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机器学习全流程解析：数据导入到服务上线全阶段介绍

article 2025/1/13 5:50:09

1. 数据导入

2. 数据预处理

3. 超参数搜索与优化

4. 模型训练

5. 模型评估

6. 模型压缩与优化

7. 模型注册与版本管理

8. 服务上线与部署

总结

1. 数据导入

数据源：数据库、文件系统、API等。
数据格式：CSV、JSON、SQL 数据库表、Parquet 等。
数据存储：使用 Pandas、Spark DataFrame 等工具读取数据，并进行初步加载。

示例代码（使用 Pandas 加载数据）：

import pandas as pd
data = pd.read_csv("data.csv")

2. 数据预处理

缺失值处理：填充、删除或插值处理缺失值。
异常值处理：检测并去除或调整异常数据。
特征工程：特征选择、特征标准化、归一化、编码（如 One-Hot Encoding）。
数据划分：将数据集划分为训练集、验证集、测试集（如 70:20:10）。

示例代码：

from sklearn.model_selection import train_test_split
X = data.drop(columns=["target"])
y = data["target"]
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)

3. 超参数搜索与优化

方法：网格搜索（Grid Search）、随机搜索（Random Search）、贝叶斯优化、超参自动调优（如 Optuna、Ray Tune）。
目标：寻找最优的模型超参数，如学习率、树深度、隐藏层数量等。

示例代码（Grid Search）：

from sklearn.model_selection import GridSearchCV
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier

params = {'n_estimators': [50, 100], 'max_depth': [None, 10, 20]}
grid_search = GridSearchCV(RandomForestClassifier(), param_grid=params, cv=5)
grid_search.fit(X_train, y_train)

4. 模型训练

选择算法：常用算法包括线性回归、决策树、随机森林、XGBoost、深度学习模型（如 CNN、RNN）。
训练过程：将模型拟合到训练数据，记录训练日志。
早停机制：避免过拟合的策略，当验证集准确率不再提升时提前停止。

示例代码（XGBoost 模型训练）：

import xgboost as xgb
model = xgb.XGBClassifier(learning_rate=0.1, max_depth=10, n_estimators=100)
model.fit(X_train, y_train)

5. 模型评估

常用指标：准确率（Accuracy）、F1-Score、ROC-AUC、RMSE（回归）、MSE 等。
可视化：混淆矩阵、AUC 曲线图、学习曲线等。

示例代码：

from sklearn.metrics import classification_report, confusion_matrix

y_pred = model.predict(X_test)
print(confusion_matrix(y_test, y_pred))
print(classification_report(y_test, y_pred))

6. 模型压缩与优化

方法：
- 剪枝（Pruning）：删除不重要的神经元或权重。
- 量化（Quantization）：将模型权重从 32 位浮点数压缩为 16 位或 8 位。
- 蒸馏（Knowledge Distillation）：利用大模型的知识来训练一个小模型。

示例：

import torch
model_fp32 = torch.load("model.pt")
model_int8 = torch.quantization.quantize_dynamic(model_fp32, {torch.nn.Linear}, dtype=torch.qint8)

7. 模型注册与版本管理

模型注册：保存训练好的模型并赋予版本号（如 v1.0）。
工具：
- MLFlow：用于模型跟踪、保存和注册。
- TensorFlow Serving 或 PyTorch Serve：部署模型服务时常用工具。
- 模型仓库：可用云平台，如 AWS S3、Google Cloud Storage 等。

8. 服务上线与部署

方式：
- 批量预测：预先生成预测结果。
- 在线服务：使用 RESTful API 提供实时预测。
工具：
- FastAPI、Flask、Django REST API 提供 HTTP 接口服务。
- Docker 镜像化部署，使用 Kubernetes 实现集群管理和负载均衡。

示例代码（使用 FastAPI 部署服务）：

from fastapi import FastAPI
import joblib

app = FastAPI()
model = joblib.load("model.pkl")

@app.post("/predict")
async def predict(data: dict):
    prediction = model.predict([list(data.values())])
    return {"prediction": prediction[0]}