【人工智能课程】计算机科学博士作业一

本文涉及的产品
函数计算FC,每月15万CU 3个月
云原生网关 MSE Higress,422元/月
服务治理 MSE Sentinel/OpenSergo,Agent数量 不受限
简介: 本文是一份人工智能课程作业指南,详细描述了使用深度神经网络构建回归模型的任务,包括数据预处理、特征选择、模型构建、训练、评估和优化的全过程,并提供了相应的PyTorch代码实现。

【人工智能课程】计算机科学博士作业一

1 任务要求

  • 模型拟合:用深度神经网络拟合一个回归模型。从各种角度对其改进,评价指标为MSE。
  • 掌握技巧:
    • 熟悉并掌握深度学习模型训练的基本技巧。
    • 提高PyTorch的使用熟练度。
    • 掌握改进深度学习的方法。

在这里插入图片描述

数据集下载:

这是一个非时间序列的回归任务,预测公共场所获取的人群数据,预测会发生COVID-19阳性的人数。改进角度,参考博客http://t.csdnimg.cn/fUAzT

在这里插入图片描述

2 baseline 代码

我将老师给的代码重构了结构,便于组员之间协作编程,无需修改的代码都放到了utils.py中。只需要修改特征选择、神经网络、模型训练部分的代码就可以。

2.1 导入包

# 数值、矩阵操作
import math
# 数据读取与写入make_dot
import pandas as pd
import os
import csv
# 学习曲线绘制
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
from utils import *

2.2 数据读取

# 设置随机种子便于复现
same_seed(config['seed'])

# 训练集大小(train_data size) : 2699 x 118 (id + 37 states + 16 features x 5 days) 
# 测试集大小(test_data size): 1078 x 117 (没有label (last day's positive rate))
pd.set_option('display.max_column', 200) # 设置显示数据的列数
train_df, test_df = pd.read_csv('./covid.train.csv'), pd.read_csv('./covid.test.csv')
display(train_df.head(3)) # 显示前三行的样本
train_data, test_data = train_df.values, test_df.values
del train_df, test_df # 删除数据减少内存占用
train_data, valid_data = train_valid_split(train_data, config['valid_ratio'], config['seed'])

# 打印数据的大小
print(f"""train_data size: {train_data.shape} 
valid_data size: {valid_data.shape} 
test_data size: {test_data.shape}""")

2.3 特征选择

def select_feat(train_data, valid_data, test_data, select_all=True):
    '''
    特征选择
    选择较好的特征用来拟合回归模型
    '''
    y_train, y_valid = train_data[:,-1], valid_data[:,-1]
    raw_x_train, raw_x_valid, raw_x_test = train_data[:,:-1], valid_data[:,:-1], test_data

    if select_all:
        feat_idx = list(range(raw_x_train.shape[1]))
    else:
        feat_idx = [0,1,2,3,4] # TODO: 选择需要的特征 ,这部分可以自己调研一些特征选择的方法并完善.

    return raw_x_train[:,feat_idx], raw_x_valid[:,feat_idx], raw_x_test[:,feat_idx], y_train, y_valid

# 特征选择
x_train, x_valid, x_test, y_train, y_valid = select_feat(train_data, valid_data, test_data, config['select_all'])

# 打印出特征数量.
print(f'number of features: {x_train.shape[1]}')

train_dataset, valid_dataset, test_dataset = COVID19Dataset(x_train, y_train), \
                                            COVID19Dataset(x_valid, y_valid), \
                                            COVID19Dataset(x_test)

# 使用Pytorch中Dataloader类按照Batch将数据集加载
train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=config['batch_size'], shuffle=True, pin_memory=True)
valid_loader = DataLoader(valid_dataset, batch_size=config['batch_size'], shuffle=True, pin_memory=True)
test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=config['batch_size'], shuffle=False, pin_memory=True)

2.4 神经网络

class My_Model(nn.Module):
    def __init__(self, input_dim):
        super(My_Model, self).__init__()
        # TODO: 修改模型结构, 注意矩阵的维度(dimensions) 
        self.layers = nn.Sequential(
            nn.Linear(input_dim, 16),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(16, 8),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(8, 1)
        )

    def forward(self, x):
        x = self.layers(x)
        x = x.squeeze(1) # (B, 1) -> (B)
        return x

