Pytorch项目（1）| 预测泰坦尼克号船上的生存乘客

前言

为了使得自己的知识成为体系，首先明确一点，知识不需要去记忆，有个印象即可，不记得就去百度，重要的是锻炼思维以及编程能力（拿到问题如何解决问题的能力。）

那么，从这个时间点开始，便开始首先搞定基础，python基础已经有了，接着就是深度学习框架pytorch的基础，所有的基础我们都不去纠结它里面有什么东西，找一个问题，去解决，干就完事了，重要的是训练解决问题的能力。好了，废话，就这么多了。

一般来说，个人认为，深度学习的”hello world“就是泰坦尼克号了，于是我们入门的第一个项目就是泰坦尼克船上的生存乘客的预测了。

1.深度学习的步骤

一般来说，深度学习的步骤主要有以下四步：

1.准备和分析数据；

2.搭建网络模型；

3.训练模型；

4.使用和评估模型。

2.案例描述

搭建一个多层的全连接神经网络，通过对泰坦尼克号船上的乘客的数据进行拟合，预测乘客是否能够在灾难中存活下来。

3.准备和分析数据

3.1 观察和分析数据

首先，我们观察一下数据每一列的特征分别所代表的含义

该数据表总共有1309行，14列，其中每一类表示的特征意义如下：

pclass:乘客舱位的等级（1,2,3）

survived：是否获救（1，获救，0，没有获救）

name：姓名

sex：性别

age：年龄

sibsp:兄弟姐妹/配偶

parch:父母/孩子

ticket：票价

cabin:船舱号码

embarked：登船港口

boat：救生艇

body：身份证号

home.dest:家庭住址

3.2 样本的特征分析--离散数据与连续数据

样本的数据特征主要可以分为两类：离散数据特征和连续数据特征。

1.离散数据特征

        类似于分类任务中的标签数据，数据之间没有连续性。

在对离散数据做特征变换的时候，主要分为两类处理：

        （1）具有固定类别：直接按照类别数目进行变换；

        （2）没有固定类别：比如姓名这种，可以使用hash算法，或者词向量技术，one-hot编码等。

2.连续数据特征

        类似于回归任务中的标签数据，例如年龄，时间等，在做特征变换时，经常做对数运算或者归一化处理，使其具有统一的值域。

3.离散数据与连续数据之间相互转化

        在实际应用中，需要根据数据的特性选择合适的转化方式，有时还需要实现连续数据与离散数据之间的相互转化。

        例如，在对一个值域跨度很大（0.1~10000）的特征属性记性数据预处理的时候，可以有以下3种方法。

（1）将其按照最大值、最小值进行归一化处理。

（2）对其使用对数运算。

（3）按照其分布情况将其分为几类，做离散化处理。

        具体选择哪一种方法还要看数据的分布情况。假设数据中有90%的样本在0.1-1之间，只有10%的样本在1000-10000之间，那么使用第一种和第二种明显不合理，因为这两种方法会将90%的样本与10%的样本分开，并不能很好地体现出这90%的样本的内部分布情况。

        而使用第三种方法，可以按照样本在不同区间的分布数量对样本进行分类，让样本内部的分布特征更好的表达出来。

（上面的描述我需要找到相关的案例才能理解，不然就像抄了一遍意义不大！！！）

3.3 处理样本中的离散数据和nan值

本案例中的样本的离散数据处理比较简单，具体的操作如下：

（1）将离散数据转换为one-hot编码；

（2）对数据中的nan值进行过滤填充；

（3）剔除无用的数据列。

1.剔除无用的数据列

首先根据经验和常识分析，是否获救与乘客的名字（name）、票号（ticket）、船舱号码（cabin）等信息无关，因此直接在数据中删除。操作代码如下:

# 处理数据
# 1.提出无用的数据
titanic_data = titanic_data.drop(["name", 'ticket', 'cabin', 'boat', 'body', 'home.dest', 'pclass'], axis=1) # axis=1 按列删除
print(titanic_data.columns)  # 观察数据的列属性特征

