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使用 Transformer 和 Amazon OpenSearch Service 构建基于列的语义搜索引擎
在数据湖中，对于数据清理和注释、架构匹配、数据发现和跨多个数据来源进行分析等许多操作，查找相似的列有着重要的应用。如果不能从多个不同的来源准确查找和分析数据，就会严重拉低效率，不论是数据科学家、医学研究人员、学者，还是金融和政府分析师，所有人都会深受其害。
传统解决方案涉及到使用词汇关键字搜索或正则表达式匹配，这些方法容易受到数据质量问题的影响，例如缺少列名或者不同数据集中采用了不同的列命名约定（例如，zip_code、zcode、postalcode）。
在这篇文章中，我们演示了一种解决方案，基于列名和/或列内容对相似列执行搜索。该解决方案使用 Amazon OpenSearch Service 中提供的近似最近邻算法来搜索具有相似语义的列。为了协助进行搜索，我们使用 Amazon SageMaker 中通过 sentence-transformers 库预训练的 Transformer 模型，为数据湖中的各个列创建特征表示（嵌入对象）。最后，为了从解决方案进行交互并可视化结果，我们构建了在 AWS Fargate 上运行的交互式 Streamlit Web 应用程序。
我们提供了一个代码教程，您可用它来部署资源，以便对示例数据或自己的数据运行该解决方案。
解决方案概览
以下架构图展示了查找具有相似语义列的工作流程，分为两个阶段。第一阶段运行 AWS Step Functions 工作流，从表格列创建嵌入对象并构建 OpenSearch Service 搜索索引。第二阶段是在线推理阶段，通过 Fargate 运行 Streamlit 应用程序。Web 应用程序收集输入搜索查询，并从 OpenSearch Service 索引中检索与该查询近似的 k 个最相似列。
图 1.解决方案架构
自动化工作流按以下步骤进行：
- 用户将表格数据集上传到 Amazon Simple Storage Service（Amazon S3）存储桶中，这会调用 AWS Lambda 函数来启动 Step Functions 工作流。
- 该工作流首先启动 AWS Glue 作业，将 CSV 文件转换为 Apache Parquet 数据格式。
- SageMaker Processing 作业使用预训练模型或自定义列嵌入模型，为各个列创建嵌入对象。SageMaker Processing 作业将每个表的列嵌入对象保存在 Amazon S3 中。
- Lambda 函数创建 OpenSearch Service 域和集群，以索引上一步中生成的列嵌入对象。
- 最后，使用 Fargate 部署交互式 Streamlit Web 应用程序。Web 应用程序为用户提供了一个界面，用于输入查询，从而在 OpenSearch Service 域中搜索相似的列。
您可以从 GitHub 下载代码教程，在示例数据或自己的数据上试用此解决方案。Github 上提供了如何部署本教程所需资源的说明。
先决条件
要实施此解决方案，您需要：
- AWS 账户。
- 对 AWS 服务有一些基本了解，例如 AWS Cloud Development Kit（AWS CDK）、Lambda、OpenSearch Service 和 SageMaker Processing。
- 用于创建搜索索引的表格数据集。您可以使用自己的表格数据，也可以在 GitHub 上下载示例数据集。
构建搜索索引
第一阶段中将构建列搜索引擎索引。下图展示了运行此阶段的 Step Functions 工作流。
图 2 – Step Functions 工作流 – 多个嵌入模型
数据集
在这篇文章中，我们构建了一个搜索索引，包括了超过 25 个表格数据集中的 400 多个列。数据集来自以下公共来源：
s3://sagemaker-sample-files/datasets/tabular/- NYC Open Data
- Chicago Data Portal
有关索引中包含的表的完整列表，请参阅 GitHub 上的代码教程。
您可以使用自己的表格数据集来扩充示例数据，或者构建自己的搜索索引。我们提供了两个 Lambda 函数用于启动 Step Functions 工作流，这两个函数分别为单个 CSV 文件或批量 CSV 文件构建搜索索引。
将 CSV 转换为 Parquet
使用 AWS Glue 将原始 CSV 文件转换为 Parquet 数据格式。Parquet 是一种面向列格式文件的格式，是大数据分析中的首选格式，可提供高效的压缩和编码。在我们的实验中，与原始 CSV 文件相比，Parquet 数据格式显著减少了所需的存储空间。我们还使用 Parquet 作为通用数据格式来转换其他数据格式（例如 JSON 和 NDJSON），因为它支持高级嵌套数据结构。
