ML.NET机器学习、API容器化与Azure DevOps实践（二）：案例

在上文中，我简单地介绍了机器学习以及ML.NET的相关知识，从本讲开始，我会基于一个简单的案例：学生成绩预测，来介绍使用ML.NET进行机器学习以及API部署的基本过程。

学生成绩预测案例

本案例的数据来源为加州大学尔湾分校的机器学习公开样本数据集，数据介绍页面和下载地址为： https://archive.ics.uci.edu/ml/datasets/Student+Performance。该数据集包含了来自两所学校的学生的问卷调查结果，以及每位学生的综合成绩。数据集为CSV格式，每个字段的含义在官网上都有详细介绍，因此，在这里就不再赘述了。

确定问题类型

我们的任务很简单，就是基于这套已有的学生问卷调查结果以及综合成绩，进行机器学习模型训练，然后，再根据一套给定的学生情况信息，来预测该名学生的综合成绩。不难发现，我们需要使用监督学习中的回归算法来进行模型训练，因为我们需要得到一个连续的预测值，而不是离散的二元或者多元值。在确定了我们的任务之后，就可以对得到的数据集进行一些预处理，以便机器学习的过程能够顺利进行。

数据预处理与数据分析

在得到训练数据集之后，通常不能直接拿来进行机器学习，需要对数据进行一些处理。数据预处理任务大致有：

• 数据格式规整化：对每一列的数据进行类型和单位统一，比如，“浓度”字段有些行使用的是ug/mL，有些行使用的是g/L，需要对单位进行统一，并将“浓度”字段的值转换为数值类型，以便进行统计
• 特殊值处理：有些样本数据的取值比较异常，超出正常范围很多，对于这样的数据，可以直接丢弃，也可以通过一些统计学算法对其进行修正
• 空值、无效值处理：有些样本数据的取值为空（或者对于数值型的数据，取值为0，并且不合理），对于这样的数据，也需要进行修正或者舍弃
• 数据一致性校验：对数据一致性进行校验
• 识别特征属性与目标属性：分析训练数据中，哪些属性会对预测目标造成影响，哪些属性不会影响预测结果

例如，基于本案例中的学生问卷调查结果，我们可以看到，有些学生的综合成绩为0，在本案例中，我们可以选择舍弃这些数据： 再比如，通过下面的热图我们可以了解到，平时学习时间相对较长，外出时间较短，并且有意向继续深造的学生，综合成绩也会相对越好。因此，学习时间、外出时间以及是否有意向继续深造，都有可能是影响综合成绩的因素。在进行模型训练时，就有可能需要将这些因素考虑进去。 在实际应用中，数据对于机器学习而言尤为重要，数据清洗的任务相当繁重。据我所知，某国际知名制药公司正在将人工智能应用在新药研发中，但由于数据清洗任务巨大，根本没有足够的标准化、规整化数据来支持各种机器学习任务，因此，在新药研发领域，人工智能的应用进展缓慢。 回到我们的案例，在完成了数据清洗任务和特征属性、目标属性的识别之后，就可以使用ML.NET进行编程，实现学生学习成绩的预测。

基于ML.NET的模型训练

注：本案例代码已开源。地址是： https://github.com/daxnet/mlnet-trainer。 通过上面的分析不难得出，我们的应用场景属于监督学习中的回归（Regression）预测，因此，我们可以选择使用ML.NET中所提供的回归算法，使用样本数据逐一完成模型训练，然后，使用测试数据对每个模型的预测结果进行评估，以选择合适的预测算法。为了对所有ML.NET默认支持的回归算法进行预测评估，在程序中使用如下数据结构来保存这些算法的实例，以便之后进行模型训练的时候，可以逐一对这些算法进行训练和评估：

var trainers = new List float >>, ModelParametersBase< float >>>()
{
    mlContext.Regression.Trainers.FastTree(),
    mlContext.Regression.Trainers.FastForest(),
    mlContext.Regression.Trainers.FastTreeTweedie(),
    mlContext.Regression.Trainers.GeneralizedAdditiveModels(),
    mlContext.Regression.Trainers.OnlineGradientDescent(),
    mlContext.Regression.Trainers.PoissonRegression(),
    mlContext.Regression.Trainers.StochasticDualCoordinateAscent()
};

