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Estimadores TF Lattice Canned

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Visão geral

Estimadores prontos são maneiras rápidas e fáceis de treinar modelos TFL para casos de uso típicos. Este guia descreve as etapas necessárias para criar um estimador enlatado TFL.

Configuração

Instalando o pacote TF Lattice:

pip install -q tensorflow-lattice

Importando pacotes necessários:

import tensorflow as tf

import copy
import logging
import numpy as np
import pandas as pd
import sys
import tensorflow_lattice as tfl
from tensorflow import feature_column as fc
logging.disable(sys.maxsize)

Baixando o conjunto de dados UCI Statlog (Heart):

csv_file = tf.keras.utils.get_file(
    'heart.csv', 'http://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/data/heart.csv')
df = pd.read_csv(csv_file)
target = df.pop('target')
train_size = int(len(df) * 0.8)
train_x = df[:train_size]
train_y = target[:train_size]
test_x = df[train_size:]
test_y = target[train_size:]
df.head()
Downloading data from http://storage.googleapis.com/download.tensorflow.org/data/heart.csv
16384/13273 [=====================================] - 0s 0us/step

Definindo os valores padrão usados ​​para treinamento neste guia:

LEARNING_RATE = 0.01
BATCH_SIZE = 128
NUM_EPOCHS = 500
PREFITTING_NUM_EPOCHS = 10

Colunas de recursos

Como para qualquer outro estimador TF, os dados precisam ser passados ​​para o estimador, que normalmente é por meio de um input_fn e analisados ​​usando FeatureColumns .

# Feature columns.
# - age
# - sex
# - cp        chest pain type (4 values)
# - trestbps  resting blood pressure
# - chol      serum cholestoral in mg/dl
# - fbs       fasting blood sugar > 120 mg/dl
# - restecg   resting electrocardiographic results (values 0,1,2)
# - thalach   maximum heart rate achieved
# - exang     exercise induced angina
# - oldpeak   ST depression induced by exercise relative to rest
# - slope     the slope of the peak exercise ST segment
# - ca        number of major vessels (0-3) colored by flourosopy
# - thal      3 = normal; 6 = fixed defect; 7 = reversable defect
feature_columns = [
    fc.numeric_column('age', default_value=-1),
    fc.categorical_column_with_vocabulary_list('sex', [0, 1]),
    fc.numeric_column('cp'),
    fc.numeric_column('trestbps', default_value=-1),
    fc.numeric_column('chol'),
    fc.categorical_column_with_vocabulary_list('fbs', [0, 1]),
    fc.categorical_column_with_vocabulary_list('restecg', [0, 1, 2]),
    fc.numeric_column('thalach'),
    fc.categorical_column_with_vocabulary_list('exang', [0, 1]),
    fc.numeric_column('oldpeak'),
    fc.categorical_column_with_vocabulary_list('slope', [0, 1, 2]),
    fc.numeric_column('ca'),
    fc.categorical_column_with_vocabulary_list(
        'thal', ['normal', 'fixed', 'reversible']),
]

Os estimadores fixos TFL usam o tipo da coluna de feição para decidir que tipo de camada de calibração usar. Usamos uma camada tfl.layers.PWLCalibration para colunas de tfl.layers.PWLCalibration numéricas e uma camada tfl.layers.CategoricalCalibration para colunas de tfl.layers.CategoricalCalibration categóricas.

Observe que as colunas de recursos categóricas não são agrupadas por uma coluna de recursos de incorporação. Eles são alimentados diretamente no estimador.

Criando input_fn

Como para qualquer outro estimador, você pode usar um input_fn para alimentar os dados do modelo para treinamento e avaliação. Os estimadores TFL podem calcular automaticamente os quantis dos recursos e usá-los como pontos-chave de entrada para a camada de calibração PWL. Para fazer isso, eles precisam passar um feature_analysis_input_fn , que é semelhante ao input_fn de treinamento, mas com uma única época ou uma subamostra dos dados.

train_input_fn = tf.compat.v1.estimator.inputs.pandas_input_fn(
    x=train_x,
    y=train_y,
    shuffle=False,
    batch_size=BATCH_SIZE,
    num_epochs=NUM_EPOCHS,
    num_threads=1)

# feature_analysis_input_fn is used to collect statistics about the input.
feature_analysis_input_fn = tf.compat.v1.estimator.inputs.pandas_input_fn(
    x=train_x,
    y=train_y,
    shuffle=False,
    batch_size=BATCH_SIZE,
    # Note that we only need one pass over the data.
    num_epochs=1,
    num_threads=1)

test_input_fn = tf.compat.v1.estimator.inputs.pandas_input_fn(
    x=test_x,
    y=test_y,
    shuffle=False,
    batch_size=BATCH_SIZE,
    num_epochs=1,
    num_threads=1)

# Serving input fn is used to create saved models.
serving_input_fn = (
    tf.estimator.export.build_parsing_serving_input_receiver_fn(
        feature_spec=fc.make_parse_example_spec(feature_columns)))

Configurações de recursos

A calibração de recursos e as configurações por recurso são definidas usando tfl.configs.FeatureConfig . As configurações de recursos incluem restrições de monotonicidade, regularização por recurso (consulte tfl.configs.RegularizerConfig ) e tamanhos de treliça para modelos de treliça.

