本文结构
在上文中，我简单地介绍了机器学习以及ML.NET的相关知识，从本讲开始，我会基于一个简单的案例：学生成绩预测，来介绍使用ML.NET进行机器学习以及API部署的基本过程。
学生成绩预测案例
本案例的数据来源为加州大学尔湾分校的机器学习公开样本数据集，数据介绍页面和下载地址为：https://archive.ics.uci.edu/ml/datasets/Student+Performance。该数据集包含了来自两所学校的学生的问卷调查结果，以及每位学生的综合成绩。数据集为CSV格式，每个字段的含义在官网上都有详细介绍，因此，在这里就不再赘述了。
确定问题类型
我们的任务很简单，就是基于这套已有的学生问卷调查结果以及综合成绩，进行机器学习模型训练，然后，再根据一套给定的学生情况信息，来预测该名学生的综合成绩。不难发现，我们需要使用监督学习中的回归算法来进行模型训练，因为我们需要得到一个连续的预测值，而不是离散的二元或者多元值。在确定了我们的任务之后，就可以对得到的数据集进行一些预处理，以便机器学习的过程能够顺利进行。
数据预处理与数据分析
在得到训练数据集之后，通常不能直接拿来进行机器学习，需要对数据进行一些处理。数据预处理任务大致有：
- 数据格式规整化：对每一列的数据进行类型和单位统一，比如，“浓度”字段有些行使用的是ug/mL，有些行使用的是g/L，需要对单位进行统一，并将“浓度”字段的值转换为数值类型，以便进行统计
- 特殊值处理：有些样本数据的取值比较异常，超出正常范围很多，对于这样的数据，可以直接丢弃，也可以通过一些统计学算法对其进行修正
- 空值、无效值处理：有些样本数据的取值为空（或者对于数值型的数据，取值为0，并且不合理），对于这样的数据，也需要进行修正或者舍弃
- 数据一致性校验：对数据一致性进行校验
- 识别特征属性与目标属性：分析训练数据中，哪些属性会对预测目标造成影响，哪些属性不会影响预测结果
例如，基于本案例中的学生问卷调查结果，我们可以看到，有些学生的综合成绩为0，在本案例中，我们可以选择舍弃这些数据：
再比如，通过下面的热图我们可以了解到，平时学习时间相对较长，外出时间较短，并且有意向继续深造的学生，综合成绩也会相对越好。因此，学习时间、外出时间以及是否有意向继续深造，都有可能是影响综合成绩的因素。在进行模型训练时，就有可能需要将这些因素考虑进去。
在实际应用中，数据对于机器学习而言尤为重要，数据清洗的任务相当繁重。据我所知，某国际知名制药公司正在将人工智能应用在新药研发中，但由于数据清洗任务巨大，根本没有足够的标准化、规整化数据来支持各种机器学习任务，因此，在新药研发领域，人工智能的应用进展缓慢。
回到我们的案例，在完成了数据清洗任务和特征属性、目标属性的识别之后，就可以使用ML.NET进行编程，实现学生学习成绩的预测。
基于ML.NET的模型训练
注：本案例代码已开源。地址是：https://github.com/daxnet/mlnet-trainer。
通过上面的分析不难得出，我们的应用场景属于监督学习中的回归（Regression）预测，因此，我们可以选择使用ML.NET中所提供的回归算法，使用样本数据逐一完成模型训练，然后，使用测试数据对每个模型的预测结果进行评估，以选择合适的预测算法。为了对所有ML.NET默认支持的回归算法进行预测评估，在程序中使用如下数据结构来保存这些算法的实例，以便之后进行模型训练的时候，可以逐一对这些算法进行训练和评估：
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var trainers = new List<ITrainerEstimator<ISingleFeaturePredictionTransformer<ModelParametersBase<float>>, ModelParametersBase<float>>>(){ mlContext.Regression.Trainers.FastTree(), mlContext.Regression.Trainers.FastForest(), mlContext.Regression.Trainers.FastTreeTweedie(), mlContext.Regression.Trainers.GeneralizedAdditiveModels(), mlContext.Regression.Trainers.OnlineGradientDescent(), mlContext.Regression.Trainers.PoissonRegression(), mlContext.Regression.Trainers.StochasticDualCoordinateAscent()}; |
首先，我们将原始样本数据分成两份，一份用来训练，另一份用来测试，将两份数据读入ML.NET的DataView，使用训练数据集进行模型训练，并使用测试数据集对模型进行评估，代码如下：
