiert werden und dementsprechend auch in einer hohen Geschwindigkeit ausgewertet und weiterverarbeitet werden müssen, um Aktualität zu gewährleisten.
  • Variety (Datenkomplexität oder Datenvielfalt): Unter Big Data werden Daten(-mengen) verstanden, die so komplex sind, dass auf den ersten Blick keine Zusammenhänge erkennbar sind. Diese Zusammenhänge können erst mit speziellen maschinellen Lernverfahren aufgedeckt werden. Dazu gehört auch, dass ein Großteil aller Daten in unstrukturierten Formaten wie Texten, Bildern oder Videos abgespeichert ist.

Häufig werden neben diesen drei V auch weitere Faktoren aufgezählt, welche Big Data definieren. Dazu gehören Variability (Schwankungen, d.h. die Bedeutung von Daten kann sich verändern), Veracity (Wahrhaftigkeit, d.h. Big Data muss gründlich auf die Korrektheit der Daten geprüft werden), Visualization (Visualisierungen helfen, um komplexe Zusammenhänge in großen Datensets aufzudecken) und Value (Wert, d.h. die Auswertung von Big Data sollte immer mit einem unternehmerischen Vorteil einhergehen).

Predictive Analytics

  • Heute schon die Verkaufszahlen von morgen kennen, sodass eine rechtzeitige Nachbestellung knapper Produkte möglich ist?
  • Bereits am Donnerstagabend die Regenwahrscheinlichkeit für das kommende Wochenende kennen, sodass passende Kleidung für den Kurztrip gepackt werden kann?
  • Frühzeitig vor bevorstehenden Maschinenausfällen gewarnt werden, sodass die passenden Ersatzteile bestellt und das benötigte technische Personal angefragt werden kann?

Als Königsdisziplin der Data Science gilt für viele die genaue Vorhersage zukünftiger Zustände oder Ereignisse. Im Englischen wird dann von „Predictive Analytics“ gesprochen. Diese Methoden werden in vielen verschiedenen Branchen und Anwendungsfeldern genutzt. Die Prognose von Absatzzahlen, die Wettervorhersage oder Predictive Maintenance (engl. für vorausschauende Wartung) von Maschinen und Anlagen sind nur drei mögliche Beispiele.

Zu beachten ist allerdings, dass Predictive-Analytics-Modelle keine Wahrsagerei sind. Die Vorhersage zukünftiger Ereignisse beruht immer auf historischen Daten. Das bedeutet, dass maschinelle Modelle mit Methoden des überwachten maschinellen Lernens darauf trainiert werden, Zusammenhänge zwischen vielen verschiedenen Eingangseigenschaften und einer vorherzusagenden Ausgangseigenschaft zu erkennen. Im Falle der Predicitve Maintenance könnten solche Eingangseigenschaften beispielsweise das Alter einer Produktionsmaschine, der Zeitraum seit der letzten Wartung, die Umgebungstemperatur, die Produktionsgeschwindigkeit und viele weitere sein. In den historischen Daten könnte ein Algorithmus nun untersuchen, ob diese Eingangseigenschaften einen Zusammenhang damit aufweisen, ob die Maschine innerhalb der kommenden 7 Tage ausfallen wird. Hierfür muss zunächst eine ausreichend große Menge an Daten zur Verfügung stehen. Wenn ein vorherzusagendes Ereignis in der Vergangenheit nur sehr selten aufgetreten ist, dann stehen auch nur wenige Daten zur Verfügung, um dasselbe Ereignis für die Zukunft vorherzusagen. Sobald der Algorithmus einen entsprechenden Zusammenhang identifiziert hat, kann dieses trainierte maschinelle Modell nun verwendet werden, um zukünftige Maschinenausfälle rechtzeitig vorherzusagen.

Natürlich müssen solche Modelle dauerhaft darauf geprüft werden, ob sie die Realität immer noch so gut abbilden, wie zu dem Zeitpunkt, zu dem sie trainiert worden sind. Wenn sich nämlich die Umweltparameter ändern, das heißt, wenn Faktoren auftreten, die zum Trainingszeitpunkt noch nicht bekannt waren, dann muss auch das maschinelle Modell neu trainiert werden. Für unser Beispiel könnte dies bedeuten, dass wenn die Maschine für die Produktion eines neuen Produktes eingesetzt wird, auch für dieses neue Produkt zunächst geprüft werden müsste, ob die in der Vergangenheit gefundenen Zusammenhänge immer noch Bestand haben.

Internet of Things

Selbstfahrende Autos, smarte Kühlschränke, Heizungssysteme und Glühbirnen, Fitnesstracker und vieles mehr: das Buzzword „Internet of Things“ (häufig als IoT abgekürzt) beschreibt den Trend, nicht nur Computer über Netzwerke miteinander zu verbinden, sondern auch verschiedene alltägliche Objekte mit in diese Netzwerke aufzunehmen. Seinen Anfang genommen hat dieser Trend in erster Linie im Bereich der Unterhaltungselektronik. In vielen Haushalten sind schon seit Jahren Fernseher, Computer, Spielekonsole und Drucker über das Heimnetzwerk miteinander verbunden und lassen sich per Smartphone bedienen.

Damit ist das IoT natürlich eng verbunden mit Big Data, denn all diese Geräte produzieren nicht nur ständig Daten, sondern sie sind auch auf Informationen sowie auf Daten von anderen Geräten angewiesen, um zu funktionieren.

Data Vault 2.0 – Flexible Datenmodellierung

Was ist Data Vault 2.0?

Data Vault 2.0 ist ein im Jahr 2000 von Dan Linstedt veröffentlichtes und seitdem immer weiter entwickeltes Modellierungssystem für Enterprise Data Warehouses.

Im Unterschied zum normalisierten Data Warehouse – Definition von Inmon [1] ist ein Data Vault Modell funktionsorientiert über alle Geschäftsbereiche hinweg und nicht themenorientiert (subject-oriented)[2]. Ein und dasselbe Produkt beispielsweise ist mit demselben Business Key sichtbar für Vertrieb, Marketing, Buchhaltung und Produktion.

Data Vault ist eine Kombination aus Sternschema und dritter Normalform[3] mit dem Ziel, Geschäftsprozesse als Datenmodell abzubilden. Dies erfordert eine enge Zusammenarbeit mit den jeweiligen Fachbereichen und ein gutes Verständnis für die Geschäftsvorgänge.

Die Schichten des Data Warehouses:

Data Warehouse mit Data Vault und Data Marts

Data Warehouse mit Data Vault und Data Marts

Die Daten werden zunächst über eine Staging – Area in den Raw Vault geladen.

Bis hierher werden sie nur strukturell verändert, das heißt, von ihrer ursprünglichen Form in die Data Vault Struktur gebracht. Inhaltliche Veränderungen finden erst im Business Vault statt; wo die Geschäftslogiken auf den Daten angewandt werden.

Die Information Marts bilden die Basis für die Reporting-Schicht. Hier müssen nicht unbedingt Tabellen erstellt werden, Views können hier auch ausreichend sein. Hier werden Hubs zu Dimensionen und Links zu Faktentabellen, jeweils angereichert mit Informationen aus den zugehörigen Satelliten.

Die Grundelemente des Data Vault Modells:

Daten werden aus den Quellsystemen in sogenannte Hubs, Links und Satelliten im Raw Vault geladen:

Data Vault 2.0 Schema

Data Vault 2.0 Schema

Hub:

Hub-Tabellen beschreiben ein Geschäftsobjekt, beispielsweise einen Kunden, ein Produkt oder eine Rechnung. Sie enthalten einen Business Key (eine oder mehrere Spalten, die einen Eintrag eindeutig identifizieren), einen Hashkey – eine Verschlüsselung der Business Keys – sowie Datenquelle und Ladezeitstempel.

Link:

Ein Link beschreibt eine Interaktion oder Transaktion zwischen zwei Hubs. Beispielsweise eine Rechnungszeile als Kombination aus Rechnung, Kunde und Produkt. Auch ein Eintrag einer Linktabelle ist über einen Hashkey eindeutig identifizierbar.

Satellit:

Ein Satellit enthält zusätzliche Informationen über einen Hub oder einen Link. Ein Kundensatellit enthält beispielsweise Name und Anschrift des Kunden sowie Hashdiff (Verschlüsselung der Attribute zur eindeutigen Identifikation eines Eintrags) und Ladezeitstempel.

Herausforderungen bei der Modellierung

Die Erstellung des vollständigen Data Vault Modells erfordert nicht nur eine enge Zusammenarbeit mit den Fachbereichen, sondern auch eine gute Planung im Vorfeld. Es stehen oftmals mehrere zulässige Modellierungsoptionen zur Auswahl, aus denen die für das jeweilige Unternehmen am besten passende Option gewählt werden muss.

Es ist zudem wichtig, sich im Vorfeld Gedanken um die Handhabbarkeit des Modells zu machen, da die Zahl der Tabellen leicht explodieren kann und viele eventuell vermeidbare Joins notwendig werden.

Obwohl Data Vault als Konzept schon viele Jahre besteht, sind online nicht viele Informationen frei verfügbar – gerade für komplexere Modellierungs- und Performanceprobleme.

Zusätzliche Elemente:

Über die Kernelemente hinaus sind weitere Tabellen notwendig, um die volle Funktionalität des Data Vault Konzeptes auszuschöpfen:

PIT Tabelle

Point-in-Time Tabellen zeigen einen Snapshot der Daten zu einem bestimmten Zeitpunkt. Sie enthalten die Hashkeys und Hashdiffs der Hubs bzw. Links und deren zugehörigen Satelliten. So kann man schnell den jeweils aktuellsten Satelliteneintrag zu einem Hashkey herausfinden.

Referenztabellen

Zusätzliche, weitgehend feststehende Tabellen, beispielsweise Kalendertabellen.

Effektivitätssatellit

Diese Satelliten verfolgen die Gültigkeit von Satelliteneinträgen und markieren gelöschte Datensätze mit einem Zeitstempel. Sie können in den PIT Tabellen verarbeitet werden, um ungültige Datensätze herauszufiltern.

Bridge Tabelle

Bridge Tabellen sind Teil des Business Vaults und enthalten nur Hub- und Linkhashkeys. Sie ähneln Faktentabellen und dienen dazu, von Endanwender*innen benötigte Schlüsselkombinationen vorzubereiten.

Vorteile und Nachteile von Data Vault 2.0

Vorteile:

  • Da Hubs, Links und Satelliten jeweils unabhängig voneinander sind, können sie schnell parallel geladen werden.
  • Durch die Modularität des Systems können erste Projekte schnell umgesetzt werden.
  • Vollständige Historisierung aller Daten, denn es werden niemals Daten gelöscht.
  • Nachverfolgbarkeit der Daten
  • Handling personenbezogener Daten in speziellen Satelliten
  • Einfache Erweiterung des Datenmodells möglich
  • Zusammenführung von Daten aus unterschiedlichen Quellen grundsätzlich möglich
  • Eine fast vollständige Automatisierung der Raw Vault Ladeprozesse ist möglich, da das Grundkonzept immer gleich ist.

Nachteile:

  • Es sind verhältnismäßig wenige Informationen, Hilfestellungen und Praxisbeispiele online zu finden und das Handbuch von Dan Linstedt ist unübersichtlich gestaltet.
    • Zusammenführung unterschiedlicher Quellsysteme kaum in der verfügbaren Literatur dokumentiert und in der Praxis aufwendig.
  • Hoher Rechercheaufwand im Vorfeld und eine gewisse Anlauf- und Experimentierphase auch was die Toolauswahl angeht sind empfehlenswert.
  • Es wird mit PIT- und Bridge Tabellen und Effektivitätssatelliten noch viel zusätzlicher Overhead geschaffen, der verwaltet werden muss.
  • Business Logiken können die Komplexität des Datemodells stark erhöhen.
  • Eine Automatisierung des Business Vaults ist nur begrenzt möglich.

Praxisbeispiel Raw Vault Bestellung:

Das Design eines Raw Vault Modells funktioniert in mehreren Schritten:

  1. Business Keys identifizieren und Hubs definieren
  2. Verbindungen (Links) zwischen den Hubs identifizieren
  3. Zusätzliche Informationen zu den Hubs in Satelliten hinzufügen

Angenommen, man möchte eine Bestellung inklusive Rechnung und Versand als Data Vault modellieren.

Hubs sind alle Entitäten, die sich mit einer eindeutigen ID – einem Business Key – identifizieren lassen. So erstellt man beispielsweise einen Hub für den Kunden, das Produkt, den Kanal, über den die Bestellung hereinkommt (online / telefonisch), die Bestellung an sich, die dazugehörige Rechnung, eine zu bebuchende Kostenstelle, Zahlungen und Lieferung. Diese Liste ließe sich beliebig ergänzen.

Jeder Eintrag in einem dieser Hubs ist durch einen Schlüssel eindeutig identifizierbar. Die Rechnung durch die Rechnungsnummer, das Produkt durch eine SKU, der Kunde durch die Kundennummer etc.

Eine Zeile einer Bestellung kann nun modelliert werden als ein Link aus Bestellung (im Sinne von Bestellkopf), Kunde, Rechnung, Kanal, Produkt, Lieferung, Kostenstelle und Bestellzeilennummer.

Analog dazu können Rechnung und Lieferung ebenso als Kombination aus mehreren Hubs modelliert werden.

Allen Hubs werden anschließend ein oder mehrere Satelliten zugeordnet, die zusätzliche Informationen zu ihrem jeweiligen Hub enthalten.

Personenbezogene Daten, beispielsweise Namen und Adressen von Kunden, werden in separaten Satelliten gespeichert. Dies ermöglicht einen einfachen Umgang mit der DSGVO.

Data Vault 2.0 Beispiel Bestelldatenmodell

Data Vault 2.0 Beispiel Bestelldatenmodell

Fazit

Data Vault ist ein Modellierungsansatz, der vor allem für Organisationen mit vielen Quellsystemen und sich häufig ändernden Daten sinnvoll ist. Hier lohnt sich der nötige Aufwand für Design und Einrichtung eines Data Vaults und die Benefits in Form von Flexibilität, Historisierung und Nachverfolgbarkeit der Daten kommen wirklich zum Tragen.

Quellen

[1] W. H. Inmon, What is a Data Warehouse?. Volume 1, Number 1, 1995

[2] Dan Linstedt, Super Charge Your Data Warehouse: Invaluable Data Modeling Rules to Implement Your Data Vault. CreateSpace Independent Publishing Platform 2011

[3] Vgl. Linstedt 2011

Weiterführende Links und

Blogartikel von Analytics Today

Häufig gestellte Fragen

Einführung in Data Vault von Kent Graziano: pdf

Website von Dan Linstedt mit vielen Informationen und Artikeln

„Building a Scalable Data Warehouse with Data Vault 2.0“ von Dan Linstedt (Amazon Link)

Big Data mit Hadoop und Map Reduce!

Foto von delfi de la Rua auf Unsplash.

Hadoop ist ein Softwareframework, mit dem sich große Datenmengen auf verteilten Systemen schnell verarbeiten lassen. Es verfügt über Mechanismen, welche eine stabile und fehlertolerante Funktionalität sicherstellen, sodass das Tool für die Datenverarbeitung im Big Data Umfeld bestens geeignet ist. In diesen Fällen ist eine normale relationale Datenbank oft nicht ausreichend, um die unstrukturierten Datenmengen kostengünstig und effizient abzuspeichern.