Se nenhuma configuração for definida para um recurso de entrada, a configuração padrão em tfl.config.FeatureConfig será usada.

# Feature configs are used to specify how each feature is calibrated and used.
feature_configs = [
    tfl.configs.FeatureConfig(
        name='age',
        lattice_size=3,
        # By default, input keypoints of pwl are quantiles of the feature.
        pwl_calibration_num_keypoints=5,
        monotonicity='increasing',
        pwl_calibration_clip_max=100,
        # Per feature regularization.
        regularizer_configs=[
            tfl.configs.RegularizerConfig(name='calib_wrinkle', l2=0.1),
        ],
    ),
    tfl.configs.FeatureConfig(
        name='cp',
        pwl_calibration_num_keypoints=4,
        # Keypoints can be uniformly spaced.
        pwl_calibration_input_keypoints='uniform',
        monotonicity='increasing',
    ),
    tfl.configs.FeatureConfig(
        name='chol',
        # Explicit input keypoint initialization.
        pwl_calibration_input_keypoints=[126.0, 210.0, 247.0, 286.0, 564.0],
        monotonicity='increasing',
        # Calibration can be forced to span the full output range by clamping.
        pwl_calibration_clamp_min=True,
        pwl_calibration_clamp_max=True,
        # Per feature regularization.
        regularizer_configs=[
            tfl.configs.RegularizerConfig(name='calib_hessian', l2=1e-4),
        ],
    ),
    tfl.configs.FeatureConfig(
        name='fbs',
        # Partial monotonicity: output(0) <= output(1)
        monotonicity=[(0, 1)],
    ),
    tfl.configs.FeatureConfig(
        name='trestbps',
        pwl_calibration_num_keypoints=5,
        monotonicity='decreasing',
    ),
    tfl.configs.FeatureConfig(
        name='thalach',
        pwl_calibration_num_keypoints=5,
        monotonicity='decreasing',
    ),
    tfl.configs.FeatureConfig(
        name='restecg',
        # Partial monotonicity: output(0) <= output(1), output(0) <= output(2)
        monotonicity=[(0, 1), (0, 2)],
    ),
    tfl.configs.FeatureConfig(
        name='exang',
        # Partial monotonicity: output(0) <= output(1)
        monotonicity=[(0, 1)],
    ),
    tfl.configs.FeatureConfig(
        name='oldpeak',
        pwl_calibration_num_keypoints=5,
        monotonicity='increasing',
    ),
    tfl.configs.FeatureConfig(
        name='slope',
        # Partial monotonicity: output(0) <= output(1), output(1) <= output(2)
        monotonicity=[(0, 1), (1, 2)],
    ),
    tfl.configs.FeatureConfig(
        name='ca',
        pwl_calibration_num_keypoints=4,
        monotonicity='increasing',
    ),
    tfl.configs.FeatureConfig(
        name='thal',
        # Partial monotonicity:
        # output(normal) <= output(fixed)
        # output(normal) <= output(reversible)        
        monotonicity=[('normal', 'fixed'), ('normal', 'reversible')],
    ),
]

Modelo Linear Calibrado

Para construir um estimador tfl.configs TFL, construa uma configuração de modelo a partir de tfl.configs . Um modelo linear calibrado é construído usando tfl.configs.CalibratedLinearConfig . Ele aplica calibração linear por partes e categórica nos recursos de entrada, seguida por uma combinação linear e uma calibração linear por partes opcional. Ao usar a calibração de saída ou quando os limites de saída são especificados, a camada linear aplicará a média ponderada nas entradas calibradas.

Este exemplo cria um modelo linear calibrado nos primeiros 5 recursos. Usamos tfl.visualization para traçar o gráfico do modelo com os gráficos do calibrador.

