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Was ist MLOps?

MLOps, oder Machine Learning Operations, ist ein aufstrebender Bereich, der die Prinzipien von DevOps mit Machine Learning kombiniert, um den Lebenszyklus von Machine Learning zu verwalten und zu optimieren. Es zielt darauf ab, die Prozesse zu automatisieren, die mit der Erstellung, Bereitstellung und Verwaltung von Machine Learning-Modellen in der Produktion verbunden sind.

Warum ist MLOps wichtig?

Da Modelle für maschinelles Lernen immer komplexer werden und in immer mehr kritischen Anwendungsfällen zum Einsatz kommen, wird die Notwendigkeit einer effektiven Verwaltung und Überwachung dieser Modelle in der Produktion immer wichtiger. Hier kommt MLOps ins Spiel, denn es trägt zur Rationalisierung des Lebenszyklus bei und stellt sicher, dass die Modelle in der Produktion effektiv bereitgestellt und verwaltet werden.

Das Konzept umfasst eine Reihe von Schlüsselprozessen, darunter:

  • Datenmanagement: MLOps umfasst die Verwaltung großer Datenmengen und stellt sicher, dass die Daten sauber, genau und repräsentativ für die realen Szenarien sind, denen das Modell in der Produktion begegnet.
  • Modellschulung: Nachdem die Daten gesammelt und aufbereitet wurden, wird das Modell mit verschiedenen Techniken trainiert, z. B. mit überwachtem, unüberwachtem oder verstärktem Lernen.
  • Modellbereitstellung: Nachdem das Modell trainiert wurde, beinhaltet MLOps den Einsatz des Modells in einer Produktionsumgebung, wo es für Vorhersagen oder andere Aufgaben verwendet werden kann.
  • Modell-Überwachung: Sobald das Modell in der Produktion ist, umfasst MLOps die Überwachung des Modells, um sicherzustellen, dass es wie erwartet funktioniert, und um etwaige Probleme zu identifizieren.
  • Umschulung des Modells: Bei MLOps wird das Modell in regelmäßigen Abständen neu trainiert, um sicherzustellen, dass es bei Änderungen in den Daten oder der Umgebung genau und aktuell bleibt.

Wie sieht der MLOps Workflow aus?

Um das Wesen von MLOps zu erfassen, gehen wir durch ein hypothetisches Szenario, das den gesamten MLOps-Workflow zeigt und verdeutlicht, wie er nahtlos maschinelles Lernen mit Softwareentwicklung und Betrieb verbindet. Stell Dir vor, Du arbeitest für ein E-Commerce-Unternehmen und wurdest beauftragt, ein Empfehlungssystem zu entwickeln und bereitzustellen, um das Nutzererlebnis zu verbessern.

Schritt 1: Datenverarbeitung
Deine Reise beginnt mit den Daten. Du sammelst und bereitest historische Kundendaten zu Verhaltensweisen vor, einschließlich Klicks, Käufen und Vorlieben. Diese Daten bilden die Grundlage für Dein Empfehlungsmodell. MLOps betont die Zusammenarbeit, daher arbeitest Du eng mit Dateningenieuren zusammen, um Datenqualität sicherzustellen, fehlende Werte zu behandeln und eine robuste Datapipeline zu erstellen.

Schritt 2: Modellentwicklung
In der Phase der Modellentwicklung arbeiten Datenwissenschaftler und Machine Learning Engineers zusammen. Du experimentierst mit verschiedenen Algorithmen, passt Parameter an und feinabstimmst Hyperparameter, um das bestmögliche Empfehlungsmodell zu finden. Die Zusammenarbeit wird durch Versionskontrollsysteme wie Git erleichtert, was eine nahtlose Verfolgung von Codeänderungen und Experimentierungsergebnissen ermöglicht.

Schritt 3: Modelltest und Validierung
Bevor Du weitermachst, testest und validierst Du Dein Modell gründlich. Kreuzvalidierungstechniken werden angewendet, um die Leistung über verschiedene Datensubsets zu bewerten. Dieser Schritt stellt sicher, dass Dein Modell gut auf nicht gesehene Daten generalisiert, was das Risiko der Überanpassung reduziert. Die Modellvalidierung wird Teil Deiner CI/CD-Pipeline.