2.5 模型训练

def trainer(train_loader, valid_loader, model, config, device):

    criterion = nn.MSELoss(reduction='mean') # 损失函数的定义
    # 定义优化器
    # TODO: 可以查看学习更多的优化器 https://pytorch.org/docs/stable/optim.html 
    # TODO: L2 正则( 可以使用optimizer(weight decay...) )或者 自己实现L2正则.
    optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=config['learning_rate'], momentum=0.9) 

    # tensorboard 的记录器
    # 将 train loss 保存到 "tensorboard/train" 文件夹
    train_writer = SummaryWriter(log_dir=os.path.join('tensorboard', 'train'))
    # 将 valid loss 保存到 "tensorboard/valid" 文件夹
    valid_writer = SummaryWriter(log_dir=os.path.join('tensorboard', 'valid'))

    if not os.path.isdir('./models'):
        # 创建文件夹-用于存储模型
        os.mkdir('./models')

    n_epochs, best_loss, step, early_stop_count = config['n_epochs'], math.inf, 0, 0

    for epoch in range(n_epochs):
        model.train() # 训练模式
        loss_record = []
        # tqdm可以帮助我们显示训练的进度  
        train_pbar = tqdm(train_loader, position=0, leave=True)
        # 设置进度条的左边 : 显示第几个Epoch了
        train_pbar.set_description(f'Epoch [{epoch+1}/{n_epochs}]')
        for x, y in train_pbar:
            optimizer.zero_grad()               # 将梯度置0.
            x, y = x.to(device), y.to(device)   # 将数据一到相应的存储位置(CPU/GPU)
            pred = model(x)             
            loss = criterion(pred, y)
            loss.backward()                     # 反向传播 计算梯度.
            optimizer.step()                    # 更新网络参数
            step += 1
            loss_record.append(loss.detach().item())

            # 训练完一个batch的数据,将loss 显示在进度条的右边
            train_pbar.set_postfix({'loss': loss.detach().item()})

        mean_train_loss = sum(loss_record)/len(loss_record)

        model.eval() # 将模型设置成 evaluation 模式.
        loss_record = []
        for x, y in valid_loader:
            x, y = x.to(device), y.to(device)
            with torch.no_grad():
                pred = model(x)
                loss = criterion(pred, y)

            loss_record.append(loss.item())

        mean_valid_loss = sum(loss_record)/len(loss_record)
        print(f'Epoch [{epoch+1}/{n_epochs}]: Train loss: {mean_train_loss:.4f}, Valid loss: {mean_valid_loss:.4f}')
        # 每个epoch,在tensorboard 中记录验证的损失(后面可以展示出来)
        # 将训练损失和验证损失写入TensorBoard
        train_writer.add_scalar('Train-Valid Loss', mean_train_loss, step)
        valid_writer.add_scalar('Train-Valid Loss', mean_valid_loss, step)

        if mean_valid_loss < best_loss:
            best_loss = mean_valid_loss
            torch.save(model.state_dict(), config['save_path']) # 模型保存
            print('Saving model with loss {:.3f}...'.format(best_loss))
            early_stop_count = 0
        else: 
            early_stop_count += 1

        if early_stop_count >= config['early_stop']:
            print('\nModel is not improving, so we halt the training session.')
            return

device = 'cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu'
model = My_Model(input_dim=x_train.shape[1]).to(device) # 将模型和训练数据放在相同的存储位置(CPU/GPU)
trainer(train_loader, valid_loader, model, config, device)

2.6 模型可视化

%reload_ext tensorboard
%tensorboard --logdir=tensorboard
#执行完后这两行代码,在浏览器打开:http://localhost:6006/

打开后,将smoothing调为0,就不会有四条曲线了。如果不改为0,就会自动加入一条平滑后的曲线在图中,影响观察。
在这里插入图片描述

2.7 模型评价

model = My_Model(input_dim=x_train.shape[1]).to(device)
model.load_state_dict(torch.load(config['save_path']))
MSE = predict_MSE(valid_loader, model, device) 

print("MSE:",MSE)