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public IEnumerable<KeyValuePair<string, RegressionMetrics>> TrainAndEvaluate(IDataView trainingDataView, IDataView testDataView){ var metrics = new Dictionary<string, RegressionMetrics>(); foreach(var trainer in this.trainers) { var pipeline = mlContext.Transforms.CopyColumns(inputColumnName: "G3", outputColumnName: "Label") .Append(mlContext.Transforms.Categorical.OneHotEncoding("School")) .Append(mlContext.Transforms.Categorical.OneHotEncoding("Sex")) .Append(mlContext.Transforms.Categorical.OneHotEncoding("Age")) .Append(mlContext.Transforms.Categorical.OneHotEncoding("Famsize")) .Append(mlContext.Transforms.Categorical.OneHotEncoding("Guardian")) .Append(mlContext.Transforms.Categorical.OneHotEncoding("Traveltime")) .Append(mlContext.Transforms.Categorical.OneHotEncoding("Studytime")) .Append(mlContext.Transforms.Categorical.OneHotEncoding("Failures")) .Append(mlContext.Transforms.Categorical.OneHotEncoding("Paid")) .Append(mlContext.Transforms.Categorical.OneHotEncoding("Higher")) .Append(mlContext.Transforms.Categorical.OneHotEncoding("Famrel")) .Append(mlContext.Transforms.Categorical.OneHotEncoding("Absences")) .Append(mlContext.Transforms.Concatenate("Features", "School", "Sex", "Age", "Famsize", "Guardian", "Traveltime", "Studytime", "Failures", "Paid", "Higher", "Famrel", "Absences")) .AppendCacheCheckpoint(mlContext) .Append(trainer); var trainedModel = pipeline.Fit(trainingDataView); trainedModels.Add(trainer.GetType().Name, trainedModel); var predictionModel = trainedModel.Transform(testDataView); var regMetrics = mlContext.Regression.Evaluate(predictionModel); metrics.Add(trainer.GetType().Name, regMetrics); } return metrics;} |
上面代码中所出现的列名（比如School、Sex、Age等）均来自于学生问卷调查原始数据，此处并没有包含原始数据中的所有字段，因为仅有上述这些字段会对综合成绩产生影响，所以并不需要将所有字段列出。接下来，就是针对各个算法的评估结果，找出合适的算法，然后将模型保存下来以便后续使用：
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// 基于训练数据集进行训练，并基于测试数据集进行评估，然后输出评估结果var regressionMetrics = session.TrainAndEvaluate(trainingDataView, testingDataView);foreach (var item in regressionMetrics){ LearningSession.OutputRegressionMetrics(item.Key, item.Value);}// 找到RMS最小的算法，作为最优算法var winnerAlgorithmName = regressionMetrics.OrderBy(x => x.Value.Rms).First().Key;Console.WriteLine($"最优算法为：{winnerAlgorithmName}");Console.WriteLine();var winnerModel = session.GetTrainedModel(winnerAlgorithmName);using (var fileStream = new FileStream(ModelFileName, FileMode.Create, FileAccess.Write)){ mlContext.Model.Save(winnerModel, fileStream);} |
此处，使用Root Mean Squared Error的评估值作为参考，得出Rms取值最小的回归算法作为最优算法。保存的模型为一个ZIP文件，在后续的API构建部分，会使用这个ZIP文件保存的训练模型，来构建RESTful API。上述代码就不详细分析了，Github上有完整的源代码。
总结
本文简要介绍了基于学生成绩预测的机器学习案例，并介绍了数据分析与清洗工作的一些思路，之后，大致介绍了一下基于ML.NET进行模型训练、算法评估和模型保存的过程。在下文中，我会介绍如何基于产生的模型，构建RESTful API。