2.将离散数据转换为one-hot编码

        使用pandas库中的get_dummies()函数可以将离散的数据转成one-hot编码。具体代码如下。

# 用哑变量将指定字段转成one-hot
# 虚拟变量（dummy variable）也叫哑变量，翻译不同而已。因为dummy的含义有假的、虚拟的、哑的等各种含义，所以国内翻译也不一样。但是他们俩是一回事。
# 这里应该是指我们使用的这个函数
titanic_data = pd.concat([titanic_data,
                          pd.get_dummies(titanic_data["sex"]),
                          pd.get_dummies(titanic_data['embarked'], prefix="embarked"), # prefix：指定前缀
                          pd.get_dummies(titanic_data["pclass"], prefix="class")], axis=1)
# titanic_data.drop(["sex",'embarked','pclass'],axis=1) # 同时删除掉原来的列表属性
print(titanic_data.columns) # 查看当前的列属性
print(titanic_data["sex"])  # 查看当前的sex值
print(titanic_data['female']) # 查看female对应的值
titanic_data = titanic_data.drop(["sex",'embarked','pclass'],axis=1) # 同时删除掉原来的列表属性

输出为：

Index(['pclass', 'survived', 'sex', 'age', 'sibsp', 'parch', 'fare',
       'embarked', 'female', 'male', 'embarked_C', 'embarked_Q', 'embarked_S',
       'class_1', 'class_2', 'class_3'],
      dtype='object')
0       female
1         male
2       female
3         male
4       female
         ...  
1304    female
1305    female
1306      male
1307      male
1308      male
Name: sex, Length: 1309, dtype: object
0       1
1       0
2       1
3       0
4       1
       ..
1304    1
1305    1
1306    0
1307    0
1308    0
Name: female, Length: 1309, dtype: uint8

在输出的结果中，female列之后都是one-hot转码后生成的新列，其中female为sex列中的离散值。也就是说在sex中，列中为female的值，在female中值为1，其他为0。同样在male中的，sex为male的，值也为1，其他为0.

3.对nan值进行过滤填充

        样本中并不是每一个属性都有数据的。没有数据的部分再pandas中会被解析成nan值。因为模型无法对无效值nan进行处理，所以需要对nan值进行过滤并填充。

        在本例中，只对两个连续属性的数据列进行nan值处理，即age和fare属性。具体代码如下：

# 3.对nan值进行处理
titanic_data["age"] = titanic_data["age"].fillna(titanic_data["age"].mean())
titanic_data["fare"] = titanic_data["fare"].fillna(titanic_data["fare"].mean())

        在以上代码中，调用了fillna()函数对nan值进行了过滤，并用该数据列中的平均值进行填充。

3.4 分离样本和标签并制作为数据集

        将survived列从数据列表中单独提取出来作为标签。将数据列中剩下的数据作为输入样本。

        将样本和标签按照30%和70%比例分成测试集和训练数据集。具体代码如下：

# 4.分离数据样本
labels = titanic_data["survived"].to_numpy()
print(labels)

titanic_data = titanic_data.drop(["survived"],axis=1)
data = titanic_data.to_numpy()
print(data)

# 样本的属性名称
feature_names = list(titanic_data.columns)
print(feature_names)

# 将样本分为训练和测试两部分
np.random.seed(10) # 设置随机种子，保证每次运行随机出来的样本一致，从而方便他人复现实验
train_indices = np.random.choice(len(labels),int(0.7*len(labels)),replace=False)
#numpy.random.choice(a, size=None, replace=True, p=None)
#从a(只要是ndarray都可以，但必须是一维的)中随机抽取数字，并组成指定大小(size)的数组
#replace:True表示可以取相同数字，False表示不可以取相同数字
#数组p：与数组a相对应，表示取数组a中每个元素的概率，默认为选取每个元素的概率相同。
print(len(train_indices))

test_indices = list(set(range(len(labels)))-set(train_indices))
print(len(test_indices))

train_features = data[train_indices]
train_labels = labels[train_indices]
test_features = data[test_indices]
test_labels = labels[test_indices]
print(test_features)

