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지금까지 머신러닝 모델을 학습하고 릴리스하는 방법에 대해 살펴봤다. 이번 포스팅 부터는 머신러닝을 통해 시스템을 만드는 여러가지 패턴을 정리하려고 한다.

시스템이 필요한 이유

하나의 머신러닝 모델을 만들어 내기 위해서는 다양한 데이터와 알고리즘, 파라미터를 조합해야 한다. 이 조합에 따라 만들어지는 모델의 성능은 달라지는데, 도대체 어떤 데이터나 파라미터를 통해 학습되었는지를 이미 학습된 모델 자체를 통해서 알아내기는 어렵다. 따라서 머신러닝을 활용하기 위해서는 어떤 설정을 바탕으로 모델을 학습했는지 철저히 관리하고 버저닝해야 한다.

머신러닝을 효과적인 프로덕트나 서비스의 형태로 활용하기 위해서는 시스템이 모델을 포함해야 한다. 머신러닝 모델을 로컬 PC에서만 추론할 수 있게 구성하는 것은 도움이 되지 않으며, 다른 소프트웨어들과 조합해 모델이 호출되는 구조를 갖춰야 한다.

학습한 모델을 추론기에 포함하는 방법은 여러가지가 있다. 어떤 방법으로 모델을 추론기에 포함해서 구현할지는 시스템의 목적이나 모델의 성능에 따라 달라진다.

예를 들어 모든 요청에 대해 즉시 추론 결과를 응답하기 위한 추론기는 동기적으로 만드는 것이 좋다. 여러 개의 모델을 포함한 추론기를 구성해야 하는 경우라면 각각의 모델을 MSA(Micro Service Architecture)로 배치하는 방법을 고려해야 하고, 데이터를 모아두었다가 야간이나 일정한 기간에 일괄적으로 추론하고 싶은 경우는 배치 시스템으로 개발하는 것이 바람직하다.

앞으로 정리할 추론 시스템 패턴을 요약하면 다음과 같다.

• 웹 싱글 패턴: 하나의 작은 모델을 하나의 추론기로 동기적으로 추론
• 동기 추론 패턴: 요청에 대해 동기적으로 추론
• 비동기 추론 패턴: 요청에 대해 비동기적으로 추론
• 배치 추론 패턴: 배치 작업으로 추론 실행
• 전처리 추론 패턴: 전처리와 추론으로 서버를 분리
• 직렬 MSA 패턴: 의존관계에 있는 추론을 차례로 실행
• 병렬 MSA 패턴: 하나의 요청을 여러개의 추론기로 추론

각 패턴들의 구현 방법을 장단점과 함께 알아보자.

2024.09.09 - [Data Science/machine learning] - 웹 싱글 패턴

2024.09.11 - [Data Science/machine learning] - 동기 추론 패턴

2024.09.11 - [Data Science/machine learning] - 비동기 추론 패턴

from flask import Flask, request, jsonify

app = Flask(__name__)

@app.route('/webhook', methods=['POST'])
def webhook():
    data = request.json
    print(f"Webhook received: {data}")
    # 여기서 데이터를 처리하거나 알림을 띄움
    return jsonify({"status": "success"}), 200

if __name__ == '__main__':
    app.run(port=5000)

나의 말:

ChatGPT의 말:

import time
import requests
from watchdog.observers import Observer
from watchdog.events import FileSystemEventHandler

# 웹훅을 호출하는 함수
def trigger_webhook(event):
    url = 'http://your-webhook-url.com/webhook'
    data = {
        'event': event.event_type,
        'file': event.src_path
    }
    response = requests.post(url, json=data)
    if response.status_code == 200:
        print(f"Webhook triggered successfully: {event.src_path}")
    else:
        print(f"Failed to trigger webhook: {response.status_code}")