Unterschiede zwischen Hadoop und einer relationalen Datenbank

Hadoop unterscheidet sich in einigen grundlegenden Eigenschaften von einer vergleichbaren relationalen Datenbank.

Eigenschaft Relationale Datenbank Hadoop
Datentypen ausschließlich strukturierte Daten alle Datentypen (strukturiert, semi-strukturiert und unstrukturiert)
Datenmenge wenig bis mittel (im Bereich von einigen GB) große Datenmengen (im Bereich von Terrabyte oder Petabyte)
Abfragesprache SQL HQL (Hive Query Language)
Schema Statisches Schema (Schema on Write) Dynamisches Schema (Schema on Read)
Kosten Lizenzkosten je nach Datenbank Kostenlos
Datenobjekte Relationale Tabellen Key-Value Pair
Skalierungstyp Vertikale Skalierung (Computer muss hardwaretechnisch besser werden) Horizontale Skalierung (mehr Computer können dazugeschaltet werden, um Last abzufangen)

Vergleich Hadoop und Relationale Datenbank

Bestandteile von Hadoop

Das Softwareframework selbst ist eine Zusammenstellung aus insgesamt vier Komponenten.

Hadoop Common ist eine Sammlung aus verschiedenen Modulen und Bibliotheken, welche die anderen Bestandteile unterstützt und deren Zusammenarbeit ermöglicht. Unter anderem sind hier die Java Archive Dateien (JAR Files) abgelegt, die zum Starten von Hadoop benötigt werden. Darüber hinaus ermöglicht die Sammlung die Bereitstellung von grundlegenden Services, wie beispielsweise das File System.

Der Map-Reduce Algorithmus geht in seinen Ursprüngen auf Google zurück und hilft komplexe Rechenaufgaben in überschaubarere Teilprozesse aufzuteilen und diese dann über mehrere Systeme zu verteilen, also horizontal zu skalieren. Dadurch verringert sich die Rechenzeit deutlich. Am Ende müssen die Ergebnisse der Teilaufgaben wieder zu seinem Gesamtresultat zusammengefügt werden.

Der Yet Another Resource Negotiator (YARN) unterstützt den Map-Reduce Algorithmus, indem er die Ressourcen innerhalb eines Computer Clusters im Auge behält und die Teilaufgaben auf die einzelnen Rechner verteilt. Darüber hinaus ordnet er den einzelnen Prozessen die Kapazitäten dafür zu.

Das Hadoop Distributed File System (HDFS) ist ein skalierbares Dateisystem zur Speicherung von Zwischen- oder Endergebnissen. Innerhalb des Clusters ist es über mehrere Rechner verteilt, um große Datenmengen schnell und effizient verarbeiten zu können. Die Idee dahinter war, dass Big Data Projekte und Datenanalysen auf großen Datenmengen beruhen. Somit sollte es ein System geben, welches die Daten auch stapelweise speichert und dadurch schnell verarbeitet. Das HDFS sorgt auch dafür, dass Duplikate von Datensätzen abgelegt werden, um den Ausfall eines Rechners verkraften zu können.

Map Reduce am Beispiel

Angenommen wir haben alle Teile der Harry Potter Romane in Hadoop PDF abgelegt und möchten nun die einzelnen Wörter zählen, die in den Büchern vorkommen. Dies ist eine klassische Aufgabe bei der uns die Aufteilung in eine Map-Funktion und eine Reduce Funktion helfen kann.

Bevor es die Möglichkeit gab, solche aufwendigen Abfragen auf ein ganzes Computer-Cluster aufzuteilen und parallel berechnen zu können, war man gezwungen, den kompletten Datensatz nacheinander zu durchlaufen. Dadurch wurde die Abfragezeit auch umso länger, umso größer der Datensatz wurde. Der einzige Weg, um die Ausführung der Funktion zu beschleunigen ist es, einen Computer mit einem leistungsfähigeren Prozessor (CPU) auszustatten, also dessen Hardware zu verbessern. Wenn man versucht, die Ausführung eines Algorithmus zu beschleunigen, indem man die Hardware des Gerätes verbessert, nennt man das vertikale Skalieren.

Mithilfe von MapReduce ist es möglich eine solche Abfrage deutlich zu beschleunigen, indem man die Aufgabe in kleinere Teilaufgaben aufsplittet. Das hat dann wiederum den Vorteil, dass die Teilaufgaben auf viele verschiedene Computer aufgeteilt und von ihnen ausgeführt werden kann. Dadurch müssen wir nicht die Hardware eines einzigen Gerätes verbessern, sondern können viele, vergleichsweise leistungsschwächere, Computer nutzen und trotzdem die Abfragezeit verringern. Ein solches Vorgehen nennt man horizontales Skalieren.

Kommen wir zurück zu unserem Beispiel: Bisher waren wir bildlich so vorgegangen, dass wir alle Harry Potter Teile gelesen haben und nach jedem gelesenen Wort die Strichliste mit den einzelnen Wörtern einfach um einen Strich erweitert haben. Das Problem daran ist, dass wir diese Vorgehensweise nicht parallelisieren können. Angenommen eine zweite Person will uns unterstützen, dann kann sie das nicht tun, weil sie die Strichliste, mit der wir gerade arbeiten, benötigt, um weiterzumachen. Solange sie diese nicht hat, kann sie nicht unterstützen.

Sie kann uns aber unterstützen, indem sie bereits mit dem zweiten Teil der Harry Potter Reihe beginnt und eine eigene Strichliste nur für das zweite Buch erstellt. Zum Schluss können wir dann alle einzelnen Strichlisten zusammenführen und beispielsweise die Häufigkeit des Wortes “Harry” auf allen Strichlisten zusammenaddieren.

MapReduce am Beispiel von Wortzählungen in Harry Potter Büchern

MapReduce am Beispiel von Wortzählungen in Harry Potter Büchern | Source: Data Basecamp

Dadurch lässt sich die Aufgabe auch relativ einfach horizontal skalieren, indem jeweils eine Person pro Harry Potter Buch arbeitet. Wenn wir noch schneller arbeiten wollen, können wir auch mehrere Personen mit einbeziehen und jede Person ein einziges Kapitel bearbeiten lassen. Am Schluss müssen wir dann nur alle Ergebnisse der einzelnen Personen zusammennehmen, um so zu einem Gesamtergebnis zu gelangen.

Das ausführliche Beispiel und die Umsetzung in Python findest Du hier.

Aufbau eines Hadoop Distributed File Systems

Der Kern des Hadoop Distributed File Systems besteht darin die Daten auf verschiedene Dateien und Computer zu verteilen, sodass Abfragen schnell bearbeitet werden können und der Nutzer keine langen Wartezeiten hat. Damit der Ausfall einer einzelnen Maschine im Cluster nicht zum Verlust der Daten führt, gibt es gezielte Replikationen auf verschiedenen Computern, um eine Ausfallsicherheit zu gewährleisten.

Hadoop arbeitet im Allgemeinen nach dem sogenannten Master-Slave-Prinzip. Innerhalb des Computerclusters haben wir einen Knoten, der die Rolle des sogenannten Masters übernimmt. Dieser führt in unserem Beispiel keine direkte Berechnung durch, sondern verteilt lediglich die Aufgaben auf die sogenannten Slave Knoten und koordiniert den ganzen Prozess. Die Slave Knoten wiederum lesen die Bücher aus und speichern die Worthäufigkeit und die Wortverteilung.

Dieses Prinzip wird auch bei der Datenspeicherung genutzt. Der Master verteilt Informationen aus dem Datensatz auf verschiedenen Slave Nodes und merkt sich, auf welchen Computern er welche Partitionen abgespeichert hat. Dabei legt er die Daten auch redundant ab, um Ausfälle kompensieren zu können. Bei einer Abfrage der Daten durch den Nutzer entscheidet der Masterknoten dann, welche Slaveknoten er anfragen muss, um die gewünschten Informationen zu erhalten.

Kubernetes – der Steuermann für dein Big Data Projekt!

Kubernetes ist ein Container-Orchestrierungssystem. Damit lassen sich also Anwendungen auf verschiedene Container aufteilen, wodurch sie effizient und ausfallsicher ausgeführt werden können. Kubernetes ist ein Open-Source-Projekt und wurde erstmals im Jahr 2014 veröffentlicht. Es ist sehr leistungsfähig und kann verteilte Systeme, die über Tausende von Rechnern verstreut sind, verwalten.

In diesem und in vielen anderen Beiträgen zum Thema Kubernetes wird die Abkürzung k8s genutzt. Sie kommt daher, dass das Wort Kubernetes mit k beginnt, mit s endet und dazwischen 8 Buchstaben stehen. Bevor wir beginnen, noch eine kleine Anmerkung, woher der Name Kubernetes eigentlich stammt: Das griechische Wort „Kubernetes“ bedeutet Steuermann und beschreibt genau das, was Kubernetes macht, es steuert. Es steuert verschiedene sogenannte Container und koordiniert deren Ausführung.

Was sind Container und warum brauchen wir sie?

Eines der bestimmenden Merkmale von Big Data oder Machine Learning Projekte ist, dass ein einzelner Computer in vielen Fällen nicht ausreicht, um die gewaltigen Rechenlasten bewältigen zu können. Deshalb ist es notwendig, mehrere Computer zu verwenden, die sich die Arbeit teilen können. Zusätzlich können durch ein solches System auch Ausfälle von einzelnen Computern kompensiert werden, wodurch wiederum sichergestellt ist, dass die Anwendung durchgehend erreichbar ist. Wir bezeichnen eine solche Anordnung von Computern als Computing-Cluster oder verteiltes System für paralleles Rechnen.

Im Mittelpunkt des Open Source Projektes Docker stehen die sogenannten Container. Container sind alleinstehende Einheiten, die unabhängig voneinander ausgeführt werden und immer gleich ablaufen. Docker-Container können wir uns tatsächlich relativ praktisch wie einen Frachtcontainer vorstellen. Angenommen, in diesem Container arbeiten drei Menschen an einer bestimmten Aufgabe (Ich weiß, dass dies wahrscheinlich gegen jedes geltende Arbeitsschutzgesetz verstößt, aber es passt nun mal sehr gut in unser Beispiel).

In ihrem Container finden sie alle Ressourcen und Maschinen, die sie für ihre Aufgabe benötigen. Über eine bestimmte Lucke im Container bekommen sie die Rohstoffe geliefert, die sie benötigen, und über eine andere Lucke geben sie das fertige Produkt heraus. Unser Schiffscontainer kann dadurch ungestört und weitestgehend autark arbeiten. Den Menschen darin wird es nicht auffallen, ob sich das Schiff inklusive Container gerade im Hamburger Hafen, in Brasilien oder irgendwo bei ruhigem Seegang auf offenem Meer befindet. Solange sie kontinuierlich Rohstoffe geliefert bekommen, führen sie ihre Aufgabe aus, egal wo sie sind.

Kubernetes Containers - Foto von Ian Taylor auf Unsplash

Foto von Ian Taylor auf Unsplash

Genauso verhält es sich mit Docker Containern im Softwareumfeld. Es handelt sich dabei um genau definierte, abgeschlossene Applikationen, die auf verschiedenen Maschinen/Rechnern laufen können. Solange sie die festgelegten Inputs kontinuierlich erhalten, können sie auch kontinuierlich weiterarbeiten, unabhängig von ihrer Umgebung.

Was macht Kubernetes?

Wir nutzen Computing-Cluster, um rechenintensive Projekte, wie Machine Learning Modelle, auf mehreren Rechnern zuverlässig und effizient laufen lassen zu können. In Containern wiederum programmieren wir Unteraufgaben, die in sich abgeschlossen sein können und die immer gleich ablaufen, egal ob auf Rechner 1 oder Rechner 2. Das klingt doch eigentlich ausreichend, oder?

Verteilte Systeme bieten gegenüber Einzelrechnern neben Vorteilen auch zusätzliche Herausforderungen, beispielsweise bei der gemeinsamen Nutzung von Daten oder der Kommunikation zwischen den Rechnern innerhalb des Clusters. Kubernetes übernimmt die Arbeit die Container auf das Cluster zu verteilen und sorgt für den reibungslosen Ablauf des Programmes. Dadurch können wir uns auf das eigentliche Problem, also unseren konkreten Anwendungsfall, konzentrieren.

Kubernetes ist also wie der Kapitän, oder Steuermann, auf dem großen Containerschiff, der die einzelnen Container auf seinem Schiff richtig platziert und koordiniert.

Aufbau eines Kubernetes Clusters

Kubernetes wird normalerweise auf einem Cluster von Computern installiert. Jeder Computer in diesem Cluster wird als Node bezeichnet. Auf einem Computer bzw. Node wiederum laufen mehrere sogenannte Pods. Auf den Pods sind die schlussendlichen Container mit den kleineren Applikationen installiert und können in einem lokalen System kommunizieren.

Damit die Pods und die Container darin ohne Komplikationen laufen können, gibt es einige Hilfsfunktionen und -komponenten im Kubernetes Cluster, die dafür sorgen, dass alle Systeme reibungslos funktionieren:

Aufbau Kubernetes Cluster | Abbildung: Kubernetes

Aufbau Kubernetes Cluster | Abbildung: Kubernetes

  • Control Plane: Das ist der Rechner, welcher das komplette Cluster überwacht. Auf diesem laufen keine Pods für die Anwendung. Stattdessen werden den einzelnen Pods die Container zugewiesen, die auf ihnen laufen sollen.
  • Sched: Der Scheduler hält innerhalb des Clusters Ausschau nach neu erstellen Pods und teilt diese zu bestehenden Nodes zu.
  • ETCD: Ein Speicher für alle Informationen, die im Cluster anfallen und aufbewahrt werden müssen, bspw. Metadaten zur Konfiguration.
  • Cloud Controller Manager (CCM): Wenn ein Teil des Systems auf Cloud Ressourcen läuft, kommt diese Komponente zum Einsatz und übernimmt die Kommunikation und Koordination mit der Cloud.
  • Controller Manager (CM): Die wichtigste Komponente im Kubernetes Cluster überwacht das Cluster und sucht nach ausgefallenen Nodes, um dann die Container und Pods neu zu verteilen.
  • API: Diese Schnittstelle ermöglicht die Kommunikation zwischen den Nodes und dem Control Plane.

 

Die Nodes sind deutlich schlanker aufgebaut als das Control Plane und enthalten neben den Pods zwei wesentliche Komponenten zur Überwachung:

  • Kubelet: Es ist das Control Plane innerhalb eines Nodes und sorgt dafür, dass alle Pods einwandfrei laufen.
  • Kube-Proxy (k-proxy): Diese Komponente verteilt den eingehenden Node Traffic an die Pods, indem es das Netzwerk innerhalb des Nodes erstellt.

Fazit

Ein Netzwerk aus verschiedenen Computern wird als Cluster bezeichnet und wird genutzt, um große Rechenlasten auf mehrere Computer aufteilen und dadurch effizienter gestalten zu können. Die kleinste Einheit, in die man eine Applikation aufteilen kann, ist der Docker Container. Dieser beinhaltet eine Unteraufgabe des Programms, die autark, also unabhängig vom System, ausgeführt wird.

