FEDOT

FEDOT - это open-source фреймворк для решения задач из области автоматизированного моделирования и машинного обучения (AutoML). Фреймворк распространяется под лицензией 3-Clause BSD.

FEDOT предоставляет возможность использовать генеративный дизайн для проектирования пайплайнов машинного обучения для различных реальных задач. Ядро фреймворка основано на эволюционном подходе и поддерживает классификацию (бинарную и мультиклассовую), регрессию, и задачи прогнозирования временных рядов.

.. image:: docs/fedot-workflow.png :alt: Реализация процесса автоматического машинного обучения в FEDOT

Ключевой особенностью фреймворка является управление сложными взаимодействиями между различными частями пайплайнов. Они представлены в виде графа, который определяет связи между предварительной обработкой данных и блоками модели.

Проект поддерживается исследовательской группой Natural Systems Simulation Lab, которая является частью

Национального центра когнитивных разработок Университета ИТМО <https://actcognitive.org/>

__.

Более подробная информация о FEDOT доступна в следующем видео:

.. image:: https://res.cloudinary.com/marcomontalbano/image/upload/v1606396758/video_to_markdown/images/youtube--RjbuV6i6de4-c05b58ac6eb4c4700831b2b3070cd403.jpg :target: http://www.youtube.com/watch?v=RjbuV6i6de4 :alt: Introducing Fedot

Концепции FEDOT'а

Гибкость. FEDOT может быть использован для автоматизации поиска решений для различных классов задач <https://fedot.readthedocs.io/en/master/introduction/fedot_features/main_features.html#involved-tasks>, типов данных <https://fedot.readthedocs.io/en/master/introduction/fedot_features/automation_features.html#data-nature> (тексты, изображения, таблицы), и моделей <https://fedot.readthedocs.io/en/master/advanced/automated_pipelines_design.html>_;
Расширяемость. Алгоритмы для оптимизации пайплайнов не зависят от вида данных и задач, однако можно использовать специальные стратегии <https://fedot.readthedocs.io/en/master/api/strategies.html>_ для определенных классов задач или типов данных (прогнозирование временных рядов, NLP, табличные данные и т.д.) для повышения эффективности;
Интегрируемость. FEDOT поддерживает широко используемые библиотеки МО (Scikit-learn, CatBoost, XGBoost и т.д.) и позволяет интегрировать пользовательские библиотеки <https://fedot.readthedocs.io/en/master/api/strategies.html#module-fedot.core.operations.evaluation.custom>_;
Тюнингуемость. Поддерживаются различные методы настройки гиперпараметров <https://fedot.readthedocs.io/en/master/advanced/hyperparameters_tuning.html>_, включая пользовательские метрики оценивания и пространства параметров моделей;
Универсальность. FEDOT не ограничивается конкретными задачами моделирования <https://fedot.readthedocs.io/en/master/advanced/architecture.html>_, например, его можно использовать в ODE или PDE;
Воспроизводимость. Получаемые паплайны можно экспортировать в формате JSON отдельно <https://fedot.readthedocs.io/en/master/advanced/pipeline_import_export.html>_ или вместе с входными данными в формате архива ZIP <https://fedot.readthedocs.io/en/master/advanced/project_import_export.html>_, для воспроизведения экспериментов;
Кастомизируемость. FEDOT позволяет настраивать сложность моделей <https://fedot.readthedocs.io/en/master/introduction/fedot_features/automation_features.html#models-used>_, тем самым, получать необходимое качество.

Установка

Cистема управления пакетами pip

Самый простой способ установить FEDOT - это использовать

pip

.. code-block::

$ pip install fedot

Установка с дополнительными зависимостями для обработки изображений и текста, а также для DNN:

.. code-block::

$ pip install fedot[extra]

Контенер Docker

Информацию по доступным образам можно посмотреть

здесь <https://github.com/aimclub/FEDOT/tree/master/docker/README.rst>

Как использовать

FEDOT предоставляет высокоуровневый API, который удобно использовать. API может использоваться для задач классификации, регрессии и прогнозирования временных рядов. Чтобы использовать API, выполните следующие действия:

Импортируйте класс Fedot

.. code-block:: python

from fedot.api.main import Fedot

Инициализируйте объект FEDOT и задайте тип задачи моделирования. Объект предоставит интерфейс fit/predict:

Fedot.fit() запускает оптимизацию и возвращает получившийся составной пайплайн;
Fedot.predict() прогнозирует целевые значения для заданных входных данных, используя уже полученный пайплайн;
Fedot.get_metrics() оценивает качество предсказаний с использованием выбранных показателей.

