【机器学习入门与实践】数据挖掘-二手车价格交易预测（含EDA探索、特征工程、特征优化、模型融合等）

note：项目链接以及码源见文末

1.赛题简介

了解赛题

• 赛题概况

• 数据概况

• 预测指标

• 分析赛题

• 数据读取pandas

• 分类指标评价计算示例

• 回归指标评价计算示例

EDA探索

• 载入各种数据科学以及可视化库
• 载入数据
• 总览数据概况
• 判断数据缺失和异常
• 了解预测值的分布
• 特征分为类别特征和数字特征，并对类别特征查看unique分布
• 数字特征分析
• 类别特征分析
• 用pandas_profiling生成数据报告

特征工程

• 导入数据
• 删除异常值
• 特征构造
• 特征筛选

建模调参，相关原理介绍与推荐

• 线性回归模型
• 决策树模型
• GBDT模型
• XGBoost模型
• LightGBM模型
• 推荐教材
• 读取数据
• 线性回归 & 五折交叉验证 & 模拟真实业务情况
• 多种模型对比
• 模型调参

模型融合

• 回归\分类概率-融合
• 分类模型融合
• 一些其它方法
• 本赛题示例

1.1 数据说明

比赛要求参赛选手根据给定的数据集，建立模型，二手汽车的交易价格。

来自 Ebay Kleinanzeigen 报废的二手车，数量超过 370,000，包含 20 列变量信息，为了保证
比赛的公平性，将会从中抽取 10 万条作为训练集，5 万条作为测试集 A，5 万条作为测试集
B。同时会对名称、车辆类型、变速箱、model、燃油类型、品牌、公里数、价格等信息进行
脱敏。

一般而言，对于数据在比赛界面都有对应的数据概况介绍（匿名特征除外），说明列的性质特征。了解列的性质会有助于我们对于数据的理解和后续分析。
Tip:匿名特征，就是未告知数据列所属的性质的特征列。

train.csv

• name - 汽车编码
• regDate - 汽车注册时间
• model - 车型编码
• brand - 品牌
• bodyType - 车身类型
• fuelType - 燃油类型
• gearbox - 变速箱
• power - 汽车功率
• kilometer - 汽车行驶公里
• notRepairedDamage - 汽车有尚未修复的损坏
• regionCode - 看车地区编码
• seller - 销售方
• offerType - 报价类型
• creatDate - 广告发布时间
• price - 汽车价格
• v_0’, ‘v_1’, ‘v_2’, ‘v_3’, ‘v_4’, ‘v_5’, ‘v_6’, ‘v_7’, ‘v_8’, ‘v_9’, ‘v_10’, ‘v_11’, ‘v_12’, ‘v_13’,‘v_14’（根据汽车的评论、标签等大量信息得到的embedding向量）【人工构造 匿名特征】

数字全都脱敏处理，都为label encoding形式，即数字形式

1.2预测指标

本赛题的评价标准为MAE(Mean Absolute Error):

$$MAE=\frac{\sum_{i=1}^{n}\left|y_{i}-\hat{y}_{i}\right|}{n}$$

其中 $y_{i}$代表第 $i$个样本的真实值，其中 $\hat{y}_{i}$代表第 $i$个样本的预测值。

一般问题评价指标说明:

什么是评估指标：

评估指标即是我们对于一个模型效果的数值型量化。（有点类似与对于一个商品评价打分，而这是针对于模型效果和理想效果之间的一个打分）

一般来说分类和回归问题的评价指标有如下一些形式：

分类算法常见的评估指标如下：

• 对于二类分类器/分类算法，评价指标主要有accuracy， [Precision，Recall，F-score，Pr曲线]，ROC-AUC曲线。
• 对于多类分类器/分类算法，评价指标主要有accuracy， [宏平均和微平均，F-score]。

对于回归预测类常见的评估指标如下:

• 平均绝对误差（Mean Absolute Error，MAE），均方误差（Mean Squared Error，MSE），平均绝对百分误差（Mean Absolute Percentage Error，MAPE），均方根误差（Root Mean Squared Error）， R2（R-Square）

平均绝对误差
平均绝对误差（Mean Absolute Error，MAE）:平均绝对误差，其能更好地反映预测值与真实值误差的实际情况，其计算公式如下：

$$MAE=\frac{1}{N} \sum_{i=1}^{N}\left|y_{i}-\hat{y}_{i}\right|$$

均方误差
均方误差（Mean Squared Error，MSE）,均方误差,其计算公式为：

$$MSE=\frac{1}{N} \sum_{i=1}^{N}\left(y_{i}-\hat{y}_{i}\right)^{2}$$

R2（R-Square）的公式为：
残差平方和：

$$SS_{res}=\sum\left(y_{i}-\hat{y}_{i}\right)^{2}$$

总平均值:

$$SS_{tot}=\sum\left(y_{i}-\overline{y}_{i}\right)^{2}$$

其中 $\overline{y}$表示 $y$的平均值
得到 $R^2$表达式为：

$$R^{2}=1-\frac{SS_{res}}{SS_{tot}}=1-\frac{\sum\left(y_{i}-\hat{y}_{i}\right)^{2}}{\sum\left(y_{i}-\overline{y}\right)^{2}}$$

$R^2$用于度量因变量的变异中可由自变量解释部分所占的比例，取值范围是 0~1， $R^2$越接近1,表明回归平方和占总平方和的比例越大,回归线与各观测点越接近，用x的变化来解释y值变化的部分就越多,回归的拟合程度就越好。所以 $R^2$也称为拟合优度（Goodness of Fit）的统计量。

$y_{i}$表示真实值， $\hat{y}_{i}$表示预测值， $\overline{y}_{i}$表示样本均值。得分越高拟合效果越好。

1.3分析赛题

1. 此题为传统的数据挖掘问题，通过数据科学以及机器学习深度学习的办法来进行建模得到结果。
2. 此题是一个典型的回归问题。
3. 主要应用xgb、lgb、catboost，以及pandas、numpy、matplotlib、seabon、sklearn、keras等等数据挖掘常用库或者框架来进行数据挖掘任务。

2.数据探索

# 下载数据
!wget http://tianchi-media.oss-cn-beijing.aliyuncs.com/dragonball/DM/data.zip
# 解压下载好的数据
!unzip data.zip

# 导入函数工具
## 基础工具
import numpy as np
import pandas as pd
import warnings
import matplotlib
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
from scipy.special import jn
from IPython.display import display, clear_output
import time

warnings.filterwarnings('ignore')
%matplotlib inline

## 模型预测的
from sklearn import linear_model
from sklearn import preprocessing
from sklearn.svm import SVR
from sklearn.ensemble import RandomForestRegressor,GradientBoostingRegressor

## 数据降维处理的
from sklearn.decomposition import PCA,FastICA,FactorAnalysis,SparsePCA

import lightgbm as lgb
import xgboost as xgb

## 参数搜索和评价的
from sklearn.model_selection import GridSearchCV,cross_val_score,StratifiedKFold,train_test_split
from sklearn.metrics import mean_squared_error, mean_absolute_error

2.1 数据读取

## 通过Pandas对于数据进行读取 (pandas是一个很友好的数据读取函数库)
Train_data = pd.read_csv('/home/aistudio/dataset/used_car_train_20200313.csv', sep=' ')
TestA_data = pd.read_csv('/home/aistudio/dataset/used_car_testA_20200313.csv', sep=' ')

## 输出数据的大小信息
print('Train data shape:',Train_data.shape)
print('TestA data shape:',TestA_data.shape)

Train data shape: (150000, 31)
TestA data shape: (50000, 30)