Da es in einem Computing-Cluster sehr viele dieser Container geben kann, übernimmt Kubernetes für uns das Management der Container, also unter anderem deren Kommunikation und Koordinierung. Das Kubernetes Cluster hat dazu verschiedene Komponenten die dafür sorgen, dass alle Container laufen und das System einwandfrei funktioniert.

Moderne Business Intelligence in der Microsoft Azure Cloud

Google, Amazon und Microsoft sind die drei großen Player im Bereich Cloud Computing. Die Cloud kommt für nahezu alle möglichen Anwendungsszenarien infrage, beispielsweise dem Hosting von Unternehmenssoftware, Web-Anwendungen sowie Applikationen für mobile Endgeräte. Neben diesen Klassikern spielt die Cloud jedoch auch für Internet of Things, Blockchain oder Künstliche Intelligenz eine wichtige Rolle als Enabler. In diesem Artikel beleuchten wir den Cloud-Anbieter Microsoft Azure mit Blick auf die Möglichkeiten des Aufbaues eines modernen Business Intelligence oder Data Platform für Unternehmen.

Eine Frage der Architektur

Bei der Konzeptionierung der Architektur stellen sich viele Fragen:

  • Welche Datenbank wird für das Data Warehouse genutzt?
  • Wie sollten ETL-Pipelines erstellt und orchestriert werden?
  • Welches BI-Reporting-Tool soll zum Einsatz kommen?
  • Müssen Daten in nahezu Echtzeit bereitgestellt werden?
  • Soll Self-Service-BI zum Einsatz kommen?
  • … und viele weitere Fragen.

1 Die Referenzmodelle für Business Intelligence Architekturen von Microsoft Azure

Die vielen Dienste von Microsoft Azure erlauben unzählige Einsatzmöglichkeiten und sind selbst für Cloud-Experten nur schwer in aller Vollständigkeit zu überblicken.  Microsoft schlägt daher verschiedene Referenzmodelle für Datenplattformen oder Business Intelligence Systeme mit unterschiedlichen Ausrichtungen vor. Einige davon wollen wir in diesem Artikel kurz besprechen und diskutieren.

1a Automatisierte Enterprise BI-Instanz

Diese Referenzarchitektur für automatisierte und eher klassische BI veranschaulicht die Vorgehensweise für inkrementelles Laden in einer ELT-Pipeline mit dem Tool Data Factory. Data Factory ist der Cloud-Nachfolger des on-premise ETL-Tools SSIS (SQL Server Integration Services) und dient nicht nur zur Erstellung der Pipelines, sondern auch zur Orchestrierung (Trigger-/Zeitplan der automatisierten Ausführung und Fehler-Behandlung). Über Pipelines in Data Factory werden die jeweils neuesten OLTP-Daten inkrementell aus einer lokalen SQL Server-Datenbank (on-premise) in Azure Synapse geladen, die Transaktionsdaten dann in ein tabellarisches Modell für die Analyse transformiert, dazu wird MS Azure Analysis Services (früher SSAS on-premis) verwendet. Als Tool für die Visualisierung der Daten wird von Microsoft hier und in allen anderen Referenzmodellen MS PowerBI vorgeschlagen. MS Azure Active Directory verbindet die Tools on Azure über einheitliche User im Active Directory Verzeichnis in der Azure-Cloud.

https://docs.microsoft.com/en-us/azure/architecture/reference-architectures/data/enterprise-bi-adfQuelle:

Einige Diskussionspunkte zur BI-Referenzarchitektur von MS Azure

Der von Microsoft vorgeschlagenen Referenzarchitektur zu folgen kann eine gute Idee sein, ist jedoch tatsächlich nur als Vorschlag – eher noch als Kaufvorschlag – zu betrachten. Denn Unternehmens-BI ist hochgradig individuell und Bedarf einiger Diskussion vor der Festlegung der Architektur.

Azure Data Factory als ETL-Tool

Azure Data Factory wird in dieser Referenzarchitektur als ETL-Tool vorgeschlagen. In der Tat ist dieses sehr mächtig und rein über Mausklicks bedienbar. Darüber hinaus bietet es die Möglichkeit z. B. über Python oder Powershell orchestriert und pipeline-modelliert zu werden. Der Clue für diese Referenzarchitektur ist der Hinweis auf die On-Premise-Datenquellen. Sollte zuvor SSIS eingesetzt werden sollen, können die SSIS-Packages zu Data Factory migriert werden.

Die Auswahl der Datenbanken

Der Vorteil dieser Referenzarchitektur ist ohne Zweifel die gute Aufstellung der Architektur im Hinblick auf vielseitige Einsatzmöglichkeiten, so werden externe Daten (in der Annahme, dass diese un- oder semi-strukturiert vorliegen) zuerst in den Azure Blob Storage oder in den auf dem Blob Storage beruhenden Azure Data Lake zwischen gespeichert, bevor sie via Data Factory in eine für Azure Synapse taugliche Struktur transformiert werden können. Möglicherweise könnte auf den Blob Storage jedoch auch gut verzichtet werden, solange nur Daten aus bekannten, strukturierten Datenbanken der Vorsysteme verarbeitet werden. Als Staging-Layer und für Datenhistorisierung sind der Azure Blob Storage oder der Azure Data Lake jedoch gute Möglichkeiten, da pro Dateneinheit besonders preisgünstig.

Azure Synapse ist eine mächtige Datenbank mindestens auf Augenhöhe mit zeilen- und spaltenorientierten, verteilten In-Memory-Datenbanken wie Amazon Redshift, Google BigQuery oder SAP Hana. Azure Synapse bietet viele etablierte Funktionen eines modernen Data Warehouses und jährlich neue Funktionen, die zuerst als Preview veröffentlicht werden, beispielsweise der Einsatz von Machine Learning direkt auf der Datenbank.

Zur Diskussion steht jedoch, ob diese Funktionen und die hohe Geschwindigkeit (bei richtiger Nutzung) von Azure Synapse die vergleichsweise hohen Kosten rechtfertigen. Alternativ können MySQL-/MariaDB oder auch PostgreSQL-Datenbanken bei MS Azure eingesetzt werden. Diese sind jedoch mit Vorsicht zu nutzen bzw. erst unter genauer Abwägung einzusetzen, da sie nicht vollständig von Azure Data Factory in der Pipeline-Gestaltung unterstützt werden. Ein guter Kompromiss kann der Einsatz von Azure SQL Database sein, der eigentliche Nachfolger der on-premise Lösung MS SQL Server. MS Azure Snypase bleibt dabei jedoch tatsächlich die Referenz, denn diese Datenbank wurde speziell für den Einsatz als Data Warehouse entwickelt.

Zentrale Cube-Generierung durch Azure Analysis Services

Zur weiteren Diskussion stehen könnte MS Azure Analysis Sevice als Cube-Engine. Diese Cube-Engine, die ursprünglich on-premise als SQL Server Analysis Service (SSAS) bekannt war, nun als Analysis Service in der Azure Cloud verfügbar ist, beruhte früher noch als SSAS auf der Sprache MDX (Multi-Dimensional Expressions), eine stark an SQL angelehnte Sprache zum Anlegen von schnellen Berechnungsformeln für Kennzahlen im Cube-Datenmodellen, die grundlegendes Verständnis für multidimensionale Abfragen mit Tupeln und Sets voraussetzt. Heute wird statt MDX die Sprache DAX (Data Analysis Expression) verwendet, die eher an Excel-Formeln erinnert (diesen aber keinesfalls entspricht), sie ist umfangreicher als MDX, jedoch für den abitionierten Anwender leichter verständlich und daher für Self-Service-BI geeignet.

Punkt der Diskussion ist, dass der Cube über den Analysis-Service selbst keine Möglichkeiten eine Self-Service-BI nicht ermöglicht, da die Bearbeitung des Cubes mit DAX nur über spezielle Entwicklungsumgebungen möglich ist (z. B. Visual Studio). MS Power BI selbst ist ebenfalls eine Instanz des Analysis Service, denn im Kern von Power BI steckt dieselbe Engine auf Basis von DAX. Power BI bietet dazu eine nutzerfreundliche UI und direkt mit mausklickbaren Elementen Daten zu analysieren und Kennzahlen mit DAX anzulegen oder zu bearbeiten. Wird im Unternehmen absehbar mit Power BI als alleiniges Analyse-Werkzeug gearbeitet, ist eine separate vorgeschaltete Instanz des Azure Analysis Services nicht notwendig. Der zur Abwägung stehende Vorteil des Analysis Service ist die Nutzung des Cubes in Microsoft Excel durch die User über Power Pivot. Dies wiederum ist eine eigene Form des sehr flexiblen Self-Service-BIs.

1b Enterprise Data Warehouse-Architektur

Eine weitere Referenz-Architektur von Microsoft auf Azure ist jene für den Einsatz als Data Warehouse, bei der Microsoft Azure Synapse den dominanten Part von der Datenintegration über die Datenspeicherung und Vor-Analyse übernimmt.https://docs.microsoft.com/en-us/azure/architecture/solution-ideas/articles/enterprise-data-warehouseQuelle: 

Diskussionspunkte zum Referenzmodell der Enterprise Data Warehouse Architecture

Auch diese Referenzarchitektur ist nur für bestimmte Einsatzzwecke in dieser Form sinnvoll.

Azure Synapse als ETL-Tool

Im Unterschied zum vorherigen Referenzmodell wird hier statt auf Azure Data Factory auf Azure Synapse als ETL-Tool gesetzt. Azure Synapse hat die Datenintegrationsfunktionalitäten teilweise von Azure Data Factory geerbt, wenn gleich Data Factory heute noch als das mächtigere ETL-Tool gilt. Azure Synapse entfernt sich weiter von der alten SSIS-Logik und bietet auch keine Integration von SSIS-Paketen an, zudem sind einige Anbindungen zwischen Data Factory und Synapse unterschiedlich.

Auswahl der Datenbanken

Auch in dieser Referenzarchitektur kommt der Azure Blob Storage als Zwischenspeicher bzw. Staging-Layer zum Einsatz, jedoch im Mantel des Azure Data Lakes, der den reinen Speicher um eine Benutzerebene erweitert und die Verwaltung des Speichers vereinfacht. Als Staging-Layer oder zur Datenhistorisierung ist der Blob Storage eine kosteneffiziente Methode, darf dennoch über individuelle Betrachtung in der Notwendigkeit diskutiert werden.

Azure Synapse erscheint in dieser Referenzarchitektur als die sinnvolle Lösung, da nicht nur die Pipelines von Synapse, sondern auch die SQL-Engine sowie die Spark-Engine (über Python-Notebooks) für die Anwendung von Machine Learning (z. B. für Recommender-Systeme) eingesetzt werden können. Hier spielt Azure Synpase die Möglichkeiten als Kern einer modernen, intelligentisierbaren Data Warehouse Architektur voll aus.

Azure Analysis Service

Auch hier wird der Azure Analysis Service als Cube-generierende Maschinerie von Microsoft vorgeschlagen. Hier gilt das zuvor gesagte: Für den reinen Einsatz mit Power BI ist der Analysis Service unnötig, sollen Nutzer jedoch in MS Excel komplexe, vorgerechnete Analysen durchführen können, dann zahlt sich der Analysis Service aus.

Azure Cosmos DB

Die Azure Cosmos DB ist am nächsten vergleichbar mit der MongoDB Atlas (die Cloud-Version der eigentlich on-premise zu hostenden MongoDB). Es ist eine NoSQL-Datenbank, die über Datendokumente im JSON-File-Format auch besonders große Datenmengen in sehr hoher Geschwindigkeit abfragen kann. Sie gilt als die zurzeit schnellste Datenbank in Sachen Lesezugriff und spielt dabei alle Vorteile aus, wenn es um die massenweise Bereitstellung von Daten in andere Applikationen geht. Unternehmen, die ihren Kunden mobile Anwendungen bereitstellen, die Millionen parallele Datenzugriffe benötigen, setzen auf Cosmos DB.

1c Referenzarchitektur für Realtime-Analytics

Die Referenzarchitektur von Microsoft Azure für Realtime-Analytics wird die Referenzarchitektur für Enterprise Data Warehousing ergänzt um die Aufnahme von Data Streaming.

Diskussionspunkte zum Referenzmodell für Realtime-Analytics

Diese Referenzarchitektur ist nur für Einsatzszenarios sinnvoll, in denen Data Streaming eine zentrale Rolle spielt. Bei Data Streaming handelt es sich, vereinfacht gesagt, um viele kleine, ereignis-getriggerte inkrementelle Datenlade-Vorgänge bzw. -Bedarfe (Events), die dadurch nahezu in Echtzeit ausgeführt werden können. Dies kann über Webshops und mobile Anwendungen von hoher Bedeutung sein, wenn z. B. Angebote für Kunden hochgrade-individualisiert angezeigt werden sollen oder wenn Marktdaten angezeigt und mit ihnen interagiert werden sollen (z. B. Trading von Wertpapieren). Streaming-Tools bündeln eben solche Events (bzw. deren Datenhäppchen) in Data-Streaming-Kanäle (Partitionen), die dann von vielen Diensten (Consumergruppen / Receiver) aufgegriffen werden können. Data Streaming ist insbesondere auch dann ein notwendiges Setup, wenn ein Unternehmen über eine Microservices-Architektur verfügt, in der viele kleine Dienste (meistens als Docker-Container) als dezentrale Gesamtstruktur dienen. Jeder Dienst kann über Apache Kafka als Sender- und/oder Empfänger in Erscheinung treten. Der Azure Event-Hub dient dazu, die Zwischenspeicherung und Verwaltung der Datenströme von den Event-Sendern in den Azure Blob Storage bzw. Data Lake oder in Azure Synapse zu laden und dort weiter zu reichen oder für tiefere Analysen zu speichern.

Azure Eventhub ArchitectureQuelle: https://docs.microsoft.com/de-de/azure/event-hubs/event-hubs-about

Für die Datenverarbeitung in nahezu Realtime sind der Azure Data Lake und Azure Synapse derzeitig relativ alternativlos. Günstigere Datenbank-Instanzen von MariaDB/MySQL, PostgreSQL oder auch die Azure SQL Database wären hier ein Bottleneck.

2 Fazit zu den Referenzarchitekturen

Die Referenzarchitekturen sind exakt als das zu verstehen: Als Referenz. Keinesfalls sollte diese Architektur unreflektiert für ein Unternehmen übernommen werden, sondern vorher in Einklang mit der Datenstrategie gebracht werden, dabei sollten mindestens diese Fragen geklärt werden:

  • Welche Datenquellen sind vorhanden und werden zukünftig absehbar vorhanden sein?
  • Welche Anwendungsfälle (Use Cases) habe ich für die Business Intelligence bzw. Datenplattform?
  • Über welche finanziellen und fachlichen Ressourcen darf verfügt werden?

Darüber hinaus sollten sich die Architekten bewusst sein, dass, anders als noch in der trägeren On-Premise-Welt, die Could-Dienste schnelllebig sind. So sah die Referenzarchitektur 2019/2020 noch etwas anders aus, in der Databricks on Azure als System für Advanced Analytics inkludiert wurde, heute scheint diese Position im Referenzmodell komplett durch Azure Synapse ersetzt worden zu sein.

