第三届阿里云磐久智维算法大赛——GRU BaseLine

2023-10-30

赛题

比赛链接：第三届阿里云磐久智维算法大赛-天池大赛-阿里云天池 (aliyun.com)

大赛概况

庸医只知头痛医头脚痛医脚，凡良医者，必会抽丝剥茧，察其根本，方得药到病除。第一届和第二届磐久智维算法大赛，我们针对异常预测开展了积极的探索和卓有成效的实践。本届大赛我们延续对异常/故障这一领域的深入挖掘，以根因诊断为赛题，和各界同仁一起探讨根因诊断的新思路，共同追逐这一人工智能应用的明珠。
在大规模IT设备、应用运维过程中，故障无可避免，而关键日志则是技术人员排查根因，对症下药的重要依据。近年来围绕日志分析，涌现出了众多先进技术，在不断突破技术瓶颈的同时，也为解决工业难题提供了越来越先进的武器装备。本次大赛开放大量不同类别的服务器运行日志，这些日志反应了服务器运行过程中各类部件的状态，能够在出现服务器故障时用来快速的定位出故障所在，这对于高效的修复故障、避免维修时间的浪费、降低服务器换件成本、提升系统可用性甚至减少客户投诉都至关重要。但准确的识别出故障根因并非易事，需要创新的思维，细致的分析。祝愿各界同仁享受比赛，开拓创新，取得好成绩。

问题描述

给定一段时间的系统日志数据，参赛者应提出自己的解决方案，以诊断服务器发生了哪种故障。具体来说，参赛者需要从组委会提供的数据中挖掘出和各类故障相关的特征，并采用合适的机器学习算法予以训练，最终得到可以区分故障类型的最优模型。数据处理方法和算法不限，但选手应该综合考虑算法的效果和复杂度，以构建相对高效的解决方案。

初赛会提供训练数据集，供参赛选手训练模型并验证模型效果使用。同时，也将提供测试集，选手需要对测试集中的数据诊断识别出故障类型，并将模型判断出的结果上传至竞赛平台，平台会根据提交的诊断结果，来评估模型的效果。

在复赛中，我们会进一步增加数据，并提供额外的其他种类的数据。面对进一步的问题和任务，选手需要提交一个docker镜像，镜像中需要包含用来进行故障诊断所需的所有内容，也即完整解决方案代码。其中，镜像中的代码需要能够根据输入的测试集文件（文件夹）位置，来对测试集中的故障数据进行诊断，并把诊断结果以指定的CSV文件格式输出到指定位置。

数据描述

1.初赛数据

1.1 SEL日志数据:

Table 1: SEL日志数据, 数据文件名: preliminary_sel_log_dataset.csv

Field	Type	Description
sn	string	server serial number
time	string	log reported time
msg	string	log
server_model	string	server model

1.2 训练标签数据:

Table 2: 训练标签数据, 数据文件名: preliminary_train_label_dataset.csv, preliminary_train_label_dataset_s.csv

Field	Type	Description
sn	string	server serial number
fault_time	string	fault time of server
label	int	failure label, 0,1,2,3 四类故障

其中0类和1类表示CPU相关故障，2类表示内存相关故障，3类表示其他类型故障

注: 上述两个文件的总label数据对应”preliminary_sel_log_dataset.csv“中所有的日志。在比赛之初，组委会曾在”preliminary_sel_log_dataset.csv“中开放过一份不带label的log数据交由选手提交答案测评，现该部分log数据不变，并将其对应的的label(preliminary_train_label_dataset_s.csv)一并开放，选手有了更多的数据用于训练。

1.3 选手提交数据:

Table 3: 选手提交数据, 数据文件名: preliminary_submit_dataset_a.csv, 对应的log文件名：preliminary_sel_log_dataset_a.csv
选手需要使用preliminary_sel_log_dataset_a.csv中的日志内容，评测出对应的诊断结果，并填充到preliminary_submit_dataset_a.csv中，preliminary_submit_dataset_a.csv是选手需要提交到系统的最终结果文件。

Field	Type	Description
sn	string	server serial number
fault_time	string	fault time of server