4.搭建网络模型

        紧接着，我们搭建一个3层全连接网络的模型，每个网络层使用Mish作为激活函数。该网络模型使用交叉熵的损失的计算方法。具体代码如下：

# 5.搭建网络模型

# 定义Mish激活函数
class Mish(nn.Module):
    def __init__(self):
        super().__init__()
    def forward(self,x):
        x = x * (torch.tanh(F.softplus(x)))
        return x

torch.manual_seed(0)  # 设置随机种子，是的每次初始化的权重相同，方便他人复现结果

class ThreelinearModel(nn.Module):
    def __init__(self):
        super(ThreelinearModel, self).__init__()
        self.linear1 = nn.Linear(12,12)
        self.mish1 = Mish()
        self.linear2 = nn.Linear(12,8)
        self.mish2 = Mish()
        self.linear3 = nn.Linear(8,2)
        self.softmax = nn.Softmax(dim=1)
        self.criterion = nn.CrossEntropyLoss()
    
    def forward(self,x):
        x = self.linear1(x)
        x = self.mish1(x)
        x = self.linear2(x)
        x = self.mish2(x)
        x = self.linear3(x)
        return self.softmax(x)
    
    def getloss(self,x,y):
        y_pre = self.forward(x)
        loss = self.criterion(y_pre,y)
        return loss

5.训练模型

这里我们实现一个简单的训练过程，代码如下：

# 6.训练模型
if __name__ == '__main__':
    net = ThreelinearModel()  # 实例化模型对象
    num_epochs = 1000 # 设置训练次数
    optimizer = torch.optim.Adam(net.parameters(), lr=0.001)  # 定义优化器

    # 将输入的样本标签转化为张量
    input_tensor = torch.from_numpy(train_features).type(torch.FloatTensor)
    label_tensor = torch.from_numpy(train_labels)
    losses = []  # 定义列表，用于接收每一步的损失值
    for epoch in range(num_epochs):
        loss = net.getloss(input_tensor, label_tensor)
        losses.append(loss.item())
        optimizer.zero_grad()  # 清空之前的梯度值
        loss.backward()  # 反向传播损失值
        optimizer.step()  # 更新参数
        if epoch % 20 == 0:
            print("epoch{}/{} => Loss:{:.2f}".format(epoch+1, num_epochs,loss.item()))
    os.makedirs("models", exist_ok=True)  # 创建文件夹
    torch.save(net.state_dict(), "models/titanic_model.pt")  # 保存模型

    # 显示loss值的可视化结果
    plot_losses(losses)

    # 输出训练的性能结果
    out_probs = net(input_tensor).detach().numpy()
    out_classes = np.argmax(out_probs, axis=1)
    print("train Accuracy:", sum(out_classes == train_labels) / len(train_labels))

显示训练的可视化结果如下：

epoch8841/9000 => Loss:0.45
epoch8861/9000 => Loss:0.45
epoch8881/9000 => Loss:0.45
epoch8901/9000 => Loss:0.45
epoch8921/9000 => Loss:0.45
epoch8941/9000 => Loss:0.45
epoch8961/9000 => Loss:0.45
epoch8981/9000 => Loss:0.45

train Accuracy: 0.8526200873362445

6.使用和评估模型

训练好模型之后我们开始对，模型进行测试评估。代码如下：

   # 测试模型
    test_input_tensor = torch.from_numpy(test_features).type(torch.FloatTensor)
    out_probs = net(test_input_tensor).detach().numpy()
    out_classes = np.argmax(out_probs, axis=1)
    print("test Accuracy:" ,sum(out_classes == test_labels)/ len(test_labels))

得到的结果如下:

test Accuracy: 0.7964376590330788