首先，我们将原始样本数据分成两份，一份用来训练，另一份用来测试，将两份数据读入ML.NET的DataView，使用训练数据集进行模型训练，并使用测试数据集对模型进行评估，代码如下：

public IEnumerable string , RegressionMetrics>> TrainAndEvaluate(IDataView trainingDataView, IDataView testDataView)
{
    var metrics = new Dictionary< string , RegressionMetrics>();
    foreach ( var trainer in this .trainers)
    {
        var pipeline = mlContext.Transforms.CopyColumns(inputColumnName: "G3" , outputColumnName: "Label" )
            .Append(mlContext.Transforms.Categorical.OneHotEncoding( "School" ))
            .Append(mlContext.Transforms.Categorical.OneHotEncoding( "Sex" ))
            .Append(mlContext.Transforms.Categorical.OneHotEncoding( "Age" ))
            .Append(mlContext.Transforms.Categorical.OneHotEncoding( "Famsize" ))
            .Append(mlContext.Transforms.Categorical.OneHotEncoding( "Guardian" ))
            .Append(mlContext.Transforms.Categorical.OneHotEncoding( "Traveltime" ))
            .Append(mlContext.Transforms.Categorical.OneHotEncoding( "Studytime" ))
            .Append(mlContext.Transforms.Categorical.OneHotEncoding( "Failures" ))
            .Append(mlContext.Transforms.Categorical.OneHotEncoding( "Paid" ))
            .Append(mlContext.Transforms.Categorical.OneHotEncoding( "Higher" ))
            .Append(mlContext.Transforms.Categorical.OneHotEncoding( "Famrel" ))
            .Append(mlContext.Transforms.Categorical.OneHotEncoding( "Absences" ))
            .Append(mlContext.Transforms.Concatenate( "Features" ,
                "School" ,
                "Sex" ,
                "Age" ,
                "Famsize" ,
                "Guardian" ,
                "Traveltime" ,
                "Studytime" ,
                "Failures" ,
                "Paid" ,
                "Higher" ,
                "Famrel" ,
                "Absences" ))
            .AppendCacheCheckpoint(mlContext)
            .Append(trainer);

        var trainedModel = pipeline.Fit(trainingDataView);
        trainedModels.Add(trainer.GetType().Name, trainedModel);

        var predictionModel = trainedModel.Transform(testDataView);
        var regMetrics = mlContext.Regression.Evaluate(predictionModel);
        metrics.Add(trainer.GetType().Name, regMetrics);
    }

    return metrics;
}

上面代码中所出现的列名（比如School、Sex、Age等）均来自于学生问卷调查原始数据，此处并没有包含原始数据中的所有字段，因为仅有上述这些字段会对综合成绩产生影响，所以并不需要将所有字段列出。接下来，就是针对各个算法的评估结果，找出合适的算法，然后将模型保存下来以便后续使用：

// 基于训练数据集进行训练，并基于测试数据集进行评估，然后输出评估结果
var regressionMetrics = session.TrainAndEvaluate(trainingDataView, testingDataView);
foreach ( var item in regressionMetrics)
{
    LearningSession.OutputRegressionMetrics(item.Key, item.Value);
}

// 找到RMS最小的算法，作为最优算法
var winnerAlgorithmName = regressionMetrics.OrderBy(x => x.Value.Rms).First().Key;
Console.WriteLine($ "最优算法为：{winnerAlgorithmName}" );
Console.WriteLine();
var winnerModel = session.GetTrainedModel(winnerAlgorithmName);
using ( var fileStream = new FileStream(ModelFileName, FileMode.Create, FileAccess.Write))
{
    mlContext.Model.Save(winnerModel, fileStream);
}

此处，使用Root Mean Squared Error的评估值作为参考，得出Rms取值最小的回归算法作为最优算法。保存的模型为一个ZIP文件，在后续的API构建部分，会使用这个ZIP文件保存的训练模型，来构建RESTful API。上述代码就不详细分析了，Github上有完整的源代码。

总结

本文简要介绍了基于学生成绩预测的机器学习案例，并介绍了数据分析与清洗工作的一些思路，之后，大致介绍了一下基于ML.NET进行模型训练、算法评估和模型保存的过程。在下文中，我会介绍如何基于产生的模型，构建RESTful API。