注: 给定sn、fault_time两个字段信息，选手需要根据SEL日志信息给出最终的label。提交文件需要包含例子中给定的header(sn,fault_time,label)，提交格式例子：

sn,fault_time,label  
server_123,2019-08-16 02:12:00,0

注：选手提交文件请参见preliminary_submit_dataset_a.csv, 不是preliminary_submit_dataset.csv；选手提交文件请参见preliminary_submit_dataset_a.csv, 不是preliminary_submit_dataset.csv；选手提交文件请参见preliminary_submit_dataset_a.csv, 不是preliminary_submit_dataset.csv

1.4 SEL日志语料数据:

Table 4: SEL日志语料数据, 数据文件名: additional_sel_log_dataset.csv

Field	Type	Description
sn	string	server serial number
time	string	log reported time
msg	string	log

注: 主要是给选手进行预训练用的数据，该数据集没有对应的label标签，也没有server_model字段，选手可以酌情使用

2.复赛数据(暂定)

2.1 SEL日志数据:

Table 5: SEL日志数据, 数据文件名: final_sel_log_dataset_*.csv

Field	Type	Description
sn	string	server serial number
time	string	log reported time
msg	string	log
server_model	string	server model

2.2 训练标签数据:

Table 6: 训练标签数据, 数据文件名: final_train_label_dataset_*.csv

Field	Type	Description
sn	string	server serial number
fault_time	string	fault time of server
label	int	failure label, 0,1,2,3四类故障

2.3 选手提交数据:

Table 7: 选手提交数据, 数据文件名: final_submit_dataset_*.csv

Field	Type	Description
sn	string	server serial number
fault_time	string	fault time of server

注: 给定sn、fault_time两个字段信息，选手需要根据SEL日志信息给出最终的label。提交格式例子：

sn,fault_time,label
server_123,2019-08-16 02:12:00,0

2.4 补充日志数据1:

Table 8: 补充日志数据1, 数据文件名: final_venus_dataset_*.csv

Field	Type	Description
sn	string	server serial number
fault_time	string	fault time of server
module_cause	string	module cause
module	string	module

2.5 补充日志数据2:

Table 9: 补充日志数据2, 数据文件名: final_crashdump_dataset_*.csv

Field	Type	Description
sn	string	server serial number
fault_time	string	fault time of server
fault_code	string	fault code

提交格式

初赛阶段，选手需要将模型在测试集上的诊断结果保存为csv格式，并打包成zip压缩文件进行提交。形式如下：

sn,fault_time,label
server_123,2019-08-16 02:12:00,0

复赛阶段，最后的输出形式如下：

sn,fault_time,label
server_123,2019-08-16 02:12:00,0

注：
1）选手提交数据文件中出现的机器均需要进行诊断，并将结果写到上传文件中，否则评分为0。
2）若选手上传的结果文件中，同一个sn出现多次诊断结果，则评测程序会选取第一条用于评分。
3）在复赛中，参赛选手需要提交docker镜像，具体的提交方式及规范请参见镜像提交说明。
4）诊断结果保存为csv文件格式，保存的csv文件有header，无index; 第一列为sn，第二列为故障时间，格式为YYYY-MM-dd HH:mm:ss，字符串类型，第三列为故障类型，格式为整数0-3

评价指标(初赛)

本次竞赛采用多分类加权Macro F1-score作为评价指标, 根据具体场景化的诊断内容，定义相关术语和详细指标如下：

对于第ii类，有
- Precision
  - #TP: 真正例的数量
  - #FP: 假正例的数量
  Precision = # T P # T P + # F P \text { Precision }=\frac{\# \mathrm{TP}}{\# \mathrm{TP}+\# \mathrm{FP}} Precision =#TP+#FP#TP
- Recall
  - #FN: 假负例的数量
  Recall = # T P # T P + # F N \text { Recall }=\frac{\# \mathrm{TP}}{\# \mathrm{TP}+\# \mathrm{FN}} Recall =#TP+#FN#TP
- F1-score
  F1-score = 2 × Precision × Recall ( Precision + Recall ) \text { F1-score }=\frac{2 \times \text { Precision } \times \text { Recall }}{(\text { Precision }+\text { Recall })} F1-score =( Precision + Recall )2× Precision × Recall
综合四类，即「两种CPU故障」(0-1)、「内存故障」(2)和「其他故障」(3)，有
- 对应该四类的权重向量
w v = { 3 7 , 2 7 , 1 7 , 1 7 } w \boldsymbol{v}=\left\{\frac{3}{7}, \frac{2}{7}, \frac{1}{7}, \frac{1}{7}\right\} wv={73,72,71,71}
- Macro F1-score
Macro F1-score = ∑ i ∈ { 0 , 1 , 2 , 3 } w i × F1-score -s i \text { Macro F1-score }=\sum_{i \in\{0,1,2,3\}} w_{i} \times \text { F1-score } \text {-s }_{i} Macro F1-score =i∈{0,1,2,3}∑wi× F1-score -s i