# 파일 시스템 이벤트 핸들러 클래스
class WatchdogHandler(FileSystemEventHandler):
    def on_modified(self, event):
        print(f"File modified: {event.src_path}")
        trigger_webhook(event)  # 파일 변경 감지 시 웹훅 호출

    def on_created(self, event):
        print(f"File created: {event.src_path}")
        trigger_webhook(event)  # 파일 생성 감지 시 웹훅 호출

    def on_deleted(self, event):
        print(f"File deleted: {event.src_path}")
        trigger_webhook(event)  # 파일 삭제 감지 시 웹훅 호출

# 감시할 디렉토리 설정 및 감시자(Observer) 설정
if __name__ == "__main__":
    path = "/path/to/monitor"  # 감시할 디렉토리 경로
    event_handler = WatchdogHandler()
    observer = Observer()
    observer.schedule(event_handler, path, recursive=True)  # 재귀적으로 하위 디렉토리도 감시

    observer.start()
    try:
        while True:
            time.sleep(1)  # 계속 실행
    except KeyboardInterrupt:
        observer.stop()  # 종료 시 감시 중단
    observer.join()

나의 말:

ChatGPT의 말:

from kafka import KafkaProducer
import json

producer = KafkaProducer(bootstrap_servers='localhost:9092', value_serializer=lambda v: json.dumps(v).encode('utf-8'))

def send_event(event_type, data):
    event = {"type": event_type, "data": data}
    producer.send('ngs-events', value=event)
    producer.flush()

# NGS 분석 완료 이벤트 발생 시 호출
send_event('NGS_ANALYSIS_COMPLETE', {'sample_id': 123, 'status': 'completed'})

from kafka import KafkaConsumer
import json

consumer = KafkaConsumer('ngs-events', bootstrap_servers='localhost:9092', value_deserializer=lambda v: json.loads(v.decode('utf-8')))

for message in consumer:
    event = message.value
    print(f"Received event: {event}")
    # 이벤트 타입에 따라 다른 처리 수행
    if event['type'] == 'NGS_ANALYSIS_COMPLETE':
        print(f"Sample {event['data']['sample_id']} completed with status {event['data']['status']}")

그러나 kafka에서 수신되는 메시지를 slack으로 전송하고 싶다면 아래 방법을 적용할 수 있습니다.

from kafka import KafkaProducer
import requests
import json

# Slack Webhook URL
webhook_url = 'https://hooks.slack.com/services/your/webhook/url'

# Kafka Producer 설정
producer = KafkaProducer(bootstrap_servers='localhost:9092')

# Slack으로 메시지 전송 함수
def send_to_slack(message):
    data = {'text': message}
    response = requests.post(webhook_url, data=json.dumps(data),
                             headers={'Content-Type': 'application/json'})
    if response.status_code != 200:
        raise ValueError(f'Slack API Error: {response.status_code}, {response.text}')

# Kafka에 메시지 전송 전에 Slack으로 메시지 보내기
def send_message_to_kafka_and_slack(topic, message):
    # Slack으로 메시지 보내기
    send_to_slack(f"New Kafka message: {message}")
    # Kafka로 메시지 보내기
    producer.send(topic, value=message.encode('utf-8'))

# 메시지 전송 예시
send_message_to_kafka_and_slack('my_topic', 'This is a test message')

Django와 Java Spring Boot의 비교: Django가 데이터 분석 웹 애플리케이션 개발에 더 적합한 이유

Django와 Java Spring Boot는 모두 강력한 웹 프레임워크이지만, 데이터 분석 웹 애플리케이션 개발에 있어 Django가 Java Spring Boot보다 더 나은 선택이 될 수 있는 몇 가지 중요한 이유가 있습니다.

1. Python 생태계와의 통합

Django는 Python으로 작성된 웹 프레임워크입니다. Python은 데이터 과학 및 분석 분야에서 가장 널리 사용되는 언어 중 하나로, 데이터 분석 및 머신러닝 작업에 필요한 방대한 라이브러리(Pandas, NumPy, Scikit-learn, TensorFlow 등)를 지원합니다. Django를 사용하면 이러한 Python 라이브러리와의 통합이 용이하여, 데이터 분석과 웹 개발을 하나의 환경에서 일관되게 수행할 수 있습니다. 반면, Java Spring Boot는 Java 기반이므로, Python 생태계의 라이브러리와 통합하기 위해 추가적인 설정과 연동 작업이 필요합니다.

