图解大数据 | 综合案例-使用Spark分析挖掘零售交易数据

作者：韩信子@ShowMeAI
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本文地址：http://www.showmeai.tech/article-detail/177
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引言

电商与新零售是目前大数据与AI应用最广泛的场景之一，本案例以跨国在线零售业务为背景，讲解使用pyspark对HDFS存储的数据进行交易数据分析的过程，并且对分析结果使用echarts做了可视化呈现。

1.环境搭建

本次作业使用的环境和软件如下：

• （1）Linux操作系统：Ubuntu 16.04
• （2）Python：3.8
• （3）Hadoop：3.1.3
• （4）Spark：2.4.0
• （5）Bottle：v0.13

Bottle是一个快速、简洁、轻量级的基于WSIG的微型Web框架，此框架除了Python的标准库外，不依赖任何其他模块。安装方法是，打开Linux终端，执行如下命令：

sudo apt-get install python3-pip
pip3 install bottle

2.数据预处理

本案例的数据集来自Kaggle平台，是跨国在线零售业务交易数据，大家可以通过如下的百度网盘地址下载。

数据集和源代码下载（百度网盘）
链接：https://pan.baidu.com/s/1zg2MoNNZrjGTQC5ohwQkJA
提取码：show

这是一家在英国注册的公司，主要销售礼品。数据集 E_Commerce_Data.csv 包含541909条记录，时间跨度为2010-12-01到2011-12-09，每个记录由8个属性组成，具体的含义如下表所示：

字段名称	类型	含义	举例
InvoiceNo	string	订单编号（退货订单以C开头）	536365
StockCode	string	产品代码	85123A
Description	string	产品描述	WHITE METAL LANTERN
Quantity	integer	购买数量（负数表示退货）	6
InvoiceDate	string	订单日期和时间	12/1/2010 8:26
UnitPrice	double	单价（英镑）	3.39
CustomerID	integer	客户编号	17850
Country	string	国家名称	United Kingdom

我们先将数据集E_Commerce_Data.csv上传至hdfs上，命令如下：

hdfs dfs -put E_Commerce_Data.csv

大家可以通过如下命令进入pyspark的交互式编程环境，或者在配置好pyspark的jupyter Notebook中，对数据进行初步探索和清洗：

cd /usr/local/spark #进入Spark安装目录
./bin/pyspark

（1）读取在HDFS上的文件，以csv的格式读取，得到DataFrame对象

df=spark.read.format('com.databricks.spark.csv').options(header='true', inferschema='true').load('E_Commerce_Data.csv')

（2）查看数据集的大小，输出541909，不包含标题行

df.count()

（3）打印数据集的schema，查看字段及其类型信息。输出内容就是上文中的属性表

df.printSchema()

（4）创建临时视图data

df.createOrReplaceTempView("data")

（5）由于顾客编号CustomID和商品描述 Description 均存在部分缺失，所以进行数据清洗，过滤掉有缺失值的记录。特别地，由于 CustomID为integer 类型，所以该字段若为空，则在读取时被解析为0，故用 df[“CustomerID”]!=0 条件过滤。

clean=df.filter(df["CustomerID"]!=0).filter(df["Description"]!="")

（6）查看清洗后的数据集的大小，输出406829。

clean.count()

（7）将清洗后的文件以csv的格式，写入 E_Commerce_Data_Clean.csv 中（实际上这是目录名，真正的文件在该目录下，文件名类似于 part-00000，需要确保HDFS中不存在这个目录，否则写入时会报“already exists”错误）

clean.write.format("com.databricks.spark.csv").options(header='true',inferschema='true').save('E_Commerce_Data_Clean.csv')

3.数据分析

数据集和源代码下载（百度网盘）
链接：https://pan.baidu.com/s/1zg2MoNNZrjGTQC5ohwQkJA
提取码：show

我们构建一个总体的分析脚本 sales_data_analysis.py ，先导入需要用到的python模块。

• 获取数据集与代码 → ShowMeAI的官方GitHub https://github.com/ShowMeAI-Hub/awesome-AI-cheatsheets
• 运行代码段与学习 → 在线编程环境 http://blog.showmeai.tech/python3-compiler

