【机器学习】机器故障的二元分类模型-Kaggle竞赛

竞赛介绍

数据集描述

本次竞赛的数据集（训练和测试）是从根据机器故障预测训练的深度学习模型生成的。特征分布与原始分布接近，但不完全相同。随意使用原始数据集作为本次竞赛的一部分，既可以探索差异，也可以了解在训练中合并原始数据集是否可以提高模型性能。

文件

训练.csv - 训练数据集; 是（二进制）目标（为了与原始数据集的顺序保持一致，它不在最后一列位置）Machine failure
测试.csv - 测试数据集;您的目标是预测概率Machine failure
sample_submission.csv - 正确格式的示例提交文件

竞赛地址

https://www.kaggle.com/competitions/playground-series-s3e17

参赛项目

介绍

采用二分类方法进行数据预测，本篇文章主要以入门为主，详细介绍二元分类的使用方法，下一篇文章将详细介绍冠军的代码

二分类相关知识点介绍

二分类

分类为一个常见的机器学习问题之一。你可能想预测客户是否有可能进行购买，信用卡交易是否存在欺诈，宇宙信号是否显示有新行星的证据，或者医学检测有疾病的证据。这些都是二分类问题。

在原始数据中，类可能由“Yes”和“No”或“Dog”和“Cat”等字符串表示。在使用这些数据之前，我们将分配一个类标签：一个类将是0，另一个将是1。指定数字标签将数据置于神经网络可以使用的形式。

准确度

衡量分类问题成功与否的众多指标之一。准确度是正确预测与总预测的比率：准确度=正确数/总数。一个总是正确预测的模型的准确度得分为1.0。在所有其他条件相同的情况下，每当数据集中的类以大约相同的频率出现时，准确度是一个合理的指标。

交叉熵

准确性（以及大多数其他分类指标）的问题在于，它不能用作损失函数。随机梯度下降法（SGD）需要一个平稳变化的损失函数，但精度，作为计数的比率，在“跳跃”中变化。因此，我们必须选择一个替代品作为损失函数。这个替代品是交叉熵函数。

回想一下损失函数定义了训练期间网络的目标。通过回归，我们的目标是最小化预期结果和预测结果之间的距离。我们选择了MAE来测量这个距离。

对于分类，我们想要的是概率之间的距离，这就是交叉熵提供的。交叉熵是一种度量从一个概率分布到另一个概率分布的距离的方法。

损失函数

对于二分类问题,常用的损失函数有:

• binary_crossentropy:对Sigmoid/Logistic激活得到的概率计算loss,更适用于二分类。
• mean_squared_error:直接对不激活的预测结果计算MSE loss,不是很符合二分类的真实损失计算方式。

评价指标

评价指标也具有相似性,二分类常用:

• binary_accuracy:根据阈值将概率转为0/1预测,计算准确率。
• AUC:计算ROC曲线下的面积,作为模型区分正负样本能力的重要指标。
  优化器的选择也相对灵活,常用的有:
• SGD:简单梯度下降,容易设置但收敛慢,需要较小的学习率。
• Adam:运用梯度的一阶矩估计和二阶矩估计动态调整每个参数的学习率,收敛快。
• RMSprop:也是对每个参数的学习率进行调整,可以加速SGD收敛,在一定程度上解决了它的缺点。

项目源码

获取数据

import pandas as pd
from IPython.display import display

X_test = pd.read_csv('test.csv')
X_train = pd.read_csv('train.csv')

sid = X_test["id"]

查看行

print(X_train.columns)

Index(['id', 'Product ID', 'Type', 'Air temperature [K]',
       'Process temperature [K]', 'Rotational speed [rpm]', 'Torque [Nm]',
       'Tool wear [min]', 'Machine failure', 'TWF', 'HDF', 'PWF', 'OSF',
       'RNF'],
      dtype='object')

查看训练数据

X_train

	id	Product ID	Type	Air temperature [K]	Process temperature [K]	Rotational speed [rpm]	Torque [Nm]	Tool wear [min]	Machine failure	TWF	HDF	PWF	OSF	RNF
0	0	L50096	L	300.6	309.6	1596	36.1	140	0	0	0	0	0	0
1	1	M20343	M	302.6	312.1	1759	29.1	200	0	0	0	0	0	0
2	2	L49454	L	299.3	308.5	1805	26.5	25	0	0	0	0	0	0
3	3	L53355	L	301.0	310.9	1524	44.3	197	0	0	0	0	0	0
4	4	M24050	M	298.0	309.0	1641	35.4	34	0	0	0	0	0	0
...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...
136424	136424	M22284	M	300.1	311.4	1530	37.5	210	0	0	0	0	0	0
136425	136425	H38017	H	297.5	308.5	1447	49.1	2	0	0	0	0	0	0
136426	136426	L54690	L	300.5	311.8	1524	38.5	214	0	0	0	0	0	0
136427	136427	L53876	L	301.7	310.9	1447	46.3	42	0	0	0	0	0	0
136428	136428	L47937	L	296.9	308.1	1557	39.3	229	0	0	0	0	0	0