2.2 数据简要浏览

## 通过.head() 简要浏览读取数据的形式
Train_data.head()

.dataframe tbody tr th {
    vertical-align: top;
}

.dataframe thead th {
    text-align: right;
}

2.3 数据信息查看

## 通过 .info() 简要可以看到对应一些数据列名，以及NAN缺失信息
Train_data.info()

<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
RangeIndex: 150000 entries, 0 to 149999
Data columns (total 31 columns):
 #   Column             Non-Null Count   Dtype  
---  ------             --------------   -----  
 0   SaleID             150000 non-null  int64  
 1   name               150000 non-null  int64  
 2   regDate            150000 non-null  int64  
 3   model              149999 non-null  float64
 4   brand              150000 non-null  int64  
 5   bodyType           145494 non-null  float64
 6   fuelType           141320 non-null  float64
 7   gearbox            144019 non-null  float64
 8   power              150000 non-null  int64  
 9   kilometer          150000 non-null  float64
 10  notRepairedDamage  150000 non-null  object 
 11  regionCode         150000 non-null  int64  
 12  seller             150000 non-null  int64  
 13  offerType          150000 non-null  int64  
 14  creatDate          150000 non-null  int64  
 15  price              150000 non-null  int64  
 16  v_0                150000 non-null  float64
 17  v_1                150000 non-null  float64
 18  v_2                150000 non-null  float64
 19  v_3                150000 non-null  float64
 20  v_4                150000 non-null  float64
 21  v_5                150000 non-null  float64
 22  v_6                150000 non-null  float64
 23  v_7                150000 non-null  float64
 24  v_8                150000 non-null  float64
 25  v_9                150000 non-null  float64
 26  v_10               150000 non-null  float64
 27  v_11               150000 non-null  float64
 28  v_12               150000 non-null  float64
 29  v_13               150000 non-null  float64
 30  v_14               150000 non-null  float64
dtypes: float64(20), int64(10), object(1)
memory usage: 35.5+ MB

## 通过 .columns 查看列名
Train_data.columns

Index(['SaleID', 'name', 'regDate', 'model', 'brand', 'bodyType', 'fuelType',
       'gearbox', 'power', 'kilometer', 'notRepairedDamage', 'regionCode',
       'seller', 'offerType', 'creatDate', 'price', 'v_0', 'v_1', 'v_2', 'v_3',
       'v_4', 'v_5', 'v_6', 'v_7', 'v_8', 'v_9', 'v_10', 'v_11', 'v_12',
       'v_13', 'v_14'],
      dtype='object')

TestA_data.info()

<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>
RangeIndex: 50000 entries, 0 to 49999
Data columns (total 30 columns):
 #   Column             Non-Null Count  Dtype  
---  ------             --------------  -----  
 0   SaleID             50000 non-null  int64  
 1   name               50000 non-null  int64  
 2   regDate            50000 non-null  int64  
 3   model              50000 non-null  float64
 4   brand              50000 non-null  int64  
 5   bodyType           48587 non-null  float64
 6   fuelType           47107 non-null  float64
 7   gearbox            48090 non-null  float64
 8   power              50000 non-null  int64  
 9   kilometer          50000 non-null  float64
 10  notRepairedDamage  50000 non-null  object 
 11  regionCode         50000 non-null  int64  
 12  seller             50000 non-null  int64  
 13  offerType          50000 non-null  int64  
 14  creatDate          50000 non-null  int64  
 15  v_0                50000 non-null  float64
 16  v_1                50000 non-null  float64
 17  v_2                50000 non-null  float64
 18  v_3                50000 non-null  float64
 19  v_4                50000 non-null  float64
 20  v_5                50000 non-null  float64
 21  v_6                50000 non-null  float64
 22  v_7                50000 non-null  float64
 23  v_8                50000 non-null  float64
 24  v_9                50000 non-null  float64
 25  v_10               50000 non-null  float64
 26  v_11               50000 non-null  float64
 27  v_12               50000 non-null  float64
 28  v_13               50000 non-null  float64
 29  v_14               50000 non-null  float64
dtypes: float64(20), int64(9), object(1)
memory usage: 11.4+ MB