# -*- coding: utf-8 -*-
from pyspark import SparkContext
from pyspark.sql import SparkSession
from pyspark.sql.types import StringType, DoubleType, IntegerType, StructField, StructType
import json
import os

接着初始化SparkSession对象。

sc = SparkContext('local', 'spark_project')
sc.setLogLevel('WARN')
spark = SparkSession.builder.getOrCreate()

之后从HDFS中以csv的格式读取清洗后的数据目录 E_Commerce_Data_Clean.csv ，spark得到DataFrame对象，并创建临时视图data用于后续分析。

df = spark.read.format('com.databricks.spark.csv').options(header='true', inferschema='true').load('E_Commerce_Data_Clean.csv')
df.createOrReplaceTempView("data")

为方便统计结果的可视化，将结果导出为json文件供web页面渲染。使用save方法导出数据：

def save(path, data):
    with open(path, 'w') as f:
        f.write(data)

1）数据概览

（1）客户数最多的10个国家

每个客户由编号 CustomerID 唯一标识，所以客户的数量为 COUNT(DISTINCT CustomerID) ，再按照国家 Country 分组统计，根据客户数降序排序，筛选出10个客户数最多的国家。得到的countryCustomerDF为DataFrame 类型，执行 collect() 方法即可将结果以数组的格式返回。

def countryCustomer():
    countryCustomerDF = spark.sql("SELECT Country,COUNT(DISTINCT CustomerID) AS countOfCustomer FROM data GROUP BY Country ORDER BY countOfCustomer DESC LIMIT 10")
    return countryCustomerDF.collect()

最后调用save方法就可以将结果导出至文件了，格式如下：

[国家名称,客户数]

（2）销量最高的10个国家

Quantity字段表示销量，因为退货的记录中此字段为负数，所以使用 SUM(Quantity) 即可统计出总销量，即使有退货的情况。再按照国家 Country 分组统计，根据销量降序排序，筛选出10个销量最高的国家。得到的 countryQuantityDF 为DataFrame类型，执行 collect() 方法即可将结果以数组的格式返回。

def countryQuantity():
    countryQuantityDF = spark.sql("SELECT Country,SUM(Quantity) AS sumOfQuantity FROM data GROUP BY Country ORDER BY sumOfQuantity DESC LIMIT 10")
    return countryQuantityDF.collect()

最后调用save方法就可以将结果导出至文件了，格式如下：

[国家名称,销量]

（3）各个国家的总销售额分布情况

UnitPrice 字段表示单价，Quantity 字段表示销量，退货的记录中 Quantity 字段为负数，所以使用 SUM(UnitPrice*Quantity) 即可统计出总销售额，即使有退货的情况。再按照国家 Country 分组统计，计算出各个国家的总销售额。得到的 countrySumOfPriceDF 为 DataFrame 类型，执行 collect() 方法即可将结果以数组的格式返回。

def countrySumOfPrice():
    countrySumOfPriceDF = spark.sql("SELECT Country,SUM(UnitPrice*Quantity) AS sumOfPrice FROM data GROUP BY Country")
    return countrySumOfPriceDF.collect()

最后调用save方法就可以将结果导出至文件了，格式如下：

[国家名称,总销售额]

（4）销量最高的10个商品

Quantity 字段表示销量，退货的记录中 Quantity 字段为负数，所以使用 SUM(Quantity) 即可统计出总销量，即使有退货的情况。再按照商品编码 StockCode 分组统计，计算出各个商品的销量。得到的 stockQuantityDF 为 DataFrame 类型，执行 collect() 方法即可将结果以数组的格式返回。

def stockQuantity():
    stockQuantityDF = spark.sql("SELECT StockCode,SUM(Quantity) AS sumOfQuantity FROM data GROUP BY StockCode ORDER BY sumOfQuantity DESC LIMIT 10")
    return stockQuantityDF.collect()

最后调用save方法就可以将结果导出至文件了，格式如下：

[商品编号,销量]

