聚类、缺失处理、特征分析——模型几个重要的处理过程（含案例实操）

在数据建模过程中，尤其是通过线性回归、逻辑回归等传统机器学习算法进行模型训练之前，往往需要对样本数据进行清洗，其中缺失值处理是一种常用方法。根据特征的类别属性与缺失特点，采用合适的方法进行缺失处理，可以有效提升模型拟合的效果，甚至在某些场景下，缺失值处理是作为模型拟合样本的前提步骤。
对于缺失值的处理方式，从难易程度可以分为“简单”和“复杂”两个方面，“简单”主要是指根据常用的统计指标进行缺失值填充，例如平均值、最大值、最小值、众数、中位数等；“复杂”主要是结合相关算法进行处理，例如极大似然估计、贝叶斯估计、决策树模型等，具体使用哪一种方法都是需要根据样本数据情况而定，但在实际业务中，经常采用的是“简单”方式，即采用平均值、众数等指标进行填充。
1、原理逻辑描述
当采用常规方法实现缺失值的处理后，虽然达到了关于数据清洗的需求，但是在很多场景下对数据样本的实际分布会产生较大偏差。现举个例子进行说明，样本数据如图1所示，共包含10个样本（ID01~ID10），work_type是指工作属性（1代表有工作，0代表无工作），social_security是指社保金额（元）。
​
图1 缺失值处理前

对于样例1字段social_security的缺失情况，假设采用平均值进行填充，若直接对字段全量平均值处理，则ID02与ID09的填充结果如下所示：
​
图2 缺失值处理后1

针对缺失值处理结果（图2），对于ID02用户的social_security=4000，但这里要注意到，该用户特征work_type（是否有工作）为0，说明用户是无工作的，那social_security（社保金额）的结果显然是不合理的，正常情况应为0才准确。在这种情况下，为了更符合实际业务理解，应对用户群体进行分类（聚类思想），即将用户分为有无工作2个类别（work_type=0/1），然后根据不同群体的平均值进行填充，实现结果如图3所示。
​
图3 缺失值处理后2

从图3最终的缺失值处理结果可以直观看出，对于样本ID02用户（有工作）的social_security（社保金额）为5333，而样本ID09用户（无工作）的social_security（社保金额）为0，这个结果显然是更符合实际情况。同样是采用平均值填充，但通过特征聚类后的处理方式在实际业务中更为合理。

2、案例实操介绍
前边的举例描述中，特征聚类的思想仅仅是从单个字段的业务含义直接进行分类判断的，在实际工作场景中，样本数据往往会包含多个特征，而且通过业务经验是无法区分类别的，因此必然需要借助于相关聚类算法进行实现。常用的聚类算法包括K-means、DBSCAN等，都可以有效划分样本的类别属性。下面我们结合一个具体场景案例，并采用基于密度的聚类算法DBSCAN，给大家详细介绍下特征聚类后的缺失值处理过程。
（1）样本数据
现有一份样本数据，包含2000条样本和5个特征，各字段的标签含义分别为客户订单（主键）、年龄、月收入、信用等级、消费等级，取数据集前10条样本具体如图4所示。
​
图4 样本数据前10

对样本特征的缺失情况进行统计汇总，python代码实现与结果输出分别如图5、图6所示。
​
图5 缺失情况汇总

​
图6 特征缺失分布

从特征缺失情况可知，字段“年龄”与“月收入”均存在缺失，且缺失比例较低，分别为2.3%和3.7%，这种情况可以采用平均值进行填充。为了使得填充后效果更符合实际业务，我们首先需要选取字段进行聚类，这里需要特别注意的是，聚类字段必须是非缺失字段，至于字段数量多少没有限定，但最好是选取区分度较好，且业务解释意义较强的特征。本例根据以上描述分析，则采用剩余2个分析字段进行聚类，即“信用等级”与“消费等级”。

（2）特征工程
从图4样本可知，字段“信用等级”与“消费等级”均属于字符型，需要将其转换为数值型，可以采用标签编码实现此过程。另外，由于聚类算法DBSCAN是基于样本的距离进行模型训练的，因此为了排除各特征量纲的影响，还需要对特征进行标准化，这里采用z-score标准化（归一化）。具体实现代码如图7所示，输出结果如图8所示。
​
图7 特征工程代码

​
图8 数据处理结果

（3）特征聚类
根据特征标准化后的数据，采用K-means算法对特征“信用等级”与“消费等级”进行聚类分析，模型的聚类数量设置为3，具体代码与结果分别如图9-11所示。
​

图9 特征K-means聚类

图10 特征聚类结果

​
图11 聚类特征均值

（4）缺失填充
通过特征聚类分析，将样本数据划分为3个类别，并输出每类群体的特征分布指标，即“年龄”与“月收入”的平均值（图11）。从结果来看，对于每类用户群体，在“信用等级”和“消费等级”指标相似的情况下，平均“年龄”和平均“月收入”还是有着较明显差异，尤其是“月收入”指标，类别1与类别2相差较大。接下来我们根据不同样本类别的分布情况，针对性进行字段缺失值填充，具体代码的实现过程如图12所示。

图12 特征缺失填充

经过以上分析与处理，我们采用了特征聚类下的缺失值处理方法，通过结果可以说明这种思路显然比直接填充的效果更好，从样本数据分布与业务场景理解，都是更贴近实际情况，对于数据分析或数据建模等工作的有效开展都有较好的支撑效果。
关于本文中所提及的数据集与代码内容，此部分内容已更新到知识星球平台，可据此进行动手实操，详情如下：
​
…
end