Schritt 4: Modellbereitstellung
Mit einem validierten Modell in der Hand ist es Zeit für die Bereitstellung. Durch die Containerisierung mit Docker verpackst Du Dein Modell und seine Abhängigkeiten in eine portable Einheit. Anschließend verwendest Du ein Orchestrierungstool wie Kubernetes, um die Bereitstellung Deines containerisierten Modells zu verwalten. Dies stellt Konsistenz und Skalierbarkeit sicher, selbst in komplexen Produktionsumgebungen.

Schritt 5: Überwachung und Wartung
Sobald Dein Modell live ist, endet MLOps nicht. Kontinuierliche Überwachung wird entscheidend. Du implementierst Überwachungsmechanismen, um Metriken wie Genauigkeit und Reaktionszeit zu verfolgen. Wenn die Leistung des Modells im Laufe der Zeit aufgrund von Konzeptdrift abnimmt, erhältst Du Alarme, die eine Neuschulung auslösen. Diese iterative Feedbackschleife stellt sicher, dass die Genauigkeit Deines Modells hoch bleibt.

Schritt 6: Skalierung und Ressourcenmanagement
Wenn Dein Empfehlungssystem an Fahrt gewinnt, steigt der Verkehr. Mit MLOps bist Du vorbereitet. Automatische Skalierungsvorschriften sind vorhanden, um Ressourcen basierend auf der Nachfrage dynamisch anzupassen. Die Ressourcenzuweisung wird optimiert, um die Kosten im Griff zu behalten. Diese Flexibilität stellt sicher, dass Dein Modell unabhängig von Lastschwankungen den Nutzern eine nahtlose Erfahrung bietet.

Schritt 7: Zusammenarbeit und Kommunikation
Während des gesamten Prozesses sind Zusammenarbeit und Kommunikation wesentlich. Entwickler, Datenwissenschaftler und Betriebsteams teilen Einsichten, Herausforderungen und Lösungen. Durch effektive Kommunikationskanäle und Tools wie Chat-Plattformen und Projektmanagement-Software bleiben alle auf demselben Stand, was einen reibungslosen Fortschritt sicherstellt.

Schritt 8: Governance und Sicherheit
Datenschutz und Sicherheit haben höchste Priorität. MLOps betont die Einhaltung von Vorschriften und ethischen Überlegungen. Datenanonymisierungstechniken werden angewendet, und Sicherheitsprotokolle werden implementiert. Die Erklärbarkeit des Modells wird sichergestellt, was Transparenz in der Entscheidungsfindung gewährleistet und regulatorische Anforderungen erfüllt.

Schritt 9: Optimierung und Aktualisierungen
Im Laufe der Zeit sammelst Du mehr Daten und lernst aus Benutzerinteraktionen. Mit MLOps sind Modellaktualisierungen nahtlos. Du wendest Verbesserungen an und schulst das Modell mit neuen Daten neu. Die CI/CD-Pipeline stellt einen reibungslosen Übergang von der Entwicklung über Tests bis hin zur Produktion sicher.

Schritt 10: Zukünftige Trends und kontinuierliche Verbesserung
Mit der Weiterentwicklung des maschinellen Lernens hält MLOps Schritt. Du bist bereit, zukünftige Trends zu übernehmen, wie die Integration von KI-Operationen (AIOps) oder die Nutzung von Marktplätzen für maschinelles Lernen. Die MLOps-Mentalität ermöglicht eine kontinuierliche Verbesserung und stellt sicher, dass Dein Empfehlungssystem wettbewerbsfähig und relevant bleibt.

In diesem veranschaulichenden Beispiel hast Du den MLOps-Workflow in Aktion gesehen, der ein maschinelles Lernprojekt nahtlos von der Datenvorbereitung über die Bereitstellung, Überwachung und darüber hinaus begleitet. Durch die Übernahme von MLOps-Prinzipien stellst Du sicher, dass Dein Empfehlungssystem nicht nur den Erwartungen der Nutzer entspricht, sondern diese kontinuierlich übertrifft, und dabei Datenintegrität, Zusammenarbeit und Skalierbarkeit beibehält.

