如何使用Keras建立一個(gè) Wide & Deep網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測(cè)其描述中的葡萄酒價(jià)格

你能把美元價(jià)格和 “優(yōu)雅，細(xì)膩的單寧”，“成熟的醋栗香氣” 或 “醇厚的烤面包香氣” 聯(lián)系在一起嗎？ 事實(shí)證明機(jī)器學(xué)習(xí)模型可以。 在這篇文章中，我將解釋如何使用 Keras（tf.keras）建立一個(gè) Wide & Deep 網(wǎng)絡(luò)來預(yù)測(cè)其描述中的葡萄酒價(jià)格。對(duì)于那些剛接觸 Keras 的人來說，它是用于構(gòu)建 ML 模型的更高級(jí)別的 TensorFlow API。 如果您想直接跳到代碼，可以在 GitHub 上找到它。 你也可以直接在瀏覽器中使用 Colab 進(jìn)行零設(shè)置運(yùn)行模型。

向 Francois，Josh 和 Yufeng 致敬，感謝他們對(duì)這篇文章的幫助和意見。

模型：Wide & Deep 與 Keras 結(jié)合

我最近一直在使用 Sequential Model API 構(gòu)建了許多 Keras 模型（這里有一些例子），但我想嘗試使用 Functional API。Sequential API 是開始使用 Keras 的最佳方式，它可以讓你輕松地將模型定義為圖層堆棧。Functional API 則更加靈活，它最適合具有多個(gè)輸入或組合模型的模型。Functional API 的一個(gè)很好的實(shí)例是在 Keras 中執(zhí)行 wide and deep 網(wǎng)絡(luò)。關(guān)于學(xué)習(xí) wide and deep 有很多很好的資源，因此我不會(huì)著重于細(xì)節(jié)，但如果你有興趣了解更多，我推薦這篇文章。

在通過 wide & deep 網(wǎng)絡(luò)解決ML問題之前，你最好確保它非常適合您嘗試預(yù)測(cè)的內(nèi)容。如果你有一個(gè)預(yù)測(cè)任務(wù)，輸入和輸出之間存在相對(duì)直接的關(guān)系，那么 wide 模型可能就足夠了。 Wide 模型是具有稀疏特征向量的模型，或具有大多數(shù)零值的向量。另一方面，已知多層深度網(wǎng)絡(luò)在諸如圖像或語音識(shí)別之類的任務(wù)上表現(xiàn)良好，其中輸入和輸出之間可能存在意外關(guān)系。如果你有一個(gè)可以從這兩個(gè)模型中受益的預(yù)測(cè)任務(wù)（推薦模型或帶有文本輸入的模型都是很好的例子），那么 wide & deep 可能是一個(gè)很好的選擇。在這種情況下，我分別嘗試了 Wide 模型和 Deep 模型，然后將它們組合在一起，結(jié)果發(fā)現(xiàn) Wide & Deep 在一起的情況下精確度表現(xiàn)最好。讓我們深入了解一下吧。

數(shù)據(jù)集：預(yù)測(cè)葡萄酒的價(jià)格

我們將使用 Kaggle 葡萄酒數(shù)據(jù)集 this wine dataset 來查看：

我們可以從描述和品種中預(yù)測(cè)出一瓶葡萄酒的價(jià)格嗎？

這個(gè)問題非常適合 Wide & Deep 的學(xué)習(xí)，因?yàn)樗婕暗轿谋据斎耄⑶移咸丫频拿枋雠c其價(jià)格之間并沒有明顯的相關(guān)性。我們無法斬釘截鐵地說，描述中帶有 “果味” 一詞的葡萄酒更貴，或者有 “柔和的單寧” 描述的葡萄酒更便宜。此外，當(dāng)我們將文本提供給模型時(shí)，有很多種方式來表示文本，兩者都可以導(dǎo)致不同類型的見解。有 Wide 表示（詞袋）和 Deep 表達(dá)（嵌入）兩種方式，將兩者結(jié)合起來可以讓我們從文本中提取更多的含義。這個(gè)數(shù)據(jù)集有很多不同的功能可能性，但我們只使用描述以及品種來進(jìn)行相對(duì)簡化。以下是此數(shù)據(jù)集的示例輸入和預(yù)測(cè)：

輸入

描述: 馥郁的香草氣息從杯中升起，盡管是處于這個(gè)葡萄生長艱難的年份，果味也立即出現(xiàn)。 它的酸味和尖銳，帶著濃烈的草藥香，葡萄酒迅速成熟，果味，酸味，單寧，草本植物和香草味道的比例相當(dāng)。 這款葡萄酒醇厚而緊實(shí)，它還很年輕，需要醒酒和/或更長時(shí)間的醒酒瓶才能展現(xiàn)出最佳效果。

