线性回归--PM2.5预测--李宏毅机器学习
一、说明
给定训练集train.csv，要求根据前9个小时的空气监测情况预测第10个小时的PM2.5含量。
训练集介绍：
(1)、CSV文件，包含台湾丰原地区240天的气象观测资料(取每个月前20天的数据做训练集，12月X20天=240天，每月后10天数据用于测试，对学生不可见);
(2)、每天的监测时间点为0时，1时......到23时，共24个时间节点;
(3)、每天的检测指标包括CO、NO、PM2.5、PM10等气体浓度，是否降雨、刮风等气象信息，共计18项；
二、数据处理
根据要求，要用前9个小时的数据，来预测第10个小时的PM2.5值。一笔训练数据如下图所示：
数据中存在一定量的空数据NR，且多存在于RAINFALL一项。对于空数据，常规的处理方法无非就是删除法和补全法两种。
RAINFALL表示当天对应时间点是否降雨，因此可以采用补全法处理空数据：将空数据NR全部补为0即可。
# 将NR替换成 0 data = data.replace([‘NR‘], [0.0])
我们先将数据进行预处理，得到 每笔训练数据 和对应的 结果label。
1. 由于每个月前20天的数据检测是连续24小时进行的，所以为了得到多笔数据，先将每个月20天数据 “连起来”，如下图示：
每个月的数据就是18行480(24*20)列,一共12个月的数据。
# 将每个月20天数据连成一大行
month_data = []
for month in range(12):
# 每个月的数据
sub_data = np.empty([18, 20*24])
for day in range(20):
# 每一天的数据
sub_data[:, day*24:(day+1)*24] = data[(month*18*20+day*18):(month*18*20+(day+1)*18), :]
month_data.append(sub_data)2. 对于连续的10个小时，可以取一笔 9小时训练数据（输入） 和 第10小时对应PM2.5值（结果）。
每个月20天，20*24=480小时， 480-9=471，每个月可以取471笔数据。
# 将每个月中20天，相邻9个小时生成一笔数据，第10个小时的pm2.5值，生成一个label
for i in range(12):
sub_data = month_data[i]
for j in range(20*24-9):
# 相邻9小时的数据
x_list.append(sub_data[:, j:j+9])
# 第10小时的 pm2.5
y_list.append(sub_data[9, j+9])完整数据处理代码：
def data_process(data):
x_list , y_list = [], []
# 将NR替换成 0
data = data.replace([‘NR‘], [0.0])
# astype() 转换为float
data = np.array(data).astype(float)
# 将每个月20天数据连成一大行
month_data = []
for month in range(12):
# 每个月的数据
sub_data = np.empty([18, 20*24])
for day in range(20):
# 每一天的数据
sub_data[:, day*24:(day+1)*24] = data[(month*18*20+day*18):(month*18*20+(day+1)*18), :]
month_data.append(sub_data)
# 将每个月中20天，相邻9个小时生成一笔数据，第10个小时的pm2.5值，生成一个label
for i in range(12):
sub_data = month_data[i]
for j in range(20*24-9):
# 相邻9小时的数据
x_list.append(sub_data[:, j:j+9])
# 第10小时的 pm2.5
y_list.append(sub_data[9, j+9])
x = np.array(x_list)
y = np.array(y_list)
return x, y, month_data二、模型建立
如题所说，使用的是最简单的线性回归模型，作为课程作业没有那么难,但也从中学到不少东西。
2.1 线性回归模型
如果把b作为w0，加到权值向量前面，可以得到向量运算的形式，如下：
h(X) = WTX # W为权值， X为输入。
2.2 损失函数
用预测值与label之间的平均欧式距离来衡量预测的准确程度，并充当损失函数。
这里的损失指的是平均损失；乘1/2是为了在后续求梯度过程中保证梯度项系数为1，方便计算。
为了防止过拟合，加入正则项：
完整的损失函数：
2.3 梯度下降
对参数 w 和 b 求偏导：
对参数进行更新：
ηw、ηb 为学习率。
2.4 学习率更新
为了在不影响模型效果的前提下提高学习速度，可以对学习率进行实时更新：即让学习率的值在学习初期较大，之后逐渐减小。
这里采用比较经典的adagrad算法来更新学习率：
根号下为梯度的累加值。
2.5 矩阵加速计算推导
因为python中使用矩阵的计算速度非常快，远远快于循环计算，所以这里我们推导一下利用矩阵计算梯度值的写法。
具体可以参照这篇博客：https://blog.csdn.net/sjz_hahalala479/article/details/81701164
前文提到过，如果把b作为w0，加到权值向量前面可以得到如下形式：
h(X) = WTX # W为权值， X为输入。 W = [b, w0, w1, ...]