（5）商品描述的热门关键词Top300

Description字段表示商品描述，由若干个单词组成，使用 LOWER(Description) 将单词统一转换为小写。此时的结果为 DataFrame 类型，转化为 rdd 后进行词频统计，再根据单词出现的次数进行降序排序，流程图如下：

得到的结果为RDD类型，为其制作表头 wordCountSchema，包含 word 和 count 属性，分别为 string 类型和 integer 类型。调用 createDataFrame() 方法将其转换为 DataFrame 类型的 wordCountDF，将word为空字符串的记录剔除掉，调用 take() 方法得到出现次数最多的300个关键 词，以数组的格式返回。

def wordCount():
    wordCount = spark.sql("SELECT LOWER(Description) as description from data").rdd.flatMap(lambda line:line['description'].split(" ")).map(lambda word:(word,1)).reduceByKey(lambda a,b:a+b).repartition(1).sortBy(lambda x:x[1],False)

    wordCountSchema = StructType([StructField("word", StringType(), True),StructField("count", IntegerType(), True)])
    wordCountDF = spark.createDataFrame(wordCount, wordCountSchema)
    wordCountDF = wordCountDF.filter(wordCountDF["word"]!='')
    return wordCountDF.take(300)

最后调用save方法就可以将结果导出至文件了，格式如下：

[关键词,次数]

（6）退货订单数最多的10个国家

InvoiceNo 字段表示订单编号，所以订单总数为 COUNT(DISTINCT InvoiceNo)，由于退货订单的编号的首个字母为C，例如C540250，所以利用 WHERE InvoiceNo LIKE ‘C%’ 子句即可筛选出退货的订单，再按照国家Country分组统计，根据退货订单数降序排序，筛选出10个退货订单数最多的国家。得到的 countryReturnInvoiceDF 为 DataFrame 类型，执行 collect() 方法即可将结果以数组的格式返回。

def countryReturnInvoice():
    countryReturnInvoiceDF = spark.sql("SELECT Country,COUNT(DISTINCT InvoiceNo) AS countOfReturnInvoice FROM data WHERE InvoiceNo LIKE 'C%' GROUP BY Country ORDER BY countOfReturnInvoice DESC LIMIT 10")
    return countryReturnInvoiceDF.collect()

最后调用save方法就可以将结果导出至文件了，格式如下：

[国家名称,退货订单数]

2）关联分析

（7）月销售额随时间的变化趋势

统计月销售额需要3个字段的信息，分别为订单日期 InvoiceDate，销量Quantity和单价UnitPrice。由于InvoiceDate字段格式不容易处理，例如“8/5/2011 16:19”，所以需要对这个字段进行格式化操作。由于统计不涉及小时和分钟数，所以只截取年月日部分，并且当数值小于10时补前置0来统一格式，期望得到年、月、日3个独立字段。先实现 formatData() 方法，利用 rdd 对日期、销量和单价字段进行处理。

def formatData():
    tradeRDD = df.select("InvoiceDate","Quantity","UnitPrice",).rdd
    result1 = tradeRDD.map(lambda line: (line['InvoiceDate'].split(" ")[0], line['Quantity'] , line['UnitPrice']))
    result2 = result1.map(lambda line: (line[0].split("/"), line[1], line[2]))
    result3 = result2.map(lambda line: (line[0][2], line[0][0] if len(line[0][0])==2 else "0"+line[0][0], line[0][1] if len(line[0][1])==2 else "0"+line[0][1], line[1], line[2]))
    return result3

流程图如下：

由于要统计的是月销售额的变化趋势，所以只需将日期转换为“2011-08”这样的格式即可。而销售额表示为单价乘以销量，需要注意的是，退货时的销量为负数，所以对结果求和可以表示销售额。RDD的转换流程如下：

得到的结果为RDD类型，为其制作表头 schema，包含 date 和 tradePrice 属性，分别为string类型和double类型。调用 createDataFrame() 方法将其转换为DataFrame类型的 tradePriceDF ，调用 collect() 方法将结果以数组的格式返回。

def tradePrice():
    result3 = formatData()
    result4 = result3.map(lambda line:(line[0]+"-"+line[1],line[3]*line[4]))
    result5 = result4.reduceByKey(lambda a,b:a+b).sortByKey()
    schema = StructType([StructField("date", StringType(), True),StructField("tradePrice", DoubleType(), True)])
    tradePriceDF = spark.createDataFrame(result5, schema)
    return tradePriceDF.collect()

