第25章深度学习入门 - 第25.3节深度回归算法 - 《Alink 教程》

25.3.1 线性回归算法
25.3.2 深度回归算法

在Alink教材第16章，以葡萄酒的品质预测为例，演示了线性模型、随机森林、GBDT等算法的回归训练及预测。本节仍以葡萄酒的品质预测为例，重点演示如何使用深度学习进行回归训练及预测。

数据相关的设置如下，

Chap16_DATA_DIR = ROOT_DIR + "wine" + os.sep
Chap16_TRAIN_FILE = "train.ak";
Chap16_TEST_FILE = "test.ak";
Chap16_FEATURE_COL_NAMES = [
    "fixedAcidity", "volatileAcidity", "citricAcid", "residualSugar", "chlorides",
    "freeSulfurDioxide", "totalSulfurDioxide", "density", "pH", "sulphates",
    "alcohol"
]

25.3.1 线性回归算法

首先，我们先使用线性回归算法，得到一个baseline，具体代码如下：

def linearReg(train_set, test_set) :
    LinearRegression()\
    .setFeatureCols(Chap16_FEATURE_COL_NAMES)\
    .setLabelCol("quality")\
    .setPredictionCol("pred")\
    .enableLazyPrintModelInfo()\
    .fit(train_set)\
    .transform(test_set)\
    .lazyPrintStatistics()\
    .link(\
          EvalRegressionBatchOp()\
          .setLabelCol("quality")\
          .setPredictionCol("pred")\
          .lazyPrintMetrics()\
         )
    BatchOperator.execute()

其中使用了enableLazyPrintModelInfo方法，会打印出模型的信息，如下所示，“intercept”对应的是线性回归的常数项，每个特征列对应一个线性回归的参数。

----------------------------- model meta info -----------------------------
{hasInterception: true, model name: Linear Regression, num feature: 11}
---------------------------- model weight info ----------------------------
|  colName[0,9]| intercept|fixedAcidity|volatileAcidity| citricAcid|residualSugar|  chlorides|freeSulfurDioxide|totalSulfurDioxide|      density|        pH|
|   weight[0,9]|  147.2227|  0.05561785|    -1.88292677|-0.02573757|   0.08013539|-0.32426272|       0.00370713|       -0.00037885|-147.10297328|0.64837239|
|colName[10,11]| sulphates|     alcohol|               |           |             |           |                 |                  |             |          |
| weight[10,11]|0.64099725|  0.19730515|

线性回归预测结果的统计如下，可以看到quality列的均值为5.8735，方差为0.7235；预测结果的均值为5.8767，方差为0.2083。

Summary: 
|           colName|count|missing|       sum|    mean| variance|   min|   max|
|------------------|-----|-------|----------|--------|---------|------|------|
|      fixedAcidity|  980|      0|    6722.4|  6.8596|     0.73|   4.7|    10|
|   volatileAcidity|  980|      0|    271.38|  0.2769|   0.0099|  0.08|   1.1|
|        citricAcid|  980|      0|    327.46|  0.3341|    0.014|     0|     1|
|     residualSugar|  980|      0|   6280.75|  6.4089|  26.1442|   0.7| 26.05|
|         chlorides|  980|      0|    44.462|  0.0454|   0.0004| 0.012| 0.239|
| freeSulfurDioxide|  980|      0|   34358.5| 35.0597| 286.5621|     2| 138.5|
|totalSulfurDioxide|  980|      0|  135518.5|138.2842|1948.7059|     9|   303|
|           density|  980|      0|  974.1799|  0.9941|        0|0.9872| 1.003|
|                pH|  980|      0|   3125.47|  3.1893|   0.0219|  2.85|  3.82|
|         sulphates|  980|      0|    483.09|  0.4929|   0.0123|  0.27|  0.98|
|           alcohol|  980|      0|10289.4933| 10.4995|   1.5211|   8.4| 14.05|
|           quality|  980|      0|      5756|  5.8735|   0.7235|     3|     9|
|              pred|  980|      0| 5759.1695|  5.8767|   0.2083|4.1547|7.2093|

使用EvalRegressionBatchOp组件，计算显示回归统计指标如下：

-------------------------------- Metrics: --------------------------------
MSE:0.5309    RMSE:0.7286    MAE:0.5748    MAPE:10.0995    R2:0.2655

25.3.2 深度回归算法

使用深度回归模型的代码如下：

def dnnReg(train_set, test_set) :
    Pipeline()\
        .add(\
            StandardScaler()\
                .setSelectedCols(Chap16_FEATURE_COL_NAMES)\
        )\
        .add(\
            VectorAssembler()\
                .setSelectedCols(Chap16_FEATURE_COL_NAMES)\
                .setOutputCol("vec")\
        )\
        .add(\
            VectorToTensor()\
                .setSelectedCol("vec")\
                .setOutputCol("tensor")\
                .setReservedCols(["quality"])\
        )\
        .add(\
            KerasSequentialRegressor()\
                .setTensorCol("tensor")\
                .setLabelCol("quality")\
                .setPredictionCol("pred")\
                .setLayers([
                    "Dense(64, activation='relu')",
                    "Dense(64, activation='relu')",
                    "Dense(64, activation='relu')",
                    "Dense(64, activation='relu')",
                    "Dense(64, activation='relu')"
                ])\
                .setNumEpochs(20)\
                .setNumWorkers(1)\
                .setNumPSs(0)\
       )\
        .fit(train_set)\
        .transform(test_set)\
        .lazyPrintStatistics()\
        .link(\
            EvalRegressionBatchOp()\
                .setLabelCol("quality")\
                .setPredictionCol("pred")\
                .lazyPrintMetrics()\
        )
    BatchOperator.execute()

在Pipeline中使用了多个组件：
1、数据标准化组件StandardScaler，因为数据中各列的数值范围差异较大，标准化后，有助于提升深度模型的效果
2、拼接向量组件VectorAssembler，将多列数值数据转化为一列向量数据。
3、向量转化为张量的组件VectorToTensor，后面的Keras组件的输入格式为张量
4、Keras回归器组件KerasSequentialRegressor，定义了深度模型

Pipeline使用fit方法对训练集train_set进行训练，然后使用transform方法对测试集test_set进行预测。如下代码所示，指定训练、预测集，运行。

train_set = AkSourceBatchOp().setFilePath(Chap16_DATA_DIR + Chap16_TRAIN_FILE)
test_set = AkSourceBatchOp().setFilePath(Chap16_DATA_DIR + Chap16_TEST_FILE)
dnnReg(train_set, test_set)

预测结果的统计如下

Summary: 
|colName|count|missing|      sum|  mean|variance|   min|   max|
|-------|-----|-------|---------|------|--------|------|------|
|quality|  980|      0|     5756|5.8735|  0.7235|     3|     9|
| tensor|  980|      0|      NaN|   NaN|     NaN|   NaN|   NaN|
|   pred|  980|      0|5766.3137| 5.884|  0.3881|3.8637|7.5729|

相应的评估指标如下，可以看到均方误差MSE和平均绝对误差MAE等指标，相对线性回归算法有明显改进。

-------------------------------- Metrics: --------------------------------
MSE:0.485    RMSE:0.6964    MAE:0.5323    MAPE:9.3756    R2:0.3289

第25.3节 深度回归算法

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第25.3节深度回归算法