2. 개발 속도와 생산성

Django는 "Batteries-included" 철학에 따라 웹 개발에 필요한 대부분의 기능(예: 사용자 인증, 데이터베이스 관리, URL 라우팅, 폼 처리, 보안 기능 등)을 기본적으로 제공합니다. 이는 개발자들이 반복적인 설정 작업 없이 신속하게 애플리케이션을 개발할 수 있게 해줍니다. 또한, Django의 간단하고 직관적인 문법과 Python의 특성 덕분에 개발 속도가 빠르고 코드 가독성이 높습니다.

Java Spring Boot는 강력하고 확장 가능한 애플리케이션을 구축할 수 있지만, 많은 설정과 XML 또는 어노테이션 기반의 설정 작업이 필요할 수 있습니다. 이는 복잡한 애플리케이션을 구축할 때 유연성을 제공하지만, 데이터 분석 웹 애플리케이션처럼 간단한 데이터 시각화와 처리가 주요 목표인 경우 오히려 복잡성을 증가시킬 수 있습니다.

3. 데이터 중심 애플리케이션의 유연성

Django는 ORM(Object-Relational Mapping)을 제공하여 데이터베이스와의 상호작용을 단순화하고, Python 코드로 직접 데이터베이스 쿼리를 작성하고 관리할 수 있게 합니다. 이는 데이터 모델링과 관리가 빈번한 데이터 분석 애플리케이션에 매우 유리합니다. Django의 ORM은 개발자가 SQL을 몰라도 쉽게 데이터베이스 작업을 수행할 수 있도록 해줍니다.

반면, Java Spring Boot는 JPA(Java Persistence API)를 사용하여 ORM을 제공하지만, 상대적으로 설정이 복잡할 수 있고 Java의 엄격한 문법을 따라야 하므로 간단한 작업에도 코드가 길어질 수 있습니다. 이는 특히 데이터 처리와 시각화가 빈번한 데이터 분석 웹 애플리케이션에서 개발 효율성을 떨어뜨릴 수 있습니다.

4. 보안과 유지보수

Django는 기본적으로 CSRF, XSS, SQL Injection 방지와 같은 보안 기능을 내장하고 있어, 보안에 대한 기본적인 보호막을 제공합니다. Python의 간결한 문법과 Django의 명확한 구조는 코드 유지보수에 유리하며, 팀 내 협업 시에도 코드의 일관성과 가독성을 높입니다.

Java Spring Boot는 역시 다양한 보안 기능을 제공하지만, 세밀한 보안 설정을 위해 더 많은 코딩과 설정이 필요할 수 있습니다. 또한, Java의 비교적 복잡한 문법은 유지보수와 코드 가독성 면에서 Django보다 다소 불리할 수 있습니다.

5. 커뮤니티와 지원

Django는 오픈 소스 프로젝트로, 대규모 커뮤니티와 풍부한 문서화가 장점입니다. 특히 데이터 분석과 관련된 다양한 Django 패키지와 플러그인들이 있어 데이터 분석 웹 애플리케이션 개발에 필요한 기능을 쉽게 확장할 수 있습니다. Python 생태계의 장점 덕분에 데이터 과학자와 소프트웨어 개발자가 동일한 언어로 협업할 수 있습니다.

Java Spring Boot는 엔터프라이즈 환경에서 강력한 지원을 받지만, 데이터 분석에 특화된 도구는 상대적으로 적을 수 있습니다. 주로 대규모 기업 환경에서의 웹 애플리케이션 구축에 사용되므로, 데이터 분석과 관련된 기능 확장에는 Django보다 적합하지 않을 수 있습니다.