Azure Reference Architecture BI Databrikcs 2019

Azure Reference Architecture – with Databricks, old image source: https://docs.microsoft.com/en-us/azure/architecture/solution-ideas/articles/modern-data-warehouse

Hinweis zu den Kosten und der Administration

Die Kosten für Cloud Computing statt für IT-Infrastruktur On-Premise sind ein zweischneidiges Schwert. Der günstige Einstieg in de Azure Cloud ist möglich, jedoch bedingt ein kosteneffizienter Betrieb viel Know-How im Umgang mit den Diensten und Konfigurationsmöglichkeiten der Azure Cloud oder des jeweiligen alternativen Anbieters. Beispielsweise können über Azure Data Factory Datenbanken über Pipelines automatisiert hochskaliert und nach nur Minuten wieder runterskaliert werden. Nur wer diese dynamischen Skaliermöglichkeiten nutzt, arbeitet effizient in der Cloud.

Ferner sind Kosten nur schwer einschätzbar, da diese mehr noch von der Nutzung (Datenmenge, CPU, RAM) als von der zeitlichen Nutzung (Lifetime) abhängig sind. Preisrechner ermöglichen zumindest eine Kosteneinschätzung: https://azure.com/e/96162a623bda4911bb8f631e317affc6

Process Mining Tools – Artikelserie

Process Mining ist nicht länger nur ein Buzzword, sondern ein relevanter Teil der Business Intelligence. Process Mining umfasst die Analyse von Prozessen und lässt sich auf alle Branchen und Fachbereiche anwenden, die operative Prozesse haben, die wiederum über operative IT-Systeme erfasst werden. Um die zunehmende Bedeutung dieser Data-Disziplin zu verstehen, reicht ein Blick auf die Entwicklung der weltweiten Datengenerierung aus: Waren es 2010 noch 2 Zettabytes (ZB), sind laut Statista für das Jahr 2020 mehr als 50 ZB an Daten zu erwarten. Für 2025 wird gar mit einem Bestand von 175 ZB gerechnet.

Hier wird das Datenvolumen nach Jahren angezeit

Abbildung 1 zeigt die Entwicklung des weltweiten Datenvolumen (Stand 2018). Quelle: https://www.statista.com/statistics/871513/worldwide-data-created/

Warum jetzt eigentlich Process Mining?

Warum aber profitiert insbesondere Process Mining von dieser Entwicklung? Der Grund liegt in der Unordnung dieser Datenmenge. Die Herausforderung der sich viele Unternehmen gegenübersehen, liegt eben genau in der Analyse dieser unstrukturierten Daten. Hinzu kommt, dass nahezu jeder Prozess Datenspuren in Informationssystemen hinterlässt. Die Betrachtung von Prozessen auf Datenebene birgt somit ein enormes Potential, welches in Anbetracht der Entwicklung zunehmend an Bedeutung gewinnt.

Was war nochmal Process Mining?

Process Mining ist eine Analysemethodik, welche dazu befähigt, aus den abgespeicherten Datenspuren der Informationssysteme eine Rekonstruktion der realen Prozesse zu schaffen. Diese Prozesse können anschließend als Prozessflussdiagramm dargestellt und ausgewertet werden. Die klassischen Anwendungsfälle reichen von dem Aufspüren (Discovery) unbekannter Prozesse, über einen Soll-Ist-Vergleich (Conformance) bis hin zur Anpassung/Verbesserung (Enhancement) bestehender Prozesse. Mittlerweile setzen viele Firmen darüber hinaus auf eine Integration von RPA und Data Science im Process Mining. Und die Analyse-Tiefe wird zunehmen und bis zur Analyse einzelner Klicks reichen, was gegenwärtig als sogenanntes „Task Mining“ bezeichnet wird.

Hier wird ein typischer Process Mining Workflow dargestellt

Abbildung 2 zeigt den typischen Workflow eines Process Mining Projektes. Oftmals dient das ERP-System als zentrale Datenquelle. Die herausgearbeiteten Event-Logs werden anschließend mittels Process Mining Tool visualisiert.

In jedem Fall liegt meistens das Gros der Arbeit auf die Bereitstellung und Vorbereitung der Daten und der Transformation dieser in sogenannte „Event-Logs“, die den Input für die Process Mining Tools darstellen. Deshalb arbeiten viele Anbieter von Process Mining Tools schon länger an Lösungen, um die mit der Datenvorbereitung verbundenen zeit -und arbeitsaufwendigen Schritte zu erleichtern. Während fast alle Tool-Anbieter vorgefertigte Protokolle für Standardprozesse anbieten, gehen manche noch weiter und bieten vollumfängliche Plattform Lösungen an, welche eine effiziente Integration der aufwendigen ETL-Prozesse versprechen. Der Funktionsumfang der Process Mining Tools geht daher mittlerweile deutlich über eine reine Darstellungsfunktion hinaus und deckt ggf. neue Trends sowie optimierte Einsteigerbarrieren mit ab.

Motivation dieser Artikelserie

Die Motivation diesen Artikel zu schreiben liegt nicht in der Erläuterung der Methode des Process Mining. Hierzu gibt es mittlerweile zahlreiche Informationsquellen. Eine besonders empfehlenswerte ist das Buch „Process Mining“ von Will van der Aalst, einem der Urväter des Process Mining. Die Motivation dieses Artikels liegt viel mehr in der Betrachtung der zahlreichen Process Mining Tools am Markt. Sehr oft erlebe ich als Data-Consultant, dass Process Mining Projekte im Vorfeld von der Frage nach dem „besten“ Tool dominiert werden. Diese Fragestellung ist in Ihrer Natur sicherlich immer individuell zu beantworten. Da individuelle Projekte auch einen individuellen Tool-Einsatz bedingen, beschäftige ich mich meist mit einem großen Spektrum von Process Mining Tools. Daher ist es mir in dieser Artikelserie ein Anliegen einen allgemeingültigen Überblick zu den üblichen Process Mining Tools zu erarbeiten. Dabei möchte ich mich nicht auf persönliche Erfahrungen stützen, sondern die Tools anhand von Testdaten einem praktischen Vergleich unterziehen, der für den Leser nachvollziehbar ist.

Um den Umfang der Artikelserie zu begrenzen, werden die verschiedenen Tools nur in Ihren Kernfunktionen angewendet und verglichen. Herausragende Funktionen oder Eigenschaften der jeweiligen Tools werden jedoch angemerkt und ggf. in anderen Artikeln vertieft. Das Ziel dieser Artikelserie soll sein, dem Leser einen ersten Einblick über die am Markt erhältlichen Tools zu geben. Daher spricht dieser Artikel insbesondere Einsteiger aber auch Fortgeschrittene im Process Mining an, welche einen Überblick über die Tools zu schätzen wissen und möglicherweise auch mal über den Tellerand hinweg schauen mögen.

Die Tools

Die Gruppe der zu betrachteten Tools besteht aus den folgenden namenhaften Anwendungen:

Die Auswahl der Tools orientiert sich an den „Market Guide for Process Mining 2019“ von Gartner. Aussortiert habe ich jene Tools, mit welchen ich bisher wenig bis gar keine Berührung hatte. Diese Auswahl an Tools verspricht meiner Meinung nach einen spannenden Einblick von verschiedene Process Mining Tools am Markt zu bekommen.

Die Anwendung in der Praxis

Um die Tools realistisch miteinander vergleichen zu können, werden alle Tools die gleichen Datengrundlage benutzen. Die Datenbasis wird folglich über die gesamte Artikelserie hinweg für die Darstellungen mit den Tools genutzt. Ich werde im nächsten Artikel explizit diese Datenbasis kurz erläutern.

Das Ziel der praktischen Untersuchung soll sein, die Beispieldaten in die verschiedenen Tools zu laden, um den enthaltenen Prozess zu visualisieren. Dabei möchte ich insbesondere darauf achten wie bedienbar und anpassungsfähig/flexibel die Tools mir erscheinen. An dieser Stelle möchte ich eindeutig darauf hinweisen, dass dieser Vergleich und seine Bewertung meine Meinung ist und keineswegs Anspruch auf Vollständigkeit beansprucht. Da der Markt in Bewegung ist, behalte ich mir ferner vor, diese Artikelserie regelmäßig anzupassen.

Die Kriterien

Neben der Bedienbarkeit und der Anpassungsfähigkeit der Tools möchte ich folgende zusätzliche Gesichtspunkte betrachten:

  • Bedienbarkeit: Wie leicht gehen die Analysen von der Hand? Wie einfach ist der Einstieg?
  • Anpassungsfähigkeit: Wie flexibel reagiert das Tool auf meine Daten und Analyse-Wünsche?
  • Integrationsfähigkeit: Welche Schnittstellen bringt das Tool mit? Läuft es auch oder nur in der Cloud?
  • Skalierbarkeit: Ist das Tool dazu in der Lage, auch große und heterogene Daten zu verarbeiten?
  • Zukunftsfähigkeit: Wie steht es um Machine Learning, ETL-Modeller oder Task Mining?
  • Preisgestaltung: Nach welchem Modell bestimmt sich der Preis?

Die Datengrundlage

Die Datenbasis bildet ein Demo-Datensatz der von Celonis für die gesamte Artikelserie netter Weise zur Verfügung gestellt wurde. Dieser Datensatz bildet einen Versand Prozess vom Zeitpunkt des Kaufes bis zur Auslieferung an den Kunden ab. In der folgenden Abbildung ist der Soll Prozess abgebildet.

Hier wird die Variante 1 der Demo Daten von Celonis als Grafik dargestellt

Abbildung 4 zeigt den gewünschten Versand Prozess der Datengrundlage von dem Kauf des Produktes bis zur Auslieferung.

Die Datengrundlage besteht aus einem 60 GB großen Event-Log, welcher lokal in einer Microsoft SQL Datenbank vorgehalten wird. Da diese Tabelle über 600 Mio. Events beinhaltet, wird die Datengrundlage für die Analyse der einzelnen Tools auf einen Ausschnitt von 60 Mio. Events begrenzt. Um die Performance der einzelnen Tools zu testen, wird jedoch auf die gesamte Datengrundlage zurückgegriffen. Der Ausschnitt der Event-Log Tabelle enthält 919 verschiedene Varianten und weisst somit eine ausreichende Komplexität auf, welche es mit den verschiednene Tools zu analysieren gilt.

Folgender Veröffentlichungsplan gilt für diese Artikelserie und wird mit jeder Veröffentlichung verlinkt:

  1. Celonis
  2. PAFnow
  3. MEHRWERK
  4. Fluxicon Disco
  5. Lana Labs (erscheint demnächst)
  6. Signavio (erscheint demnächst)
  7. Process Gold (erscheint demnächst)
  8. Aris Process Mining der Software AG (erscheint demnächst)

Interview: Operationalisierung von Data Science

Interview mit Herrn Dr. Frank Block von Roche Diagnostics über Operationalisierung von Data Science

Herr Dr. Frank Block ist Head of IT Data Science bei Roche Diagnostics mit Sitz in der Schweiz. Zuvor war er Chief Data Scientist bei der Ricardo AG nachdem er für andere Unternehmen die Datenanalytik verantwortet hatte und auch 20 Jahre mit mehreren eigenen Data Science Consulting Startups am Markt war. Heute tragen ca. 50 Mitarbeiter bei Roche Diagnostics zu Data Science Projekten bei, die in sein Aktivitätsportfolio fallen: 

Data Science Blog: Herr Dr. Block, Sie sind Leiter der IT Data Science bei Roche Diagnostics? Warum das „IT“ im Namen dieser Abteilung?

Roche ist ein großes Unternehmen mit einer großen Anzahl von Data Scientists in ganz verschiedenen Bereichen mit jeweils sehr verschiedenen Zielsetzungen und Themen, die sie bearbeiten. Ich selber befinde mich mit meinem Team im Bereich „Diagnostics“, d.h. der Teil von Roche, in dem Produkte auf den Markt gebracht werden, die die korrekte Diagnose von Krankheiten und Krankheitsrisiken ermöglichen. Innerhalb von Roche Diagnostics gibt es wiederum verschiedene Bereiche, die Data Science für ihre Zwecke nutzen. Mit meinem Team sind wir in der globalen IT-Organisation angesiedelt und kümmern uns dort insbesondere um Anwendungen von Data Science für die Optimierung der internen Wertschöpfungskette.

Data Science Blog: Sie sind längst über die ersten Data Science Experimente hinaus. Die Operationalisierung von Analysen bzw. analytischen Applikationen ist für Sie besonders wichtig. Welche Rolle spielt das Datenmanagement dabei? Und wo liegen die Knackpunkte?

Ja, richtig. Die Zeiten, in denen sich Data Science erlauben konnte „auf Vorrat“ an interessanten Themen zu arbeiten, weil sie eben super interessant sind, aber ohne jemals konkrete Wertschöpfung zu liefern, sind definitiv und ganz allgemein vorbei. Wir sind seit einigen Jahren dabei, den Übergang von Data Science Experimenten (wir nennen es auch gerne „proof-of-value“) in die Produktion voranzutreiben und zu optimieren. Ein ganz essentielles Element dabei stellen die Daten dar; diese werden oft auch als der „Treibstoff“ für Data Science basierte Prozesse bezeichnet. Der große Unterschied kommt jedoch daher, dass oft statt „Benzin“ nur „Rohöl“ zur Verfügung steht, das zunächst einmal aufwändig behandelt und vorprozessiert werden muss, bevor es derart veredelt ist, dass es für Data Science Anwendungen geeignet ist. In diesem Veredelungsprozess wird heute noch sehr viel Zeit aufgewendet. Je besser die Datenplattformen des Unternehmens, umso größer die Produktivität von Data Science (und vielen anderen Abnehmern dieser Daten im Unternehmen). Ein anderes zentrales Thema stellt der Übergang von Data Science Experiment zu Operationalisierung dar. Hier muss dafür gesorgt werden, dass eine reibungslose Übergabe von Data Science an das IT-Entwicklungsteam erfolgt. Die Teamzusammensetzung verändert sich an dieser Stelle und bei uns tritt der Data Scientist von einer anfänglich führenden Rolle in eine Beraterrolle ein, wenn das System in die produktive Entwicklung geht. Auch die Unterstützung der Operationalisierung durch eine durchgehende Data Science Plattform kann an dieser Stelle helfen.

Data Science Blog: Es heißt häufig, dass Data Scientists kaum zu finden sind. Ist Recruiting für Sie tatsächlich noch ein Thema?

Generell schon, obwohl mir scheint, dass dies nicht unser größtes Problem ist. Glücklicherweise übt Roche eine große Anziehung auf Talente aus, weil im Zentrum unseres Denkens und Handelns der Patient steht und wir somit durch unsere Arbeit einen sehr erstrebenswerten Zweck verfolgen. Ein zweiter Aspekt beim Aufbau eines Data Science Teams ist übrigens das Halten der Talente im Team oder Unternehmen. Data Scientists suchen vor allem spannenden und abwechselnden Herausforderungen. Und hier sind wir gut bedient, da die Palette an Data Science Anwendungen derart breit ist, dass es den Kollegen im Team niemals langweilig wird.

Data Science Blog: Sie haben bereits einige Analysen erfolgreich produktiv gebracht. Welche Herausforderungen mussten dabei überwunden werden? Und welche haben Sie heute noch vor sich?

