12.2深度学习_项目实战

十、项目实战

鲍勃开了自己的手机公司。他想与苹果、三星等大公司展开硬仗。
他不知道如何估算自己公司生产的手机的价格。在这个竞争激烈的手机市场，你不能简单地假设事情。为了解决这个问题，他收集了各个公司的手机销售数据。
鲍勃想找出手机的特性(例如:RAM、内存等)和售价之间的关系。但他不太擅长机器学习。所以他需要你帮他解决这个问题。
在这个问题中，你不需要预测实际价格，而是要预测一个价格区间，表明价格多高。

需要注意的是: 在这个问题中，我们不需要预测实际价格，而是一个价格范围，它的范围使用 0、1、2、3 来表示，所以该问题也是一个分类问题。

数据说明：https://tianchi.aliyun.com/dataset/157241 Mobile Price Classification

推荐专业的数据集平台：https://www.kaggle.com/datasets/iabhishekofficial/mobile-price-classification

字段	说明
battery_power	电池容量（mAh）
blue	是否支持蓝牙
clock_speed	微处理器执行指令的速度
dual_sim	是否支持双卡
fc	前置摄像头分辨率（百万像素）
four_g	是否支持4G
int_memory	存储内存（GB）
m_dep	手机厚度（厘米）
mobile_wt	重量
n_cores	核心数
pc	主摄像头分辨率（百万像素）
px_height	屏幕分辨率高度（像素）
px_width	屏幕分辨率宽度（像素）
ram	运行内存（MB）
sc_h	屏幕长度（厘米）
sc_w	屏幕宽度（厘米）
talk_time	单次充电最长通话时间
three_g	是否支持3G
touch_screen	是否是触摸屏
wifi	是否支持WIFI
price_range	价格区间

1. 构建数据集

数据共有 2000 条, 其中 1600 条数据作为训练集, 400 条数据用作测试集。 我们使用 sklearn 的数据集划分工作来完成。并使用 PyTorch 的 TensorDataset 来将数据集构建为 Dataset 对象，方便构造数据集加载对象。

# 构建数据集
def create_dataset():

    data = pd.read_csv('data/手机价格预测.csv')

    # 特征值和目标值
    x, y = data.iloc[:, :-1], data.iloc[:, -1]
    x = x.astype(np.float32)
    y = y.astype(np.int64)

    # 数据集划分
    x_train, x_valid, y_train, y_valid=train_test_split(x, y, train_size=0.8, random_state=88, stratify=y)

    # 构建数据集
    train_dataset = TensorDataset(torch.from_numpy(x_train.values), torch.tensor(y_train.values))
    valid_dataset = TensorDataset(torch.from_numpy(x_valid.values), torch.tensor(y_valid.values))

    return train_dataset, valid_dataset, x_train.shape[1], len(np.unique(y))


train_dataset, valid_dataset, input_dim, class_num = create_dataset()

2. 构建分类网络模型

我们构建的用于手机价格分类的模型叫做全连接神经网络。它主要由三个线性层来构建，在每个线性层后，我们使用的时 sigmoid 激活函数。

# 构建网络模型
class PhonePriceModel(nn.Module):

    def __init__(self, input_dim, output_dim):
        super(PhonePriceModel, self).__init__()

        self.linear1 = nn.Linear(input_dim, 128)
        self.linear2 = nn.Linear(128, 256)
        self.linear3 = nn.Linear(256, output_dim)

    def _activation(self, x):
        return torch.sigmoid(x)

    def forward(self, x):

        x = self._activation(self.linear1(x))
        x = self._activation(self.linear2(x))
        output = self.linear3(x)

        return output

3. 编写训练函数

网络编写完成之后，我们需要编写训练函数。所谓的训练函数，指的是输入数据读取、送入网络、计算损失、更新参数的流程，该流程较为固定。我们使用的是多分类交叉生损失函数、使用 SGD 优化方法。最终，将训练好的模型持久化到磁盘中。

def train():

    # 固定随机数种子
    torch.manual_seed(0)

    # 初始化模型
    model = PhonePriceModel(input_dim, class_num)
    # 损失函数
    criterion = nn.CrossEntropyLoss()
    # 优化方法
    optimizer = optim.SGD(model.parameters(), lr=1e-3)
    # 训练轮数
    num_epoch = 50

    for epoch_idx in range(num_epoch):

        # 初始化数据加载器
        dataloader = DataLoader(train_dataset, shuffle=True, batch_size=8)
        # 训练时间
        start = time.time()
        # 计算损失
        total_loss = 0.0
        total_num = 1
        # 准确率
        correct = 0

        for x, y in dataloader:

            output = model(x)
            # 计算损失
            loss = criterion(output, y)
            # 梯度清零
            optimizer.zero_grad()
            # 反向传播
            loss.backward()
            # 参数更新
            optimizer.step()

            total_num += len(y)
            total_loss += loss.item() * len(y)

        print('epoch: %4s loss: %.2f, time: %.2fs' %
              (epoch_idx + 1, total_loss / total_num, time.time() - start))