品種: 黑皮諾

預(yù)測(cè)

價(jià)格?—?45美元

首先，以下是我們構(gòu)建此模型所需的所有導(dǎo)入：

1import os

2import numpy as np

3import pandas as pd

4import tensorflow as tf

5

6from sklearn.preprocessing import LabelEncoder

7

8from tensorflow import keras

9layers = keras.layers

10

11 # This code was tested with TensorFlow v1.7

12print("You have TensorFlow version", tf.__version__)

由于我們的模型輸出（預(yù)測(cè)）是數(shù)字的價(jià)格，我們將價(jià)格值直接提供給我們的模型進(jìn)行訓(xùn)練和評(píng)估。 GitHub 上提供了此模型的完整代碼。 在這里，我將重點(diǎn)介紹關(guān)鍵點(diǎn)。

首先，讓我們下載數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)換為 Pandas 數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)：

1 !wget -q https://storage.googleapis.com/sara-cloud-ml/wine_data.csv

2data = pd.read_csv("wine_data.csv")

接下來，我們將其拆分為訓(xùn)練和測(cè)試集并提取功能和標(biāo)簽：

1train_size = int(len(data) * .8)

2

3# Train features

4description_train = data['description'][:train_size]

5variety_train = data['variety'][:train_size]

6

7# Train labels

8labels_train = data['price'][:train_size]

9

10# Test features

11description_test = data['description'][train_size:]

12variety_test = data['variety'][train_size:]

13

14# Test labels

15labels_test = data['price'][train_size:]

Part 1：Wide 模型

特征1：葡萄酒描述

為了創(chuàng)建我們的文本描述的 Wide 表示，我們將使用一個(gè)詞袋模型。 Here 有更多相關(guān)內(nèi)容，但在這里我們快速回顧一下：一個(gè)詞袋模型會(huì)在模型的每個(gè)輸入中查找單詞的存在。你可以將每個(gè)輸入視為一袋 Scrabble 圖塊，其中每個(gè)圖塊包含一個(gè)單詞而不是一個(gè)字母。該模型沒有考慮描述中單詞的順序，僅考慮單詞的存在與否。

注：Here 鏈接

https://en.wikipedia.org/wiki/Bag-of-words_model

將一袋單詞模型的輸入想象為 Scrabble tiles，其中每個(gè) tile 包含來自輸入的單詞（而不是字母）

我們不會(huì)去逐一查看數(shù)據(jù)集中每個(gè)描述里的每一個(gè)單詞，而是將我們的單詞數(shù)量限制在數(shù)據(jù)集中的前 12,000 個(gè)單詞中（不用擔(dān)心，還有一個(gè)用于創(chuàng)建此詞匯表的內(nèi)置 Keras 實(shí)用程序）。這就被認(rèn)為是 “Wide”，因?yàn)槲覀兊哪Ｐ蛯?duì)每個(gè)描述的輸入將是 12k 元素 Wide 的向量，其中 1 和 0 表示在特定描述中存在來自詞匯表的單詞。

Keras 有一些方便的文本預(yù)處理實(shí)用程序，我們將用它們將文本描述轉(zhuǎn)換成一個(gè)詞袋。使用詞袋模型，我們通常只希望在詞匯表中包含我們數(shù)據(jù)集中找到的總單詞的子集。 在這個(gè)例子中，我使用了 12,000 個(gè)單詞，但這是一個(gè)可以調(diào)整的超參數(shù)（嘗試一些值并查看數(shù)據(jù)集的最佳效果）。 我們可以使用 Keras Tokenizer 類創(chuàng)建我們的詞袋詞匯：

1vocab_size = 12000

2tokenize = keras.preprocessing.text.Tokenizer(num_words=vocab_size, char_level=False)

3tokenize.fit_on_texts(description_train) # only fit on train

然后我們將使用 texts_to_matrix 函數(shù)將每個(gè)描述轉(zhuǎn)換為詞袋向量：

1description_bow_train = tokenize.texts_to_matrix(description_train)

2description_bow_test = tokenize.texts_to_matrix(description_test)

特征2: 葡萄酒品種

在原始的 Kaggle 數(shù)據(jù)集中，共有 632 種葡萄酒品種。 為了讓我們的模型更容易提取模式，我做了一些預(yù)處理，只保留了前 40 個(gè)品種（約占原始數(shù)據(jù)集的 65％，總共 96k 大小的范例）。 我們將使用 Keras 實(shí)用程序?qū)⑦@些變量中的每一個(gè)轉(zhuǎn)換為整數(shù)表示，然后我們將為每個(gè)輸入創(chuàng)建 40 個(gè)元素寬度的的單熱矢量以指示變化：