Wir konnten bereits eine wachsende Zahl an Data Science Experimenten in die Produktion überführen und sind sehr stolz darauf, da dies der beste Weg ist, nachhaltig Geschäftsmehrwert zu generieren. Die gleichzeitige Einbettung von Data Science in IT und Business ist uns bislang gut gelungen, wir werden aber noch weiter daran arbeiten, denn je näher wir mit unseren Kollegen in den Geschäftsabteilungen arbeiten, umso besser wird sichergestellt, das Data Science sich auf die wirklich relevanten Themen fokussiert. Wir sehen auch guten Fortschritt aus der Datenperspektive, wo zunehmend Daten über „Silos“ hinweg integriert werden und so einfacher nutzbar sind.

Data Science Blog: Data Driven Thinking wird heute sowohl von Mitarbeitern in den Fachbereichen als auch vom Management verlangt. Sind wir schon so weit? Wie könnten wir diese Denkweise im Unternehmen fördern?

Ich glaube wir stecken mitten im Wandel, Data-Driven Decisions sind im Kommen, aber das braucht auch seine Zeit. Indem wir zeigen, welches Potenzial ganz konkrete Daten und Advanced Analytics basierte Entscheidungsprozesse innehaben, helfen wir, diesen Wandel voranzutreiben. Spezifische Weiterbildungsangebote stellen eine andere Komponente dar, die diesen Transformationszrozess unterstützt. Ich bin überzeugt, dass wenn wir in 10-20 Jahren zurückblicken, wir uns fragen, wie wir überhaupt ohne Data-Driven Thinking leben konnten…

Mit Dashboards zur Prozessoptimierung

Geschäftlicher Erfolg ergibt sich oft aus den richtigen Fragen – zum Beispiel: „Wie kann ich sicherstellen, dass mein Produkt das beste ist?“, „Wie hebe ich mich von meinen Mitbewerbern ab?“ und „Wie baue ich mein Unternehmen weiter aus?“ Moderne Unternehmen gehen über derartige Fragen hinaus und stellen vielmehr die Funktionsweise ihrer Organisation in den Fokus. Fragen auf dieser Ebene lauten dann: „Wie kann ich meine Geschäftsprozesse so effizient wie möglich gestalten?“, „Wie kann ich Zusammenarbeit meiner Mitarbeiter verbessern?“ oder auch „Warum funktionieren die Prozesse meines Unternehmens nicht so, wie sie sollten?“


Read this article in English: 
“Process Paradise by the Dashboard Light”


Um die Antworten auf diese (und viele andere!) Fragen zu erhalten, setzen immer mehr Unternehmen auf Process Mining. Process Mining hilft Unternehmen dabei, den versteckten Mehrwert in ihren Prozessen aufzudecken, indem Informationen zu Prozessmodellen aus den verschiedenen IT-Systemen eines Unternehmens automatisch erfasst werden. Auf diese Weise kann die End-to-End-Prozesslandschaft eines Unternehmens kontinuierlich überwacht werden. Manager und Mitarbeiter profitieren so von operativen Erkenntnissen und können potenzielle Risiken ebenso erkennen wie Möglichkeiten zur Verbesserung.

Process Mining ist jedoch keine „Wunderwaffe“, die Daten auf Knopfdruck in Erkenntnisse umwandelt. Eine Process-Mining-Software ist vielmehr als Werkzeug zu betrachten, das Informationen erzeugt, die anschließend analysiert und in Maßnahmen umgesetzt werden. Hierfür müssen die generierten Informationen den Entscheidungsträgern jedoch auch in einem verständlichen Format zur Verfügung stehen.

Bei den meisten Process-Mining-Tools steht nach wie vor die Verbesserung der Analysefunktionen im Fokus und die generierten Daten müssen von Experten oder Spezialisten innerhalb einer Organisation bewertet werden. Dies führt zwangsläufig dazu, dass es zwischen den einzelnen Schritten zu Verzögerungen kommt und die Abläufe bis zur Ergreifung von Maßnahmen ins Stocken geraten.

Process-Mining-Software, die einen kooperativeren Ansatz verfolgt und dadurch das erforderliche spezifische Fachwissen verringert, kann diese Lücke schließen. Denn nur wenn Informationen, Hypothesen und Analysen mit einer Vielzahl von Personen geteilt und erörtert werden, können am Ende aussagekräftige Erkenntnisse gewonnen werden.

Aktuelle Process-Mining-Software kann natürlich standardisierte Berichte und Informationen generieren. In einem sich immer schneller ändernden Geschäftsumfeld reicht dies jedoch möglicherweise nicht mehr aus. Das Erfolgsgeheimnis eines wirklich effektiven Process Minings besteht darin, Herausforderungen und geschäftliche Möglichkeiten vorherzusehen und dann in Echtzeit auf sie zu reagieren.

Dashboards der Zukunft

Nehmen wir ein analoges Beispiel, um aufzuzeigen, wie sich das Process Mining verbessern lässt. Der technologische Fortschritt soll die Dinge einfacher machen: Denken Sie beispielsweise an den Unterschied zwischen der handschriftlichen Erfassung von Ausgaben und einem Tabellenkalkulator. Stellen Sie sich nun vor, die Tabelle könnte Ihnen genau sagen, wann Sie sie lesen und wo Sie beginnen müssen, und würde Sie auf Fehler und Auslassungen aufmerksam machen, bevor Sie überhaupt bemerkt haben, dass sie Ihnen passiert sind.

Fortschrittliche Process-Mining-Tools bieten Unternehmen, die ihre Arbeitsweise optimieren möchten, genau diese Art der Unterstützung. Denn mit der richtigen Process-Mining-Software können individuelle operative Cockpits erstellt werden, die geschäftliche Daten in Echtzeit mit dem Prozessmanagement verbinden. Der Vorteil: Es werden nicht nur einzelne Prozesse und Ergebnisse kontinuierlich überwacht, sondern auch klare Einblicke in den Gesamtzustand eines Unternehmens geboten.

Durch die richtige Kombination von Process Mining mit den vorhandenen Prozessmodellen eines Unternehmens werden statisch dargestellte Funktionsweisen eines bestimmten Prozesses in dynamische Dashboards umgewandelt. Manager und Mitarbeiter erhalten so Warnungen über potenzielle Probleme und Schwachstellen in Ihren Prozessen. Und denken Sie daran, dynamisch heißt nicht zwingend störend: Die richtige Process-Mining-Software setzt an der richtigen Stelle in Ihren Prozessen an und bietet ein völlig neues Maß an Prozesstransparenz und damit an Prozessverständnis.

Infolgedessen können Transformationsinitiativen und andere Verbesserungspläne jederzeit angepasst und umstrukturiert werden und Entscheidungsträger mittels automatisierter Nachrichten sofort über Probleme informiert werden, sodass sich Korrekturmaßnahmen schneller als je zuvor umsetzen lassen. Der Vorteil: Unternehmen sparen Zeit und Geld, da Zykluszeiten verkürzt, Engpässe lokalisiert und nicht konforme Prozesse in der Prozesslandschaft der Organisation aufgedeckt werden.

Dynamische Dashboards von Signavio

 Testen Sie Signavio Process Intelligence und erleben Sie selbst, wie die modernste und fortschrittlichste Process-Mining-Software Ihnen dabei hilft, umsetzbare Einblicke in die Funktionsweise Ihres Unternehmens zu erhalten. Mit Signavios Live Insights profitieren Sie von einer zentralen Ansicht Ihrer Prozesse und Informationen, die in Form eines Ampelsystems dargestellt werden. Entscheiden Sie einfach, welche Prozesse und Aktivitäten Sie innerhalb eines Prozesses überwachen möchten, platzieren Sie Indikatoren und wählen Sie Grenzwerte aus. Alles Weitere übernimmt Signavio Process Intelligence, das Ihre Prozessmodelle mit den Daten verbindet.

Lassen Sie veraltete Arbeitsweisen hinter sich. Setzen Sie stattdessen auf faktenbasierte Erkenntnisse, um Ihre Geschäftstransformation zu unterstützen und Ihre Prozessmanagementinitiativen schneller zum Erfolg zu führen. Erfahren Sie mehr über Signavio Process Intelligence oder registrieren Sie sich für eine kostenlose 30-Tage-Testversion über www.signavio.com/try.

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Wie passt Machine Learning in eine moderne Data- & Analytics Architektur?

Einleitung

Aufgrund vielfältiger potenzieller Geschäftschancen, die Machine Learning bietet, arbeiten mittlerweile viele Unternehmen an Initiativen für datengetriebene Innovationen. Dabei gründen sie Analytics-Teams, schreiben neue Stellen für Data Scientists aus, bauen intern Know-how auf und fordern von der IT-Organisation eine Infrastruktur für “heavy” Data Engineering & Processing samt Bereitstellung einer Analytics-Toolbox ein. Für IT-Architekten warten hier spannende Herausforderungen, u.a. bei der Zusammenarbeit mit interdisziplinären Teams, deren Mitglieder unterschiedlich ausgeprägte Kenntnisse im Bereich Machine Learning (ML) und Bedarfe bei der Tool-Unterstützung haben. Einige Überlegungen sind dabei: Sollen Data Scientists mit ML-Toolkits arbeiten und eigene maßgeschneiderte Algorithmen nur im Ausnahmefall entwickeln, damit später Herausforderungen durch (unkonventionelle) Integrationen vermieden werden? Machen ML-Funktionen im seit Jahren bewährten ETL-Tool oder in der Datenbank Sinn? Sollen ambitionierte Fachanwender künftig selbst Rohdaten aufbereiten und verknüpfen, um auf das präparierte Dataset einen populären Algorithmus anzuwenden und die Ergebnisse selbst interpretieren? Für die genannten Fragestellungen warten junge & etablierte Software-Hersteller sowie die Open Source Community mit “All-in-one”-Lösungen oder Machine Learning-Erweiterungen auf. Vor dem Hintergrund des Data Science Prozesses, der den Weg eines ML-Modells von der experimentellen Phase bis zur Operationalisierung beschreibt, vergleicht dieser Artikel ausgewählte Ansätze (Notebooks für die Datenanalyse, Machine Learning-Komponenten in ETL- und Datenvisualisierungs­werkzeugen vs. Speziallösungen für Machine Learning) und betrachtet mögliche Einsatzbereiche und Integrationsaspekte.

Data Science Prozess und Teams

Im Zuge des Big Data-Hypes kamen neben Design-Patterns für Big Data- und Analytics-Architekturen auch Begriffsdefinitionen auf, die Disziplinen wie Datenintegration von Data Engineering und Data Science vonein­ander abgrenzen [1]. Prozessmodelle, wie das ab 1996 im Rahmen eines EU-Förderprojekts entwickelte CRISP-DM (CRoss-Industry Standard Process for Data Mining) [2], und Best Practices zur Organisation erfolgreich arbeitender Data Science Teams [3] weisen dabei die Richtung, wie Unternehmen das Beste aus den eigenen Datenschätzen herausholen können. Die Disziplin Data Science beschreibt den, an ein wissenschaftliches Vorgehen angelehnten, Prozess der Nutzung von internen und externen Datenquellen zur Optimierung von Produkten, Dienstleistungen und Prozessen durch die Anwendung statistischer und mathematischer Modelle. Bild 1 stellt in einem Schwimmbahnen-Diagramm einzelne Phasen des Data Science Prozesses den beteiligten Funktionen gegenüber und fasst Erfahrungen aus der Praxis zusammen [5]. Dabei ist die Intensität bei der Zusammenarbeit zwischen Data Scientists und System Engineers insbesondere bei Vorbereitung und Bereitstellung der benötigten Datenquellen und später bei der Produktivsetzung des Ergebnisses hoch. Eine intensive Beanspruchung der Server-Infrastruktur ist in allen Phasen gegeben, bei denen Hands-on (und oft auch massiv parallel) mit dem Datenpool gearbeitet wird, z.B. bei Datenaufbereitung, Training von ML Modellen etc.

Abbildung 1: Beteiligung und Interaktion von Fachbereichs-/IT-Funktionen mit dem Data Science Team

Mitarbeiter vom Technologie-Giganten Google haben sich reale Machine Learning-Systeme näher angesehen und festgestellt, dass der Umsetzungsaufwand für den eigentlichen Kern (= der ML-Code, siehe den kleinen schwarzen Kasten in der Mitte von Bild 2) gering ist, wenn man dies mit der Bereitstellung der umfangreichen und komplexen Infrastruktur inklusive Managementfunktionen vergleicht [4].

Abbildung 2: Versteckte technische Anforderungen in maschinellen Lernsystemen

Konzeptionelle Architektur für Machine Learning und Analytics

Die Nutzung aller verfügbaren Daten für Analyse, Durchführung von Data Science-Projekten, mit den daraus resultierenden Maßnahmen zur Prozessoptimierung und -automatisierung, bedeutet für Unternehmen sich neuen Herausforderungen zu stellen: Einführung neuer Technologien, Anwendung komplexer mathematischer Methoden sowie neue Arbeitsweisen, die in dieser Form bisher noch nicht dagewesen sind. Für IT-Architekten gibt es also reichlich Arbeit, entweder um eine Data Management-Plattform neu aufzubauen oder um das bestehende Informationsmanagement weiterzuentwickeln. Bild 3 zeigt hierzu eine vierstufige Architektur nach Gartner [6], ausgerichtet auf Analytics und Machine Learning.

Abbildung 3: Konzeptionelle End-to-End Architektur für Machine Learning und Analytics

Was hat sich im Vergleich zu den traditionellen Data Warehouse- und Business Intelligence-Architekturen aus den 1990er Jahren geändert? Denkt man z.B. an die Präzisionsfertigung eines komplexen Produkts mit dem Ziel, den Ausschuss weiter zu senken und in der Produktionslinie eine höhere Produktivitätssteigerung (Kennzahl: OEE, Operational Equipment Efficiency) erzielen zu können: Die an der Produktherstellung beteiligten Fertigungsmodule (Spezialmaschinen) messen bzw. detektieren über zahlreiche Sensoren Prozesszustände, speicherprogrammierbare Steuerungen (SPS) regeln dazu die Abläufe und lassen zu Kontrollzwecken vom Endprodukt ein oder mehrere hochauflösende Fotos aufnehmen. Bei diesem Szenario entsteht eine Menge interessanter Messdaten, die im operativen Betrieb häufig schon genutzt werden. Z.B. für eine Echtzeitalarmierung bei Über- oder Unterschreitung von Schwellwerten in einem vorher definierten Prozessfenster. Während früher vielleicht aus Kostengründen nur Statusdaten und Störungsinformationen den Weg in relationale Datenbanken fanden, hebt man heute auch Rohdaten, z.B. Zeitreihen (Kraftwirkung, Vorschub, Spannung, Frequenzen,…) für die spätere Analyse auf.