결론

Django는 Python 생태계와의 통합, 개발 속도와 생산성, 데이터 중심 애플리케이션의 유연성, 보안과 유지보수 측면에서 데이터 분석 웹 애플리케이션 개발에 Java Spring Boot보다 더 적합한 선택이 될 수 있습니다. 특히 데이터 분석가와 소프트웨어 개발자가 협력하여 데이터 중심의 애플리케이션을 개발하는 데 Django의 장점이 큽니다. 이러한 이유로, 데이터 분석 팀의 소프트웨어 개발자는 Django를 활용하여 보다 효율적이고 효과적인 웹 애플리케이션을 개발할 수 있습니다.

여기서는 LIMS(Laboratory Information Management System, 실험실 정보 관리 시스템)의 이상적인 사용 방법과 실무자로서 경험했던 LIMS 구축에 필요한 기능들에 대해 논의해보겠습니다.

LIMS란 무엇인가?

LIMS는 Laboratory Information Management System의 약자로, 연구소나 실험실에서 생성되는 데이터를 관리하고 추적하는 소프트웨어 시스템입니다. LIMS는 샘플의 수집, 처리, 저장, 분석, 보고서 작성 및 데이터 관리와 같은 실험실의 다양한 작업을 자동화하고 효율적으로 관리하는 데 사용됩니다. 이를 통해 실험실의 운영 효율성을 높이고, 데이터의 정확성 및 추적성을 보장하며, 규제 준수를 지원하는 데 중요한 역할을 합니다.

LIMS의 주요 기능

1. 샘플 관리: 샘플의 수집, 레이블링, 저장 위치 추적 및 관리를 자동화합니다.
2. 데이터 관리: 실험 데이터의 수집, 저장, 분석 및 보고서 생성을 지원합니다.
3. 품질 관리: 실험 절차와 결과의 품질 보증 및 규정 준수를 관리합니다.
4. 재고 관리: 시약, 소모품 및 기타 실험실 자원의 재고를 효율적으로 관리합니다.
5. 프로세스 자동화: 실험실 워크플로우와 프로세스를 자동화하여 업무 효율성을 높입니다.
6. 컴플라이언스 관리: 규제 요구 사항 및 표준 준수를 관리하여 법적 문제를 방지합니다.

LIMS vs. Excel: 왜 LIMS를 선택해야 할까?

많은 실험실, 특히 소규모 연구실에서는 여전히 엑셀을 사용하여 데이터를 정리하고 관리합니다. 엑셀은 비교적 저렴하고 사용하기 쉬운 도구이기 때문에 널리 사용되고 있지만, 데이터 관리 측면에서는 여러 가지 제한과 단점을 가지고 있습니다.

엑셀의 단점

• 데이터 제한: 엑셀은 워크시트의 행과 열 수가 제한되어 있어 대량의 데이터를 처리하는 데 한계가 있습니다.
  • 최대 행 수: 1,048,576
  • 최대 열 수: 16,384
• 데이터 무결성 문제: 엑셀은 자유롭게 편집할 수 있어 데이터가 손상되거나 무결성이 훼손될 위험이 있습니다.
• 파일 손상 위험: 엑셀 파일은 저장 및 관리가 제대로 되지 않을 경우 쉽게 손상될 수 있습니다.

이러한 문제들은 LIMS를 도입할 경우 해결할 수 있습니다. LIMS는 대량의 데이터를 효율적으로 처리하고, 데이터의 무결성을 유지하며, 손상 없이 안전하게 데이터를 관리할 수 있는 시스템입니다.

LIMS의 3가지 단계적 용도

LIMS를 활용하면 실험실 데이터 관리의 효율성을 극대화할 수 있습니다. 필자가 생각하는 LIMS의 3가지 단계적 용도는 다음과 같습니다:

1. 데이터의 수집 및 저장
2. 데이터의 처리 및 관리
3. 수집된 데이터의 2차적 분석

이러한 용도는 정보 관리 시스템이라는 이름에 걸맞게 데이터 엔지니어가 주로 관련된 업무를 포함합니다. (UI/UX 구성은 별도로 고려하지 않았지만, LIMS의 기본 기능은 정보 관리에 중점을 둡니다.)

