聚类算法及聚类评估 Silhouette 简介

聚类算法简介

聚类（clustering）是属于无监督学习（Unsupervised learning）的一种，用来把一组数据划分为几类，每类中的数据尽可能的相似，而不同类之间尽可能的差异最大化。通过聚类，可以为样本选取提供参考，或进行根源分析，或作为其它算法的预处理步骤。

聚类算法中，最经典的要属于 Kmeans 算法，它的基本思想是：假设我们要把一组数据聚成 N 类，那就：

把数据中的每个样本作为一个向量，记作Ā

首先随机选取 n 个样本，把这 n 个样本作为 N 类的中心点, 称为 centroid

针对数据中的所有样本，计算到 n 个 centroid 的距离，距离哪个中心点最近，就属于哪一类

在每一类中，重新选取 centroid，假设该类有 k 个样本，则 centroid 为

重复 2，3 直到 centroid 的变化小于预设的值。

Mahout 是一个开源的机器学习软件，提供了应用推荐、聚类、分类、Logistic 回归分析等算法。特别是由于结合了 Hadoop 的大数据处理能力，每个算法都可以作为独立的 job 方便的部署在 Hadoop 平台上，因此得到了越来越广的应用。在聚类领域，Mahout 提供了 Kmeans，LDA, Canopy 等多种算法。

聚类评估算法 Silhouette 简介

在 Kmeans 中，我们会注意到需要我们预先设置聚合成几类。实际上，在聚类的过程中我们也不可能预先知道，那只能分成 2 类，3 类，……n 类这样进行尝试，并评估每次的聚类效果。

实际上，由于聚类的无监督学习特性，无论什么算法都需要评估效果。在聚类的评估中，有基于外部数据的评价，也有单纯的基于聚类本身的评价，其基本思想就是：在同一类中，各个数据点越近越好，并且和类外的数据点越远越好；前者称为内聚因子（cohension），后者称为离散因子（separation）。

把这两者结合起来，就形成了评价聚类效果的 Silhouette 因子:

首先看如何评价一个点的聚类效果：

a = 一个点到同一聚类内其它点的平均距离

b=min（一个点到其他聚类内的点的平均距离）

Silhouette 因子s = 1 – a/b (a<b) 或b/a -1 (a>=b)

衡量整体聚类的效果，则是所有点的 Silhouette 因子的平均值。范围应该在 (-1,1), 值越大则说明聚类效果越好。

图 1.Silhouette 中内聚、离散因子示意

以图 1 为例。图 1 显示的是一个具有 9 个点的聚类，三个圆形表示聚成了三类，其中的黄点表示质心（centroid）。为了评估图 1 中深蓝色点的聚类效果，其内聚因子a就是该点到所在圆中其它三个点的平均距离。离散因子b的计算相对复杂：我们需要先求出到该点到右上角圆中的三个点的平均距离，记为 b1；然后求出该点到右下角圆中两个点的平均距离，记为 b2；b1 和 b2 的较小值则为b。

在 IBM 的 SPSS Clementine 中，也有 Silhouett 评估算法的实现，不过 IBM 提供的是一个简化版本，把一个点到一个类内的距离的平均值，简化为到该类质心（centroid）的距离，具体来说，就是：

图 2.IBM 关于内聚、离散因子的简化实现

还是以上面描述的 9 个点聚成 3 类的例子来说明。IBM 的实现把a的实现简化为到深蓝色的点所在的质心的距离。计算b时候，还是要先计算 b1 和 b2，然后求最小值。但 b1 简化为到右上角圆质心的距离；b2 简化为到右下角圆质心的距离。

