TF2.0-结构化数据建模流程范例

2020-02-24 16:35:34 浏览数 (1)

以下文章来源于Python与算法之美 ，作者梁云1991

尽管TensorFlow设计上足够灵活，可以用于进行各种复杂的数值计算。但通常人们使用TensorFlow来实现机器学习模型，尤其常用于实现神经网络模型。

从原理上说可以使用张量构建计算图来定义神经网络，并通过自动微分机制训练模型。但为简洁起见，一般推荐使用TensorFlow的高层次keras接口来实现神经网络网模型。

使用TensorFlow实现神经网络模型的一般流程包括：

1，准备数据 2，定义模型 3，训练模型 4，评估模型 5，使用模型 6，保存模型。

对新手来说，其中最困难的部分实际上是准备数据过程。

我们在实践中通常会遇到的数据类型包括结构化数据，图片数据，文本数据。

我们将分别以titanic生存预测问题，cifar2图片分类问题，imdb电影评论分类问题为例，演示应用tensorflow对这三类数据的建模方法。

本篇以titanic生存预测问题为例，演示应用tensorflow对结构化数据进行建模的方法。

一，准备数据

titanic数据集的目标是根据乘客信息预测他们在Titanic号撞击冰山沉没后能否生存。

结构化数据一般会使用Pandas中的DataFrame进行预处理。

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import numpy as np 
import pandas as pd 
import matplotlib.pyplot as plt
import tensorflow as tf 
from tensorflow.keras import models,layers

dftrain_raw = pd.read_csv('./data/titanic/train.csv')
dftest_raw = pd.read_csv('./data/titanic/test.csv')
dftrain_raw.head(10)

字段说明：

  • Survived:0代表死亡，1代表存活【y标签】
  • Pclass:乘客所持票类，有三种值(1,2,3) 【转换成onehot编码】
  • Name:乘客姓名 【舍去】
  • Sex:乘客性别 【转换成bool特征】
  • Age:乘客年龄(有缺失) 【数值特征，添加“年龄是否缺失”作为辅助特征】
  • SibSp:乘客兄弟姐妹/配偶的个数(整数值) 【数值特征】
  • Parch:乘客父母/孩子的个数(整数值)【数值特征】
  • Ticket:票号(字符串)【舍去】
  • Fare:乘客所持票的价格(浮点数，0-500不等) 【数值特征】
  • Cabin:乘客所在船舱(有缺失) 【添加“所在船舱是否缺失”作为辅助特征】
  • Embarked:乘客登船港口:S、C、Q(有缺失)【转换成onehot编码，四维度 S,C,Q,nan】

利用Pandas的数据可视化功能我们可以简单地进行探索性数据分析EDA（Exploratory Data Analysis）。

label分布情况

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%matplotlib inline
%config InlineBackend.figure_format = 'png'
ax = dftrain_raw['Survived'].value_counts().plot(kind = 'bar',
     figsize = (12,8),fontsize=15,rot = 0)
ax.set_ylabel('Counts',fontsize = 15)
ax.set_xlabel('Survived',fontsize = 15)
plt.show()

年龄分布情况

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%matplotlib inline
%config InlineBackend.figure_format = 'png'
ax = dftrain_raw['Age'].plot(kind = 'hist',bins = 20,color= 'purple',
                    figsize = (12,8),fontsize=15)

ax.set_ylabel('Frequency',fontsize = 15)
ax.set_xlabel('Age',fontsize = 15)
plt.show()

年龄和label的相关性

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%matplotlib inline
%config InlineBackend.figure_format = 'png'
ax = dftrain_raw.query('Survived == 0')['Age'].plot(kind = 'density',
                      figsize = (12,8),fontsize=15)
dftrain_raw.query('Survived == 1')['Age'].plot(kind = 'density',
                      figsize = (12,8),fontsize=15)
ax.legend(['Survived==0','Survived==1'],fontsize = 12)
ax.set_ylabel('Density',fontsize = 15)
ax.set_xlabel('Age',fontsize = 15)
plt.show()