只跑了10epoch的MSE
MSE: 30.798155

2.8 新建一个utils.py文件

把以下代码放进去utils.py文件中,放到和以上代码文件同一级的目录

import torch
import torch.nn as nn
from torch.utils.data import Dataset, DataLoader, random_split
import numpy as np
from tqdm import tqdm



config = {
    'seed': 5201314,      # 随机种子,可以自己填写. :)
    'select_all': True,   # 是否选择全部的特征
    'valid_ratio': 0.2,   # 验证集大小(validation_size) = 训练集大小(train_size) * 验证数据占比(valid_ratio)
    'n_epochs': 10,     # 数据遍历训练次数
    'batch_size': 256,
    'learning_rate': 1e-5,
    'early_stop': 400,    # 如果early_stop轮损失没有下降就停止训练.
    'save_path': './models/model.ckpt'  # 模型存储的位置
}

def same_seed(seed):
    '''
    设置随机种子(便于复现)
    '''
    torch.backends.cudnn.deterministic = True
    torch.backends.cudnn.benchmark = False
    np.random.seed(seed)
    torch.manual_seed(seed)
    if torch.cuda.is_available():
        torch.cuda.manual_seed_all(seed)
    print(f'Set Seed = {seed}')

def train_valid_split(data_set, valid_ratio, seed):
    '''
    数据集拆分成训练集(training set)和 验证集(validation set)
    '''
    valid_set_size = int(valid_ratio * len(data_set))
    train_set_size = len(data_set) - valid_set_size
    train_set, valid_set = random_split(data_set, [train_set_size, valid_set_size], generator=torch.Generator().manual_seed(seed))
    return np.array(train_set), np.array(valid_set)

def predict(test_loader, model, device):
    model.eval() # 设置成eval模式.
    preds = []
    for x in tqdm(test_loader):
        x = x.to(device)
        with torch.no_grad():
            pred = model(x)
            preds.append(pred.detach().cpu())
    preds = torch.cat(preds, dim=0).numpy()
    return preds

def predict_MSE(valid_loader, model, device):
    model.eval() # 设置成eval模式.
    preds = []
    labels = []
    for x,y in tqdm(valid_loader):
        x = x.to(device)
        with torch.no_grad():
            pred = model(x)
            preds.append(pred.detach().cpu())
            labels.append(y)
    preds = torch.cat(preds, dim=0).numpy()
    labels = torch.cat(labels, dim=0).numpy()
    # 计算MSE
    mse = np.mean((preds - labels) ** 2)
    return mse

class COVID19Dataset(Dataset):
    '''
    x: np.ndarray  特征矩阵.
    y: np.ndarray  目标标签, 如果为None,则是预测的数据集
    '''
    def __init__(self, x, y=None):
        if y is None:
            self.y = y
        else:
            self.y = torch.FloatTensor(y)
        self.x = torch.FloatTensor(x)

    def __getitem__(self, idx):
        if self.y is None:
            return self.x[idx]
        return self.x[idx], self.y[idx]

    def __len__(self):
        return len(self.x)

3 改进程序

以下统一设定1000epoch,改进角度包括
(1)特征选择

  • 皮尔逊相关性 斯皮尔曼相关性

(2)模型改进

  • DNN
  • FCDNN
  • DenseNet
  • ResNet

(3)优化器

  • SGD
  • Aadm
  • Adadelta

(4)余弦学习率

# 数值、矩阵操作
import math
# 数据读取与写入make_dot
import pandas as pd
import os
import csv
# 学习曲线绘制
from torch.utils.tensorboard import SummaryWriter
from utils import *

# 设置随机种子便于复现
same_seed(config['seed'])

# 训练集大小(train_data size) : 2699 x 118 (id + 37 states + 16 features x 5 days) 
# 测试集大小(test_data size): 1078 x 117 (没有label (last day's positive rate))
pd.set_option('display.max_column', 200) # 设置显示数据的列数
train_df, test_df = pd.read_csv('./covid.train.csv'), pd.read_csv('./covid.test.csv')
display(train_df.head(3)) # 显示前三行的样本
train_data, test_data = train_df.values, test_df.values
del train_df, test_df # 删除数据减少内存占用
train_data, valid_data = train_valid_split(train_data, config['valid_ratio'], config['seed'])

