[人工智能]AutoML—应用TPOT实现回归预测

AutoML（TPOT）实现回归模型

一、TPOT原理

TPOT是一种AutoML的工具，借助遗传算法来生成Pipeline代码。基于Python，建立在scikit-learn的基础上。

**主要原理：**遗传算法进行特征、模型选择
目的：实现对特征、模型、超参的优化，并生成主体代码

只需要给定结构化的数据，自动的进行多模型比较调优，经过一定次数的迭代，会得到一个最优模型，框架会保留模型参数来构建一个pipelin.py，我们只需要在pipelin.py中微调数据传入的接口即可得到一个最优模型。

二、TPOT注意事项

• 在使用TPOT进行建模前需要对数据进行必要的清洗和特征处理操作。

• TPOT目前只能做有监督学习。

• TPOT目前支持的分类器主要有贝叶斯、决策树、集成树、SVM、KNN、线性模型、xgboost。

• TPOT目前支持的回归器主要有决策树、集成树、线性模型、xgboost。

• TPOT会对输入的数据做进一步处理操作，例如二值化、聚类、降维、标准化、正则化、独热编码操作等。

• 根据模型效果，TPOT会对输入特征做特征选择操作，包括基于树模型、基于方差、基于F-值的百分比。

• 可以通过export()方法把训练过程导出为形式为sklearn pipeline的.py文件

三、案例实操

使用自带案例，波士顿房价预测，只需输入特征、标签即可得到较优的模型参数。

1、数据特征构建

from tpot import TPOTRegressor
from sklearn.datasets import load_boston  # 内置数据集
from sklearn.model_selection import train_test_split

housing = load_boston()  # 创建好训练数据和测试数据之后就开始正题了
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(housing.data, housing.target,test_size=0.3,random_state=22)

2、pipeline脚本生成

# 构建一个autoML 回归模型 generations表示迭代次数
tpot=TPOTRegressor(generations=30, population_size=50, verbosity=2,random_state=42)
tpot.fit(X_train, y_train)
# 开始迭代训练
print(tpot.score(X_test, y_test))
tpot.export('tpot_pipeline.py')  # 导出pipeline

3、结合pipeline脚本得到的参数进行预测

对数据处理的部分与训练脚本一致，只需将得到的pipeline脚本中的exported_pipeline 部分作为模型加入。后续如sklearn的相似，使用**.fit、.predict**等命令进行拟合和预测。经过结果打分，可得到以下结果：

# 在训练集上交叉验证得分为 -9.114431231395063
exported_pipeline = make_pipeline(
    SelectPercentile(score_func=f_regression, percentile=98),
    SelectFwe(score_func=f_regression, alpha=0.044),
    XGBRegressor(learning_rate=0.1, max_depth=5, min_child_weight=4, n_estimators=100, n_jobs=1, objective="reg:squarederror", subsample=0.55, verbosity=0)
)
set_param_recursive(exported_pipeline.steps, 'random_state', 42)
joblib.dump(exported_pipeline, 'Baseline_train_model.pkl')  # 保存模型

使用模型预测结果如下：

exported_pipeline.fit(training_features, training_target)  # 应用模型参数拟合模型
results = exported_pipeline.predict(testing_features)  # 对测试集进行验证
OUT[]:
    model MSE is 11.27
    model MAPE is 11.61 %
    model R2 is 81.45 %

代码如下：

from tpot import TPOTRegressor
from sklearn.datasets import load_boston  # 内置数据集
from sklearn.model_selection import train_test_split
import numpy as np
import pandas as pd
from sklearn.feature_selection import SelectFwe, SelectPercentile, f_regression
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.pipeline import make_pipeline
from xgboost import XGBRegressor
from tpot.export_utils import set_param_recursive
from sklearn.metrics import r2_score
from sklearn.metrics import *
import joblib
# 评价效果指标
def mape(true, predicted):
    """
    计算mape指标
    """
    inside_sum = np.abs(predicted - true) / true
    return round(100 * np.sum(inside_sum) / inside_sum.size, 2)


def get_mape(y_true, y_pred):
    """
    Compute mean absolute percentage error (MAPE)
    """
    y_true, y_pred = np.array(y_true), np.array(y_pred)
    return np.mean(np.abs((y_true - y_pred) / y_true)) * 100

def score_print(results,testing_target):
    """
    评估模型效果
    """
    print(f"model MSE is {round(mean_squared_error(results,testing_target), 2)}")
    print(f"model MAPE is {mape(results,testing_target)} %")
    print(f"model R2 is {round(r2_score(results,testing_target) * 100, 2)} %")

if __name__ == '__main__':
    housing = load_boston()  # 依旧读取数据
    # 保障特征和标签相对应，如果做过特征处理则需要原样处理，然后再载入模型训练。
    tpot_data = housing.target
    features = housing.data
    training_features, testing_features, training_target, testing_target = train_test_split(features, tpot_data, random_state=42)
    # 在训练集上交叉验证得分为 -9.114431231395063
    exported_pipeline = make_pipeline(
        SelectPercentile(score_func=f_regression, percentile=98),
        SelectFwe(score_func=f_regression, alpha=0.044),
        XGBRegressor(learning_rate=0.1, max_depth=5, min_child_weight=4, n_estimators=100, n_jobs=1, objective="reg:squarederror", subsample=0.55, verbosity=0)
    )
    set_param_recursive(exported_pipeline.steps, 'random_state', 42)
    joblib.dump(exported_pipeline, 'Baseline_train_fenlie1_model.pkl')  # 保存模型
    exported_pipeline.fit(training_features, training_target)  # 应用模型参数拟合模型
    results = exported_pipeline.predict(testing_features)  # 对测试集进行验证
    score_print(results, testing_target)  # 评估模型效果

3、加载pkl模型文件进行预测

对此前用joblib保存的模型参数文件进行加载，然后进行预测

def load_model_predict(model_path,training_features, training_target,testing_features,testing_target):
    """
    joblib加载模型参数预测
    """
    exported_pipeline_load = joblib.load(model_path)
    set_param_recursive(exported_pipeline_load.steps, 'random_state', 42)
    exported_pipeline_load.fit(training_features, training_target)  # 应用模型参数拟合模型
    results = exported_pipeline_load.predict(testing_features)
    score_print(results, testing_target)  # 评估模型效果
    return results