В качестве источников входных данных могут использоваться массивы NumPy, датафреймы Pandas и путь к файлу. В приведенном ниже примере

x_train

y_train

x_test

являются

numpy.ndarray()

.. code-block:: python

model = Fedot(problem='classification', timeout=5, preset='best_quality', n_jobs=-1)
model.fit(features=x_train, target=y_train)
prediction = model.predict(features=x_test)
metrics = model.get_metrics(target=y_test)

Более подробная информация об API доступна в

документации <https://fedot.readthedocs.io/en/latest/api/api.html>

, а более сложные примеры показаны в этом разделе <https://github.com/aimclub/FEDOT/tree/master/examples/advanced>.

Примеры

Jupyter ноутбуки с примерами находятся в репозитории

fedot-examples <https://github.com/ITMO-NSS-team/fedot-examples>

__. Там вы можете найти следующие руководства:

Intro to AutoML <https://github.com/ITMO-NSS-team/fedot-examples/blob/main/notebooks/latest/1_intro_to_automl.ipynb>__
Intro to FEDOT functionality <https://github.com/ITMO-NSS-team/fedot-examples/blob/main/notebooks/latest/2_intro_to_fedot.ipynb>__
Intro to time series forecasting with FEDOT <https://github.com/ITMO-NSS-team/fedot-examples/blob/main/notebooks/latest/3_intro_ts_forecasting.ipynb>__
Advanced time series forecasting <https://github.com/ITMO-NSS-team/fedot-examples/blob/main/notebooks/latest/4_auto_ts_forecasting.ipynb>__
Gap-filling in time series and out-of-sample forecasting <https://github.com/ITMO-NSS-team/fedot-examples/blob/main/notebooks/latest/5_ts_specific_cases.ipynb>__
Hybrid modelling with custom models <https://github.com/ITMO-NSS-team/fedot-examples/blob/main/notebooks/latest/6_hybrid_modelling.ipynb>__

Версии ноутбуков выпускаются в соответствии с версиями релизов (версия по умолчанию - "latest").

Также доступны примеры на внешних платформах:

Kaggle: baseline for Microsoft Stock - Time Series Analysis task <https://www.kaggle.com/dreamlone/microsoft-stocks-price-prediction-automl>__

Расширенные примеры:

Задача с кредитным скорингом binary classification task <https://github.com/aimclub/FEDOT/blob/master/cases/credit_scoring/credit_scoring_problem.py>__
Прогнозирование временных рядов random process regression <https://github.com/aimclub/FEDOT/blob/master/cases/metocean_forecasting_problem.py>__
Обнаружение спама natural language preprocessing <https://github.com/aimclub/FEDOT/blob/master/cases/spam_detection.py>__
Предсказание сорта вина multi-modal data <https://github.com/aimclub/FEDOT/blob/master/examples/advanced/multimodal_text_num_example.py>__

Также доступно несколько

видео уроков <https://www.youtube.com/playlist?list=PLlbcHj5ytaFUjAxpZf7FbEaanmqpDYhnc>

__ (на русском).

Публикации о FEDOT

Мы опубликовали несколько постов о различных аспектах фреймворка:

На английском:

How AutoML helps to create composite AI? - towardsdatascience.com <https://towardsdatascience.com/how-automl-helps-to-create-composite-ai-f09e05287563>__
AutoML for time series: definitely a good idea - towardsdatascience.com <https://towardsdatascience.com/automl-for-time-series-definitely-a-good-idea-c51d39b2b3f>__
AutoML for time series: advanced approaches with FEDOT framework - towardsdatascience.com <https://towardsdatascience.com/automl-for-time-series-advanced-approaches-with-fedot-framework-4f9d8ea3382c>__
Winning a flood-forecasting hackathon with hydrology and AutoML - towardsdatascience.com <https://towardsdatascience.com/winning-a-flood-forecasting-hackathon-with-hydrology-and-automl-156a8a7a4ede>__
Clean AutoML for “Dirty” Data - towardsdatascience.com <https://towardsdatascience.com/clean-automl-for-dirty-data-how-and-why-to-automate-preprocessing-of-tables-in-machine-learning-d79ac87780d3>__
FEDOT as a factory of human-competitive results - youtube.com <https://www.youtube.com/watch?v=9Rhqcsrolb8&ab_channel=NSS-Lab>__
Hyperparameters Tuning for Machine Learning Model Ensembles - towardsdatascience.com <https://towardsdatascience.com/hyperparameters-tuning-for-machine-learning-model-ensembles-8051782b538b>__