# 打印数据的大小
print(f"""train_data size: {train_data.shape} 
valid_data size: {valid_data.shape} 
test_data size: {test_data.shape}""")

def select_feat(train_data, valid_data, test_data, select_all=True):
    '''
    特征选择
    选择较好的特征用来拟合回归模型
    '''
    y_train, y_valid = train_data[:,-1], valid_data[:,-1]
    raw_x_train, raw_x_valid, raw_x_test = train_data[:,:-1], valid_data[:,:-1], test_data

    if select_all:
        feat_idx = list(range(raw_x_train.shape[1]))
    else:
        # feat_idx = [0,1,2,3,4] # TODO: 选择需要的特征 ,这部分可以自己调研一些特征选择的方法并完善.
        # feat_idx = range(0,117)
        correlation_matrix = np.corrcoef(raw_x_train, rowvar=False)
        corr_with_target = np.abs(correlation_matrix[-1, :-1])
        feat_idx = list(np.argsort(corr_with_target)[::-1][:100])  # 选择与目标变量相关性最高的五个特征索引

    return raw_x_train[:,feat_idx], raw_x_valid[:,feat_idx], raw_x_test[:,feat_idx], y_train, y_valid

# 特征选择
x_train, x_valid, x_test, y_train, y_valid = select_feat(train_data, valid_data, test_data, config['select_all'])

# 打印出特征数量.
print(f'number of features: {x_train.shape[1]}')

train_dataset, valid_dataset, test_dataset = COVID19Dataset(x_train, y_train), \
                                            COVID19Dataset(x_valid, y_valid), \
                                            COVID19Dataset(x_test)

# 使用Pytorch中Dataloader类按照Batch将数据集加载
train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=config['batch_size'], shuffle=True, pin_memory=True)
valid_loader = DataLoader(valid_dataset, batch_size=config['batch_size'], shuffle=True, pin_memory=True)
test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=config['batch_size'], shuffle=False, pin_memory=True)

class Raw_Model(nn.Module):
    def __init__(self, input_dim):
        super(Raw_Model, self).__init__()
        # TODO: 修改模型结构, 注意矩阵的维度(dimensions) 
        self.layers = nn.Sequential(
            nn.Linear(input_dim, 16),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(16, 8),
            nn.ReLU(),
            nn.Linear(8, 1)
        )

    def forward(self, x):
        x = self.layers(x)
        x = x.squeeze(1) # (B, 1) -> (B)
        return x
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

class FCNN_Model(nn.Module):
    def __init__(self, input_dim):
        super(FCNN_Model, self).__init__()
        # 修改模型结构
        self.layers = nn.Sequential(
            nn.Linear(input_dim, 64),
            nn.BatchNorm1d(64),
            nn.LeakyReLU(0.01),  # 使用LeakyReLU
            nn.Dropout(0.3),
            nn.Linear(64, 32),
            nn.BatchNorm1d(32),
            nn.LeakyReLU(0.01),  # 使用LeakyReLU
            nn.Dropout(0.3),
            nn.Linear(32, 16),
            nn.BatchNorm1d(16),
            nn.LeakyReLU(0.01),  # 使用LeakyReLU
            nn.Dropout(0.3),
            nn.Linear(16, 1)
        )

    def forward(self, x):
        x = self.layers(x)
        x = x.squeeze(1)  # (B, 1) -> (B)
        return x

import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

# 定义基础的残差块
class ResidualBlock(nn.Module):
    def __init__(self, input_dim):
        super(ResidualBlock, self).__init__()
        self.fc1 = nn.Linear(input_dim, input_dim)
        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)
        self.fc2 = nn.Linear(input_dim, input_dim)

    def forward(self, x):
        residual = x
        out = self.fc1(x)
        out = self.relu(out)
        out = self.fc2(out)
        out += residual  # 这里添加了跳越连接
        out = self.relu(out)
        return out