最后调用save方法就可以将结果导出至文件了，格式如下：

[日期,销售额]

（8）日销量随时间的变化趋势

由于要统计的是日销量的变化趋势，所以只需将日期转换为“2011-08-05”这样的格式即可。先调用上例的 formatData() 方法对日期格式进行格式化。RDD的转换流程如下：

得到的结果为RDD类型，为其制作表头schema，包含date和saleQuantity属性，分别为string类型和integer类型。调用createDataFrame()方法将其转换为DataFrame类型的saleQuantityDF，调用collect() 方法将结果以数组的格式返回。

def saleQuantity():
    result3 = formatData()
    result4 = result3.map(lambda line:(line[0]+"-"+line[1]+"-"+line[2],line[3]))
    result5 = result4.reduceByKey(lambda a,b:a+b).sortByKey()
    schema = StructType([StructField("date", StringType(), True),StructField("saleQuantity", IntegerType(), True)])
    saleQuantityDF = spark.createDataFrame(result5, schema)
    return saleQuantityDF.collect()

最后调用save方法就可以将结果导出至文件了，格式如下：

[日期,销量]

（9）各国的购买订单量和退货订单量的关系

InvoiceNo 字段表示订单编号，退货订单的编号的首个字母为C，例如C540250。利用 COUNT(DISTINCT InvoiceNo) 子句统计订单总量，再分别用 WHERE InvoiceNo LIKE ‘C%’ 和 WHERE InvoiceNo NOT LIKE ‘C%’ 统计出退货订单量和购买订单量。接着按照国家 Country 分组统计，得到的returnDF和buyDF均为DataFrame类型，分别表示退货订单和购买订单，如下所示：

再对这两个DataFrame执行join操作，连接条件为国家Country相同，得到一个DataFrame。但是这个DataFrame中有4个属性，包含2个重复的国家Country属性和1个退货订单量和1个购买订单量，为减少冗余，对结果筛选3个字段形成buyReturnDF。如下所示：

最后执行collect()方法即可将结果以数组的格式返回。

def buyReturn():
    returnDF = spark.sql("SELECT Country AS Country,COUNT(DISTINCT InvoiceNo) AS countOfReturn FROM data WHERE InvoiceNo LIKE 'C%' GROUP BY Country")
    buyDF = spark.sql("SELECT Country AS Country2,COUNT(DISTINCT InvoiceNo) AS countOfBuy FROM data WHERE InvoiceNo NOT LIKE 'C%' GROUP BY Country2")
    buyReturnDF = returnDF.join(buyDF, returnDF["Country"] == buyDF["Country2"], "left_outer")
    buyReturnDF = buyReturnDF.select(buyReturnDF["Country"],buyReturnDF["countOfBuy"],buyReturnDF["countOfReturn"])
    return buyReturnDF.collect()

最后调用save方法就可以将结果导出至文件了，格式如下：

[国家名称,购买订单数,退货订单数]

（10）商品的平均单价与销量的关系

由于商品的单价UnitPrice是不断变化的，所以使用平均单价AVG(DISTINCT UnitPrice)来衡量一个商品。再利用SUM(Quantity)计算出销量，将结果按照商品的编号进行分组统计，执行collect()方法即可将结果以数组的格式返回。

def unitPriceSales():
    unitPriceSalesDF = spark.sql("SELECT StockCode,AVG(DISTINCT UnitPrice) AS avgUnitPrice,SUM(Quantity) AS sumOfQuantity FROM data GROUP BY StockCode")
    return unitPriceSalesDF.collect()

最后调用save方法就可以将结果导出至文件了，格式如下：

[商品编号,平均单价,销量]