在下面的内容中，我们尝试利用 IBM 简化后的公式为 Mahout 增加聚类评估功能。

Mahout 聚类过程分析

Mahout 运行环境简介

前面说过，Mahout 是依赖 Hadoop 环境，每一个算法或辅助功能都是作为 Hadoop 的一个单独的 job 来运行，所以必须准备好一个可运行的 Hadoop 环境，（至少本文写作时候使用的 Mahout0.9 还在依赖 Hadoop），如何安装配置一个可运行的 Hadoop 环境不在这篇文章的介绍范围内。请自行参考 Hadoop 网站。需要说明的是，本文采用的 Hadoop 为 2.2.0。

安装完 Hadoop 后，下载 mahout-distribution-0.9，解压缩后的重要内容如下：

bin/: 目录下有 Mahout 可执行脚本

mahout-examples-0.9-job.jar，各种算法的实现类

example/ 各种实现算法的源码

conf/ 存放各实现类的配置文件，其中重要的为 driver.classes.default.props，如果增加实现算法类，可以在该文件中增加配置项，从而可以被 Mahout 启动脚本调用。

单独执行 Mahout，是一个实现的各种功能的简介，如下例：

执行 /data01/shanlei/src/mahout-distribution-0.9/bin/mahout

输出：

MAHOUT_LOCAL is not set; adding

HADOOP_CONF_DIR to classpath.

Running on hadoop, using /data01/shanlei/hadoop-2.2.0/bin/hadoop and

HADOOP_CONF_DIR=/data01/shanlei/hadoop-2.2.0/conf

p1 is org.apache.mahout.driver.MahoutDriver

MAHOUT-JOB:

/data01/shanlei/src/mahout-distribution-0.9/examples/target/mahout-examples-0.9-job.jar

An example program must be given as the first argument.

Valid program names are:

arff.vector: : Generate Vectors from an ARFF file or directory

assesser: : assesse cluster result using silhoueter algorithm

baumwelch: : Baum-Welch algorithm for unsupervised HMM training

canopy: : Canopy clustering

cat: : Print a file or resource as the logistic regression models would see it

cleansvd: : Cleanup and verification of SVD output

clusterdump: : Dump cluster output to text

clusterpp: : Groups Clustering Output In Clusters

cmdump: : Dump confusion matrix in HTML or text formats

concatmatrices: : Concatenates 2 matrices of same cardinality into a single matrix

……

如果要执行某种算法，如上面结果中显示的 canopy，就需要执行 mahout canopy 加上该算法需要的其它参数。

另外，Mahout 算法的输入输出，都是在 Hadoop HDFS 上，因此需要通过 hdfs 命令上传到 hdfs 文件系统；输出大多为 Mahout 特有的二进制格式，需要通过 mahout seqdumper 等命令来导出并转换为可读文本。

准备输入

Mahout 算法使用的 input 需要特定格式的 Vector 文件，不能够直接使用一般的文本文件，因此需要把文本转换为 Vector 文件，好在 Mahout 自身提供了这样的类：

org.apache.mahout.clustering.conversion.InputDriver。

在 Mahout 的 conf 目录中的 driver.classes.default.props 增加如下行：

org.apache.mahout.clustering.conversion.InputDriver = input2Seq : create sequence file from blank separated files，然后就可以为 Mahout 增加一个功能，把空格分隔的文本文件转换为 Mahout 聚类可以使用的向量。

如下面的数据所示，该数据每行为一个包含 6 个属性的向量：

1 4 3 11 4 3

2 2 5 2 10 3

1 1 2 2 10 1

1 4 2 11 5 4

1 1 3 2 10 1

2 4 5 9 5 2

2 6 5 3 8 1

执行 ./mahout input2Seq -i /shanlei/userEnum -o /shanlei/vectors 则产生聚类需要的向量文件。

聚类

以 Kmeans 聚类为例：

./mahout kmeans --input /shanlei/vectors --output /shanlei/kmeans -c /shanlei/k --maxIter 5 -k 8 –cl

-k 8 指明产生 8 类，执行完成后，在/shanlei/kmeans/下会产生： clusters-0，clusters-1，… …,clusters-n-final 目录，每个目录都是一次迭代产生的 centroids, 目录数会受 --maxIter 控制；最后的结果会加上 final。