# 将模型定义为一个等于ResNet的回归模型
class RegressionResNet(nn.Module):
    def __init__(self, input_dim, num_blocks=2):
        super(RegressionResNet, self).__init__()
        # 输入层
        self.input_fc = nn.Linear(input_dim, input_dim)
        # 创建残差块堆叠
        self.res_blocks = nn.Sequential(
            *[ResidualBlock(input_dim) for _ in range(num_blocks)]
        )
        # 输出层
        self.output_fc = nn.Linear(input_dim, 1)

    def forward(self, x):
        x = F.relu(self.input_fc(x))
        x = self.res_blocks(x)
        x = self.output_fc(x)
        x = x.squeeze(1) # (B, 1) -> (B)
        return x
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F

class DenseLayer(nn.Module):
    def __init__(self, in_channels, growth_rate):
        super(DenseLayer, self).__init__()
        # A single Dense Layer within a Dense Block
        self.dense_layer = nn.Sequential(
            nn.BatchNorm1d(in_channels),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Linear(in_channels, growth_rate),
            nn.Dropout(0.2) # Dropout for regularization
        )

    def forward(self, x):
        new_features = self.dense_layer(x)
        # Concatenating the input features with the new features
        return torch.cat([x, new_features], 1)

class DenseBlock(nn.Module):
    def __init__(self, num_layers, in_channels, growth_rate):
        super(DenseBlock, self).__init__()
        self.block = nn.Sequential()
        for i in range(num_layers):
            layer = DenseLayer(in_channels + i * growth_rate, growth_rate)
            self.block.add_module(f"dense_layer_{i + 1}", layer)

    def forward(self, x):
        return self.block(x)

class TransitionLayer(nn.Module):
    def __init__(self, in_channels, out_channels):
        super(TransitionLayer, self).__init__()
        # This layer reduces the number of features (compression)
        self.transition = nn.Sequential(
            nn.BatchNorm1d(in_channels),
            nn.ReLU(inplace=True),
            nn.Linear(in_channels, out_channels),
            nn.Dropout(0.2) # Dropout for regularization
        )

    def forward(self, x):
        return self.transition(x)

class My_DenseNet_Model(nn.Module):
    def __init__(self, input_dim, num_classes=1, growth_rate=12, block_config=(6, 12, 24), compression=0.5):
        super(My_DenseNet_Model, self).__init__()

        # Initial convolution layer
        self.init_features = nn.Sequential(
            nn.Linear(input_dim, growth_rate * 2),
            nn.ReLU(inplace=True)
        )

        # DenseBlocks and TransitionLayers
        num_features = growth_rate * 2  # Initial number of features
        self.features = nn.Sequential()

        for i, num_layers in enumerate(block_config):
            block = DenseBlock(num_layers=num_layers, in_channels=num_features, growth_rate=growth_rate)
            self.features.add_module(f"denseblock_{i + 1}", block)
            num_features += num_layers * growth_rate
            if i != len(block_config) - 1:  # Do not add Transition Layer after the last block
                trans = TransitionLayer(in_channels=num_features, out_channels=int(num_features * compression))
                self.features.add_module(f"transition_{i + 1}", trans)
                num_features = int(num_features * compression)

        # Final batch normalization
        self.features.add_module('norm5', nn.BatchNorm1d(num_features))

        # Linear layer for regression
        self.classifier = nn.Linear(num_features, num_classes)

    def forward(self, x):
        x = self.init_features(x)
        x = self.features(x)
        x = F.relu(x, inplace=True)
        x = F.avg_pool1d(x, kernel_size=1).view(x.size(0), -1)
        x = self.classifier(x)
        return x
from torch.optim.lr_scheduler import CosineAnnealingLR
def trainer(train_loader, valid_loader, model, config, device):