Bezogen auf den Bereich Acquire bewältigt die IT-Architektur in Bild 3 nun Aufgaben, wie die Übernahme und Speicherung von Maschinen- und Sensordaten, die im Millisekundentakt Datenpunkte erzeugen. Während IoT-Plattformen das Registrieren, Anbinden und Management von Hunderten oder Tausenden solcher datenproduzierender Geräte („Things“) erleichtern, beschreibt das zugehörige IT-Konzept den Umgang mit Protokollen wie MQTT, OPC-UA, den Aufbau und Einsatz einer Messaging-Plattform für Publish-/Subscribe-Modelle (Pub/Sub) zur performanten Weiterverarbeitung von Massendaten im JSON-Dateiformat. Im Bereich Organize etablieren sich neben relationalen Datenbanken vermehrt verteilte NoSQL-Datenbanken zum Persistieren eingehender Datenströme, wie sie z.B. im oben beschriebenen Produktionsszenario entstehen. Für hochauflösende Bilder, Audio-, Videoaufnahmen oder andere unstrukturierte Daten kommt zusätzlich noch Object Storage als alternative Speicherform in Frage. Neben der kostengünstigen und langlebigen Datenauf­bewahrung ist die Möglichkeit, einzelne Objekte mit Metadaten flexibel zu beschreiben, um damit später die Auffindbarkeit zu ermöglichen und den notwendigen Kontext für die Analysen zu geben, hier ein weiterer Vorteil. Mit dem richtigen Technologie-Mix und der konsequenten Umsetzung eines Data Lake– oder Virtual Data Warehouse-Konzepts gelingt es IT-Architekten, vielfältige Analytics Anwendungsfälle zu unterstützen.

Im Rahmen des Data Science Prozesses spielt, neben der sicheren und massenhaften Datenspeicherung sowie der Fähigkeit zur gleichzeitigen, parallelen Verarbeitung großer Datenmengen, das sog. Feature-Engineering eine wichtige Rolle. Dazu wieder ein Beispiel aus der maschinellen Fertigung: Mit Hilfe von Machine Learning soll nach unbekannten Gründen für den zu hohen Ausschuss gefunden werden. Was sind die bestimmenden Faktoren dafür? Beeinflusst etwas die Maschinenkonfiguration oder deuten Frequenzveränderungen bei einem Verschleißteil über die Zeit gesehen auf ein Problem hin? Maschine und Sensoren liefern viele Parameter als Zeitreihendaten, aber nur einige davon sind – womöglich nur in einer bestimmten Kombination – für die Aufgabenstellung wirklich relevant. Daher versuchen Data Scientists bei der Feature-Entwicklung die Vorhersage- oder Klassifikationsleistung der Lernalgorithmen durch Erstellen von Merkmalen aus Rohdaten zu verbessern und mit diesen den Lernprozess zu vereinfachen. Die anschließende Feature-Auswahl wählt bei dem Versuch, die Anzahl von Dimensionen des Trainingsproblems zu verringern, die wichtigste Teilmenge der ursprünglichen Daten-Features aus. Aufgrund dieser und anderer Arbeitsschritte, wie z.B. Auswahl und Training geeigneter Algorithmen, ist der Aufbau eines Machine Learning Modells ein iterativer Prozess, bei dem Data Scientists dutzende oder hunderte von Modellen bauen, bis die Akzeptanzkriterien für die Modellgüte erfüllt sind. Aus technischer Sicht sollte die IT-Architektur auch bei der Verwaltung von Machine Learning Modellen bestmöglich unterstützen, z.B. bei Modell-Versionierung, -Deployment und -Tracking in der Produktions­umgebung oder bei der Automatisierung des Re-Trainings.

Die Bereiche Analyze und Deliver zeigen in Bild 3 einige bekannte Analysefähigkeiten, wie z.B. die Bereitstellung eines Standardreportings, Self-service Funktionen zur Geschäftsplanung sowie Ad-hoc Analyse und Exploration neuer Datasets. Data Science-Aktivitäten können etablierte Business Intelligence-Plattformen inhaltlich ergänzen, in dem sie durch neuartige Kennzahlen, das bisherige Reporting „smarter“ machen und ggf. durch Vorhersagen einen Blick in die nahe Zukunft beisteuern. Machine Learning-as-a-Service oder Machine Learning-Produkte sind alternative Darreichungsformen, um Geschäftsprozesse mit Hilfe von Analytik zu optimieren: Z.B. integriert in einer Call Center-Applikation, die mittels Churn-Indikatoren zu dem gerade anrufenden erbosten Kunden einen Score zu dessen Abwanderungswilligkeit zusammen mit Handlungsempfehlungen (Gutschein, Rabatt) anzeigt. Den Kunden-Score oder andere Risikoeinschätzungen liefert dabei eine Service Schnittstelle, die von verschiedenen unternehmensinternen oder auch externen Anwendungen (z.B. Smartphone-App) eingebunden und in Echtzeit angefragt werden kann. Arbeitsfelder für die IT-Architektur wären in diesem Zusammenhang u.a. Bereitstellung und Betrieb (skalierbarer) ML-Modelle via REST API’s in der Produktions­umgebung inklusive Absicherung gegen unerwünschten Zugriff.

Ein klassischer Ansatz: Datenanalyse und Machine Learning mit Jupyter Notebook & Python

Jupyter ist ein Kommandozeileninterpreter zum interaktiven Arbeiten mit der Programmiersprache Python. Es handelt sich dabei nicht nur um eine bloße Erweiterung der in Python eingebauten Shell, sondern um eine Softwaresuite zum Entwickeln und Ausführen von Python-Programmen. Funktionen wie Introspektion, Befehlszeilenergänzung, Rich-Media-Einbettung und verschiedene Editoren (Terminal, Qt-basiert oder browserbasiert) ermöglichen es, Python-Anwendungen als auch Machine Learning-Projekte komfortabel zu entwickeln und gleichzeitig zu dokumentieren. Datenanalysten sind bei der Arbeit mit Juypter nicht auf Python als Programmiersprache begrenzt, sondern können ebenso auch sog. Kernels für Julia, R und vielen anderen Sprachen einbinden. Ein Jupyter Notebook besteht aus einer Reihe von “Zellen”, die in einer Sequenz angeordnet sind. Jede Zelle kann entweder Text oder (Live-)Code enthalten und ist beliebig verschiebbar. Texte lassen sich in den Zellen mit einer einfachen Markup-Sprache formatieren, komplexe Formeln wie mit einer Ausgabe in LaTeX darstellen. Code-Zellen enthalten Code in der Programmiersprache, die dem aktiven Notebook über den entsprechenden Kernel (Python 2 Python 3, R, etc.) zugeordnet wurde. Bild 4 zeigt auszugsweise eine Analyse historischer Hauspreise in Abhängigkeit ihrer Lage in Kalifornien, USA (Daten und Notebook sind öffentlich erhältlich [7]). Notebooks erlauben es, ganze Machine Learning-Projekte von der Datenbeschaffung bis zur Evaluierung der ML-Modelle reproduzierbar abzubilden und lassen sich gut versionieren. Komplexe ML-Modelle können in Python mit Hilfe des Pickle Moduls, das einen Algorithmus zur Serialisierung und De-Serialisierung implementiert, ebenfalls transportabel gemacht werden.

 

Abbildung 4: Datenbeschaffung, Inspektion, Visualisierung und ML Modell-Training in einem Jupyter Notebook (Pro-grammiersprache: Python)

Ein Problem, auf das man bei der praktischen Arbeit mit lokalen Jupyter-Installationen schnell stößt, lässt sich mit dem “works on my machine”-Syndrom bezeichnen. Kleine Data Sets funktionieren problemlos auf einem lokalen Rechner, wenn sie aber auf die Größe des Produktionsdatenbestandes migriert werden, skaliert das Einlesen und Verarbeiten aller Daten mit einem einzelnen Rechner nicht. Aufgrund dieser Begrenzung liegt der Aufbau einer server-basierten ML-Umgebung mit ausreichend Rechen- und Speicherkapazität auf der Hand. Dabei ist aber die Einrichtung einer solchen ML-Umgebung, insbesondere bei einer on-premise Infrastruktur, eine Herausforderung: Das Infrastruktur-Team muss physische Server und/oder virtuelle Maschinen (VM’s) auf Anforderung bereitstellen und integrieren. Dieser Ansatz ist aufgrund vieler manueller Arbeitsschritte zeitaufwändig und fehleranfällig. Mit dem Einsatz Cloud-basierter Technologien vereinfacht sich dieser Prozess deutlich. Die Möglichkeit, Infrastructure on Demand zu verwenden und z.B. mit einem skalierbaren Cloud-Data Warehouse zu kombinieren, bietet sofortigen Zugriff auf Rechen- und Speicher-Ressourcen, wann immer sie benötigt werden und reduziert den administrativen Aufwand bei Einrichtung und Verwaltung der zum Einsatz kommenden ML-Software. Bild 5 zeigt den Code-Ausschnitt aus einem Jupyter Notebook, das im Rahmen des Cloud Services Amazon SageMaker bereitgestellt wird und via PySpark Kernel auf einen Multi-Node Apache Spark Cluster (in einer Amazon EMR-Umgebung) zugreift. In diesem Szenario wird aus einem Snowflake Cloud Data Warehouse ein größeres Data Set mit 220 Millionen Datensätzen via Spark-Connector komplett in ein Spark Dataframe geladen und im Spark Cluster weiterverarbeitet. Den vollständigen Prozess inkl. Einrichtung und Konfiguration aller Komponenten, beschreibt eine vierteilige Blog-Serie [8]). Mit Spark Cluster sowie Snowflake stehen für sich genommen zwei leistungsfähige Umgebungen für rechenintensive Aufgaben zur Verfügung. Mit dem aktuellen Snowflake Connector für Spark ist eine intelligente Arbeitsteilung mittels Query Pushdown erreichbar. Dabei entscheidet Spark’s optimizer (Catalyst), welche Aufgaben (Queries) aufgrund der effizienteren Verarbeitung an Snowflake delegiert werden [9].

Abbildung 5: Jupyter Notebook in der Cloud – integriert mit Multi-Node Spark Cluster und Snowflake Cloud Data Warehouse

Welches Machine Learning Framework für welche Aufgabenstellung?

Bevor die nächsten Abschnitte weitere Werkzeuge und Technologien betrachten, macht es nicht nur für Data Scientists sondern auch für IT-Architekten Sinn, zunächst einen Überblick auf die derzeit verfügbaren Machine Learning Frameworks zu bekommen. Aus Architekturperspektive ist es wichtig zu verstehen, welche Aufgabenstellungen die jeweiligen ML-Frameworks adressieren, welche technischen Anforderungen und ggf. auch Abhängigkeiten zu den verfügbaren Datenquellen bestehen. Ein gemeinsamer Nenner vieler gescheiterter Machine Learning-Projekte ist häufig die Auswahl des falschen Frameworks. Ein Beispiel: TensorFlow ist aktuell eines der wichtigsten Frameworks zur Programmierung von neuronalen Netzen, Deep Learning Modellen sowie anderer Machine Learning Algorithmen. Während Deep Learning perfekt zur Untersuchung komplexer Daten wie Bild- und Audiodaten passt, wird es zunehmend auch für Use Cases benutzt, für die andere Frameworks besser geeignet sind. Bild 6 zeigt eine kompakte Entscheidungsmatrix [10] für die derzeit verbreitetsten ML-Frameworks und adressiert häufige Praxisprobleme: Entweder werden Algorithmen benutzt, die für den Use Case nicht oder kaum geeignet sind oder das gewählte Framework kann die aufkommenden Datenmengen nicht bewältigen. Die Unterteilung der Frameworks in Small Data, Big Data und Complex Data ist etwas plakativ, soll aber bei der Auswahl der Frameworks nach Art und Volumen der Daten helfen. Die Grenze zwischen Big Data zu Small Data ist dabei dort zu ziehen, wo die Datenmengen so groß sind, dass sie nicht mehr auf einem einzelnen Computer, sondern in einem verteilten Cluster ausgewertet werden müssen. Complex Data steht in dieser Matrix für unstrukturierte Daten wie Bild- und Audiodateien, für die sich Deep Learning Frameworks sehr gut eignen.

Abbildung 6: Entscheidungsmatrix zu aktuell verbreiteten Machine Learning Frameworks

Self-Service Machine Learning in Business Intelligence-Tools

Mit einfach zu bedienenden Business Intelligence-Werkzeugen zur Datenvisualisierung ist es für Analytiker und für weniger technisch versierte Anwender recht einfach, komplexe Daten aussagekräftig in interaktiven Dashboards zu präsentieren. Hersteller wie Tableau, Qlik und Oracle spielen ihre Stärken insbesondere im Bereich Visual Analytics aus. Statt statische Berichte oder Excel-Dateien vor dem nächsten Meeting zu verschicken, erlauben moderne Besprechungs- und Kreativräume interaktive Datenanalysen am Smartboard inklusive Änderung der Abfragefilter, Perspektivwechsel und Drill-downs. Im Rahmen von Data Science-Projekten können diese Werkzeuge sowohl zur Exploration von Daten als auch zur Visualisierung der Ergebnisse komplexer Machine Learning-Modelle sinnvoll eingesetzt werden. Prognosen, Scores und weiterer ML-Modell-Output lässt sich so schneller verstehen und unterstützt die Entscheidungsfindung bzw. Ableitung der nächsten Maßnahmen für den Geschäftsprozess. Im Rahmen einer IT-Gesamtarchitektur sind Analyse-Notebooks und Datenvisualisierungswerkzeuge für die Standard-Analytics-Toolbox Unternehmens gesetzt. Mit Hinblick auf effiziente Team-Zusammenarbeit, unternehmensinternen Austausch und Kommunikation von Ergebnissen sollte aber nicht nur auf reine Desktop-Werkzeuge gesetzt, sondern Server-Lösungen betrachtet und zusammen mit einem Nutzerkonzept eingeführt werden, um zehnfache Report-Dubletten, konkurrierende Statistiken („MS Excel Hell“) einzudämmen.

Abbildung 7: Datenexploration in Tableau – leicht gemacht für Fachanwender und Data Scientists

 

Zusätzliche Statistikfunktionen bis hin zur Möglichkeit R- und Python-Code bei der Analyse auszuführen, öffnet auch Fachanwender die Tür zur Welt des Maschinellen Lernens. Bild 7 zeigt das Werkzeug Tableau Desktop mit der Analyse kalifornischer Hauspreise (demselben Datensatz wie oben im Jupyter Notebook-Abschnitt wie in Bild 4) und einer Heatmap-Visualisierung zur Hervorhebung der teuersten Wohnlagen. Mit wenigen Klicks ist auch der Einsatz deskriptiver Statistik möglich, mit der sich neben Lagemaßen (Median, Quartilswerte) auch Streuungsmaße (Spannweite, Interquartilsabstand) sowie die Form der Verteilung direkt aus dem Box-Plot in Bild 7 ablesen und sogar über das Vorhandensein von Ausreißern im Datensatz eine Feststellung treffen lassen. Vorteil dieser Visualisierungen sind ihre hohe Informationsdichte, die allerdings vom Anwender auch richtig interpretiert werden muss. Bei der Beurteilung der Attribute, mit ihren Wertausprägungen und Abhängigkeiten innerhalb des Data Sets, benötigen Citizen Data Scientists (eine Wortschöpfung von Gartner) allerdings dann doch die mathematischen bzw. statistischen Grundlagen, um Falschinterpretationen zu vermeiden. Fraglich ist auch der Nutzen des Data Flow Editors [11] in Oracle Data Visualization, mit dem eins oder mehrere der im Werkzeug integrierten Machine Learning-Modelle trainiert und evaluiert werden können: technisch lassen sich Ergebnisse erzielen und anhand einiger Performance-Metriken die Modellgüte auch bewerten bzw. mit anderen Modellen vergleichen – aber wer kann die erzielten Ergebnisse (wissenschaftlich) verteidigen? Gleiches gilt für die Integration vorhandener R- und Python Skripte, die am Ende dann doch eine Einweisung der Anwender bzgl. Parametrisierung der ML-Modelle und Interpretationshilfen bei den erzielten Ergebnissen erfordern.