На русском:

Как AutoML помогает создавать модели композитного ИИ — говорим о структурном обучении и фреймворке FEDOT - habr.com <https://habr.com/ru/company/spbifmo/blog/558450>__
Прогнозирование временных рядов с помощью AutoML - habr.com <https://habr.com/ru/post/559796/>__
Как мы “повернули реки вспять” на Emergency DataHack 2021, объединив гидрологию и AutoML - habr.com <https://habr.com/ru/post/577886/>__
Чистый AutoML для “грязных” данных: как и зачем автоматизировать предобработку таблиц в машинном обучении - ODS blog <https://habr.com/ru/company/ods/blog/657525/>__
Фреймворк автоматического машинного обучения FEDOT (Конференция Highload++ 2022) - presentation <https://docs.yandex.ru/docs/view?url=ya-disk-public%3A%2F%2Fi27LScu3s3IIHDzIXt9O5EiEAMl6ThY6QLu3X1oYH%2FFiAl%2BLcNp4O4yTSYd2gRZnW5aDQ4kMZEXE%2BwNjbq78ug%3D%3D%3A%2F%D0%94%D0%B5%D0%BD%D1%8C%201%2F4.%D0%A1%D0%B8%D0%BD%D0%BD%D0%B0%D0%BA%D1%81%2F9.Open%20source-%D1%82%D1%80%D0%B8%D0%B1%D1%83%D0%BD%D0%B0_HL_FEDOT.pptx&name=9.Open%20source-%D1%82%D1%80%D0%B8%D0%B1%D1%83%D0%BD%D0%B0_HL_FEDOT.pptx>__
Про настройку гиперпараметров ансамблей моделей машинного обучения - habr.com <https://habr.com/ru/post/672486/>__

На китайском:

生成式自动机器学习系统 (презентация на конференции "Open Innovations 2.0") - youtube.com <https://www.youtube.com/watch?v=PEET0EbCSCY>__

Структура проекта

Последняя стабильная версия FEDOT находится в

ветке master <https://github.com/aimclub/FEDOT/tree/master>

__.

Репозиторий включает в себя следующие директории:

В пакете core <https://github.com/aimclub/FEDOT/tree/master/fedot/core>__ находятся основные классы и скрипты. Это ядро фреймворка FEDOT.
В пакете examples <https://github.com/aimclub/FEDOT/tree/master/examples>__ собраны несколько примеров использования, с которых можно начать знакомство с FEDOT.
Все тесты (unit и интеграционные) находятся в папке test <https://github.com/aimclub/FEDOT/tree/master/test>__.
Документация находится в папке docs <https://github.com/aimclub/FEDOT/tree/master/docs>__.

Текущие исследования/разработки и планы на будущее

В настоящее время мы работаем над новыми функциями и пытаемся улучшить производительность и удобство использования FEDOT. Основные текущие задачи и планы:

Реализация методов и алгоритмов мета-обучения
Повышение эффективности оптимизационного ядра GOLEM.
Поддержка более сложных вариантов пайплайнов, особенно для задач прогнозирования временных рядов.

Кроме того, мы работаем над рядом исследовательских задач, связанных с бенчмаркингом прогнозирования временных рядов с помощью AutoML и мультимодального моделирования.

Наша научно-исследовательская команда открыта для сотрудничества с другими научными коллективами, а также с партнерами из индустрии.

Документация

Подробное описание FEDOT API доступно в разделе

Read the Docs <https://fedot.readthedocs.io/en/latest/>

__.

Как участвовать

Инструкция для добавления изменений находится в репозитории <https://github.com/aimclub/FEDOT/blob/master/docs/source/contribution.rst>__.

Благодарности

Мы благодарны контрибьютерам за их важный вклад, а участникам многочисленных конференций и семинаров - за их ценные советы и предложения.