    criterion = nn.MSELoss(reduction='mean') # 损失函数的定义
    # 定义优化器
    optimizer = torch.optim.SGD(model.parameters(), lr=config['learning_rate'], momentum=0.9) 
    # optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=config['learning_rate']) 
    # optimizer = torch.optim.Adadelta(model.parameters(), lr=config['learning_rate'], rho=0.9, eps=1e-06, weight_decay=0)
    # tensorboard 的记录器
    # 将 train loss 保存到 "tensorboard/train" 文件夹
    train_writer = SummaryWriter(log_dir=os.path.join('tensorboard', 'train'))
    # 将 valid loss 保存到 "tensorboard/valid" 文件夹
    valid_writer = SummaryWriter(log_dir=os.path.join('tensorboard', 'valid'))
    # 添加余弦退火调度器
    scheduler = CosineAnnealingLR(optimizer, T_max=config['n_epochs'], eta_min=0)


    if not os.path.isdir('./models'):
        # 创建文件夹-用于存储模型
        os.mkdir('./models')

    n_epochs, best_loss, step, early_stop_count = config['n_epochs'], math.inf, 0, 0

    for epoch in range(n_epochs):
        model.train() # 训练模式
        loss_record = []
        # tqdm可以帮助我们显示训练的进度  
        train_pbar = tqdm(train_loader, position=0, leave=True)
        # 设置进度条的左边 : 显示第几个Epoch了
        train_pbar.set_description(f'Epoch [{epoch+1}/{n_epochs}]')
        for x, y in train_pbar:
            optimizer.zero_grad()               # 将梯度置0.
            x, y = x.to(device), y.to(device)   # 将数据一到相应的存储位置(CPU/GPU)
            pred = model(x)             
            loss = criterion(pred, y)
            loss.backward()                     # 反向传播 计算梯度.
            optimizer.step()                    # 更新网络参数
            step += 1
            loss_record.append(loss.detach().item())

            # 训练完一个batch的数据,将loss 显示在进度条的右边
            train_pbar.set_postfix({'loss': loss.detach().item()})

        mean_train_loss = sum(loss_record)/len(loss_record)

        model.eval() # 将模型设置成 evaluation 模式.
        loss_record = []
        for x, y in valid_loader:
            x, y = x.to(device), y.to(device)
            with torch.no_grad():
                pred = model(x)
                loss = criterion(pred, y)

            loss_record.append(loss.item())

        mean_valid_loss = sum(loss_record)/len(loss_record)
        print(f'Epoch [{epoch+1}/{n_epochs}]: Train loss: {mean_train_loss:.4f}, Valid loss: {mean_valid_loss:.4f}')
        # 每个epoch,在tensorboard 中记录验证的损失(后面可以展示出来)
        # 将训练损失和验证损失写入TensorBoard
        train_writer.add_scalar('Train-Valid Loss', mean_train_loss, step)
        valid_writer.add_scalar('Train-Valid Loss', mean_valid_loss, step)

        if mean_valid_loss < best_loss:
            best_loss = mean_valid_loss
            torch.save(model.state_dict(), config['save_path']) # 模型保存
            print('Saving model with loss {:.3f}...'.format(best_loss))
            early_stop_count = 0
        else: 
            early_stop_count += 1

        if early_stop_count >= config['early_stop']:
            print('\nModel is not improving, so we halt the training session.')
            return
        # 更新学习率
        scheduler.step()
device = 'cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu'
model = Raw_Model(input_dim=x_train.shape[1]).to(device) 
# model = RegressionResNet(input_dim=x_train.shape[1],num_blocks=10).to(device) 

# model = My_DenseNet_Model(input_dim=x_train.shape[1]).to(device)
# model = FCNN_Model(input_dim=x_train.shape[1]).to(device)
trainer(train_loader, valid_loader, model, config, device)

# model = RegressionResNet(input_dim=x_train.shape[1],num_blocks=10).to(device)
# model = My_DenseNet_Model(input_dim=x_train.shape[1]).to(device)
model = Raw_Model(input_dim=x_train.shape[1]).to(device)
# model = FCNN_Model(input_dim=x_train.shape[1]).to(device)
model.load_state_dict(torch.load(config['save_path']))
MSE = predict_MSE(valid_loader, model, device) 

print("MSE:",MSE)

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