2.4 数据统计信息浏览

## 通过 .describe() 可以查看数值特征列的一些统计信息
Train_data.describe()

TestA_data.describe()

3.数据分析

#### 1) 提取数值类型特征列名
numerical_cols = Train_data.select_dtypes(exclude = 'object').columns
print(numerical_cols)

Index(['SaleID', 'name', 'regDate', 'model', 'brand', 'bodyType', 'fuelType',
       'gearbox', 'power', 'kilometer', 'regionCode', 'seller', 'offerType',
       'creatDate', 'price', 'v_0', 'v_1', 'v_2', 'v_3', 'v_4', 'v_5', 'v_6',
       'v_7', 'v_8', 'v_9', 'v_10', 'v_11', 'v_12', 'v_13', 'v_14'],
      dtype='object')

categorical_cols = Train_data.select_dtypes(include = 'object').columns
print(categorical_cols)

Index(['notRepairedDamage'], dtype='object')

#### 2) 构建训练和测试样本
## 选择特征列
feature_cols = [col for col in numerical_cols if col not in ['SaleID','name','regDate','creatDate','price','model','brand','regionCode','seller']]
feature_cols = [col for col in feature_cols if 'Type' not in col]

## 提前特征列，标签列构造训练样本和测试样本
X_data = Train_data[feature_cols]
Y_data = Train_data['price']

X_test  = TestA_data[feature_cols]

print('X train shape:',X_data.shape)
print('X test shape:',X_test.shape)

X train shape: (150000, 18)
X test shape: (50000, 18)

## 定义了一个统计函数，方便后续信息统计
def Sta_inf(data):
    print('_min',np.min(data))
    print('_max:',np.max(data))
    print('_mean',np.mean(data))
    print('_ptp',np.ptp(data))
    print('_std',np.std(data))
    print('_var',np.var(data))

#### 3) 统计标签的基本分布信息
print('Sta of label:')
Sta_inf(Y_data)

Sta of label:
_min 11
_max: 99999
_mean 5923.327333333334
_ptp 99988
_std 7501.973469876635
_var 56279605.942732885

## 绘制标签的统计图，查看标签分布
plt.hist(Y_data)
plt.show()
plt.close()

#### 4) 缺省值用-1填补
X_data = X_data.fillna(-1)
X_test = X_test.fillna(-1)

4. 模型训练与预测（特征工程、模型融合）

4.1 利用xgb进行五折交叉验证查看模型的参数效果

## xgb-Model
xgr = xgb.XGBRegressor(n_estimators=120, learning_rate=0.1, gamma=0, subsample=0.8,\
        colsample_bytree=0.9, max_depth=7) #,objective ='reg:squarederror'

scores_train = []
scores = []

## 5折交叉验证方式
sk=StratifiedKFold(n_splits=5,shuffle=True,random_state=0)
for train_ind,val_ind in sk.split(X_data,Y_data):
    
    train_x=X_data.iloc[train_ind].values
    train_y=Y_data.iloc[train_ind]
    val_x=X_data.iloc[val_ind].values
    val_y=Y_data.iloc[val_ind]
    
    xgr.fit(train_x,train_y)
    pred_train_xgb=xgr.predict(train_x)
    pred_xgb=xgr.predict(val_x)
    
    score_train = mean_absolute_error(train_y,pred_train_xgb)
    scores_train.append(score_train)
    score = mean_absolute_error(val_y,pred_xgb)
    scores.append(score)

print('Train mae:',np.mean(score_train))
print('Val mae',np.mean(scores))