    # 模型保存
    torch.save(model.state_dict(), 'model/phone-price-model.bin')

4. 编写评估函数

评估函数、也叫预测函数、推理函数，主要使用训练好的模型，对未知的样本的进行预测的过程。我们这里使用前面单独划分出来的测试集来进行评估。

def test():

    # 加载模型
    model = PhonePriceModel(input_dim, class_num)
    model.load_state_dict(torch.load('model/phone-price-model.bin'))

    # 构建加载器
    dataloader = DataLoader(valid_dataset, batch_size=8, shuffle=False)

    # 评估测试集
    correct = 0
    for x, y in dataloader:

        output = model(x)
        y_pred = torch.argmax(output, dim=1)
        correct += (y_pred == y).sum()

    print('Acc: %.5f' % (correct.item() / len(valid_dataset)))

5. 网络性能调优

我们前面的网络模型在测试集的准确率为: 0.54750, 我们可以通过以下方面进行调优:

1. 对输入数据进行标准化
2. 调整优化方法
3. 调整学习率
4. 增加批量归一化层
5. 增加网络层数、神经元个数
6. 增加训练轮数
7. 等等…

我进行下如下调整:

1. 优化方法由 SGD 调整为 Adam
2. 学习率由 1e-3 调整为 1e-4
3. 对数据数据进行标准化
4. 增加网络深度, 即: 增加网络参数量

网络模型在测试集的准确率由 0.5475 上升到 0.9625

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
import pandas as pd
from sklearn.model_selection import train_test_split
from torch.utils.data import TensorDataset
from torch.utils.data import DataLoader
import torch.optim as optim
import numpy as np
import time
from sklearn.preprocessing import StandardScaler


# 构建数据集
def create_dataset():

    data = pd.read_csv('data/手机价格预测.csv')

    # 特征值和目标值
    x, y = data.iloc[:, :-1], data.iloc[:, -1]
    x = x.astype(np.float32)
    y = y.astype(np.int64)

    # 数据集划分
    x_train, x_valid, y_train, y_valid = \
        train_test_split(x, y, train_size=0.8, random_state=88, stratify=y)

    # 数据标准化
    transfer = StandardScaler()
    x_train = transfer.fit_transform(x_train)
    x_valid = transfer.transform(x_valid)

    # 构建数据集
    train_dataset = TensorDataset(torch.from_numpy(x_train), torch.tensor(y_train.values))
    valid_dataset = TensorDataset(torch.from_numpy(x_valid), torch.tensor(y_valid.values))

    return train_dataset, valid_dataset, x_train.shape[1], len(np.unique(y))


train_dataset, valid_dataset, input_dim, class_num = create_dataset()


# 构建网络模型
class PhonePriceModel(nn.Module):

    def __init__(self, input_dim, output_dim):
        super(PhonePriceModel, self).__init__()

        self.linear1 = nn.Linear(input_dim, 128)
        self.linear2 = nn.Linear(128, 256)
        self.linear3 = nn.Linear(256, 512)
        self.linear4 = nn.Linear(512, 128)
        self.linear5 = nn.Linear(128, output_dim)

    def _activation(self, x):
        return torch.sigmoid(x)

    def forward(self, x):

        x = self._activation(self.linear1(x))
        x = self._activation(self.linear2(x))
        x = self._activation(self.linear3(x))
        x = self._activation(self.linear4(x))
        output = self.linear5(x)

        return output


# 编写训练函数
def train():

    # 固定随机数种子
    torch.manual_seed(0)

    # 初始化模型
    model = PhonePriceModel(input_dim, class_num)
    # 损失函数
    criterion = nn.CrossEntropyLoss()
    # 优化方法
    optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=1e-4)
    # 训练轮数
    num_epoch = 50

    for epoch_idx in range(num_epoch):

        # 初始化数据加载器
        dataloader = DataLoader(train_dataset, shuffle=True, batch_size=8)
        # 训练时间
        start = time.time()
        # 计算损失
        total_loss = 0.0
        total_num = 1
        # 准确率
        correct = 0

        for x, y in dataloader:

            output = model(x)
            # 计算损失
            loss = criterion(output, y)
            # 梯度清零
            optimizer.zero_grad()
            # 反向传播
            loss.backward()
            # 参数更新
            optimizer.step()

            total_num += len(y)
            total_loss += loss.item() * len(y)

        print('epoch: %4s loss: %.2f, time: %.2fs' %
              (epoch_idx + 1, total_loss / total_num, time.time() - start))

    # 模型保存
    torch.save(model.state_dict(), 'model/phone-price-model.bin')


def test():

    # 加载模型
    model = PhonePriceModel(input_dim, class_num)
    model.load_state_dict(torch.load('model/phone-price-model.bin'))

    # 构建加载器
    dataloader = DataLoader(valid_dataset, batch_size=8, shuffle=False)

    # 评估测试集
    correct = 0
    for x, y in dataloader:

        output = model(x)
        y_pred = torch.argmax(output, dim=1)
        correct += (y_pred == y).sum()

    print('Acc: %.5f' % (correct.item() / len(valid_dataset)))


if __name__ == '__main__':
    train()
    test()