下面为正式的数据预处理

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def preprocessing(dfdata):

    dfresult= pd.DataFrame()

    #Pclass
    dfPclass = pd.get_dummies(dfdata['Pclass'])
    dfPclass.columns = ['Pclass_'  str(x) for x in dfPclass.columns ]
    dfresult = pd.concat([dfresult,dfPclass],axis = 1)

    #Sex
    dfSex = pd.get_dummies(dfdata['Sex'])
    dfresult = pd.concat([dfresult,dfSex],axis = 1)

    #Age
    dfresult['Age'] = dfdata['Age'].fillna(0)
    dfresult['Age_null'] = pd.isna(dfdata['Age']).astype('int32')

    #SibSp,Parch,Fare
    dfresult['SibSp'] = dfdata['SibSp']
    dfresult['Parch'] = dfdata['Parch']
    dfresult['Fare'] = dfdata['Fare']

    #Carbin
    dfresult['Cabin_null'] =  pd.isna(dfdata['Cabin']).astype('int32')

    #Embarked
    dfEmbarked = pd.get_dummies(dfdata['Embarked'],dummy_na=True)
    dfEmbarked.columns = ['Embarked_'   str(x) for x in dfEmbarked.columns]
    dfresult = pd.concat([dfresult,dfEmbarked],axis = 1)

    return(dfresult)

x_train = preprocessing(dftrain_raw)
y_train = dftrain_raw['Survived'].values

x_test = preprocessing(dftest_raw)
y_test = dftest_raw['Survived'].values

print("x_train.shape =", x_train.shape )
print("x_test.shape =", x_test.shape )

二，定义模型

使用Keras接口有以下3种方式构建模型：使用Sequential按层顺序构建模型，使用函数式API构建任意结构模型，继承Model基类构建自定义模型。

此处选择使用最简单的Sequential，按层顺序模型。

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tf.keras.backend.clear_session()

model = models.Sequential()
model.add(layers.Dense(20,activation = 'relu',input_shape=(15,)))
model.add(layers.Dense(10,activation = 'relu' ))
model.add(layers.Dense(1,activation = 'sigmoid' ))

model.summary()

三，训练模型

训练模型通常有3种方法，内置fit方法，内置train_on_batch方法，以及自定义训练循环。此处我们选择最常用也最简单的内置fit方法。

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# 二分类问题选择二元交叉熵损失函数
model.compile(optimizer='adam',
            loss='binary_crossentropy',
            metrics=['AUC'])

history = model.fit(x_train,y_train,
                    batch_size= 64,
                    epochs= 30,
                    validation_split=0.2 #分割一部分训练数据用于验证
                   )

四，评估模型

我们首先评估一下模型在训练集和验证集上的效果。

代码语言：javascript复制
%matplotlib inline
%config InlineBackend.figure_format = 'svg'

import matplotlib.pyplot as plt

def plot_metric(history, metric):
    train_metrics = history.history[metric]
    val_metrics = history.history['val_' metric]
    epochs = range(1, len(train_metrics)   1)
    plt.plot(epochs, train_metrics, 'bo--')
    plt.plot(epochs, val_metrics, 'ro-')
    plt.title('Training and validation '  metric)
    plt.xlabel("Epochs")
    plt.ylabel(metric)
    plt.legend(["train_" metric, 'val_' metric])
    plt.show()

我们再看一下模型在测试集上的效果.

五，使用模型

六，保存模型

可以使用Keras方式保存模型，也可以使用TensorFlow原生方式保存。前者仅仅适合使用Python环境恢复模型，后者则可以跨平台进行模型部署。

推荐使用后一种方式进行保存。

1，Keras方式保存

2，TensorFlow原生方式保存

神经网络 keras tensorflow python

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