Baseline

本文BaseLine的数据处理参照了：baseline_template-天池实验室-实时在线的数据分析协作工具，享受免费计算资源 (aliyun.com)，模型采用pytorch版的GRU。

模型与DataSet

新建model.py文件，插入代码：

from torch import nn
from torch.utils.data import Dataset


class RNN(nn.Module):
    def __init__(self, input_size):
        super(RNN, self).__init__()
        self.rnn = nn.GRU(
            input_size=input_size,
            hidden_size=128,
            num_layers=1,
            batch_first=True,
        )
        self.out = nn.Sequential(
            nn.Linear(128, 4),
        )
        self.hidden = None

    def forward(self, x):
        r_out, self.hidden = self.rnn(x)  # None 表示 hidden state 会用全0的 state
        out = self.out(r_out)
        return out


class TrainSet(Dataset):
    def __init__(self, data, lables):
        # 定义好 image 的路径
        self.data, self.label = data.float(), lables.float()

    def __getitem__(self, index):
        return self.data[index], self.label[index]

    def __len__(self):
        return len(self.data)

调用nn.GRU创建模型，input_size是输入的维度，nn.Linear(64, 4),4代表输出的类别是4类。

TrainSet类定义加载数据的方式。

训练

定义完模型就开始这篇文章最重要的部分：训练！新建train.py,插入如下代码：

import pandas as pd
from sklearn.model_selection import  train_test_split
import torch
import torch.nn as nn
import numpy as np
from torch import optim
from torch.utils.data import Dataset, DataLoader
import os
from model import RNN


DEVICE = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')

导入需要的包。

判断是否存在cuda环境，如果存在DEVICE设置为cuda，如果没有则设置为cpu。

接下来是数据处理部分：

data_train = pd.read_csv('preliminary_sel_log_dataset.csv')
data_test = pd.read_csv('preliminary_sel_log_dataset_a.csv')
data = pd.concat([data_train, data_test])

from drain3 import TemplateMiner  # 开源在线日志解析框架
from drain3.file_persistence import FilePersistence
from drain3.template_miner_config import TemplateMinerConfig

config = TemplateMinerConfig()
config.load('drain3.ini')  ## 这个文件在drain3的github仓库里有
config.profiling_enabled = False

drain_file = 'comp_a_sellog'
persistence = FilePersistence(drain_file + '.bin')
template_miner = TemplateMiner(persistence, config=config)

##模板提取
for msg in data.msg.tolist():
    template_miner.add_log_message(msg)
temp_count = len(template_miner.drain.clusters)

## 筛选模板
template_dic = {}
size_list = []
for cluster in template_miner.drain.clusters:
    size_list.append(cluster.size)
size_list = sorted(size_list, reverse=True)[:200]  ## 筛选模板集合大小前200条，这里的筛选只是举最简单的例子。
min_size = size_list[-1]

for cluster in template_miner.drain.clusters:  ## 把符合要求的模板存下来
    print(cluster.cluster_id)
    if cluster.size >= min_size:
        template_dic[cluster.cluster_id] = cluster.size

temp_count_f = len(template_dic)


def match_template(df, template_miner, template_dic):
    msg = df.msg
    cluster = template_miner.match(msg)  # 匹配模板，由开源工具提供
    if cluster and cluster.cluster_id in template_dic:
        df['template_id'] = cluster.cluster_id  # 模板id
        df['template'] = cluster.get_template()  # 具体模板
    else:
        df['template_id'] = 'None'  # 没有匹配到模板的数据也会记录下来，之后也会用作一种特征。
        df['template'] = 'None'
    return df