对于损失函数的转化改造：
对于 
1. 将平方求和改造成向量模的平方：
假设我们有个向量 
所以有
将平方项展开： 
对W进行求偏导：
与上面展开对应
所以我们要求的梯度就是： 
*这里将分子的2去掉是因为与的损失函数分母抵消。
# 计算梯度 W = X转置.(XW-Y) w_1 = np.dot(X.transpose(), X.dot(W)-y_train)
三、训练模型
3.0 数据转化
将训练数据分成两部分（8：2），一部分用来训练，一部分用来验证效果。
# 8:2 cross validation
x_train = x[:(int)(x.shape[0]*0.8)]
y_train = y[:(int)(x.shape[0]*0.8)]
x_val = x[(int)(x.shape[0]*0.8+0.5):]
y_val = y[(int)(y.shape[0]*0.8+0.5):]由于参数太多，也可以取其中的几类进行训练，比如下文中将选取NO、NO2、NOx、O3、PM10、PM2.5作为输入。
其中的一笔数据如下：
首先将每笔数据的输入转化成一行，并在前面加上 1， 对应于bias项。
# 定义参数 b，w b作为w0
W = np.ones(1+9*6)
# 将训练数据转化成 每一笔数据一行，并且前面添加 1，作为b的权值 [[1, ...], [1, ...],...,[1, ...]]
X = np.empty([n, W.size-1])
for i in range(n):
X[i] = x_train[i][4:10].reshape(1, -1)
# 添加 1
X = np.concatenate((np.ones([n, 1]), X), axis=1)3.1 训练函数
完整的训练函数代码如下，具体请看注释：
def train(x_train, y_train, times):
# 定义参数 b，w b作为w0
W = np.ones(1+9*6)
# 多少笔数据
n = y_train.size
# 学习率
learning_rate = 100
# 正则项大小
reg_rate = 0.011
# 将训练数据转化成 每一笔数据一行，并且前面添加 1，作为b的权值 [[1, ...], [1, ...],...,[1, ...]]
X = np.empty([n, W.size-1])
for i in range(n):
X[i] = x_train[i][4:10].reshape(1, -1)
# 添加 1
X = np.concatenate((np.ones([n, 1]), X), axis=1)
# 累加正则项
adagrad=0
# 正则项的选择矩阵， 去掉bias部分
reg_mat=np.concatenate((np.array([0]), np.ones([9*6,])), axis=0)
for t in range(times):
# 计算梯度 W = X转置.(XW-Y)
w_1 = np.dot(X.transpose(), X.dot(W)-y_train)
# 加正则项
w_1 += reg_rate * W * reg_mat
# 正则项参数更新
adagrad += sum(w_1**2)**0.5
# 梯度下降
W -= learning_rate/adagrad * w_1
# 每200次迭代输出一次
if t%200==0:
loss = 0
for j in range(n):
loss += (y_train[j]-X[j].dot(W))**2
print(t)
print(‘times ‘, loss/n)
return W3.2 验证
def validate(x_val, y_val, w):
n=y_val.size
# 转化成一行，并加一列 1
X = np.empty([n, w.size - 1])
for i in range(n):
X[i] = x_val[i][4:10].reshape(1, -1)
X = np.concatenate((np.ones([n, 1]), X), axis=1)
loss=0
# 计算loss
for j in range(n):
loss += (y_val[j] - X[j].dot(W)) ** 2
return loss/n四、结果分析
运行输出的结果看，loss还是挺大的，还有改进的空间。
改进思路：
1. 分割训练集和验证集时，应该按照比例随机抽取数据帧作为训练集和验证集，选取loss最小的模型。
2. 充分考虑其他参数对空气PM2.5的影响，加入更加复杂的高次项。
五、预测结果
对test集的数据进行结果预测
## 计算预测值 ##
Y = X_test.dot(W)
# 预测值写入
data_test = np.array(data_test)
data_test = np.concatenate((data_test, np.zeros([n, 1])), axis=1)
for j in range(0, n, 18):
data_test[j+9, 11] = int(Y[int(j/18)]+0.5)为了方便查看，将数据写回源文件格式。
# 保存结果
data_test = pd.DataFrame(data_test)
data_test.to_csv(‘test_res.csv‘)第一笔数据的预测值：
六、程序代码
**在项目根目录存放‘train.csv’、‘test.csv‘
**每次训练后会保存参数，下次训练时请事先删除根目录文件‘weight_2.npy’
import pandas as pd
import numpy as np
def data_process(data):
x_list , y_list = [], []
# 将NR替换成 0
data = data.replace([‘NR‘], [0.0])
# astype() 转换为float
data = np.array(data).astype(float)
# 将每个月20天数据连成一大行
month_data = []
for month in range(12):
# 每个月的数据
sub_data = np.empty([18, 20*24])
for day in range(20):
# 每一天的数据
sub_data[:, day*24:(day+1)*24] = data[(month*18*20+day*18):(month*18*20+(day+1)*18), :]
month_data.append(sub_data)
# 将每个月中20天，相邻9个小时生成一笔数据，第10个小时的pm2.5值，生成一个label
for i in range(12):
sub_data = month_data[i]
for j in range(20*24-9):
# 相邻9小时的数据
x_list.append(sub_data[:, j:j+9])
# 第10小时的 pm2.5
y_list.append(sub_data[9, j+9])
x = np.array(x_list)
y = np.array(y_list)
return x, y, month_data
def train(x_train, y_train, times):
# 定义参数 b，w b作为w0
W = np.ones(1+9*6)