Дополнительные проекты

Оптимизационное ядро, вынесенное в библиотеку GOLEM <https://github.com/aimclub/GOLEM/>__.
Прототип реализации Meta-AutoML - MetaFEDOT <https://github.com/ITMO-NSS-team/MetaFEDOT>__.
Прототип web-GUI для FEDOT - FEDOT.WEB <https://github.com/aimclub/FEDOT.Web>__.

Контакты

Telegram-канал <https://t.me/FEDOT_helpdesk>_ для решения проблем и ответов на вопросы о FEDOT
Команда Natural System Simulation <https://itmo-nss-team.github.io/>_
Анна Калюжная <https://scholar.google.com/citations?user=bjiILqcAAAAJ&hl=ru>_, руководитель (anna.kalyuzhnaya@itmo.ru)
Новости <https://t.me/NSS_group>_
Youtube канал <https://www.youtube.com/channel/UC4K9QWaEUpT_p3R4FeDp5jA>_

Разработка ведётся при поддержке

Национальный центр когнитивных разработок Университета ИТМО <https://actcognitive.org/>_

Цитирование

@article{nikitin2021automated, title = {Automated evolutionary approach for the design of composite machine learning pipelines}, author = {Nikolay O. Nikitin and Pavel Vychuzhanin and Mikhail Sarafanov and Iana S. Polonskaia and Ilia Revin and Irina V. Barabanova and Gleb Maximov and Anna V. Kalyuzhnaya and Alexander Boukhanovsky}, journal = {Future Generation Computer Systems}, year = {2021}, issn = {0167-739X}, doi = {https://doi.org/10.1016/j.future.2021.08.022}}

@inproceedings{polonskaia2021multi, title={Multi-Objective Evolutionary Design of Composite Data-Driven Models}, author={Polonskaia, Iana S. and Nikitin, Nikolay O. and Revin, Ilia and Vychuzhanin, Pavel and Kalyuzhnaya, Anna V.}, booktitle={2021 IEEE Congress on Evolutionary Computation (CEC)}, year={2021}, pages={926-933}, doi={10.1109/CEC45853.2021.9504773}}

Другие статьи доступны на

ResearchGate <https://www.researchgate.net/project/Evolutionary-multi-modal-AutoML-with-FEDOT-framework>

.. |docs| image:: https://readthedocs.org/projects/ebonite/badge/?style=flat :target: https://fedot.readthedocs.io/en/latest/ :alt: Documentation Status

.. |build| image:: https://github.com/aimclub/FEDOT/actions/workflows/unit-build.yml/badge.svg :alt: Build Status :target: https://github.com/aimclub/FEDOT/actions/workflows/unit-build.yml

.. |integration| image:: https://github.com/aimclub/FEDOT/actions/workflows/integration-build.yml/badge.svg :alt: Integration Build Status :target: https://github.com/aimclub/FEDOT/actions/workflows/integration-build.yml

.. |coverage| image:: https://codecov.io/gh/aimclub/FEDOT/branch/master/graph/badge.svg :alt: Coverage Status :target: https://codecov.io/gh/aimclub/FEDOT

.. |pypi| image:: https://badge.fury.io/py/fedot.svg :alt: Supported Python Versions :target: https://badge.fury.io/py/fedot

.. |python| image:: https://img.shields.io/pypi/pyversions/fedot.svg :alt: Supported Python Versions :target: https://img.shields.io/pypi/pyversions/fedot

.. |license| image:: https://img.shields.io/github/license/aimclub/FEDOT :alt: Supported Python Versions :target: https://github.com/aimclub/FEDOT/blob/master/LICENSE.md

.. |downloads_stats| image:: https://static.pepy.tech/personalized-badge/fedot?period=total&units=international_system&left_color=grey&right_color=brightgreen&left_text=Downloads :target: https://pepy.tech/project/fedot

.. |tg| image:: https://img.shields.io/badge/Telegram-Group-blue.svg :target: https://t.me/FEDOT_helpdesk :alt: Telegram Chat

.. |ITMO| image:: https://raw.githubusercontent.com/aimclub/open-source-ops/43bb283758b43d75ec1df0a6bb4ae3eb20066323/badges/ITMO_badge_rus.svg :alt: Acknowledgement to ITMO :target: https://itmo.ru