3）小结

在sales_data_analysis.py中添加main函数，将上面的分析过程整合起来方便进行调用，代码如下：

• 获取数据集与代码 → ShowMeAI的官方GitHub https://github.com/ShowMeAI-Hub/awesome-AI-cheatsheets
• 运行代码段与学习 → 在线编程环境 http://blog.showmeai.tech/python3-compiler

if __name__ == "__main__":

    base = "static/"
    if not os.path.exists(base):
        os.mkdir(base)

    m = {
        "countryCustomer": {
            "method": countryCustomer,
            "path": "countryCustomer.json"
        },
        "countryQuantity": {
            "method": countryQuantity,
            "path": "countryQuantity.json"
        },
        "countrySumOfPrice": {
            "method": countrySumOfPrice,
            "path": "countrySumOfPrice.json"
        },
        "stockQuantity": {
            "method": stockQuantity,
            "path": "stockQuantity.json"
        },
        "wordCount": {
            "method": wordCount,
            "path": "wordCount.json"
        },
        "countryReturnInvoice": {
            "method": countryReturnInvoice,
            "path": "countryReturnInvoice.json"
        },
        "tradePrice": {
            "method": tradePrice,
            "path": "tradePrice.json"
        },
        "saleQuantity": {
            "method": saleQuantity,
            "path": "saleQuantity.json"
        },
        "buyReturn": {
            "method": buyReturn,
            "path": "buyReturn.json"
        },
        "unitPriceSales": {
            "method": unitPriceSales,
            "path": "unitPriceSales.json"
        }
    }

    for k in m:
        p = m[k]
        f = p["method"]
        save(base + m[k]["path"], json.dumps(f()))
        print ("done -> " + k + " , save to -> " + base + m[k]["path"])

上面的代码将所有的函数整合在变量 m中，通过循环调用上述所有方法并导出json文件到当前路径的static目录下。
最后利用如下指令运行分析程序：

cd /usr/local/spark
./bin/spark-submit sales_data_analysis.py

4.数据可视化

本项目可视化使用百度开源的免费数据展示框架Echarts。Echarts是一个纯Javascript的图表库，可以流畅地运行在PC和移动设备上，兼容当前绝大部分浏览器，底层依赖轻量级的Canvas类库ZRender，提供直观，生动，可交互，可高度个性化定制的数据可视化图表。

• 获取数据集与代码 → ShowMeAI的官方GitHub https://github.com/ShowMeAI-Hub/awesome-AI-cheatsheets
• 运行代码段与学习 → 在线编程环境 http://blog.showmeai.tech/python3-compiler

编写web.py程序，实现一个简单的web服务器，代码如下：

from bottle import route, run, static_file
import json

@route('/static/<filename>')
def server_static(filename):
    return static_file(filename, root="./static")

@route("/<name:re:.*\.html>")
def server_page(name):
    return static_file(name, root=".")

@route("/")
def index():
    return static_file("index.html", root=".")

run(host="0.0.0.0", port=8888)

bottle服务器对接收到的请求进行路由，规则如下：

（1）访问/static/时，返回静态文件
（2）访问/.html时，返回网页文件
（3）访问/时，返回首页index.html

服务器的8888端口监听来自任意ip的请求（前提是请求方能访问到这台服务器）。

首页index.html的主要代码如下(由于篇幅较大，只截取主要的部分)

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">

<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <meta name="viewport" content="width=device-width,height=device-height">
    <title>E-Commerce-Data 在线零售业务数据分析</title>
<style>
/* 省略 */
    </style>
</head>

<body>
    <div class="container">
    /* 只展示第一个统计结果的代码，其余省略 */
        <div class="chart-group">
            <h3>(1) 客户数最多的10个国家
            <br>
            <small style="font-size: 72%;">
                ——英国的客户最多，达到3950个，数量远大于其他国家；其次是德国、法国、西班牙等
            </small>
            </h3>
            <iframe src="countryCustomer.html" class="frame" frameborder="0"></iframe>
        </div>
    </div>
    <script>document.body.clientHeight;</script>
</body>
</html>