136429 rows × 14 columns

查看测试数据

X_test

	id	Product ID	Type	Air temperature [K]	Process temperature [K]	Rotational speed [rpm]	Torque [Nm]	Tool wear [min]	TWF	HDF	PWF	OSF	RNF
0	136429	L50896	L	302.3	311.5	1499	38.0	60	0	0	0	0	0
1	136430	L53866	L	301.7	311.0	1713	28.8	17	0	0	0	0	0
2	136431	L50498	L	301.3	310.4	1525	37.7	96	0	0	0	0	0
3	136432	M21232	M	300.1	309.6	1479	47.6	5	0	0	0	0	0
4	136433	M19751	M	303.4	312.3	1515	41.3	114	0	0	0	0	0
...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...	...
90949	227378	L51130	L	302.3	311.4	1484	40.4	15	0	0	0	0	0
90950	227379	L47783	L	297.9	309.8	1542	33.8	31	0	0	0	0	0
90951	227380	L48097	L	295.6	306.2	1501	41.4	187	0	0	0	0	0
90952	227381	L48969	L	298.1	307.8	1534	40.3	69	0	0	0	0	0
90953	227382	L52525	L	303.5	312.8	1534	36.1	92	0	0	0	0	0

90954 rows × 13 columns

将训练数据的目标值单独拿出

Y_train = X_train.pop('Machine failure')

查看训练数据的目标值

Y_train

0         0
1         0
2         0
3         0
4         0
         ..
136424    0
136425    0
136426    0
136427    0
136428    0
Name: Machine failure, Length: 136429, dtype: int64

将训练集分割为训练集和验证集

from sklearn.model_selection import train_test_split
X_train, X_valid, y_train, y_valid = \
    train_test_split(X_train,Y_train, stratify=Y_train, train_size=0.75)

查看训练集中非数值数据

X_train['Type'].unique()

array(['M', 'L', 'H'], dtype=object)

X_valid['Type'].unique()

array(['L', 'M', 'H'], dtype=object)

X_test['Type'].unique()

array(['L', 'M', 'H'], dtype=object)

将训练集中非数值数据进行onehot编码，数值数据转换为标准差形式

from sklearn.preprocessing import StandardScaler, OneHotEncoder
from sklearn.impute import SimpleImputer
from sklearn.pipeline import make_pipeline
from sklearn.compose import make_column_transformer


# X_train['Type'] = \
#     X_train['Type'].map(
#         {'L':1, 'M': 2, 'H':3}
#     )
# X_valid['Type'] = \
#     X_valid['Type'].map(
#         {'L':1, 'M': 2, 'H':3}
#     )
# X_test['Type'] = \
#     X_test['Type'].map(
#         {'L':1, 'M': 2, 'H':3}
#     )


# 数值数据的特征
features_num = [
    "Air temperature [K]","Process temperature [K]"
    ,"Rotational speed [rpm]","Torque [Nm]","Tool wear [min]"
    ,"TWF","HDF","PWF","OSF","RNF",
]
# 非数值数据的特征
features_cat = [
    "Type",
]

# 创建标准化管道
transformer_num = make_pipeline(
    SimpleImputer(strategy="constant"), # there are a few missing values
    StandardScaler(),
)
# 创建onehot编码管道
transformer_cat = make_pipeline(
    SimpleImputer(strategy="constant"),
    OneHotEncoder(handle_unknown='ignore'),
)

preprocessor = make_column_transformer(
    (transformer_num, features_num),
    (transformer_cat, features_cat),
)


X_train = preprocessor.fit_transform(X_train)
X_valid = preprocessor.transform(X_valid)
X_test = preprocessor.transform(X_test)


input_shape = [X_train.shape[1]]

创建模型

from tensorflow import keras
from tensorflow.keras import layers

model = keras.Sequential([
    layers.BatchNormalization(input_shape=input_shape),
    layers.Dense(256, activation='relu'),
    layers.BatchNormalization(),
    layers.Dropout(0.5),
    layers.Dense(256, activation='relu'),
    layers.BatchNormalization(),
    layers.Dropout(0.5),
    layers.Dense(1, activation='sigmoid'),
])

编译模型

model.compile(
    #选择Adam作为优化器
    optimizer='adam', 
    #因为是二分类问题,所以使用binary_crossentropy作为损失函数
    loss='binary_crossentropy',
    #计算二分类精度,所以使用binary_accuracy作为评价指标
    metrics=['binary_accuracy'],

