【TensorFlow2.9】泰坦尼克号生存预测—结构化数据建模流程

一、建模基本流程

1. 数据处理
2. 建立模型
3. 训练模型
4. 评估模型
5. 模型预测
6. 保存模型

二、结构化数据建模流程

数据文件：

链接：https://pan.baidu.com/s/1H3QBVLPv4WeUnIYH92OKEA?pwd=wh77 
提取码：wh77 

2.1 泰塔尼克号数据

数据描述：
RMS 泰坦尼克号的沉没是历史上最为人熟知的海难事件之一。 1912 年 4 月 15 日，在她的处女航中，泰坦尼克号在与冰山相撞后沉没，在船上的 2224 名乘客和机组人员中，共造成 1502 人死亡。这场耸人听闻的悲剧震惊了国际社会，从而促进了船舶安全规定的完善。

造成海难失事的原因之一是乘客和机组人员没有足够的救生艇。尽管在沉船事件中幸存下有一些运气因素，但有些人比其他人更容易存活下来，比如女人，孩子和上流社会。

在这个挑战中，要求完成哪些人可能存活下来的分析。特别的，要求运用机器学习工具来预测哪些乘客能够幸免于悲剧。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。
如图：

共有 11 个特征：

• PassengerId： 乘客 ID
• 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： 性别【转换成bool特征】
• Age： 年龄(有缺失) 【数值特征，添加“年龄是否缺失”作为辅助特征】
• SibSp： 在船上的兄弟姐妹／配偶个数【数值特征】
• Parch： 在船上的父母／小孩个数【数值特征】
• Ticket： 船票信息(字符串)【舍去】
• Fare： 票价(浮点数，0-500不等) 【数值特征】
• Cabin： 客舱(有缺失) 【添加“所在船舱是否缺失”作为辅助特征】
• Embarked： 登船港口 (C = Cherbourg, Q = Queenstown, S = Southampton)。S、C、Q(有缺失)【转换成onehot编码，四维度 S,C,Q,nan】
• Survived：0代表死亡，1代表存活【y标签】

2.2 数据处理

读取数据：

import pandas as pd 

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

如下：

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）：

import matplotlib.pyplot as plt
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

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()

删除不相关的两列：

df1=dftrain_raw.drop(['Name','Ticket'], axis=1)
df1.head(10)

数据描述

df1.describe()

查看缺失值数量

df1.isnull().sum()

编码处理：

dfresult= pd.DataFrame()

dfPclass = pd.get_dummies(dftrain_raw['Pclass']) # 标准化
dfPclass.columns = ['Pclass_' +str(x) for x in dfPclass.columns ] # 列名
dfresult = pd.concat([dfresult,dfPclass],axis = 1)
dfresult 

dfSex = pd.get_dummies(dftrain_raw['Sex']) #性别编码
dfresult = pd.concat([dfresult,dfSex],axis = 1)
dfresult

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

dfresult['SibSp'] =dftrain_raw['SibSp']
dfresult['Parch'] = dftrain_raw['Parch']
dfresult['Fare'] = dftrain_raw['Fare']
dfresult['Cabin_null'] =  pd.isna(dftrain_raw['Cabin']).astype('int32')


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

获取x属性和y标签：

y= dftrain_raw['Survived'].values
y

x=dfresult

分割数据：

from sklearn.model_selection import train_test_split
X_train,X_test,y_train,y_test=train_test_split(X,y,test_size=0.25,random_state=100)

2.3 建立模型

选择使用最简单的Sequential，按层顺序模型：

import tensorflow as tf 
from tensorflow.keras import models,layers

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()

如图：

2.4 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：

# 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
                   )

如下：

2.5 评估模型

评估一下模型在训练集和验证集上的效果：

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()
plot_metric(history,"loss")

如图：

plot_metric(history,"auc")

如图：

基本准确度评估：

model.evaluate(x = X_test,y = y_test)

如图：

2.6 模型预测

预测前十个值：

model.predict(X_test[0:10])
#model(tf.constant(x_test[0:10].values,dtype = tf.float32)) #等价写法

预测类别：

import numpy as np
predictions = np.argmax(model.predict(X_test[:10]),axis=1)
predictions

如图：

27 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。因此推荐第二种方法。

第一种：
保存模型结构及权重：

# 保存模型结构及权重
model.save('keras_model.h5')  
del model  #删除现有模型
# 加载保存的模型
model = models.load_model('keras_model.h5')
model.evaluate(X_test,y_test)  # 评估

如图：

保存模型结构：

# 保存模型结构
json_str = model.to_json()
# 恢复模型结构
model_json = models.model_from_json(json_str)

保存模型权重

#保存模型权重
model.save_weights('keras_model_weight.h5')
# 恢复模型结构
model_json = models.model_from_json(json_str)
model_json.compile(
        optimizer='adam',
        loss='binary_crossentropy',
        metrics=['AUC']
    )
# 加载权重
model_json.load_weights('keras_model_weight.h5')
model_json.evaluate(X_test,y_test)

以上会选择一个就行。

第二种： TensorFlow原生方式保存

保存权重，该方式仅仅保存权重张量：

model.save_weights('tf_model_weights.ckpt',save_format = "tf")

保存模型结构与模型参数到文件,该方式保存的模型具有跨平台性便于部署：

model.save('tf_model_savedmodel', save_format="tf")
print('export saved model.')
model_loaded = tf.keras.models.load_model('tf_model_savedmodel')
model_loaded.evaluate(X_test,y_test)

可以回到文件夹，看保存的模型文件：

欢迎关注我的公众号：