图表页通过一个iframe嵌入到首页中。以第一个统计结果的网页countryCustomer.html为例，展示主要代码：

<!DOCTYPE html>
<html lang="en">

<head>
    <meta charset="UTF-8">
    <style>
/* 省略 */
    </style>
</head>

<body>
<div id="chart" style="width:95%;height:95%;"></div>
<script src="static/jquery-3.2.1.min.js"></script>
<script src="static/echarts-4.7.0.min.js"></script>
<script>
    var myChart = echarts.init(document.getElementById('chart'));
    myChart.setOption(
    {
        color: ['#3398DB'],
        tooltip: {
            trigger: 'axis',
            axisPointer: {
                type: 'shadow'
            }
        },
        grid: {
            left: '3%',
            right: '4%',
            bottom: '3%',
            containLabel: true
        },
        xAxis: [
            {
                name: '国家',
                data: [],
                axisTick: {
                    alignWithLabel: true
                },
                axisLabel: {  
                   interval:0,  
                   rotate:40  
                }
            }
        ],
        yAxis: [
            {
                name: '客户数',
            }
        ],
        series: [
            {
                name: '客户数',
                type: 'bar',
                barWidth: '60%',
                data: []
            }
        ]
    });
    myChart.showLoading();
    $.getJSON("/static/countryCustomer.json", data => {
        var names=[];
        var nums=[];

        data = data.map(v => ({
            country: v[0],
            customer: parseInt(v[1]),
        }))

        for(var i=0;i<data.length;i++){
            names.push(data[i].country);
            nums.push(data[i].customer);
        }
        myChart.setOption({
            xAxis: {
                data: names
            },
            series: [{
                data: nums
            }]
        });
        myChart.hideLoading();
    })
</script>
</body>
</html>

代码完成后，在代码所在的根目录下执行以下指令启动web服务器：

python3 web.py

若打印出以下信息则表示web服务启动成功。接着，可以通过使用浏览器访问网页的方式查看统计结果。

Bottle v0.12.18 server starting up (using WSGIRefServer())...
Listening on http://0.0.0.0:9999/
Hit Ctrl-C to quit.

我们可以把整个数据分析和可视化的过程整理成一个处理流水线，编写run.sh脚本：

• 首先向spark提交sales_data_analysis.py程序对数据进行统计分析，生成的json文件会存入当前路径的static目录下；
• 接着运行web.py程序，即启动web服务器对分析程序生成的json文件进行解析渲染，方便用户通过浏览器查看统计结果的可视化界面。

#!/bin/bash
cd /usr/local/spark
./bin/spark-submit sales_data_analysis.py
python3 web.py

注意：该脚本的流程要能正常运行，需要保证HDFS中有 E_Commerce_Data_Clean.csv，大家要注意提前把清洗过后的数据存放至HDFS。

5.可视化图示

（1）客户数最多的10个国家

英国的客户最多，达到3950个，数量远大于其他国家；其次是德国、法国、西班牙等。

（2）销量最高的10个国家

英国的销量最高，达到4008533件，远大于其他国家；其次是新西兰、爱尔兰、德国等。

（3）各个国家的总销售额分布情况

英国的总销售额最高，达到6767873.394英镑，占比81.54%

（4）销量最高的10个商品

编号为84077的商品销量最高，达到53215件；销量Top3的商品在数量上差距并不大。

（5）商品描述的热门关键词Top300

热门关键词包括bag、red、heart、pink、christmas、cake等。

（6）退货订单数最多的10个国家

英国的退货订单最多，达到3208个，远大于其他国家；其次是德国、法国、爱尔兰等。

（7）月销售额随时间的变化趋势

销售额较高的月份主要集中在下半年；由于该公司主要售卖礼品，并且下半年的节日较多，所以销售额比上半年高；2011年12月的销售额较低是因为数据只统计到2011/12/9 。

（8）日销量随时间的变化趋势

下半年的日销量整体上高于上半年；2011年10月5号达到日销量的最高纪录45741件。

（9）各国的购买订单量和退货订单量的关系

购买订单量越大的国家，退货订单量往往也越大。

（10）商品的平均单价与销量的关系

总体上看，商品的销量随着平均单价的升高而下降。

6.参考资料

• 数据科学工具速查 | Spark使用指南(RDD版) http://www.showmeai.tech/article-detail/106
• 数据科学工具速查 | Spark使用指南(SQL版) http://www.showmeai.tech/article-detail/107

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