)

训练模型

early_stopping = keras.callbacks.EarlyStopping(
    patience=5,
    min_delta=0.001,
    restore_best_weights=True,
)
history = model.fit(
    X_train, y_train,
    validation_data=(X_valid, y_valid),
    batch_size=512,
    epochs=10,
    callbacks=[early_stopping],
#     verbose=0, # hide the output because we have so many epochs
)

history_df = pd.DataFrame(history.history)
history_df.loc[:, ['loss', 'val_loss']].plot(title="Cross-entropy")# 交叉熵 
history_df.loc[:, ['binary_accuracy', 'val_binary_accuracy']].plot(title="Accuracy")# 准确性 

Epoch 1/10
200/200 [==============================] - 6s 18ms/step - loss: 0.2060 - binary_accuracy: 0.9362 - val_loss: 0.0387 - val_binary_accuracy: 0.9965
Epoch 2/10
200/200 [==============================] - 3s 16ms/step - loss: 0.0427 - binary_accuracy: 0.9959 - val_loss: 0.0303 - val_binary_accuracy: 0.9965
Epoch 3/10
200/200 [==============================] - 3s 17ms/step - loss: 0.0395 - binary_accuracy: 0.9956 - val_loss: 0.0289 - val_binary_accuracy: 0.9964
Epoch 4/10
200/200 [==============================] - 3s 17ms/step - loss: 0.0310 - binary_accuracy: 0.9959 - val_loss: 0.0258 - val_binary_accuracy: 0.9964
Epoch 5/10
200/200 [==============================] - 3s 17ms/step - loss: 0.0319 - binary_accuracy: 0.9959 - val_loss: 0.0250 - val_binary_accuracy: 0.9964
Epoch 6/10
200/200 [==============================] - 3s 17ms/step - loss: 0.0289 - binary_accuracy: 0.9959 - val_loss: 0.0240 - val_binary_accuracy: 0.9965
Epoch 7/10
200/200 [==============================] - 3s 17ms/step - loss: 0.0291 - binary_accuracy: 0.9959 - val_loss: 0.0234 - val_binary_accuracy: 0.9964
Epoch 8/10
200/200 [==============================] - 3s 17ms/step - loss: 0.0292 - binary_accuracy: 0.9959 - val_loss: 0.0234 - val_binary_accuracy: 0.9964
Epoch 9/10
200/200 [==============================] - 3s 17ms/step - loss: 0.0276 - binary_accuracy: 0.9959 - val_loss: 0.0234 - val_binary_accuracy: 0.9965
Epoch 10/10
200/200 [==============================] - 3s 17ms/step - loss: 0.0321 - binary_accuracy: 0.9948 - val_loss: 0.0226 - val_binary_accuracy: 0.9964

验证模型

# 获取验证集的预测结果
Y_valid_predict = model.predict(X_valid) 
# 将预测结果由概率转变为0或1
threshold = 0.5
Y_valid_predict = (Y_valid_predict > threshold).astype('int')

1066/1066 [==============================] - 3s 3ms/step

# 计算预测的准确性
from sklearn.metrics import accuracy_score
acc_score = accuracy_score(Y_valid_predict, y_valid)
print("Accuracy on valid set: {}%".format(acc_score*100)) 

Accuracy on valid set: 99.6393807904304%

对测试数据进行预测

X_test

array([[ 1.30927485,  1.12648811, -0.15104398, ...,  0.        ,
         1.        ,  0.        ],
       [ 0.98707189,  0.76543703,  1.38960729, ...,  0.        ,
         1.        ,  0.        ],
       [ 0.77226992,  0.33217574,  0.03613795, ...,  0.        ,
         1.        ,  0.        ],
       ...,
       [-2.2886582 , -2.7006533 , -0.13664537, ...,  0.        ,
         1.        ,  0.        ],
       [-0.94614587, -1.54528986,  0.10093169, ...,  0.        ,
         1.        ,  0.        ],
       [ 1.95368077,  2.06522091,  0.10093169, ...,  0.        ,
         1.        ,  0.        ]])

# 获取验证集的预测结果
Y_test = model.predict(X_test) 

2843/2843 [==============================] - 7s 3ms/step

# 将预测结果由概率转变为0或1
threshold = 0.5
Y_test = (Y_test > threshold).astype('int')

import numpy as np
sid = np.array(sid)

Y_test

array([[0],
       [0],
       [0],
       ...,
       [0],
       [0],
       [0]])

output = pd.DataFrame({"id": sid, "Machine failure": Y_test[:, 0]})
output.to_csv('submission.csv', index=False)
print("Your submission was successfully saved!")

Your submission was successfully saved!