Pipeline管道

一、介绍

pipelines直译为管道，类似于流水线的意思，可以将数据预处理和建模流程封装起来。在数据处理过程中，很多步骤都是重复或者类似的，比如数据处理，特征选择，标准化，分类等，pipeline就可以实现以下几点好处

• 1、简化代码：直接将步骤封装成完整的工作流，避免代码重复
• 2、更少出bug，流程规范话，避免在建模和部署过程中漏掉某个步骤
• 3、更易于生产/复制：直接调用fit和predict来对管道中所有的算法模型进行一次性进行训练和预测
• 4、简化模型验证过程：网格搜索（grid search）可以遍历管道中所有评估器等参数

pipeline数用（key,value）的列表构建的，其中key数步骤名称的字符串，而value时一个估计器对象

Sklearn中有2个pipeline类型的模块，分别是

• 1、ColumnTransformer，主要用于用于数据于特征处理的工作流，可并行
• 2、pipeline，可用于任何需求的工作流，只能串行
  注意：管道中的所有评估器，除了最后一个评估器，管道的所有评估器必须是转换器。例如，必须有transform方法。最后一个评估器的类型不限（转换器、分类器等）

二、为什么使用pipeline

正如介绍中所说，可以简化流程，如果不使用呢，请看如下模型示例

1.读入数据集

# 读入数据集，数据探索
df = pd.read_csv('./data/L1_L2/保险数据_第一期.csv')
df.head(5)

2、数据预处理

1、缺失值、重复值处理

# 数据与特征处理
#重复值
df.duplicated().sum()

#缺失值（缺失值占比很少，直接删除）
df1 = df.dropna()  # 异常值，可不处理

#分割标签
labels = df1.pop('resp_flag')

2、数据编码、标准化

# 数据类型拆分
cat_cols = df1.select_dtypes(include=['object']) # 分类型变量
num_cols = df1.select_dtypes(exclude=['object']) # 数值型变量

# 数据编码
from sklearn.preprocessing import OrdinalEncoder
cat_encode = OrdinalEncoder()
cat_trans = cat_encode.fit_transform(cat_cols)
df_cat = pd.DataFrame(cat_trans,columns=cat_cols.columns)

# 数据标准化
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
num_std = StandardScaler()
num_trans = num_std.fit_transform(num_cols)
df_num = pd.DataFrame(num_trans,columns=num_cols.columns)

# 数据合并
data = pd.concat([df_cat,df_num],axis=1)

3、分割数据集

# 分割测试集
from sklearn.model_selection import train_test_split
xtrainn,xtest,Ytrain,Ytest = train_test_split(data,labels,test_size=0.3,stratify=labels,random_state=42)

4、模型训练、预测

# 模型选择-决策树
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier
DT = DecisionTreeClassifier()
DT.fit(xtrainn,Ytrain)

from sklearn.metrics import classification_report
print(classification_report(Ytest,DT.predict(xtest)))

# 模型选择-逻辑回归
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
LR = LogisticRegression()
LR.fit(xtrainn,Ytrain)

from sklearn.metrics import classification_report
print(classification_report(Ytest,LR.predict(xtest)))

5、调参：网格搜索

# 调参，网格搜索
from sklearn.model_selection import GridSearchCV

#参数字典
param = {'C':np.arange(1,2,0.1),    # 启、止，步长
         'class_weight':[None,'balanced']
         }
lr = LogisticRegression()
grid_lr = GridSearchCV(lr,param,n_jobs=1)
grid_lr.fit(xtrainn,Ytrain)

print(classification_report(Ytrain,grid_lr.predict(xtrainn)))
grid_lr.best_params_
grid_lr.best_score_

6、模型保存

# 模型保存（与读取）
import joblib
joblib.dump(grid_lr,'grid_lr_model_20240516.joblib')

7、预测新进用户

数据读取

df_new = pd.read_csv('./data/L1_L2/保险案例_新进用户.csv')
df_new

grid_lr.predict(df_new) 

结论：从报错不难看出，需要重新做数据清洗，很麻烦，所以考虑使用pipeline。

三、pipeline示例

1、读取数据

from IPython.core.interactiveshell import InteractiveShell
InteractiveShell.ast_node_interactivity='all'

import pandas as pd
import numpy as np

import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')

# 数据导入、处理
df1 = pd.read_csv('./data/L1_L2/保险数据_一.csv')
labels = df1.pop('resp_flag') #取出y

2、数据处理

1、数据类型拆分

# 数据类型拆分
cat_cols = df1.select_dtypes(include=['object']) # 分类型变量
num_cols = df1.select_dtypes(exclude=['object']) # 数值型变量

引入机器学习相关包

from sklearn.impute import SimpleImputer
from sklearn.preprocessing import OrdinalEncoder,StandardScaler
from sklearn.pipeline import Pipeline
from sklearn.compose import ColumnTransformer

2、分类变量处理

# 分类型变量
cat_imp = SimpleImputer(strategy='most_frequent')
cat_encode = OrdinalEncoder()
cat_pipeline = Pipeline(steps=[('cat_imp',cat_imp),('cat_encode',cat_encode)]) # list of (name ,transform) tuples

3、数值变量处理

# 数值型变量
num_imp = SimpleImputer(strategy='mean')
num_std = StandardScaler()
num_pipeline = Pipeline(steps=[('num_imp',num_imp),('num_std',num_std)])

# columnTransformer,list(name,transformer,columns) tuples
cat_trains = ColumnTransformer(transformers=[('cat_pipeline',cat_pipeline,cat_cols.columns),
                                             ('num_pipeline',num_pipeline,num_cols.columns)])

单元测试

# 单元测试
aaa = cat_trains.fit_transform(df1)
pd.DataFrame(aaa)

3、建立pipeline

# 实例化模型，建立pipeline
from sklearn.linear_model import LogisticRegression
lr = LogisticRegression()

lr_pipeline = Pipeline(steps=[('cat_trains',cat_trains),('lr',lr)])

4、分割数据集

# 分割测试集 
from sklearn.model_selection import train_test_split
xtrainn,xtest,Ytrain,Ytest = train_test_split(df1,labels,test_size=0.3,stratify=labels,random_state=42)

5、建模、调参

# 网格搜索，使用_访问每个transform内部等参数
from sklearn.model_selection import GridSearchCV

#参数字典
param = dict(lr__C = np.arange(1,2,0.1),    # 启、止，步长
         lr__class_weight = [None,'balanced'],
         cat_trains__num_pipeline__num_imp__strategy = ['mean','median'] #从外向内一层层写转换器
         )

grid_lr_pipeline = GridSearchCV(lr_pipeline,param,cv=3,n_jobs=-1)
grid_lr_pipeline.fit(xtrainn,Ytrain)

6、查看最优参数组合

grid_lr_pipeline.best_params_
grid_lr_pipeline.best_score_

7、查看预测效果

from sklearn.metrics import classification_report
print(classification_report(Ytest,grid_lr_pipeline.predict(xtest)))

8、模型保存

# 模型保存
import joblib
joblib.dump(grid_lr_pipeline,'grid_lr_pipeline_model_20240516.joblib')

9、使用新数据集预测

# 预测新进用户
df_new = pd.read_csv('./data/L1_L2/保险案例_新进用户.csv')
grid_lr_pipeline.predict(df_new)