利用 Mahout 的 clusterdump 功能我们可以查看聚类的结果：

./mahout clusterdump -i /shanlei/kmeans/clusters-2-final -o ./centroids.txt

more centroids.txt：

VL-869{n=49 c=[1.163, 5.082, 4.000,

4.000, 4.592, 2.429] r=[0.370, 0.965, 1.030, 1.245, 1.244, 1.161]}

VL-949{n=201 c=[1.229, 4.458, 4.403,

10.040, 6.134, 1.458] r=[0.420, 1.079, 0.836, 1.196, 1.392, 0.852]}

… …

VL-980{n=146 c=[1.281, 2.000, 4.178,

2.158, 9.911, 1.918] r=[0.449, 0.712, 1.203, 0.570, 0.437, 1.208]}

VL-869 中的 869 为该类的 id，c=[1.163, 5.082, 4.000, 4.000, 4.592, 2.429] 为 centroid 的坐标，n=49 表示该类中数据点的个数。

如果使用-cl 参数，则在/shanlei/kmeans/下会产生 clusteredPoints，利用 Mahout 的 seqdumper 可以看其内容：

Input Path:

hdfs://rac122:18020/shanlei/kmeans/clusteredPoints/part-m-00000

Key class: class

org.apache.hadoop.io.IntWritable Value Class: class

org.apache.mahout.clustering.classify.WeightedPropertyVectorWri

table

Key: 301: Value: wt: 1.0 distance:

6.6834472852629006 vec: 1 = [1.000, 4.000, 3.000, 11.000, 4.000, 3.000]

Key: 980: Value: wt: 1.0 distance:

2.3966504034528384 vec: 2 = [2.000, 2.000, 5.000, 2.000, 10.000, 3.000]

Key 对应的则是相关聚类的 id，distance 为到 centroid 的距离。vec 则是原始的向量。

从 Mahout 的聚类输出结果来看，能够很容易的实现 IBM 简化后的 Silhouette 算法，内聚因子 (a) 可以简单的获取到，而离散因子 (b) 也能够简单的计算实现。下面我们就来设计 Mahout 中的实现。

Mahout 中 Silhouette 实现

算法设计：

遵循 Hadoop 上 MR 程序的设计原则，算法设计考虑了 mapper，reducer 及 combiner 类。

Mapper 设计：

输入目录：聚类的最终结果目录 clusteredPoints（通过命令行参数-i 设置），

输入：

Key：IntWritable，Value：WeightedPropertyVectorWritable

输出：

Key：IntWritable（无意义，常量 1），Value：Text（单个点的 Silhouette 值，格式为“cnt，Silhouette 值”）

Setup 过程：

因为需要计算 separation 时候要访问其它的 centroids，所以在 setup 中读取（通过命令行参数-c 设置）并缓存。

Map 过程：

由于输入的 Value 为 WeightedPropertyVectorWritable，可以通过访问字段 distance获得参数 a，并遍历缓存的 centroids，针对其 id 不等于 Key 的，逐一计算距离，其最小的就是参数 b。

Map 的结果 Key 使用常量 1，Value 为形如“1，0.23”这样的“cnt，Silhouette 值”格式。

Reducer 设计：

输入：

Key：IntWritable（常量 1），Value: Text (combine 后的中间 Silhouette 值，格式为“cnt，Silhouette 值”)。

输出：

Key：IntWritable（常量 1），Value:整个聚类的 Silhouette 值，格式为“cnt，Silhouette 值”。

输出目录：最终文件的产生目录，通过命令行参数-o 设置。

Reduce 过程：

根据“，”把每个 Value，分解为 cnt，和 Silhouette，最后进行加权平均。

Combiner 设计：

为减少数据的 copy，采用 combiner，其实现即为 reducer 的实现。

实现代码：

Mapper 类：

public class AssesserMapper extends Mapper<IntWritable,

WeightedPropertyVectorWritable, IntWritable, Text> {

private List<Cluster> clusterModels;

private static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(ClusterAssesser.class);

protected void setup(Context context) throws IOException, InterruptedException {

super.setup(context);