Machine Learning in und mit Datenbanken

Die Nutzung eingebetteter 1-click Analytics-Funktionen der oben vorgestellten Data Visualization-Tools ist zweifellos komfortabel und zum schnellen Experimentieren geeignet. Der gegenteilige und eher puristische Ansatz wäre dagegen die Implementierung eigener Machine Learning Modelle in der Datenbank. Für die Umsetzung des gewählten Algorithmus reichen schon vorhandene Bordmittel in der Datenbank aus: SQL inklusive mathematischer und statistische SQL-Funktionen, Tabellen zum Speichern der Ergebnisse bzw. für das ML-Modell-Management und Stored Procedures zur Abbildung komplexer Geschäftslogik und auch zur Ablaufsteuerung. Solange die Algorithmen ausreichend skalierbar sind, gibt es viele gute Gründe, Ihre Data Warehouse Engine für ML einzusetzen:

  • Einfachheit – es besteht keine Notwendigkeit, eine andere Compute-Plattform zu managen, zwischen Systemen zu integrieren und Daten zu extrahieren, transferieren, laden, analysieren usw.
  • Sicherheit – Die Daten bleiben dort, wo sie gut geschützt sind. Es ist nicht notwendig, Datenbank-Anmeldeinformationen in externen Systemen zu konfigurieren oder sich Gedanken darüber zu machen, wo Datenkopien verteilt sein könnten.
  • Performance – Eine gute Data Warehouse Engine verwaltet zur Optimierung von SQL Abfragen viele Metadaten, die auch während des ML-Prozesses wiederverwendet werden könnten – ein Vorteil gegenüber General-purpose Compute Plattformen.

Die Implementierung eines minimalen, aber legitimen ML-Algorithmus wird in [12] am Beispiel eines Entscheidungsbaums (Decision Tree) im Snowflake Data Warehouse gezeigt. Decision Trees kommen für den Aufbau von Regressions- oder Klassifikationsmodellen zum Einsatz, dabei teilt man einen Datensatz in immer kleinere Teilmengen auf, die ihrerseits in einem Baum organisiert sind. Bild 8 zeigt die Snowflake Benutzer­oberfläche und ein Ausschnitt von der Stored Procedure, die dynamisch alle SQL-Anweisungen zur Berechnung des Decision Trees nach dem ID3 Algorithmus [13] generiert.

Abbildung 8: Snowflake SQL-Editor mit Stored Procedure zur Berechnung eines Decission Trees

Allerdings ist der Entwicklungs- und Implementierungsprozess für ein Machine Learning Modell umfassender: Es sind relevante Daten zu identifizieren und für das ML-Modell vorzubereiten. Einfach Rohdaten bzw. nicht aggregierten Informationen aus Datenbanktabellen zu extrahieren reicht nicht aus, stattdessen benötigt ein ML-Modell als Input eine flache, meist sehr breite Tabelle mit vielen Aggregaten, die als Features bezeichnet werden. Erst dann kann der Prozess fortgesetzt und der für die Aufgabenstellung ausgewählte Algorithmus trainiert und die Modellgüte bewertet werden. Ist das Ergebnis zufriedenstellend, steht die Implementierung des ML-Modells in der Zielumgebung an und muss sich künftig beim Scoring „frischer Datensätze“ bewähren. Viele zeitaufwändige Teilaufgaben also, bei der zumindest eine Teilautomatisierung wünschenswert wäre. Allein die Datenaufbereitung kann schon bis zu 70…80% der gesamten Projektzeit beanspruchen. Und auch die Implementierung eines ML-Modells wird häufig unterschätzt, da in Produktionsumgebungen der unterstützte Technologie-Stack definiert und ggf. für Machine Learning-Aufgaben erweitert werden muss. Daher ist es reizvoll, wenn das Datenbankmanagement-System auch hier einsetzbar ist – sofern die geforderten Algorithmen dort abbildbar sind. Wie ein ML-Modell für die Kundenabwanderungsprognose (Churn Prediction) werkzeuggestützt mit Xpanse AI entwickelt und beschleunigt im Snowflake Cloud Data Warehouse bereitgestellt werden kann, beschreibt [14] sehr anschaulich: Die benötigten Datenextrakte sind schnell aus Snowflake entladen und stellen den Input für ein neues Xpanse AI-Projekt dar. Sobald notwendige Tabellenverknüpfungen und andere fachliche Informationen hinterlegt sind, analysiert das Tool Datenstrukturen und transformiert alle Eingangstabellen in eine flache Zwischentabelle (u.U. mit Hunderten von Spalten), auf deren Basis im Anschluss ML-Modelle trainiert werden. Nach dem ML-Modell-Training erfolgt die Begutachtung der Ergebnisse: das erstellte Dataset, Güte des ML-Modells und der generierte SQL(!) ETL-Code zur Erstellung der Zwischentabelle sowie die SQL-Repräsentation des ML-Modells, das basierend auf den Input-Daten Wahrscheinlichkeitswerte berechnet und in einer Scoring-Tabelle ablegt. Die Vorteile dieses Ansatzes sind liegen auf der Hand: kürzere Projektzeiten, der Einsatz im Rahmen des Snowflake Cloud Data Warehouse, macht das Experimentieren mit der Zuweisung dedizierter Compute-Ressourcen für die performante Verarbeitung äußerst einfach. Grenzen liegen wiederum bei der zur Verfügung stehenden Algorithmen.

Spezialisierte Software Suites für Machine Learning

Während sich im Markt etablierte Business Intelligence- und Datenintegrationswerkzeuge mit Erweiterungen zur Ausführung von Python- und R-Code als notwendigen Bestandteil der Analyse-Toolbox für den Data Science Prozess positionieren, gibt es daneben auch Machine-Learning-Plattformen, die auf die Arbeit mit künstlicher Intelligenz (KI) zugeschnittenen sind. Für den Einstieg in Data Science bieten sich die oft vorhandenen quelloffenen Distributionen an, die auch über Enterprise-Versionen mit erweiterten Möglichkeiten für beschleunigtes maschinelles Lernen durch Einsatz von Grafikprozessoren (GPUs), bessere Skalierung sowie Funktionen für das ML-Modell Management (z.B. durch Versionsmanagement und Automatisierung) verfügen.

Eine beliebte Machine Learning-Suite ist das Open Source Projekt H2O. Die Lösung des gleichnamigen kalifornischen Unternehmens verfügt über eine R-Schnittstelle und ermöglicht Anwendern dieser statistischen Programmiersprache Vorteile in puncto Performance. Die in H2O verfügbaren Funktionen und Algorithmen sind optimiert und damit eine gute Alternative für das bereits standardmäßig in den R-Paketen verfügbare Funktionsset. H2O implementiert Algorithmen aus dem Bereich Statistik, Data-Mining und Machine Learning (generalisierte Lineare Modelle, K-Means, Random Forest, Gradient Boosting und Deep Learning) und bietet mit einer In-Memory-Architektur und durch standardmäßige Parallelisierung über alle vorhandenen Prozessorkerne eine gute Basis, um komplexe Machine-Learning-Modelle schneller trainieren zu können. Bild 9 zeigt wieder anhand des Datensatzes zur Analyse der kalifornischen Hauspreise die webbasierte Benutzeroberfläche H20 Flow, die den oben beschriebenen Juypter Notebook-Ansatz mit zusätzlich integrierter Benutzerführung für die wichtigsten Prozessschritte eines Machine-Learning-Projektes kombiniert. Mit einigen Klicks kann das California Housing Dataset importiert, in einen H2O-spezifischen Dataframe umgewandelt und anschließend in Trainings- und Testdatensets aufgeteilt werden. Auswahl, Konfiguration und Training der Machine Learning-Modelle erfolgt entweder durch den Anwender im Einsteiger-, Fortgeschrittenen- oder Expertenmodus bzw. im Auto-ML-Modus. Daran anschließend erlaubt H20 Flow die Vorhersage für die Zielvariable (im Beispiel: Hauspreis) für noch unbekannte Datensätze und die Aufbereitung der Ergebnismenge. Welche Unterstützung H2O zur Produktivsetzung von ML-Modellen anbietet, wird an einem Beispiel in den folgenden Abschnitten betrachtet.

Abbildung 9: H2O Flow Benutzeroberfläche – Datenaufbereitung, ML-Modell-Training und Evaluierung.

Vom Prototyp zur produktiven Machine Learning-Lösung

Warum ist es für viele Unternehmen noch schwer, einen Nutzen aus ihren ersten Data Science-Aktivitäten, Data Labs etc. zu ziehen? In der Praxis zeigt sich, erst durch Operationalisierung von Machine Learning-Resultaten in der Produktionsumgebung entsteht echter Geschäftswert und nur im Tagesgeschäft helfen robuste ML-Modelle mit hoher Güte bei der Erreichung der gesteckten Unternehmensziele. Doch leider erweist sich der Weg vom Prototypen bis hin zum Produktiveinsatz bei vielen Initativen noch als schwierig. Bild 10 veranschaulicht ein typisches Szenario: Data Science-Teams fällt es in ihrer Data Lab-Umgebung technisch noch leicht, Prototypen leistungsstarker ML-Modelle mit Hilfe aktueller ML-Frameworks wie TensorFlow-, Keras- und Word2Vec auf ihren Laptops oder in einer Sandbox-Umgebung zu erstellen. Doch je nach verfügbarer Infrastruktur kann, wegen Begrenzungen bei Rechenleistung oder Hauptspeicher, nur ein Subset der Produktionsdaten zum Trainieren von ML-Modellen herangezogen werden. Ergebnispräsentationen an die Stakeholder der Data Science-Projekte erfolgen dann eher durch Storytelling in MS Powerpoint bzw. anhand eines Demonstrators – selten aber technisch schon so umgesetzt, dass anderere Applikationen z.B. über eine REST-API von dem neuen Risiko Scoring-, dem Bildanalyse-Modul etc. (testweise) Gebrauch machen können. Ausgestattet mit einer Genehmigung vom Management, übergibt das Data Science-Team ein (trainiertes) ML-Modell an das Software Engineering-Team. Nach der Übergabe muss sich allerdings das Engineering-Team darum kümmern, dass das ML-Modell in eine für den Produktionsbetrieb akzeptierte Programmiersprache, z.B. in Java, neu implementiert werden muss, um dem IT-Unternehmensstandard (siehe Line of Governance in Bild 10) bzw. Anforderungen an Skalierbarkeit und Laufzeitverhalten zu genügen. Manchmal sind bei einem solchen Extraschritt Abweichungen beim ML-Modell-Output und in jedem Fall signifikante Zeitverluste beim Deployment zu befürchten.

Abbildung 10: Übergabe von Machine Learning-Resultaten zur Produktivsetzung im Echtbetrieb

Unterstützt das Data Science-Team aktiv bei dem Deployment, dann wäre die Einbettung des neu entwickelten ML-Modells in eine Web-Applikation eine beliebte Variante, bei der typischerweise Flask, Tornado (beides Micro-Frameworks für Python) und Shiny (ein auf R basierendes HTML5/CSS/JavaScript Framework) als Technologiekomponenten zum Zuge kommen. Bei diesem Vorgehen müssen ML-Modell, Daten und verwendete ML-Pakete/Abhängigkeiten in einem Format verpackt werden, das sowohl in der Data Science Sandbox als auch auf Produktionsservern lauffähig ist. Für große Unternehmen kann dies einen langwierigen, komplexen Softwareauslieferungsprozess bedeuten, der ggf. erst noch zu etablieren ist. In dem Zusammenhang stellt sich die Frage, wie weit die Erfahrung des Data Science-Teams bei der Entwicklung von Webanwendungen reicht und Aspekte wie Loadbalancing und Netzwerkverkehr ausreichend berücksichtigt? Container-Virtualisierung, z.B. mit Docker, zur Isolierung einzelner Anwendungen und elastische Cloud-Lösungen, die on-Demand benötigte Rechenleistung bereitstellen, können hier Abhilfe schaffen und Teil der Lösungsarchitektur sein. Je nach analytischer Aufgabenstellung ist das passende technische Design [15] zu wählen: Soll das ML-Modell im Batch- oder Near Realtime-Modus arbeiten? Ist ein Caching für wiederkehrende Modell-Anfragen vorzusehen? Wie wird das Modell-Deployment umgesetzt, In-Memory, Code-unabhängig durch Austauschformate wie PMML, serialisiert via R- oder Python-Objekte (Pickle) oder durch generierten Code? Zusätzlich muss für den Produktiveinsatz von ML-Modellen auch an unterstützenden Konzepten zur Bereitstellung, Routing, Versions­management und Betrieb im industriellen Maßstab gearbeitet werden, damit zuverlässige Machine Learning-Produkte bzw. -Services zur internen und externen Nutzung entstehen können (siehe dazu Bild 11)

Abbildung 11: Unterstützende Funktionen für produktive Machine Learning-Lösungen

Die Deployment-Variante „Machine Learning Code-Generierung“ lässt sich gut an dem bereits mit H2O Flow besprochenen Beispiel veranschaulichen. Während Bild 9 hierzu die Schritte für Modellaufbau, -training und -test illustriert, zeigt Bild 12 den Download-Vorgang für den zuvor generierten Java-Code zum Aufbau eines ML-Modells zur Vorhersage kalifornischer Hauspreise. In dem generierten Java-Code sind die in H2O Flow vorgenommene Datenaufbereitung sowie alle Konfigurationen für den Gradient Boosting Machine (GBM)-Algorithmus gut nachvollziehbar, Bild 13 gibt mit den ersten Programmzeilen einen ersten Eindruck dazu und erinnert gleichzeitig an den ähnlichen Ansatz der oben mit dem Snowflake Cloud Data Warehouse und dem Tool Xpanse AI bereits beschrieben wurde.

Abbildung 12: H2O Flow Benutzeroberfläche – Java-Code Generierung und Download eines trainierten Models

Abbildung 13: Generierter Java-Code eines Gradient Boosted Machine – Modells zur Vorhersage kaliforn. Hauspreise

Nach Abschluss der Machine Learning-Entwicklung kann der Java-Code des neuen ML-Modells, z.B. unter Verwendung der Apache Kafka Streams API, zu einer Streaming-Applikation hinzugefügt und publiziert werden [16]. Vorteil dabei: Die Kafka Streams-Applikation ist selbst eine Java-Applikation, in die der generierte Code des ML-Modells eingebettet werden kann (siehe Bild 14). Alle zukünftigen Events, die neue Immobilien-Datensätze zu Häusern aus Kalifornien mit (denselben) Features wie Geoposition, Alter des Gebäudes, Anzahl Zimmer etc. enthalten und als ML-Modell-Input über Kafka Streams hereinkommen, werden mit einer Vorhersage des voraussichtlichen Gebäudepreises von dem auf historischen Daten trainierten ML-Algorithmus beantwortet. Ein Vorteil dabei: Weil die Kafka Streams-Applikation unter der Haube alle Funktionen von Apache Kafka nutzt, ist diese neue Anwendung bereits für den skalierbaren und geschäftskritischen Einsatz ausgelegt.