4.2 定义xgb和lgb模型函数

def build_model_xgb(x_train,y_train):
    model = xgb.XGBRegressor(n_estimators=150, learning_rate=0.1, gamma=0, subsample=0.8,\
        colsample_bytree=0.9, max_depth=7) #, objective ='reg:squarederror'
    model.fit(x_train, y_train)
    return model

def build_model_lgb(x_train,y_train):
    estimator = lgb.LGBMRegressor(num_leaves=127,n_estimators = 150)
    param_grid = {
        'learning_rate': [0.01, 0.05, 0.1, 0.2],
    }
    gbm = GridSearchCV(estimator, param_grid)
    gbm.fit(x_train, y_train)
    return gbm

4.3 切分数据集（Train,Val）进行模型训练，评价和预测

## Split data with val
x_train,x_val,y_train,y_val = train_test_split(X_data,Y_data,test_size=0.3)

print('Train lgb...')
model_lgb = build_model_lgb(x_train,y_train)
val_lgb = model_lgb.predict(x_val)
MAE_lgb = mean_absolute_error(y_val,val_lgb)
print('MAE of val with lgb:',MAE_lgb)

print('Predict lgb...')
model_lgb_pre = build_model_lgb(X_data,Y_data)
subA_lgb = model_lgb_pre.predict(X_test)
print('Sta of Predict lgb:')
Sta_inf(subA_lgb)

print('Train xgb...')
model_xgb = build_model_xgb(x_train,y_train)
val_xgb = model_xgb.predict(x_val)
MAE_xgb = mean_absolute_error(y_val,val_xgb)
print('MAE of val with xgb:',MAE_xgb)

print('Predict xgb...')
model_xgb_pre = build_model_xgb(X_data,Y_data)
subA_xgb = model_xgb_pre.predict(X_test)
print('Sta of Predict xgb:')
Sta_inf(subA_xgb)

4.4进行两模型的结果加权融合

## 这里我们采取了简单的加权融合的方式
val_Weighted = (1-MAE_lgb/(MAE_xgb+MAE_lgb))*val_lgb+(1-MAE_xgb/(MAE_xgb+MAE_lgb))*val_xgb
val_Weighted[val_Weighted<0]=10 # 由于我们发现预测的最小值有负数，而真实情况下，price为负是不存在的，由此我们进行对应的后修正
print('MAE of val with Weighted ensemble:',mean_absolute_error(y_val,val_Weighted))

sub_Weighted = (1-MAE_lgb/(MAE_xgb+MAE_lgb))*subA_lgb+(1-MAE_xgb/(MAE_xgb+MAE_lgb))*subA_xgb

## 查看预测值的统计进行
plt.hist(Y_data)
plt.show()
plt.close()

4.5.输出结果

sub = pd.DataFrame()
sub['SaleID'] = TestA_data.SaleID
sub['price'] = sub_Weighted
sub.to_csv('./sub_Weighted.csv',index=False)

sub.head()

5. 项目详细展开

因篇幅内容限制，将原学习项目拆解成多个notebook方便学习，只需一键fork。

5.1 数据分析详解

1. 载入各种数据科学以及可视化库:
   • 数据科学库 pandas、numpy、scipy；
   • 可视化库 matplotlib、seabon；
   • 其他；
2. 载入数据：
   • 载入训练集和测试集；
   • 简略观察数据(head()+shape)；
3. 数据总览:
   • 通过describe()来熟悉数据的相关统计量
   • 通过info()来熟悉数据类型
4. 判断数据缺失和异常
   • 查看每列的存在nan情况
   • 异常值检测
5. 了解预测值的分布
   • 总体分布概况（无界约翰逊分布等）
   • 查看skewness and kurtosis
   • 查看预测值的具体频数
6. 特征分为类别特征和数字特征，并对类别特征查看unique分布
7. 数字特征分析
   • 相关性分析
   • 查看几个特征得 偏度和峰值
   • 每个数字特征得分布可视化
   • 数字特征相互之间的关系可视化
   • 多变量互相回归关系可视化
8. 类型特征分析
   • unique分布
   • 类别特征箱形图可视化
   • 类别特征的小提琴图可视化
   • 类别特征的柱形图可视化类别
   • 特征的每个类别频数可视化(count_plot)
9. 用pandas_profiling生成数据报告