Configuration conf = context.getConfiguration();

String clustersIn = conf.get(ClusterClassificationConfigKeys.CLUSTERS_IN);

clusterModels = Lists.newArrayList();

if (clustersIn != null && !clustersIn.isEmpty()) {

Path clustersInPath = new Path(clustersIn);

clusterModels = populateClusterModels(clustersInPath, conf);

}

}

private static List<Cluster> populateClusterModels(Path clustersIn,

Configuration conf) throws IOException {

List<Cluster> clusterModels = Lists.newArrayList();

Path finalClustersPath = finalClustersPath(conf, clustersIn);

Iterator<?> it = new SequenceFileDirValueIterator<Writable>(finalClustersPath, PathType.LIST,

PathFilters.partFilter(), null, false, conf);

while (it.hasNext()) {

ClusterWritable next = (ClusterWritable) it.next();

Cluster cluster = next.getValue();

cluster.configure(conf);

clusterModels.add(cluster);

}

return clusterModels;

}

private static Path finalClustersPath(Configuration conf,

Path clusterOutputPath) throws IOException {

FileSystem fileSystem = clusterOutputPath.getFileSystem(conf);

FileStatus[] clusterFiles = fileSystem.listStatus(clusterOutputPath,

PathFilters.finalPartFilter());

log.info("files: {}", clusterOutputPath.toString());

return clusterFiles[0].getPath();

}

protected void map(IntWritable key, WeightedPropertyVectorWritable vw, Context context)

throws IOException, InterruptedException {

int clusterId=key.get();

double cohension,separation=-1,silhouete;

Map<Text,Text> props=vw.getProperties();

cohension=Float.valueOf(props.get(new Text("distance")).toString());

Vector vector = vw.getVector();

for ( Cluster centroid : clusterModels) {

if (centroid.getId()!=clusterId) {

DistanceMeasureCluster distanceMeasureCluster = (DistanceMeasureCluster) centroid;

DistanceMeasure distanceMeasure = distanceMeasureCluster.getMeasure();

double f = distanceMeasure.distance(centroid.getCenter(), vector);

if (f<separation || separation<-0.5) separation=f;

}

}

Text value=new Text(Long.toString(1)+","+Double.toString(silhouete));

IntWritable okey=new IntWritable();

okey.set(1);

context.write(okey, value);

}

}

Reducer 类：

public class AssesserReducer extends Reducer<IntWritable, Text, IntWritable, Text> {

private static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(ClusterAssesser.class);

protected void setup(Context context) throws IOException, InterruptedException {

super.setup(context);

log.info("reducer");

}

private static final Pattern SEPARATOR = Pattern.compile("[t,]");

public void reduce(IntWritable key, Iterable<Text> values,

Context context)

throws IOException, InterruptedException {

long cnt=0;

double total=0;

for (Text value : values) {

String[] p=SEPARATOR.split(value.toString());

Long itemCnt=Long.parseLong(p[0]);

double v=Double.parseDouble(p[1]);

total=total+ itemCnt*v;

cnt=cnt+itemCnt;

}

}

}

Job 类：

public class ClusterAssesser extends AbstractJob {

private ClusterAssesser() {

}

public int run(String[] args) throws Exception {

addInputOption();

addOutputOption();

//addOption(DefaultOptionCreator.methodOption().create());

addOption(DefaultOptionCreator.clustersInOption()

.withDescription("The input centroids").create());

if (parseArguments(args) == null) {

return -1;

}

Path input = getInputPath();

Path output = getOutputPath();