data = data.apply(match_template, template_miner=template_miner, template_dic=template_dic, axis=1)
data.to_pickle(drain_file + '_result_match_data.pkl')  # 将匹配好的数据存下来

df_data = pd.read_pickle(drain_file + '_result_match_data.pkl')  # 读取匹配好模板的数据
df_data[df_data['template_id'] != 'None'].head()


def feature_generation(df_data, gap_list, model_name, log_source, win_list, func_list):
    gap_list = gap_list.split(',')

    dummy_list = set(df_data.template_id.unique())
    dummy_col = ['template_id_' + str(x) for x in dummy_list]

    for gap in gap_list:
        df_data['collect_time_gap'] = pd.to_datetime(df_data.collect_time).dt.ceil(gap)
        df_data = template_dummy(df_data)
        df_data = df_data.reset_index(drop=True)
        df_data = df_data.groupby(['sn', 'collect_time_gap']).agg(sum).reset_index()
        df_data = feature_win_fun(df_data, dummy_col, win_list, func_list, gap)
        df_data.to_pickle(
            'cpu_diag_comp_sel_log_all_feature_' + gap + '_' + win_list + '_' + func_list + '.pkl')  # 将构造好的特征数据存下来
        return df_data


def template_dummy(df):
    df_dummy = pd.get_dummies(df['template_id'], prefix='template_id')
    df = pd.concat([df[['sn', 'collect_time_gap']], df_dummy], axis=1)
    return df


def feature_win_fun(df, dummy_col, win_list, func_list, gap):
    win_list = win_list.split(',')
    func_list = func_list.split(',')
    drop_col = ['sn']
    merge_col = ['collect_time_gap']
    df_out = df[drop_col + merge_col]

    for win in win_list:
        for func in func_list:
            df_feature = df.groupby(drop_col).apply(rolling_funcs, win, func, dummy_col)
            df_feature = df_feature.reset_index(drop=True).rename(columns=dict(zip(dummy_col, map(lambda x: x + '_' +
                                                                                                            func + '_' + win,
                                                                                                  dummy_col))))
            df_out = pd.concat([df_out, df_feature], axis=1)
    return df_out


def rolling_funcs(df, window, func, fea_col):
    df = df.sort_values('collect_time_gap')
    df = df.set_index('collect_time_gap')
    df = df[fea_col]

    df2 = df.rolling(str(window) + 'h')

    if func in ['sum']:
        df3 = df2.apply(sum_func)
    else:
        print('func not existed')
    return df3


def sum_func(series):
    return sum(series)


df_data.rename(columns={'time': 'collect_time'}, inplace=True)
feature_generation(df_data, '1h', '', '', '3', 'sum')

df_data = pd.read_pickle('cpu_diag_comp_sel_log_all_feature_1h_3_sum.pkl')  # 读取之前构造好的特征数据
df_train_label = pd.read_csv('preliminary_train_label_dataset.csv')
df_train_label_s = pd.read_csv('preliminary_train_label_dataset_s.csv')
df_train_label = pd.concat([df_train_label, df_train_label_s])
df_train_label = df_train_label.drop_duplicates(['sn', 'fault_time', 'label'])

df_data_train = pd.merge(df_data[df_data.sn.isin(df_train_label.sn)], df_train_label, on='sn', how='left')
y = df_data_train['label']
x = df_data_train.drop(['sn', 'collect_time_gap', 'fault_time', 'label'], axis=1)

数据处理部分，我只修改了一些错误，详见：baseline_template-天池实验室-实时在线的数据分析协作工具，享受免费计算资源 (aliyun.com)

X_train, X_val, y_train, y_val = train_test_split(x, y, test_size=0.1, random_state=6)
X_train = np.array(X_train)
y_train = np.array(y_train)
df_tensor = torch.Tensor(X_train)
tensor_y = torch.Tensor(y_train)
n=X_train.shape[1]
print(n)
X_val = np.array(X_val)
y_val = np.array(y_val)
X_val = torch.Tensor(X_val)
y_val = torch.Tensor(y_val)
trainset = TrainSet(df_tensor, tensor_y)
valset = TrainSet(X_val, y_val)
trainloader = DataLoader(trainset, batch_size=64, shuffle=True)
valloader = DataLoader(valset, batch_size=64, shuffle=False)