Was sind die Vorteile von MLOps?

Das Konzept hat eine Reihe von Vorteilen, unter anderem:

  • Verbesserte Effizienz: Durch die Automatisierung der am Lebenszyklus des maschinellen Lernens beteiligten Prozesse kann MLOps dazu beitragen, den Zeit- und Arbeitsaufwand für die Erstellung, Bereitstellung und Verwaltung von Modellen des maschinellen Lernens zu verringern.
  • Bessere Zusammenarbeit: Das Konzept fördert die Zusammenarbeit zwischen Data Scientists, Entwicklern und Betriebsteams und trägt dazu bei, dass alle Beteiligten an einem Strang ziehen und auf dieselben Ziele hinarbeiten.
  • Verbesserte Modellleistung: Durch die Überwachung von Modellen in der Produktion und deren regelmäßiges Neutrainieren kann die Modellgenauigkeit und -leistung im Laufe der Zeit verbessert werden.
  • Bessere Skalierbarkeit: MLOps kann dazu beitragen, dass Modelle für maschinelles Lernen je nach Bedarf nach oben oder unten skaliert werden können, um veränderten Geschäftsanforderungen gerecht zu werden.

Welche Fähigkeiten solltest Du für die Arbeit mit MLOps mitbringen?

Die Arbeit im Bereich MLOps erfordert eine Kombination aus technischen und sozialen Fähigkeiten. Wenn Du Dich für diesen Bereich interessierst, ist es wichtig, dass Du die Konzepte und Techniken des maschinellen Lernens, einschließlich des überwachten, unüberwachten und verstärkten Lernens, gut verstehst.

Darüber hinaus solltest Du über gute Programmierkenntnisse verfügen, insbesondere in Sprachen wie Python, R und SQL, und mit Bibliotheken wie NumPy, Pandas, TensorFlow und Scikit-Learn vertraut sein. Du solltest auch Erfahrung mit Cloud-Plattformen wie AWS, Azure oder GCP haben, was ein Verständnis für Cloud-basierte Datenspeicherung, Rechenressourcen und Bereitstellungsmethoden beinhaltet.

DevOps-Kenntnisse sind in diesem Bereich ebenfalls wichtig, da Du mit DevOps-Tools und -Verfahren wie Git, Jenkins, Docker und Kubernetes vertraut sein solltest. Darüber hinaus sollten Sie Erfahrung im Umgang mit großen Datenmengen und Datenverwaltungstools wie Hadoop, Apache Spark und SQL-Datenbanken haben.

Soft Skills sind ebenso wichtig, da MLOps die Zusammenarbeit mit funktionsübergreifenden Teams beinhaltet, zu denen Datenwissenschaftler, Softwareentwickler und Betriebsmitarbeiter gehören. Daher solltest Du über gute Kommunikations- und Kooperationsfähigkeiten sowie über die Fähigkeit verfügen, unter Druck zu arbeiten und Probleme effektiv zu lösen.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es für den Erfolg im Bereich MLOps unerlässlich ist, über ein abgerundetes Spektrum an Fähigkeiten zu verfügen, das sowohl technische als auch soziale Kompetenzen umfasst. Durch die Entwicklung dieser Fähigkeiten kannst Du zu einem wertvollen Aktivposten im Bereich MLOps werden und zur Entwicklung innovativer Lösungen für maschinelles Lernen beitragen.

Was ist DevOps?

Der zentrale Punkt von DevOps ist die Zusammenarbeit des Teams von der Erstellung eines Prototyps bis zum Live-Start der fertigen Anwendung und weit darüber hinaus. Zu diesem Zweck werden verschiedene Teamrollen definiert, um einen reibungslosen und schnellen Prozess zu gewährleisten.

Dieser Ansatz unterscheidet sich von früheren Praktiken dadurch, dass das Entwicklungsteam und das Betriebsteam nun eng zusammenarbeiten. Früher wurden die Anwendungen von den Entwicklern erstellt und nach der Inbetriebnahme an das Betriebsteam übergeben, das für die Erreichbarkeit und Leistung des Dienstes verantwortlich war. Dadurch gehen jedoch wertvolle Informationen zwischen den beiden Teams verloren, z. B. Verbesserungsvorschläge des Betriebsteams.

