在现代数据驱动的世界中，数据科学家扮演着至关重要的角色。他们不仅需要精通机器学习、统计和数据可视化，还需要具备解决复杂问题的能力。然而，真正让数据科学家脱颖而出的，是他们独特的思维方式。正如软件开发工程师不仅需要掌握编程语言和工具，更需要掌握解决问题的方法和思维模式，数据科学家也需要牢记一些原则性的方法。
数据思维、业务思维、迭代思维和工程思维，这四种核心思维模式是每个数据科学家必备的技能。本文将深入探讨这四种思维模式，帮助您在数据科学的道路上走得更远，取得更大的成功。
数据思维：优先考虑数据和数据质量
在数据科学领域，理解并优先考虑数据是至关重要的。数据科学新手和与数据科学家合作的非技术人员非常容易犯的一个大错误是过于关注模型方面，例如：
- 选择最复杂的模型
- 过度调整超参数
- 试图用机器学习解决所有数据问题
数据科学和机器学习领域发展迅速，新的库、更快的技术和更好的模型不断涌现。然而，最复杂和最新的选择并不总是最好的。在选择模型时需要考虑许多因素，甚至包括是否真的需要机器学习。
一个常见的任务是异常值检测。在进行异常值检测时，选择合适的方法非常重要。尽管复杂的机器学习方法可能看起来很有吸引力，但有时更简单的方法更有效。例如，使用z-score进行异常值检测，因为它能够捕捉大部分相关异常，且具有高度可解释性，易于向没有技术背景的利益相关者解释，同时计算简单，几乎不需要更多内存或计算资源。
如果决定采用机器学习方法，首先应该优先提高数据质量，包括数据清洗、特征选择和特征工程。不要过度关注超参数调整，因为数据质量不佳，再多的调整也无济于事。无论搜索空间多大，花费多长时间进行优化，如果数据本身质量不佳，效果仍然有限。
优化数据质量的一些具体措施包括：
- 使用z-score或IQR等方法移除异常值
- 用之前的值或中位数填充缺失数据（插值），前提是缺失值不多
- 为模型添加新特征，如时间序列数据中的不同时间特征组合，以及受意外事件影响的数据可以添加二进制指示变量
数据思维的核心在于优先考虑数据质量和可解释性，避免过度依赖复杂的模型和过度调整超参数。在确保数据质量的前提下，再进行模型优化，才能事半功倍。
业务思维：掌握领域知识
数据科学几乎存在于任何领域，如能源、金融、市场营销、社交媒体和食品等等。这意味着你的技能在无数领域都能产生深远的影响。领域知识指的是对特定领域或主题的专业知识或理解。
以能源行业为例，假设你是一名行业内的数据科学家，想要构建一个预测建筑电力消耗的模型。你如何知道哪些特征可以用来构建模型？你需要了解哪些变量通常会影响电力使用，例如：
- 温度
- 一天中的小时
- 一周中的哪一天
- 一年中的哪个月
这些是一个好的起点，但还需要更深入的了解。例如，了解建筑的类型：是商业、工业/制造业，还是住宅？这将影响建筑对上述变量的响应。
商业建筑通常在典型工作时间（周一至周五的9点到5点）最繁忙，可以包含一个二进制变量如“工作时间”或“周末”。还需要考虑到节假日。制造工厂的工作时间和天数可能不同，住宅建筑也有不同的作息时间，并且受到节假日的影响也不同。
领域知识不仅帮助你首次构建模型，还能指导你最终交付的结果。例如，在检测异常值时，通常情况下，z-score大于3或小于-3的值被视为异常值。然而，领域知识和与客户的定期互动告知我们，只需要关注电表读数过高的情况，而不需要关注读数过低的情况。因此，我们将初始z-score阈值设置为3，仅将超过3的值视为异常值。
理解问题的背景是构建和训练有效模型的前提。增加领域知识意味着培养在你的行业中解决问题的直觉。
迭代思维：数据科学的迭代循环过程