1# Use sklearn utility to convert label strings to numbered index

2encoder = LabelEncoder()

3encoder.fit(variety_train)

4variety_train = encoder.transform(variety_train)

5variety_test = encoder.transform(variety_test)

6num_classes = np.max(variety_train) + 1

7

8# Convert labels to one hot

9variety_train = keras.utils.to_categorical(variety_train, num_classes)

10variety_test = keras.utils.to_categorical(variety_test, num_classes)

現(xiàn)在我們準(zhǔn)備搭建 Wide 模型。

用 Keras functional API 搭建 Wide 模型

Keras 有兩個(gè)用于構(gòu)建模型的 API：Sequential API 和 Functional API。 Functional API 為我們定義圖層的方式提供了更多的靈活性，并允許我們將多個(gè)特征輸入組合到一個(gè)圖層中。 當(dāng)一切就緒，它還可以輕松地將我們的 Wide 模型和 Deep 模型組合二為一。 使用 Functional API，我們只使用幾行代碼就能輕松定義 Wide 模型。首先，我們將輸入層定義為 12k 元素向量（對(duì)于詞匯表中的每個(gè)單詞）。然后我們將它連接到我們的 Dense 輸出層以生成價(jià)格預(yù)測(cè)：

1bow_inputs = layers.Input(shape=(vocab_size,))

2variety_inputs = layers.Input(shape=(num_classes,))

3merged_layer = layers.concatenate([bow_inputs, variety_inputs])

4merged_layer = layers.Dense(256, activation='relu')(merged_layer)

5predictions = layers.Dense(1)(merged_layer)

6wide_model = Model(inputs=[bow_inputs, variety_inputs], outputs=predictions)

然后我們編譯模型，這樣就可以使用：

1wide_model.compile(loss='mse', optimizer='adam', metrics=['accuracy'])

如果我們自己使用 Wide 模型，那么我們將使用 fit() 和 evaluate() 進(jìn)行評(píng)估。由于我們稍后會(huì)將它與我們的 Deep 模型相結(jié)合，我們可以暫停訓(xùn)練，直到兩個(gè)模型結(jié)合起來。現(xiàn)在是時(shí)候建立我們的 Deep 模型了！

Part 2：Deep 模型

為了創(chuàng)建葡萄酒描述的 Deep 表示，我們將其表示為嵌入。關(guān)于單詞嵌入有很多資源，簡而言之是它們提供了一種將單詞映射到向量的方法，以便相似的單詞在向量空間中更加靠近。

將描述表示為單詞嵌入

要將我們的文本描述轉(zhuǎn)換為嵌入層，我們首先需要將每個(gè)描述轉(zhuǎn)換為與詞匯表中每個(gè)單詞對(duì)應(yīng)的整數(shù)向量。我們可以用方便的 Keras text_to_sequencesmethod 來做到這一點(diǎn)：

1train_embed = tokenize.texts_to_sequences(description_train)

2test_embed = tokenize.texts_to_sequences(description_test)

現(xiàn)在我們已經(jīng)有了整數(shù)描述向量，我們需要確保它們的長度都相同，以便將它們輸入到我們的模型中。 Keras 也有一個(gè)方便的方法。我們將使用 pad_sequ 為了創(chuàng)建葡萄酒描述的深層表示，我們將其表示為嵌入。關(guān)于單詞嵌入有很多資源，但簡短的版本是它們提供了一種將單詞映射到向量的方法，以便相似的單詞在向量空間中更加接近。為每個(gè)描述向量添加零以使它們的長度相同（我使用 170 作為最大長度，這樣就沒有任何描述被縮短：

1max_seq_length = 170

2train_embed = keras.preprocessing.sequence.pad_sequences(train_embed, maxlen=max_seq_length)

3test_embed = keras.preprocessing.sequence.pad_sequences(test_embed, maxlen=max_seq_length)

將我們的描述轉(zhuǎn)換為長度相同的矢量，我們已準(zhǔn)備好創(chuàng)建嵌入層并將其輸入 Deep 模型。

創(chuàng)建 Deep 模型

要?jiǎng)?chuàng)建嵌入層有兩種方法 - 我們可以使用預(yù)訓(xùn)練嵌入的權(quán)重（有許多開源詞嵌入），或者我們可以從詞匯表中學(xué)習(xí)嵌入。最好先試驗(yàn)這兩種方法，看看哪一個(gè)在數(shù)據(jù)集上表現(xiàn)更好。在這里，我們將使用學(xué)習(xí)嵌入。

首先，我們將定義 Deep 模型輸入的形狀。然后我們將它提供給嵌入層。 這里我使用的是 8 維的嵌入圖層（您可以嘗試調(diào)整嵌入圖層的維度）。嵌入層的輸出將是具有形狀的三維矢量：[批量大小，序列長度（在該示例中為 170），嵌入維度（在該示例中為 8）]。為了將我們的嵌入層連接到密集，完全連接的輸出層，我們需要先將其展平：

