Scikit-learn Python机器学习 - 机器学习开发流程

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课程介绍

本课程主要讲解基于Scikit-learn的Python机器学习知识,包括机器学习概述,特征工程(数据集,特征抽取,特征预处理,特征降维等),分类算法(K-临近算法,朴素贝叶斯算法,决策树等),回归与聚类算法(线性回归,欠拟合,逻辑回归与二分类,K-means算法)等。

Scikit-learn Python机器学习 - 机器学习开发流程

阶段一:问题定义与规划

目标: 明确要解决什么业务问题,以及如何用机器学习来解决。 这是最重要的一步,方向错了后面全错。

  • 关键问题:

    • 我们的业务目标是什么?(例如:提高销售额、降低客户流失率、优化运营效率)

    • 机器学习能解决的具体问题是什么?(例如:这是一个分类问题[流失 vs. 不流失]、回归问题[预测销量]还是聚类问题[客户分群]?)

    • 如何定义“成功”?(确立明确的、可衡量的评估指标,例如:准确率、精确率、召回率、AUC、RMSE等)

    • 需要什么样的数据?

    • 项目的预算是多少?时间线是怎样的?

  • 产出: 项目规划书、成功标准、技术可行性评估。

阶段二:数据收集与准备

目标: 获取并清洗数据,将其转换为适合模型训练的格式。 这是整个流程中最耗时、最繁琐但至关重要的一步,常被称为“数据工程”。

  • 关键任务:

    1. 数据收集:从数据库、数据仓库、API、日志文件、公开数据集等来源收集所有相关数据。

    2. 数据探索与清洗

      • 处理缺失值:删除或填充(用均值、中位数等)。

      • 处理异常值:分析并决定是删除、修正还是保留。

      • 处理错误数据:修正不一致的格式或输入错误(例如,“USA” vs. “United States”)。

    3. 特征工程这是模型性能的关键。创建新的、对模型预测更有帮助的特征。

      • 例子:从“出生日期”生成“年龄”特征;从“地址”生成“城市/乡村”特征;对类别型特征进行独热编码(One-Hot Encoding)。

    4. 数据分割:将数据集分为训练集(用于训练模型)、验证集(用于调参和模型选择)和测试集(用于最终评估模型性能)。常用比例如 60%/20%/20% 或 70%/15%/15%。

  • 产出: 干净、可用于建模的数据集(训练集、验证集、测试集)。

阶段三:模型选择与训练

目标: 选择合适的算法,使用训练数据来构建(训练)模型。

  • 关键任务:

    1. 模型选择:根据问题类型(分类、回归等)和数据特征,选择一个或多个候选算法。

      • 例子:线性回归、逻辑回归、决策树、随机森林、梯度提升机(如XGBoost、LightGBM)、支持向量机(SVM)、神经网络。

    2. 模型训练:将训练集输入到算法中,让算法学习数据中的模式。

      • 对于简单模型,训练很快;对于深度学习模型,可能需要大量时间和计算资源(GPU)。

    3. 超参数调优:大多数算法都有需要人为设定的超参数(如学习率、树的最大深度等)。使用验证集来评估不同参数组合的性能,找到最佳配置。常用方法有网格搜索、随机搜索、贝叶斯优化。

  • 产出: 一个或多个训练好的模型。

阶段四:模型评估

目标: 客观地评估训练好的模型在未知数据上的表现,判断它是否达到第一阶段设定的成功标准。

  • 关键任务:

    • 使用测试集:使用模型从未见过的测试集进行最终评估。这是为了模拟模型在真实世界中的表现,避免因为过拟合验证集而产生乐观偏差。

    • 分析评估指标:根据第一阶段定义的指标(如准确率、F1分数、均方误差等)进行评估。

    • 深入分析:查看混淆矩阵、学习曲线、ROC曲线等,了解模型在哪些地方表现好,哪些地方表现差(例如,是否在某个特定类别上表现不佳)。

  • 产出: 模型性能报告,明确其是否达到上线标准。

阶段五:模型部署与上线

目标: 将评估合格的模型部署到生产环境中,使其能够为真实用户或系统提供服务。

  • 关键任务:

    • 模型打包:将模型、预处理代码和依赖环境打包成一个可服务的格式(例如,一个Docker容器、一个RESTful API端点)。

    • 部署到生产环境:将打包好的模型部署到服务器、云平台或边缘设备上。

    • 集成与测试:将模型API与现有的业务系统(如网站、APP、后台系统)集成,并进行全面的集成测试和验收测试。

  • 产出: 一个在生产环境中运行并可提供预测服务的模型。

阶段六:监控与维护

目标: 持续监控线上模型的性能,确保其持续有效,并计划迭代更新。 模型上线不是终点,而是一个新的起点。

  • 关键任务:

    • 性能监控:监控模型的预测延迟、吞吐量、资源使用情况等。

    • 数据漂移监控:监控线上数据分布是否逐渐偏离训练数据时的分布(数据漂移),以及模型性能是否随时间下降(概念漂移)。

    • 建立反馈循环:收集模型在生产环境中的预测结果和真实结果(如果可能),这些新数据将成为下一轮训练的重要资源。

    • 模型重训练与迭代:定期(或当性能下降到阈值时)使用新的数据重新训练模型,并重复上述流程,迭代更新线上模型。

  • 产出: 模型性能监控报告、模型更新版本。

核心特点:

  1. 迭代性:整个过程不是线性的,而是循环往复的。你可能在数据准备阶段发现需要重新定义问题,在评估阶段发现需要回去做更多的特征工程。

  2. 数据为核心:大部分时间和精力都花在数据准备和特征工程上。“垃圾进,垃圾出”是机器学习领域的经典名言。

  3. MLOps 集成:现代ML开发流程强调自动化持续集成/持续部署(CI/CD),这就是MLOps的理念,旨在更快、更可靠地将模型投入生产并对其进行维护。

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