5.2 特征工程

1. 异常处理：
   • 通过箱线图（或 3-Sigma）分析删除异常值；
   • BOX-COX 转换（处理有偏分布）；
   • 长尾截断；
2. 特征归一化/标准化：
   • 标准化（转换为标准正态分布）；
   • 归一化（抓换到 [0,1] 区间）；
   • 针对幂律分布，可以采用公式： $log(\frac{1+x}{1+median})$
3. 数据分桶：
   • 等频分桶；
   • 等距分桶；
   • Best-KS 分桶（类似利用基尼指数进行二分类）；
   • 卡方分桶；
4. 缺失值处理：
   • 不处理（针对类似 XGBoost 等树模型）；
   • 删除（缺失数据太多）；
   • 插值补全，包括均值/中位数/众数/建模预测/多重插补/压缩感知补全/矩阵补全等；
   • 分箱，缺失值一个箱；
5. 特征构造：
   • 构造统计量特征，报告计数、求和、比例、标准差等；
   • 时间特征，包括相对时间和绝对时间，节假日，双休日等；
   • 地理信息，包括分箱，分布编码等方法；
   • 非线性变换，包括 log/ 平方/ 根号等；
   • 特征组合，特征交叉；
   • 仁者见仁，智者见智。
6. 特征筛选
   • 过滤式（filter）：先对数据进行特征选择，然后在训练学习器，常见的方法有 Relief/方差选择发/相关系数法/卡方检验法/互信息法；
   • 包裹式（wrapper）：直接把最终将要使用的学习器的性能作为特征子集的评价准则，常见方法有 LVM（Las Vegas Wrapper） ；
   • 嵌入式（embedding）：结合过滤式和包裹式，学习器训练过程中自动进行了特征选择，常见的有 lasso 回归；
7. 降维
   • PCA/ LDA/ ICA；
   • 特征选择也是一种降维。

5.3 模型优化

1. 线性回归模型：
   • 线性回归对于特征的要求；
   • 处理长尾分布；
   • 理解线性回归模型；
2. 模型性能验证：
   • 评价函数与目标函数；
   • 交叉验证方法；
   • 留一验证方法；
   • 针对时间序列问题的验证；
   • 绘制学习率曲线；
   • 绘制验证曲线；
3. 嵌入式特征选择：
   • Lasso回归；
   • Ridge回归；
   • 决策树；
4. 模型对比：
   • 常用线性模型；
   • 常用非线性模型；
5. 模型调参：
   • 贪心调参方法；
   • 网格调参方法；
   • 贝叶斯调参方法；

5.4模型融合

1. 简单加权融合:

   • 回归（分类概率）：算术平均融合（Arithmetic mean），几何平均融合（Geometric mean）；
   • 分类：投票（Voting)
   • 综合：排序融合(Rank averaging)，log融合

2. stacking/blending:

   • 构建多层模型，并利用预测结果再拟合预测。

3. boosting/bagging（在xgboost，Adaboost,GBDT中已经用到）:

   • 多树的提升方法

   训练：

预测：

6.总结

二手车预测项目是非常经典项目，数据挖掘实践（二手车价格预测）的内容来自 Datawhale与天池联合发起的，现在通过整理和调整让更多对机器学习感兴趣可以上手实战一下

因篇幅内容限制，将原学习项目拆解成多个notebook方便学习，只需一键fork。

项目链接：

一键fork直接运行，所有项目码源都在里面

https://www.heywhale.com/mw/project/64367e0a2a3d6dc93d22054f

机器学习数据挖掘专栏：
https://www.heywhale.com/home/column/64141d6b1c8c8b518ba97dcc

参考链接：

https://github.com/datawhalechina/team-learning-data-mining/tree/master/SecondHandCarPriceForecast