Path clustersIn = new Path(getOption(DefaultOptionCreator.CLUSTERS_IN_OPTION));

if (getConf() == null) {

setConf(new Configuration());

}

run(getConf(), input, clustersIn, output);

return 0;

}

private void run(Configuration conf, Path input, Path clustersIn,

Path output)throws IOException, InterruptedException,

ClassNotFoundException {

conf.set(ClusterClassificationConfigKeys.CLUSTERS_IN, clustersIn.toUri().toString());

Job job = new Job(conf, "Cluster Assesser using silhouete over input: " + input);

job.setJarByClass(ClusterAssesser.class);

job.setInputFormatClass(SequenceFileInputFormat.class);

job.setOutputFormatClass(SequenceFileOutputFormat.class);

job.setMapperClass(AssesserMapper.class);

job.setCombinerClass(AssesserReducer.class);

job.setReducerClass(AssesserReducer.class);

job.setNumReduceTasks(1);

job.setOutputKeyClass(IntWritable.class);

job.setOutputValueClass(Text.class);

FileInputFormat.addInputPath(job, input);

FileOutputFormat.setOutputPath(job, output);

if (!job.waitForCompletion(true)) {

throw new InterruptedException("Cluster Assesser Job failed processing " + input);

}

}

private static final Logger log = LoggerFactory.getLogger(ClusterAssesser.class);

public static void main(String[] args) throws Exception {

ToolRunner.run(new Configuration(), new ClusterAssesser(), args);

}

}

编译运行：

编译环境准备:

在从 Mahout 网站下载的包中，同时包含了源码以及可以导入到 eclipse 的工程，导入后，会产生 mahout-core，mahout-distribution，mahout-example 等不同的 projects，我们首先编译一遍，保证没有错误，然后再考虑如何增加自己的代码。

当然，Mahout 在顶层目录也提供了一个编译脚本：compile.sh, 可以在命令行完成编译。

代码编译：

把自己的代码放到 example/src/main/java/目录下，自动编译就可以了。输出产生的类：com.ai.cluster.assesser.ClusterAssesser，然后就被打包到了 examples/target/mahout-examples-0.9-job.jar 中。

配置：

把 examples/target/mahout-examples-0.9-job.jar 覆盖顶层的 mahout-examples-0.9-job.jar

通过在 conf/driver.classes.default.props 文件添加如下行，把我们的实现类加入到 Mahout 的配置中，从而可以通过 Mahout 脚本执行：

com.ai.cluster.assesser.ClusterAssesser = assesser : assesse cluster result using silhoueter algorithm

运行

利用前面我们做聚类过程分析产生的聚类结果：

bin/mahout assesser -i /shanlei/kmeans/clusteredPoints -o /shanlei/silhouete -c

/shanlei/kmeans --tempDir /shanlei/temp

其中的-c 为输入聚类的中心点，-i 为聚类的点 –o 为最终的输出。

查看结果：

bin/mahout seqdumper -i /shanlei/silhouete -o ./a.txt

more a.txt:

Input Path: hdfs://rac122:18020/shanlei/silhouete/part-r-00000

Key class: class org.apache.hadoop.io.IntWritable Value Class: class org.apache.hadoop.io.Text

Key: 1: Value: 1000,0.5217678842906524

Count: 1

1000 表示共 1000 个点，0.52176 为聚类的 Silhouette 值。大于 0.5，看起来效果还行。

结束语：

不同于其它的套件，Mahout 从发布起就是为处理海量数据、为生产而准备的。直到现在，Mahout 的重心还是在优化各种算法上面，对易用性考虑不多，而且学习成本也很高。但 Mahout 不仅仅提供某些特定的算法，而且还把前期准备中的数据清洗，转换，以及后续的效果评估、图形化展现都集成在一块，方便用户。这不仅是一种发展趋势，也是争取用户的一个关键因素。希望大家都能够加入进来，提供各种各样的辅助功能，让 Mahout 变得易用起来。

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