1. 데이터의 수집 및 저장

LIMS의 첫 번째 단계는 데이터의 수집 및 저장입니다. 실험실 장비에서 데이터를 직접 수집하는 것이 중요합니다. 일부 장비에서는 자체 소프트웨어가 아니면 해석할 수 없는 바이너리 파일을 제공하지만, 데이터의 무결성을 유지하기 위해 최대한 원본 파일을 수집하는 것이 중요합니다.

전자 연구 노트에서 블록체인 기술이 도입되어 작성 시점에서 데이터가 변경되지 않았다는 것을 인증하는 것처럼, LIMS에서도 장비에서 직접 수집된 원본 데이터임을 보증하기 위해 블록체인 기술을 도입할 수 있습니다. 이는 데이터의 무결성과 신뢰성을 보장하고, 실험 데이터의 신뢰도를 높이는 데 유용할 것입니다.

2. 데이터의 처리 및 관리

두 번째 단계는 데이터의 처리 및 관리입니다. 데이터가 잘 수집되었다면, 이제 데이터베이스의 장점을 활용하여 데이터를 관리할 차례입니다.

• 수집된 데이터는 임의로 조작할 수 없도록 데이터 접근 권한을 설정하고 변경 기록을 관리하여 무결성을 보장합니다.
• 권한이 있는 사람은 누구나 쉽게 접근하여 데이터를 확인할 수 있습니다.
• 예를 들어, NGS(Next-Generation Sequencing) 시퀀싱이 끝난 후 수집된 bcl 파일은 자동 분석 파이프라인을 실행하도록 설정할 수 있으며, 원본 데이터에서 분석 데이터로의 전환이 자연스럽게 이루어집니다.

이를 통해 기존 수기 방법의 휴먼 에러를 줄이고, 많은 시간이 소요되는 불편함을 해결할 수 있습니다.

3. 데이터의 2차적 분석

세 번째 단계는 수집된 데이터의 2차적 분석입니다. 데이터를 수집하고 정리한 후에는 분석을 통해 의미 있는 정보를 도출할 수 있습니다.

예를 들어, MLflow와 같은 프로그램은 머신 러닝 실험에서 데이터가 수집되고 이를 차트로 시각화하여 분석에 활용할 수 있도록 돕습니다. 데이터가 잘 수집되어 있다면, 이를 차트로 표현하고 다양한 분석을 수행하는 것은 상대적으로 쉬운 작업이 됩니다. LIMS는 이러한 분석 작업을 지원하여 실험실의 생산성을 크게 향상시킬 수 있습니다.

그러나 단순히 차트를 그리는 것이 2차적 분석의 전부는 아닙니다. 다양한 통계 기법이나 이상 감지와 같은 딥러닝 기법을 적용하여 데이터의 품질을 관리할 수 있습니다. 예를 들어, 실험 조건의 차이를 입력하면 어떤 요인이 실험 결과에 영향을 주는지 파악할 수 있습니다. 이러한 분석은 실험 데이터의 신뢰성을 높이고, 연구 결과의 정확성을 강화하는 데 매우 유용합니다.

현재 Snowflake나 Databricks와 같은 데이터 저장 및 관리 소프트웨어는 이미 이러한 고급 기능을 지원하고 있습니다. LIMS도 이러한 기능을 실험실 용도에 맞게 확장하는 것이 앞으로 나아가야 할 방향이라고 생각합니다. 이를 통해 LIMS는 단순한 데이터 관리 도구를 넘어, 연구와 개발의 중요한 파트너가 될 수 있을 것입니다.

결론

LIMS는 실험실 데이터 관리의 핵심적인 도구로, 엑셀에 비해 훨씬 더 효율적이고 안전한 데이터 관리 방법을 제공합니다. 데이터의 수집, 처리, 관리, 그리고 분석까지의 모든 과정을 자동화하고 체계적으로 관리할 수 있는 LIMS를 도입하면, 실험실의 운영 효율성을 크게 향상시킬 수 있습니다. LIMS의 도입을 고려하고 있다면, 위에서 언급한 단계적 접근 방식을 참고하여 필요한 기능을 구축해 나가면 좋을 것입니다.