如何Keras自动编码器给极端罕见事件分类

全文共7940字，预计学习时长30分钟或更长

本文将以一家造纸厂的生产为例，介绍如何使用自动编码器构建罕见事件分类器。

现实生活中罕见事件的数据集：

背景

1. 什么是极端罕见事件？

在罕见事件问题中，数据集是不平衡的。也就是说，正样本比负样本数量少。典型罕见事件问题的正样本数约占总数的5-10%。而在极端罕见的事件问题中，正样本数据只有不到1%。例如，本文使用的数据集里，这一比例只有约0.6%。

这种极端罕见的事件问题在现实世界中非常常见，例如，工厂中的机器故障或在网上点击购买时页面失踪。

对这些罕见事件进行分类非常有挑战性。近来，深度学习被广泛应用于分类中。然而正样本数太少不利于深度学习的应用。不论数据总量多大，深度学习的使用都会受制于阳性数据的数量。

2. 为什么要使用深度学习?

这个问题很合理。为什么不考虑使用其他机器学习方法呢?

答案很主观。我们总是可以采用某种机器学习方法来达到目的。为了使其成功，可以对负样本数据进行欠采样，以获得接近更平衡的数据集。由于只有0.6%的正样本数据，欠采样将会导致数据集大小约为原始数据集的1%。机器学习方法如SVM或Random Forest仍然适用于这种大小的数据集。然而，其准确性将受到限制。剩下约99%的数据中的信息将无法使用。

如果数据足够的话，深度学习或许更有效。它还能通过使用不同的体系结构实现模型改进的灵活性。因此，我们选择尝试使用深度学习的方法。

在本文中，我们将学习如何使用一个简单的全连接层自动编码器来构建罕见事件分类器。本文是为了演示如何使用自动编码器来实现极端罕见事件分类器的构建。用户可以自行探索自动编码器的不同架构和配置。

用自动编码器进行分类

用自动编码器分类类似于异常检测。在异常检测中，先学习正常过程的模式。任何不遵循此模式的都被归类为异常。对于罕见事件的二进制分类，可以采用类似的方法使用自动编码器。

1. 什么是自动编码器?

· 自动编码器由编码器和解码器两个模块组成。

· 编码器学习某一进程的隐含特性。这些特性通常在一个降低的维度中。

· 解码器可以根据这些隐含特性重新创建原始数据。

2. 如何使用自动编码器构建罕见事件分类?

· 将数据分为正标记和负标记两部分。

· 负标记的数据视为正常状态——无事件。

· 忽略正标记的数据，用负标记数据训练自动编码器。

· 所以重构误差的概率就很小。

· 然而，如果试图从稀有事件中重构数据，自动编码器就很难工作。

· 这就会造成在罕见事件中发生重构误差的概率比较高。

· 如此高的重构误差，并将其标记为罕见事件预测。

· 此过程与异常检测方法类似。

实际应用

1. 数据和问题

这是来自一家造纸厂关于纸张破损的二进制标记数据。纸张破损在造纸业是个很严重的问题。一起纸张破损就会造成数千美元损失，而造纸厂每天都会有数几起破损。这导致每年数百万美元的损失和工作风险。

因为生产过程本身的性质，很难检测到纸张破损。破损概率降低5%都能给厂家带来巨大的利益。

我们的数据包含15天内收集的约18,000行数据。y列包含两类标签，1表示纸张破损。其余列是预测，正标记样本约124例(约0.6%)。

2. 编码

导入所需的库。

%matplotlib inline
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
import pandas as pd
import numpy as np
from pylab import rcParams
import tensorflow as tf
from keras.models import Model, load_model
from keras.layers import Input, Dense
from keras.callbacks import ModelCheckpoint, TensorBoard
from keras import regularizers
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import confusion_matrix, precision_recall_curve
from sklearn.metrics import recall_score, classification_report, auc, roc_curve
from sklearn.metrics import precision_recall_fscore_support, f1_score
from numpy.random import seed
seed(1)
from tensorflow import set_random_seed
set_random_seed(2)
SEED = 123 #used to help randomly select the data points
DATA_SPLIT_PCT = 0.2
rcParams['figure.figsize'] = 8, 6
LABELS = ["Normal","Break"]