按照7：3的比例切分训练集和验证集。

将训练集和验证集转成torch.Tensor类型。

分别给训练集和验证集创建DataLoader对象。

n代表数据的维度，在后面创建模型的时候要用到。

EPOCH=300
modellr=0.0001
ACC=0
rnn = RNN(n)
rnn.to(device=DEVICE)
optimizer = optim.Adam(rnn.parameters(), lr=modellr)
loss_func=nn.CrossEntropyLoss()

EPOCH：迭代次数，设置为300。

modellr：学习率，设置为0.0001

ACC：记录验证集的最高分数。保存模型的时候，按照最高分数保存的。

创建rnn模型。

优化器选用Adam。

loss函数选用交叉熵。

完成上面的代码，接下来就是训练和验证部分的代码：

for step in range(EPOCH):
    rnn.train()
    loss_train=0
    for tx, ty in trainloader:
        data, target = tx.to(DEVICE, non_blocking=True), ty.to(DEVICE, non_blocking=True)
        output = rnn(torch.unsqueeze(data, dim=1))
        loss = loss_func(torch.squeeze(output), target.long())
        print_loss = loss.data.item()
        loss_train+=print_loss
        optimizer.zero_grad()  # clear gradients for this training step
        loss.backward()  # back propagation, compute gradients
        optimizer.step()
    print("epoch:",str(step),"loss:" ,str(loss_train/len(trainloader)))
    if step % 2:
        torch.save(rnn, 'rnn.pth')
    rnn.eval()
    correct = 0
    total_num = len(valloader.dataset)
    loss_val=0
    for vx, vy in valloader:
        data, target = vx.to(DEVICE, non_blocking=True), vy.to(DEVICE, non_blocking=True)
        output = rnn(torch.unsqueeze(data, dim=1))
        loss = loss_func(torch.squeeze(output), target.long())
        print_loss = loss.data.item()
        loss_val=loss_val+print_loss
        _, pred = torch.max(torch.squeeze(output), 1)
        correct += torch.sum(pred == target)
    acc = correct / total_num
    print("Val Loss {},ACC {}\n".format(loss_val/len(valloader),acc))
    if acc > ACC:
        torch.save(rnn, 'best.pth')
        ACC = acc

代码中注意的地方，由于GRU要求输入是三维的，但是我们的数据是二维的所以使用torch.unsqueeze(data, dim=1)增加一维。

在计算loss的时候，output多了一维，所以使用torch.squeeze将这一维去除。如果不理解将其打印出来就可以看到了。

完成上面的代码就可以开始训练了，运行结果如下：

训练完成后，接下来开始测试部分的编写

测试

新建test.py,插入代码：

import pandas as pd
import torch
import numpy as np
from torch import nn
from model import RNN

DEVICE = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')

drain_file = 'comp_a_sellog'
df_data = pd.read_pickle('cpu_diag_comp_sel_log_all_feature_1h_3_sum.pkl')  # 读取之前构造好的特征数据
df_test_df = pd.read_csv('preliminary_submit_dataset_a.csv', index_col=0).reset_index()
df_test = pd.merge(df_data[df_data.sn.isin(df_test_df.sn)], df_test_df, on='sn', how='left')
res = df_test[['sn', 'fault_time']]
print(df_test)
x_test = df_test.drop(['sn', 'collect_time_gap', 'fault_time'], axis=1)
model=torch.load('best.pth')
model.cpu()
x_test = np.array(x_test)

df_tensor = torch.Tensor(x_test)
output= model(torch.unsqueeze(df_tensor, dim=1))
_, pred = torch.max(torch.squeeze(output), 1)
res['label']=pred
res = res.sort_values(['sn', 'fault_time'])
res = res.drop_duplicates(['sn', 'fault_time'], keep='last')
res.to_csv('comp_a_result_1.csv', index=0)

测试集处理部分也是参考了天池上Baseline。

load模型，并设置其device为cpu。

将测试集转为torch.Tensor对象。

预测，并保存结果。

总结

本文实现了第三届阿里云磐久智维算法大赛的BaseLine，该BaseLine基于pytoch版的GRU实现。通过对该BaseLine，可以学习到如何使用GRU完成对csv数据训练和测试。

希望能给大家带来帮助，谢谢！

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