数据科学家必须明白，他们的工作大多数是迭代和循环的。正因如此，这被称为机器学习生命周期，而不是机器学习直线过程。通常，你会开发一个模型，进行测试，甚至部署它——但在生产环境运行几周后，可能又会回到开发环境。这并不是失败，而是数据科学项目的常态。
为了成功，你需要建立一个不仅允许迭代开发，还鼓励这种开发方式的系统。数据科学家可以通过运行实验来实现这一点。实验的基本过程是给定不同的条件运行模型（例如测试不同的特征、以不同方式预处理数据、缩放数据等）并比较性能。目标是找到最佳的模型用于部署。
运行实验可能很繁琐，尤其是不断重复运行Notebook、将结果复制粘贴到表格中逐一比较。这种方法记录每个重要信息需要大量时间和精力，不仅包括MSE、R2和MAPE等指标，还可能包括：
- 训练集和测试集的大小（对于时间序列数据，还需记录起止日期）
- 模型训练的日期/时间
- 特征重要性或系数
- 模型文件
- 训练和测试数据文件
- 其他可视化图表，如残差图、数据的折线图/散点图
当然，你可以手动在不同位置存储所有这些信息，但谁愿意这么做呢？如果你要更改模型五次，这会变得非常混乱。
有许多专为数据科学实验跟踪而构建的平台，其中MLFlow是最流行的之一。SmartNotebook是一个基于notebook面向数据科学家的数据科学平台，它具有直观的界面和出色的用户体验，SQL和Python集成，可以跟踪文件、图表和许多其他形式的模型元数据和工件。可以看到每个实验的运行顺序，并进行比较。
工程思维：数据科学中的软件工程原则
数据科学不仅仅是数据分析和建模，还涉及到将解决方案有效地部署到生产环境中。这需要工程思维的引入，即遵循软件工程的最佳实践，以确保解决方案的可扩展性、可维护性和可靠性。
可扩展性：在数据科学项目中，可扩展性是指系统能够处理日益增加的数据量和用户需求。为了实现可扩展性，数据科学家应考虑以下几点：
- 模块化代码：将代码分成小的、可重用的模块，以便在不同的项目中复用。
- 分布式计算：利用分布式计算框架，如Apache Spark，以处理大规模数据集。
- 云服务：采用云服务，以便动态调整计算资源以应对变化的需求。
可维护性：数据科学项目需要不断更新和优化，因此可维护性至关重要。以下是一些实现可维护性的最佳实践：
- 代码版本控制：使用Git等版本控制系统来管理代码变化，确保团队协作顺畅。
- 文档编写：为代码和数据流程编写详细的文档，使团队成员能够快速理解和接手项目。
- 测试驱动开发：编写单元测试和集成测试，以确保代码的稳定性和可靠性。
可靠性:数据科学解决方案在生产环境中的可靠性直接影响业务的稳定性和用户体验。以下是一些提高可靠性的方法：
- 监控和报警：设置监控系统和报警机制，及时发现和解决问题，确保系统的持续运行。
- 错误处理：编写健壮的错误处理代码，以应对各种异常情况，防止系统崩溃。
- 自动化部署：使用CI/CD（持续集成和持续部署）工具，如Jenkins或GitLab CI，将代码自动化部署到生产环境中，减少人为错误。
工程思维在数据科学项目中的应用能够显著提高项目的成功率和影响力。通过遵循软件工程的最佳实践，数据科学家可以构建出高效、稳定和可扩展的解决方案，为企业创造更大的价值。掌握工程思维不仅有助于解决当前的问题，更能为未来的创新和发展奠定坚实的基础。
探讨了数据科学家必备的四种思维模式：数据思维、业务思维、迭代思维和工程思维。从优先考虑数据质量、掌握领域知识、迭代开发到软件工程原则的应用，逐步揭示了如何有效解决复杂问题并部署高效解决方案。每个思维模式都强调了在数据驱动世界中的重要性和应用方法，帮助数据科学家在不同领域取得成功。