注意，我们正在为可重现结果设置随机种子。

3. 数据处理

现在，读取并准备数据。

df = pd.read_csv("
data/processminer-rare-event-mts - data.csv")这个罕见事件问题的目标就是在纸张破损发生之前就及时做出预测。我们试着在破损发生前四分钟就要预测到。为了建立这个模型，把标签向上移动两行(相当于4分钟)。只要df.y=df.y.shift(-2)就行了。然而针对这个问题，需要做出如下改变：如果第n行是阳性的，

· 令行(n-2)和(n-1)等于1。这将帮助分类器学会提前最多4分钟预测。

· 删除第n行。因为分类器不需要学会在事件发生时做出预测。

为了这个复杂的变化需要用下面的UDF。

sign = lambda x: (1, -1)[x < 0]
def curve_shift(df, shift_by):
'''
This function will shift the binary labels in a dataframe.
The curve shift will be with respect to the 1s. 
For example, if shift is -2, the following process
will happen: if row n is labeled as 1, then
- Make row (n+shift_by):(n+shift_by-1) = 1.
- Remove row n.
i.e. the labels will be shifted up to 2 rows up.
Inputs:
df A pandas dataframe with a binary labeled column. 
This labeled column should be named as 'y'.
shift_by An integer denoting the number of rows to shift.
Output
df A dataframe with the binary labels shifted by shift.
'''
vector = df['y'].copy()
for s in range(abs(shift_by)):
tmp = vector.shift(sign(shift_by))
tmp = tmp.fillna(0)
vector += tmp
labelcol = 'y'
# Add vector to the df
df.insert(loc=0, column=labelcol+'tmp', value=vector)
# Remove the rows with labelcol == 1.
df = df.drop(df[df[labelcol] == 1].index)
# Drop labelcol and rename the tmp col as labelcol
df = df.drop(labelcol, axis=1)
df = df.rename(columns={labelcol+'tmp': labelcol})
# Make the labelcol binary
df.loc[df[labelcol] > 0, labelcol] = 1
return df

现在，将数据分为训练集、有效集和测试集。然后迅速使用只有0的数据子集来训练自动编码器。

df_train, df_test = train_test_split(df, test_size=DATA_SPLIT_PCT, random_state=SEED)
df_train, df_valid = train_test_split(df_train, 
test_size=DATA_SPLIT_PCT, random_state=SEED)
df_train_0 = df_train.loc[df['y'] == 0]
df_train_1 = df_train.loc[df['y'] == 1]
df_train_0_x = df_train_0.drop(['y'], axis=1)
df_train_1_x = df_train_1.drop(['y'], axis=1)

4. 标准化

自动编码器最好使用标准化数据(转换为Gaussian、均值0、方差1)。

scaler = StandardScaler().fit(df_train_0_x)
df_train_0_x_rescaled = scaler.transform(df_train_0_x)
df_valid_0_x_rescaled = scaler.transform(df_valid_0_x)
df_valid_x_rescaled = scaler.transform(df_valid.drop(['y'], axis = 1))
df_test_0_x_rescaled = scaler.transform(df_test_0_x)
df_test_x_rescaled = scaler.transform(df_test.drop(['y'], axis = 1))

由自动编码器构造的分类器

1. 初始化

首先，初始化自动编码器架构。先构建一个简单的自动编码器，稍后再探索更复杂的架构和配置。

nb_epoch = 100
batch_size = 128
input_dim = df_train_0_x_rescaled.shape[1] #num of predictor variables, 
encoding_dim = 32
hidden_dim = int(encoding_dim / 2)
learning_rate = 1e-3
input_layer = Input(shape=(input_dim, ))
encoder = Dense(encoding_dim, activation="tanh", 
activity_regularizer=regularizers.l1(learning_rate))(input_layer)
encoder = Dense(hidden_dim, activation="relu")(encoder)
decoder = Dense(hidden_dim, activation='tanh')(encoder)
decoder = Dense(input_dim, activation='relu')(decoder)
autoencoder = Model(inputs=input_layer, outputs=decoder)