Abbildung 14: Deployment des generierten Java-Codes eines H2O ML-Models in einer Kafka Streams-Applikation

Machine Learning as a Service – “API-first” Ansatz

In den vorherigen Abschnitten kam bereits die Herausforderung zur Sprache, wenn es um die Überführung der Ergebnisse eines Datenexperiments in eine Produktivumgebung geht. Während die Mehrheit der Mitglieder eines Data Science Teams bevorzugt R, Python (und vermehrt Julia) als Programmiersprache einsetzen, gibt es auf der Abnehmerseite das Team der Softwareingenieure, die für technische Implementierungen in der Produktionsumgebung zuständig sind, womöglich einen völlig anderen Technologie-Stack verwenden (müssen). Im Extremfall droht das Neuimplementieren eines Machine Learning-Modells, im besseren Fall kann Code oder die ML-Modellspezifikation transferiert und mit wenig Aufwand eingebettet (vgl. das Beispiel H2O und Apache Kafka Streams Applikation) bzw. direkt in einer neuen Laufzeitumgebung ausführbar gemacht werden. Alternativ wählt man einen „API-first“-Ansatz und entkoppelt das Zusammenwirken von unterschiedlich implementierten Applikationen bzw. -Applikationsteilen via Web-API’s. Data Science-Teams machen hierzu z.B. die URL Endpunkte ihrer testbereiten Algorithmen bekannt, die von anderen Softwareentwicklern für eigene „smarte“ Applikationen konsumiert werden. Durch den Aufbau von REST-API‘s kann das Data Science-Team den Code ihrer ML-Modelle getrennt von den anderen Teams weiterentwickeln und damit eine Arbeitsteilung mit klaren Verantwortlichkeiten herbeiführen, ohne Teamkollegen, die nicht am Machine Learning-Aspekt des eines Projekts beteiligt sind, bei ihrer Arbeit zu blockieren.

Bild 15 zeigt ein einfaches Szenario, bei dem die Gegenstandserkennung von beliebigen Bildern mit einem Deep Learning-Verfahren umgesetzt ist. Einzelne Fotos können dabei via Kommandozeileneditor als Input für die Bildanalyse an ein vortrainiertes Machine Learning-Modell übermittelt werden. Die Information zu den erkannten Gegenständen inkl. Wahrscheinlichkeitswerten kommt dafür im Gegenzug als JSON-Ausgabe zurück. Für die Umsetzung dieses Beispiels wurde in Python auf Basis der Open Source Deep-Learning-Bibliothek Keras, ein vortrainiertes ML-Modell mit Hilfe des Micro Webframeworks Flask über eine REST-API aufrufbar gemacht. Die in [17] beschriebene Applikation kümmert sich außerdem darum, dass beliebige Bilder via cURL geladen, vorverarbeitet (ggf. Wandlung in RGB, Standardisierung der Bildgröße auf 224 x 224 Pixel) und dann zur Klassifizierung der darauf abgebildeten Gegenstände an das ML-Modell übergeben wird. Das ML-Modell selbst verwendet eine sog. ResNet50-Architektur (die Abkürzung steht für 50 Layer Residual Network) und wurde auf Grundlage der öffentlichen ImageNet Bilddatenbank [18] vortrainiert. Zu dem ML-Modell-Input (in Bild 15: Fußballspieler in Aktion) meldet das System für den Tester nachvollziehbare Gegenstände wie Fußball, Volleyball und Trikot zurück, fragliche Klassifikationen sind dagegen Taschenlampe (Torch) und Schubkarre (Barrow).

Abbildung 15: Gegenstandserkennung mit Machine Learning und vorgegebenen Bildern via REST-Service

Bei Aufbau und Bereitstellung von Machine Learning-Funktionen mittels REST-API’s bedenken IT-Architekten und beteiligte Teams, ob der Einsatzzweck eher Rapid Prototyping ist oder eine weitreichende Nutzung unterstützt werden muss. Während das oben beschriebene Szenario mit Python, Keras und Flask auf einem Laptop realisierbar ist, benötigen skalierbare Deep Learning Lösungen mehr Aufmerksamkeit hinsichtlich der Deployment-Architektur [19], in dem zusätzlich ein Message Broker mit In-Memory Datastore eingehende bzw. zu analysierende Bilder puffert und dann erst zur Batch-Verarbeitung weiterleitet usw. Der Einsatz eines vorgeschalteten Webservers, Load Balancers, Verwendung von Grafikprozessoren (GPUs) sind weitere denkbare Komponenten für eine produktive ML-Architektur.

Als abschließendes Beispiel für einen leistungsstarken (und kostenpflichtigen) Machine Learning Service soll die Bildanalyse von Google Cloud Vision [20] dienen. Stellt man dasselbe Bild mit der Fußballspielszene von Bild 15 und Bild 16 bereit, so erkennt der Google ML-Service neben den Gegenständen weit mehr Informationen: Kontext (Teamsport, Bundesliga), anhand der Gesichtserkennung den Spieler selbst  und aktuelle bzw. vorherige Mannschaftszugehörigkeiten usw. Damit zeigt sich am Beispiel des Tech-Giganten auch ganz klar: Es kommt vorallem auf die verfügbaren Trainingsdaten an, inwieweit dann mit Algorithmen und einer dazu passenden Automatisierung (neue) Erkenntnisse ohne langwierigen und teuren manuellen Aufwand gewinnen kann. Einige Unternehmen werden feststellen, dass ihr eigener – vielleicht einzigartige – Datenschatz einen echten monetären Wert hat?

Abbildung 16: Machine Learning Bezahlprodukt (Google Vision)

Fazit

Machine Learning ist eine interessante “Challenge” für Architekten. Folgende Punkte sollte man bei künftigen Initativen berücksichtigen:

  • Finden Sie das richtige Geschäftsproblem bzw geeignete Use Cases
  • Identifizieren und definieren Sie die Einschränkungen (Sind z.B. genug Daten vorhanden?) für die zu lösende Aufgabenstellung
  • Nehmen Sie sich Zeit für das Design von Komponenten und Schnittstellen
  • Berücksichtigen Sie frühzeitig mögliche organisatorische Gegebenheiten und Einschränkungen
  • Denken Sie nicht erst zum Schluss an die Produktivsetzung Ihrer analytischen Modelle oder Machine Learning-Produkte
  • Der Prozess ist insgesamt eine Menge Arbeit, aber es ist keine Raketenwissenschaft.

Quellenverzeichnis

[1] Bill Schmarzo: “What’s the Difference Between Data Integration and Data Engineering?”, LinkedIn Pulse -> Link, 2018
[2] William Vorhies: “CRISP-DM – a Standard Methodology to Ensure a Good Outcome”, Data Science Central -> Link, 2016
[3] Bill Schmarzo: “A Winning Game Plan For Building Your Data Science Team”, LinkedIn Pulse -> Link, 2018
[4] D. Sculley, G. Holt, D. Golovin, E. Davydov, T. Phillips, D. Ebner, V. Chaudhary, M. Young, J.-F. Crespo, D. Dennison: “Hidden technical debt in Machine learning systems”. In NIPS’15 Proceedings of the 28th International Conference on Neural Information Processing Systems – Volume 2, 2015
[5] K. Bollhöfer: „Data Science – the what, the why and the how!“, Präsentation von The unbelievable Machine Company, 2015
[6] Carlton E. Sapp: “Preparing and Architecting for Machine Learning”, Gartner, 2017
[7] A. Geron: “California Housing” Dataset, Jupyter Notebook. GitHub.com -> Link, 2018
[8] R. Fehrmann: “Connecting a Jupyter Notebook to Snowflake via Spark” -> Link, 2018
[9] E. Ma, T. Grabs: „Snowflake and Spark: Pushing Spark Query Processing to Snowflake“ -> Link, 2017
[10] Dr. D. James: „Entscheidungsmatrix „Machine Learning“, it-novum.com ->  Link, 2018
[11] Oracle Analytics@YouTube: “Oracle DV – ML Model Comparison Example”, Video -> Link
[12] J. Weakley: Machine Learning in Snowflake, Towards Data Science Blog -> Link, 2019
[13] Dr. S. Sayad: An Introduction to Data Science, Website -> Link, 2019
[14] U. Bethke: Build a Predictive Model on Snowflake in 1 day with Xpanse AI, Blog à Link, 2019
[15] Sergei Izrailev: Design Patterns for Machine Learning in Production, Präsentation H2O World, 2017
[16] K. Wähner: How to Build and Deploy Scalable Machine Learning in Production with Apache Kafka, Confluent Blog -> Link, 2017
[17] A. Rosebrock: “Building a simple Keras + deep learning REST API”, The Keras Blog -> Link, 2018
[18] Stanford Vision Lab, Stanford University, Princeton University: Image database, Website -> Link
[19] A. Rosebrock: “A scalable Keras + deep learning REST API”, Blog -> Link, 2018
[20] Google Cloud Vision API (Beta Version) -> Link, abgerufen 2018

 

 

 

 

Von BI zu PI: Der nächste Schritt auf dem Weg zu datengetriebenen Entscheidungen

„Alles ist stetig und fortlaufend im Wandel.“ „Das Tempo der Veränderungen nimmt zu.“ „Die Welt wird immer komplexer und Unternehmen müssen Schritt halten.“ Unternehmen jeder Art und Größe haben diese Sätze schon oft gehört – vielleicht zu oft! Und dennoch ist es für den Erfolg eines Unternehmens von entscheidender Bedeutung, sich den Veränderungen anzupassen.


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“From BI to PI: The Next Step in the Evolution of Data-Driven Decisions”


Sie müssen die zugrunde liegenden organisatorischen Bausteine verstehen, um sicherzustellen, dass die von Ihnen getroffenen Entscheidungen sich auch in die richtige Richtung entwickeln. Es geht sozusagen um die DNA Ihres Unternehmens: die Geschäftsprozesse, auf denen Ihre Arbeitsweise basiert, und die alles zu einer harmonischen Einheit miteinander verbinden. Zu verstehen, wie diese Prozesse verlaufen und an welcher Stelle es Verbesserungsmöglichkeiten gibt, kann den Unterschied zwischen Erfolg und Misserfolg ausmachen.

Unternehmen, die ihren Fokus auf Wachstum gesetzt haben, haben dies bereits erkannt. In der Vergangenheit wurde Business Intelligence als die Lösung für diese Herausforderung betrachtet. In jüngerer Zeit sehen sich zukunftsorientierte Unternehmen damit konfrontiert, Lösungen zu überwachen, die mit dem heutigen Tempo der Veränderungen Schritt halten können. Gleichzeitig erkennen diese Unternehmen, dass die zunehmende Komplexität der Geschäftsprozesse dazu führt, dass herkömmliche Methoden nicht mehr ausreichen.

Anpassung an ein sich änderndes Umfeld? Die Herausforderungen von BI

Business Intelligence ist nicht notwendigerweise überholt oder unnötig. In einer schnelllebigen und sich ständig verändernden Welt stehen die BI-Tools und -Lösungen jedoch vor einer Reihe von Herausforderungen. Hierzu können zählen:

  • Hohe Datenlatenz – Die Datenlatenz gibt an, wie lange ein Benutzer benötigt, um Daten beispielsweise über ein Business-Intelligence-Dashboard abzurufen. In vielen Fällen kann dies mehr als 24 Stunden dauern. Ein geschäftskritischer Zeitraum, da Unternehmen Geschäftschancen für sich nutzen möchten, die möglicherweise ein begrenztes Zeitfenster haben.
  • Unvollständige Datensätze – Business Intelligence verfolgt einen breiten Ansatz, sodass Prüfungen möglicherweise zwar umfassend, aber nicht tief greifend sind. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit, dass Daten übersehen werden; insbesondere in Fällen, in denen die Prüfungsparameter durch die Tools selbst nur schwer geändert werden können.
  • Erkennung statt Analyse – Business-Intelligence-Tools sind in erster Linie darauf ausgelegt, Daten zu finden. Der Fokus hierbei liegt vor allem auf Daten, die für ihre Benutzer nützlich sein können. An dieser Stelle endet jedoch häufig die Leistungsfähigkeit der Tools, da sie Benutzern keine einfachen Optionen bieten, die Daten tatsächlich zu analysieren. Die Möglichkeit, umsetzbare Erkenntnisse zu gewinnen, verringert sich somit.
  • Eingeschränkte Skalierbarkeit – Im Allgemeinen bleibt Business Intelligence ein Bereich für Spezialisten und Experten mit dem entsprechenden Know-how, über das Mitarbeiter im operativen Bereich oftmals nicht verfügen. Ohne umfangreiches Verständnis für die geschäftlichen Prozesse und deren Analyse innerhalb des Unternehmens bleibt die optimierte Anwendung eines bestimmten Business-Intelligence-Tools aber eingeschränkt.
  • Nicht nachvollziehbare Metriken – Werden Metriken verwendet, die nicht mit den Geschäftsprozessen verknüpft sind, kann Business Intelligence kaum positive Veränderungen innerhalb eines Unternehmens unterstützen. Für Benutzer ist es schwierig, Ergebnisse richtig auszuwerten und zu verstehen und diese Ergebnisse zweckdienlich zu nutzen.

Process Intelligence: der nächste wegweisende Schritt

Es bedarf einer effektiveren Methode zur Prozessanalyse, um eine effiziente Arbeitsweise und fundierte Entscheidungsfindung sicherzustellen. An dieser Stelle kommt Process Intelligence (PI) ins Spiel. PI bietet die entscheidenden Hintergrundinformationen für die Beantwortung von Fragen, die mit Business-Intelligence-Tools unbeantwortet bleiben.

Process Intelligence ermöglicht die durchgehende Visualisierung von Prozessabläufen mithilfe von Rohdaten. Mit dem richtigen Process-Intelligence-Tool können diese Rohdaten sofort analysiert werden, sodass Prozesse präzise angezeigt werden. Der Endbenutzer kann diese Informationen nach Bedarf einsehen und bearbeiten, ohne eine Vorauswahl für die Analyse treffen zu müssen.

Zum Vergleich: Da Business Intelligence vordefinierte Analysekriterien benötigt, kann BI nur dann wirklich nützlich sein, wenn diese Kriterien auch definiert sind. Unternehmen können verzögerte Analysen vermeiden, indem sie Process Intelligence zur Ermittlung der Hauptursache von Prozessproblemen nutzen, und dann die richtigen Kriterien zur Bestimmung des Analyserahmens auswählen.

Anschließend können Sie Ihre Systemprozesse analysieren und erkennen die Diskrepanzen und Varianten zwischen dem angestrebten Geschäftsprozess und dem tatsächlichen Verlauf Ihrer Prozesse. Und je schneller Sie Echtzeit-Einblicke in Ihre Prozesse gewinnen, desto schneller können Sie in Ihrem Unternehmen positive Veränderungen auf den Weg bringen.

Kurz gesagt: Business Intelligence eignet sich dafür, ein breites Verständnis über die Abläufe in einem Unternehmen zu gewinnen. Für einige Unternehmen kann dies ausreichend sein. Für andere hingegen ist ein Überblick nicht genug.

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