머신 러닝 워크플로우(Machine Learning Workflow)

이번 챕터에서는 데이터 사이언스(Data Science) 또는 머신러닝 (Machine Learning) 과정에서 거치는 전반적인 과정에 대해서 알아보겠습니다. 이책의 제 목은 딥러닝을 이용한 자연어 처리이지만, 딥 러닝 또한 머신런닝의 한 갈래로 딥 러닝 워크플로우 또한 머신 러닝 워크플로우로 간주 할 수 있습니다.

머신 러닝 워크 플로우

데이터를 수직하고 머신 러닝을 하는 과정을 크게 6가지로 나누면, 아래의 그림과 같습니다.

1) 수집(Acquisition)

머신 러닝을 하기 위해서는 기계에 학습시켜야 할 데이터가 필요합니다. 자연어 처리의 경우, 자연어 데이터를 말뭉치 또는 코퍼스(corpus)라고 부르는데 코퍼스의 의미를 풀이하면, 조사나 연구 목적에 의해서 특정 도메인으로부터 수집된 텍스트 집합을 말합니다. 텍스트 데이터의 파일 형식은 txt 파일, csv 파일, xml 파일 등 다양하며 그 출처도 음성 데이터, 웹 수집기를 통해 수집된 데이터, 영화 리뷰 등 다양합니다.

2) 점검 및 탐색(Inspection and exploration)

데이터가 수집되었다면, 이제 데이터를 점검하고 탐색하는 단계입니다. 여기서는 데이터의 구조, 노이즈 데이터, 머신 러닝 적용을 위해서 데이터를 어떻게 정제해야하는지 등을 파악해야 합니다.

이 단계를 탐색적 데이터 분석(Exploratory Data Analysis, EDA) 단계라고도 하는데 이는 독립 변수, 종속 변수, 변수 유형, 변수의 데이터 타입 등을 점검하며 데이터의 특징과 내재하는 구조적 관계를 알아내는 과정을 의미합니다. 이 과정에서 시각화와 간단한 통계 테스트를 진행하기도 합니다.

3) 전처리 및 정제(Preprocessing and Cleaning)

데이터에 대한 파악이 끝났다면, 머신 러닝 워크플로우에서 가장 까다로운 작업 중 하나인 데이터 전처리 과정에 들어갑니다. 이 단계는 많은 단계를 포함하고 있는데, 가령 자연어 처리라면 토큰화, 정제, 정규화, 불용어 제거 등의 단계를 포함합니다. 빠르고 정확한 데이터 전처리를 하기 위해서는 사용하고 있는 툴(이 책에서는 파이썬)에 대한 다양한 라이브러리에 대한 지식이 필요합니다. 정말 까다로운 전처리의 경우에는 전처리 과정에서 머신 러닝이 사용되기도 합니다.

4) 모델링 및 훈련(Modeling and Training)

데이터 전처리가 끝났다면, 머신 러닝에 대한 코드를 작성하는 단계인 모델링 단계에 들어갑니다. 적절한 머신 러닝 알고리즘을 선택하여 모델링이 끝났다면, 전처리가 완료 된 데이터를 머신 러닝 알고리즘을 통해 기계에게 학습(training)시킵니다. 이를 훈련이라고도 하는데, 이 두 용어를 혼용해서 사용합니다. 기계가 데이터에 대한 학습을 마치고나서 훈련이 제대로 되었다면 그 후에 기계는 우리가 원하는 태스크(task)인 기계 번역, 음성 인식, 텍스트 분류 등의 자연어 처리 작업을 수행할 수 있게 됩니다.

여기서 주의해야 할 점은 대부분의 경우에서 모든 데이터를 기계에게 학습시켜서는 안 된다는 점입니다. 뒤의 실습에서 보게되겠지만 데이터 중 일부는 테스트용으로 남겨두고 훈련용 데이터만 훈련에 사용해야 합니다. 그래야만 기계가 학습을 하고나서, 테스트용 데이터를 통해서 현재 성능이 얼마나 되는지를 측정할 수 있으며 과적합(overfitting) 상황을 막을 수 있습니다. 사실 최선은 훈련용, 테스트용으로 두 가지만 나누는 것보다는 훈련용, 검증용, 테스트용. 데이터를 이렇게 세 가지로 나누고 훈련용 데이터만 훈련에 사용하는 것입니다.

검증용과 테스트용의 차이는 무엇일까요? 수능 시험에 비유하자면 훈련용은 학습지, 검증용은 모의고사, 테스트용은 수능 시험이라고 볼 수 있습니다. 학습지를 풀고 수능 시험을 볼 수도 있겠지만, 모의 고사를 풀며 부족한 부분이 무엇인지 검증하고 보완하는 단계를 하나 더 놓는 방법도 있겠지요. 사실 현업의 경우라면 검증용 데이터는 거의 필수적입니다.

검증용 데이터는 현재 모델의 성능. 즉, 기계가 훈련용 데이터로 얼마나 제대로 학습이 되었는지를 판단하는 용으로 사용되며 검증용 데이터를 사용하여 모델의 성능을 개선하는데 사용됩니다. 테스트용 데이터는 모델의 최종 성능을 평가하는 데이터로 모델의 성능을 개선하는 일에 사용되는 것이 아니라, 모델의 성능을 수치화하여 평가하기 위해 사용됩니다. 쉽게 말해 시험에 비유하면 채점하는 단계입니다.

이 책에서는 실습 상황에 따라서 훈련용, 검증용, 테스트용 세 가지를 모두 사용하거나 때로는 훈련용, 테스트용 두 가지만 사용하기도 합니다. 하지만 현업에서 최선은 검증용 데이터 또한 사용하는 것임을 기억해둡시다.

5) 평가(Evaluation)

미리 언급하였는데, 기계가 다 학습이 되었다면 테스트용 데이터로 성능을 평가하게 됩니다. 평가 방법은 기계가 예측한 데이터가 테스트용 데이터의 실제 정답과 얼마나 가까운지를 측정합니다.

6) 배포(Deployment)

평가 단계에서 기계가 성공적으로 훈련이 된 것으로 판단된다면 완성된 모델이 배포되는 단계가 됩니다. 다만, 여기서 완성된 모델에 대한 전체적인 피드백으로 인해 모델을 업데이트 해야하는 상황이 온다면 수집 단계로 돌아갈 수 있습니다.