2. 训练

训练模型并将其保存在文件中。保存训练过的模型会为将来的分析省很多时间。

autoencoder.compile(metrics=['accuracy'],
 loss='mean_squared_error',
 optimizer='adam')
cp = ModelCheckpoint(filepath="autoencoder_classifier.h5",
 save_best_only=True,
 verbose=0)
tb = TensorBoard(log_dir='./logs',
 histogram_freq=0,
 write_graph=True,
 write_images=True)
history=autoencoder.fit(df_train_0_x_rescaled,df_train_0_x_rescaled,
 epochs=nb_epoch,
 batch_size=batch_size,
 shuffle=True,
 validation_data=(df_valid_0_x_rescaled,
df_valid_0_x_rescaled),
 verbose=1,
 callbacks=[cp, tb]).history

3. 分类

接下来将展示如何利用自动编码器重构误差来构造罕见事件分类器。

如前所述，如果重构误差较大，将其归类为纸张破损。需要确定这个阈值。

使用验证集来确定阈值。

valid_x_predictions = autoencoder.predict(df_valid_x_rescaled)
mse = np.mean(np.power(df_valid_x_rescaled - valid_x_predictions, 2), axis=1)
error_df = pd.DataFrame({'Reconstruction_error': mse, 'True_class': df_valid['y']})
precision_rt, recall_rt, threshold_rt = precision_recall_curve(error_df.True_class, 
error_df.Reconstruction_error)
plt.plot(threshold_rt, precision_rt[1:], label="Precision",linewidth=5)
plt.plot(threshold_rt, recall_rt[1:], label="Recall",linewidth=5)
plt.title('Precision and recall for different threshold values')
plt.xlabel('Threshold')
plt.ylabel('Precision/Recall')
plt.legend()
plt.show()

现在，对测试数据进行分类。

不要根据测试数据来估计分类阈值，这会导致过度拟合。

test_x_predictions = autoencoder.predict(df_test_x_rescaled)
mse = np.mean(np.power(df_test_x_rescaled - test_x_predictions, 2), axis=1)
error_df_test = pd.DataFrame({'Reconstruction_error': mse, 'True_class': df_test['y']})error_df_test = error_df_test.reset_index()
threshold_fixed = 0.85
groups = error_df_test.groupby('True_class')
fig, ax = plt.subplots()
for name, group in groups:
 ax.plot(group.index, group.Reconstruction_error, marker='o', ms=3.5, linestyle='',
 label= "Break" if name == 1 else "Normal")
ax.hlines(threshold_fixed, ax.get_xlim()[0], ax.get_xlim()[1], colors="r", zorder=100, label='Threshold')
ax.legend()
plt.title("Reconstruction error for different classes")
plt.ylabel("Reconstruction error")
plt.xlabel("Data point index")
plt.show();

图4中，阈值线上方的橙色和蓝色圆点分别表示真阳性和假阳性。可以看到上面有很多假阳性的点。为了看得更清楚，可以看一个混淆矩阵。

pred_y = [1 if e > threshold_fixed else 0 for e in error_df.Reconstruction_error.values]
conf_matrix = confusion_matrix(error_df.True_class, pred_y)
plt.figure(figsize=(12, 12))
sns.heatmap(conf_matrix, xticklabels=LABELS, yticklabels=LABELS, annot=True, fmt="d");
plt.title("Confusion matrix")
plt.ylabel('True class')
plt.xlabel('Predicted class')
plt.show()

在32次的破损中，我们预测到了9次。注意，其中包括提前两或四分钟的预测。这一概率约为28%，对造纸业来说是一个不错的召回率。假阳性率约为6.3%。这对造纸厂来说不是最好的结果，但也不坏。

该模型还可以进一步改进，降低假阳性率以提高召回率。观察如下AUC值后探讨改进方法。

ROC曲线和AUC（Area Under Curve）

false_pos_rate, true_pos_rate, thresholds = roc_curve(error_df.True_class, error_df.Reconstruction_error)roc_auc = auc(false_pos_rate, true_pos_rate,)
plt.plot(false_pos_rate, true_pos_rate, linewidth=5, label='AUC = %0.3f'% roc_auc)plt.plot([0,1],[0,1], linewidth=5)
plt.xlim([-0.01, 1])
plt.ylim([0, 1.01])
plt.legend(loc='lower right')
plt.title('Receiver operating characteristic curve (ROC)')
plt.ylabel('True Positive Rate')
plt.xlabel('False Positive Rate')
plt.show()

值得注意的是，这是一个（多变量的）时间序列数据。我们并未考虑数据中的时间信息/模式。

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