# 多少笔数据
n = y_train.size
# 学习率
learning_rate = 100
# 正则项大小
reg_rate = 0.011
# 将训练数据转化成 每一笔数据一行，并且前面添加 1，作为b的权值 [[1, ...], [1, ...],...,[1, ...]]
X = np.empty([n, W.size-1])
for i in range(n):
X[i] = x_train[i][4:10].reshape(1, -1)
# 添加 1
X = np.concatenate((np.ones([n, 1]), X), axis=1)
# data_X = pd.DataFrame(X)
# data_X.to_csv(‘data.csv‘)
adagrad=0
# 正则项的选择矩阵， 去掉bias部分
reg_mat=np.concatenate((np.array([0]), np.ones([9*6,])), axis=0)
for t in range(times):
# 计算梯度 W = X转置.(XW-Y)
w_1 = np.dot(X.transpose(), X.dot(W)-y_train)
# 加正则项
w_1 += reg_rate * W * reg_mat
# 正则项参数更新
adagrad += sum(w_1**2)**0.5
# 梯度下降
W -= learning_rate/adagrad * w_1
# 每200次迭代输出一次
if t%200==0:
loss = 0
for j in range(n):
loss += (y_train[j]-X[j].dot(W))**2
print(‘After ‘, t,‘ times loss=‘, loss/n)
return W
def validate(x_val, y_val, w):
n=y_val.size
# 转化成一行，并加一列 1
X = np.empty([n, w.size - 1])
for i in range(n):
X[i] = x_val[i][4:10].reshape(1, -1)
X = np.concatenate((np.ones([n, 1]), X), axis=1)
loss=0
# 计算loss
for j in range(n):
loss += (y_val[j] - X[j].dot(W)) ** 2
return loss/n
if __name__ == ‘__main__‘:
data = pd.read_csv(‘./train.csv‘, encoding=‘big5‘)
# 去掉前三列
data = data.iloc[:, 3:]
[x, y, month_data] = data_process(data)
# 8:2 cross validation
x_train = x[:(int)(x.shape[0]*0.8)]
y_train = y[:(int)(x.shape[0]*0.8)]
x_val = x[(int)(x.shape[0]*0.8+0.5):]
y_val = y[(int)(y.shape[0]*0.8+0.5):]
try:
W = np.load(‘weight_2.npy‘)
except:
# 迭代次数
times = 10000
W = train(x_train, y_train, times)
np.save(‘weight_2.npy‘, W)
## 计算在val上的loss ##
loss = validate(x_val, y_val, W)
print(‘validate loss=‘, loss)
## 在test上进行验证 ##
# header=None 无表头读入
data_test = pd.read_csv(‘./test.csv‘, header=None, encoding=‘big5‘)
# 去掉前两列
test = data_test.iloc[:, 2:]
test = test.replace([‘NR‘], [0.0])
#处理数据
test = np.array(test).astype(float)
[n, m] = test.shape
# 读出参数值
X_test = np.empty([int(n/18), 9*6])
for i in range(0, n, 18):
X_test[int(i/18), :] = test[i+4:i+10, :].reshape(1, -1)
[n_test, m_test] = X_test.shape
# 加一列 1
X_test = np.concatenate((np.ones([n_test, 1]), X_test), axis=1)
## 计算预测值 ##
Y = X_test.dot(W)
# 预测值写入
data_test = np.array(data_test)
data_test = np.concatenate((data_test, np.zeros([n, 1])), axis=1)
for j in range(0, n, 18):
data_test[j+9, 11] = int(Y[int(j/18)]+0.5)
# 保存结果
data_test = pd.DataFrame(data_test)
data_test.to_csv(‘test_res.csv‘)感谢阅读，如有错误欢迎留言指正。
如果感觉对你有所帮助，↘右下推荐点一点??。
ps：本文实现参照以下两篇博客：