1deep_inputs = layers.Input(shape=(max_seq_length,))

2embedding = layers.Embedding(vocab_size, 8, 3input_length=max_seq_length)(deep_inputs)

embedding = layers.Flatten()(embedding)

一旦嵌入層變平，就可以將其輸入模型并進(jìn)行編譯：

1embed_out = layers.Dense(1, activation='linear')(embedding)

2deep_model = Model(inputs=deep_inputs, outputs=embed_out)

3deep_model.compile(loss='mse', optimizer='adam', metrics=['accuracy'])

Part 3：Wide 和 Deep

一旦我們定義了兩個(gè)模型，將它們組合起來就很容易。 我們只需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)連接每個(gè)模型的輸出圖層，然后將它們合并到一個(gè)完全連接的 Dense 圖層中，最后定義一個(gè)組合模型，它將每個(gè)模型的輸入和輸出結(jié)合起來。顯然，由于每個(gè)模型都預(yù)測(cè)相同的事情（價(jià)格），因此每個(gè)模型的輸出或標(biāo)簽都將是相同的。另請(qǐng)注意，由于我們的模型輸出是一個(gè)數(shù)值，我們不需要進(jìn)行任何預(yù)處理 - 它已經(jīng)是正確的格式：

1merged_out = layers.concatenate([wide_model.output, deep_model.output])

2merged_out = layers.Dense(1)(merged_out)

3combined_model = Model(wide_model.input + [deep_model.input], merged_out)

4combined_model.compile(loss='mse',optimizer='adam', metrics=['accuracy'])

有了這個(gè)，就該進(jìn)行培訓(xùn)和評(píng)估了。你可以嘗試最適合您的數(shù)據(jù)集的訓(xùn)練時(shí)期和批量大小的訓(xùn)練次數(shù)：

1# Training

2combined_model.fit([description_bow_train, variety_train] + [train_embed], labels_train, epochs=10, batch_size=128)

3

4# Evaluation

5combined_model.evaluate([description_bow_test, variety_test] + [test_embed], labels_test, batch_size=128)

在我們訓(xùn)練模型中生成預(yù)測(cè)

到了最關(guān)鍵部分的時(shí)間了。了解我們的模型對(duì)之前從未見過的數(shù)據(jù)如何表現(xiàn)。 為此，我們可以在我們訓(xùn)練的模型上調(diào)用 predict()，并將測(cè)試數(shù)據(jù)集傳遞給它（在以后的文章中我將介紹如何從純文本輸入中獲取預(yù)測(cè)）：

1predictions = combined_model.predict([description_bow_test, variety_test] + [test_embed])

然后我們將預(yù)測(cè)與我們測(cè)試數(shù)據(jù)集中前 15 種葡萄酒的實(shí)際價(jià)格進(jìn)行比較：

1for i in range(15):

2val = predictions[i]

3print(description_test[i])

4print(val[0], 'Actual: ', labels_test.iloc[i], ' ')

模型是怎么做的？我們來看看測(cè)試集中的三個(gè)例子：

馥郁的香草氣息從杯中升起，盡管是處于葡萄生長艱難的年份，果味也立即出現(xiàn)。它的酸味和尖銳，帶著濃烈的草藥香，葡萄酒迅速成熟，果味，酸味，單寧，草本植物和香草味道的比例相當(dāng)。這款葡萄酒醇厚而緊實(shí)，它還很年輕，需要醒酒和/或更長時(shí)間的醒酒瓶才能展現(xiàn)出最佳效果。

預(yù)測(cè)價(jià)格: 46.233624 實(shí)際價(jià)格: 45.0

一款美味的日常酒。它是干型的，濃郁，足夠的漿果櫻桃香，包裹成光滑的質(zhì)地。

預(yù)測(cè)價(jià)格: 9.694958 實(shí)際價(jià)格: 10.0

這是一款現(xiàn)代，圓潤，天鵝絨般的巴羅羅（來自 Monforte d'Alba），適合那些喜歡醇厚多汁的葡萄酒的人。香氣包含薰衣草，五香粉，肉桂，白巧克力和香草。 酸味漿果口味附帶著酸甜的口感和結(jié)實(shí)的單寧賦予了肯定和堅(jiān)韌的口感。

預(yù)測(cè)價(jià)格: 41.028854 實(shí)際價(jià)格: 49.0

很不錯(cuò)！ 事實(shí)證明，葡萄酒的描述與其價(jià)格之間存在某種關(guān)系。我們可能無法本能地看到它，但我們的 ML 模型可以。