DevOps Lifecycle | Quelle: Autor

Je nach Anwendungsfall können neben diesen Abteilungen auch Experten aus den Bereichen Sicherheit oder Qualitätssicherung in das Projektteam eingebunden werden. Insbesondere dann, wenn Aspekte aus diesen Bereichen für das Projekt von besonderer Bedeutung sind.

Das Team wendet Praktiken an, die ursprünglich als Prozessautomatisierung bekannt waren und sich auch auf die Softwareentwicklung anwenden lassen. Der Fokus liegt auf einer Endlosschleife von Prozessen, die Schritt für Schritt durchlaufen werden.

Was sind die Unterschiede zwischen MLOps und DevOps?

DevOps und MLOps sind verwandt, haben aber unterschiedliche Praktiken im Bereich der Softwareentwicklung und des Betriebs. Hier sind die Unterschiede zwischen DevOps und MLOps:

  1. DevOps beinhaltet eine Reihe von Praktiken, die die Zusammenarbeit und Kommunikation zwischen Entwicklungs- und Betriebsteams betonen, mit dem Ziel, die Geschwindigkeit und Qualität der Softwarebereitstellung zu verbessern. Im Gegensatz dazu ist MLOps eine Reihe von Praktiken, die sich speziell auf die Bereitstellung und Verwaltung von Machine Learning-Modellen konzentrieren.
  2. DevOps befasst sich mit dem gesamten Lebenszyklus der Softwareentwicklung, von der Planung und Codierung bis hin zu Tests, Bereitstellung und Überwachung. MLOps hingegen konzentriert sich auf die letzten Phasen des Lebenszyklus, insbesondere auf die Bereitstellung und Verwaltung von Modellen für maschinelles Lernen in Produktionsumgebungen.
  3. DevOps zielt darauf ab, die Geschwindigkeit, Zuverlässigkeit und Qualität der Softwarebereitstellung zu verbessern, indem manuelle Prozesse automatisiert, das Fehlerrisiko reduziert und schnellere Feedbackschleifen ermöglicht werden. MLOps hingegen konzentriert sich darauf, sicherzustellen, dass Modelle für maschinelles Lernen auf skalierbare und zuverlässige Weise bereitgestellt werden und dass sie auch im Laufe der Zeit effektiv arbeiten.
  4. Während DevOps den Schwerpunkt auf den Einsatz von Tools und Technologien wie Continuous Integration/Continuous Delivery (CI/CD)-Pipelines, Containerisierung und Konfigurationsmanagement legt, sind für MLOps zusätzliche Tools und Technologien erforderlich, die speziell für das maschinelle Lernen geeignet sind, wie z. B. Modellversionierung, Modellüberwachung und Datenverlaufsverfolgung.

Zusammenfassend lässt sich sagen, dass DevOps und MLOps zwar einige Gemeinsamkeiten aufweisen, was den Fokus auf Automatisierung, Zusammenarbeit und kontinuierliche Verbesserung angeht, dass es sich jedoch um unterschiedliche Verfahren mit unterschiedlichen Zielen, Tools und Anforderungen handelt.

Das solltest Du mitnehmen

  • MLOps, oder Machine Learning Operations, ist ein aufstrebender Bereich, der die Prinzipien von DevOps mit maschinellem Lernen kombiniert, um den Lebenszyklus von maschinellem Lernen zu verwalten und zu optimieren.
  • Es zielt darauf ab, die Prozesse zu automatisieren, die mit der Erstellung, Bereitstellung und Verwaltung von Machine Learning-Modellen in der Produktion verbunden sind.
  • DevOps und MLOps sind verwandt, haben aber unterschiedliche Praktiken im Bereich der Softwareentwicklung und des Betriebs.
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Das Logo zeigt einen weißen Hintergrund den Namen "Data Basecamp" mit blauer Schrift. Im rechten unteren Eck wird eine Bergsilhouette in Blau gezeigt.

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