创建表格列嵌入对象
在本文中，为了对示例表格数据集中的单个表列提取嵌入对象，我们使用了从 sentence-transformers 库预训练的以下模型。有关其他模型，请参阅 Pretrained Models（预训练模型）。
| 模型名称 | 维度 | 大小（MB） |
| all-MiniLM-L6-v2 | 384 | 80 |
| all-distilroberta-v1 | 768 | 290 |
| average_word_embeddings_glove.6B.300d | 300 | 420 |
SageMaker Processing 作业为单个模型运行 create_embeddings.py（代码）。要从多个模型中提取嵌入对象，工作流会并行运行 SageMaker Processing 作业，如 Step Functions 工作流所示。我们使用该模型创建两组嵌入对象：
- column_name_embeddings – 列名的嵌入对象（标题）
- column_content_embeddings – 列中所有行的平均嵌入对象
有关列嵌入过程的更多信息，请参阅 GitHub 上的代码教程。
SageMaker Processing 步骤的替代方法是创建 SageMaker 批量变换，用于在大型数据集上获取列嵌入对象。这将需要将模型部署到 SageMaker 端点。有关更多信息，请参阅 Use Batch Transform（使用批量转换）。
使用 OpenSearch Service 对嵌入对象编制索引
在本阶段的最后一步，Lambda 函数将列嵌入对象添加到 OpenSearch Service 近似 k 近邻（kNN，k-Nearest-Neighbor）搜索索引中。向每个模型分配自己的搜索索引。有关近似 kNN 搜索索引参数的更多信息，请参阅 k-NN。
使用 Web 应用程序进行在线推理和语义搜索
工作流程的第二阶段运行 Streamlit Web 应用程序，您可以在其中提供输入数据，然后在 OpenSearch Service 中搜索编制了索引的具有相似语义的列。应用层使用应用程序负载均衡器、Fargate 和 Lambda。应用程序基础设施作为解决方案的一部分自动部署。
使用该应用程序，您可以提供输入数据，然后搜索具有相似语义的列名和/或列内容。此外，您可以选择嵌入模型以及搜索中返回的最近邻的数量。应用程序接收输入数据，使用指定模型嵌入输入数据，并在 OpenSearch Service 中使用 kNN 搜索，以此来搜索编制了索引的列嵌入对象，并查找与给定输入数据最相似的列。显示的搜索结果包括表名、列名和所确定列的相似度分数，以及数据在 Amazon S3 中的位置，以供进一步探索。
下图显示了 Web 应用程序的示例。在此示例中，我们在数据湖中搜索具有与 district（负载）相似的 Column Names（负载类型）的列。应用程序使用 all-MiniLM-L6-v2 作为嵌入模型，从 OpenSearch Service 索引中返回了 10 个（k）最近邻。
根据 OpenSearch Service 中索引的数据，应用程序返回 transit_district、city、borough 和 location 作为四个最相似的列。此示例演示了搜索方法识别数据集中相似语义列的功能。
图 3：Web 应用程序用户界面
清理
要删除本教程中由 AWS CDK 创建的资源，请运行以下命令：
cdk destroy --all总结
在这篇文章中，我们介绍了为表格列构建语义搜索引擎的端到端工作流程。
您可以使用我们在 GitHub 上提供的代码教程，开始处理自己的数据。如果您需要帮助加快在产品和流程中使用机器学习功能的速度，请联系 Amazon Machine Learning Solutions Lab。
关于作者
Kachi Odoemene 是 AWS 人工智能部门的应用科学家。他构建人工智能/机器学习解决方案，为 AWS 客户解决业务问题。
Taylor McNally 是 Amazon Machine Learning Solutions Lab 的深度学习架构师。他帮助来自不同行业的客户利用 AWS 上的人工智能/机器学习构建解决方案。他喜欢醇美咖啡，爱好户外活动，并享受与家人和活泼好动的狗子共度时光。
Austin Welch 是 Amazon ML Solutions Lab 的数据科学家。他开发自定义深度学习模型，帮助 AWS 公共部门客户加快人工智能和云的采用。在业余时间，他喜欢阅读、旅行和柔术。