# Model config defines the model structure for the estimator.
model_config = tfl.configs.CalibratedLinearConfig(
    feature_configs=feature_configs,
    use_bias=True,
    output_calibration=True,
    regularizer_configs=[
        # Regularizer for the output calibrator.
        tfl.configs.RegularizerConfig(name='output_calib_hessian', l2=1e-4),
    ])
# A CannedClassifier is constructed from the given model config.
estimator = tfl.estimators.CannedClassifier(
    feature_columns=feature_columns[:5],
    model_config=model_config,
    feature_analysis_input_fn=feature_analysis_input_fn,
    optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(LEARNING_RATE),
    config=tf.estimator.RunConfig(tf_random_seed=42))
estimator.train(input_fn=train_input_fn)
results = estimator.evaluate(input_fn=test_input_fn)
print('Calibrated linear test AUC: {}'.format(results['auc']))
saved_model_path = estimator.export_saved_model(estimator.model_dir,
                                                serving_input_fn)
model_graph = tfl.estimators.get_model_graph(saved_model_path)
tfl.visualization.draw_model_graph(model_graph)
Calibrated linear test AUC: 0.834586501121521

png

Modelo Calibrado de Malha

Um modelo de rede calibrado é construído usando tfl.configs.CalibratedLatticeConfig . Um modelo de rede calibrado aplica calibração linear por partes e categórica nos recursos de entrada, seguido por um modelo de rede e uma calibração linear por partes de saída opcional.

Este exemplo cria um modelo de rede calibrado nos primeiros 5 recursos.

# This is calibrated lattice model: Inputs are calibrated, then combined
# non-linearly using a lattice layer.
model_config = tfl.configs.CalibratedLatticeConfig(
    feature_configs=feature_configs,
    regularizer_configs=[
        # Torsion regularizer applied to the lattice to make it more linear.
        tfl.configs.RegularizerConfig(name='torsion', l2=1e-4),
        # Globally defined calibration regularizer is applied to all features.
        tfl.configs.RegularizerConfig(name='calib_hessian', l2=1e-4),
    ])
# A CannedClassifier is constructed from the given model config.
estimator = tfl.estimators.CannedClassifier(
    feature_columns=feature_columns[:5],
    model_config=model_config,
    feature_analysis_input_fn=feature_analysis_input_fn,
    optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(LEARNING_RATE),
    config=tf.estimator.RunConfig(tf_random_seed=42))
estimator.train(input_fn=train_input_fn)
results = estimator.evaluate(input_fn=test_input_fn)
print('Calibrated lattice test AUC: {}'.format(results['auc']))
saved_model_path = estimator.export_saved_model(estimator.model_dir,
                                                serving_input_fn)
model_graph = tfl.estimators.get_model_graph(saved_model_path)
tfl.visualization.draw_model_graph(model_graph)
Calibrated lattice test AUC: 0.8433583974838257

png

Conjunto de Malha Calibrado

Quando o número de recursos é grande, você pode usar um modelo de conjunto, que cria várias redes menores para subconjuntos de recursos e calcula a média de sua saída em vez de criar apenas uma única rede enorme. Os modelos de rede de conjunto são construídos usando tfl.configs.CalibratedLatticeEnsembleConfig . Um modelo de conjunto de rede calibrado aplica calibração linear por partes e categórica no recurso de entrada, seguido por um conjunto de modelos de rede e uma calibração linear por partes de saída opcional.

Random Lattice Ensemble

A configuração do modelo a seguir usa um subconjunto aleatório de recursos para cada rede.

# This is random lattice ensemble model with separate calibration:
# model output is the average output of separately calibrated lattices.
model_config = tfl.configs.CalibratedLatticeEnsembleConfig(
    feature_configs=feature_configs,
    num_lattices=5,
    lattice_rank=3)
# A CannedClassifier is constructed from the given model config.
estimator = tfl.estimators.CannedClassifier(
    feature_columns=feature_columns,
    model_config=model_config,
    feature_analysis_input_fn=feature_analysis_input_fn,
    optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(LEARNING_RATE),
    config=tf.estimator.RunConfig(tf_random_seed=42))
estimator.train(input_fn=train_input_fn)
results = estimator.evaluate(input_fn=test_input_fn)
print('Random ensemble test AUC: {}'.format(results['auc']))
saved_model_path = estimator.export_saved_model(estimator.model_dir,
                                                serving_input_fn)
model_graph = tfl.estimators.get_model_graph(saved_model_path)
tfl.visualization.draw_model_graph(model_graph, calibrator_dpi=15)
Random ensemble test AUC: 0.902255654335022

png

RTL Layer Random Lattice Ensemble

A configuração do modelo a seguir usa uma camada tfl.layers.RTL que usa um subconjunto aleatório de recursos para cada rede. Observamos que tfl.layers.RTL só oferece suporte a restrições de monotonicidade e deve ter o mesmo tamanho de rede para todos os recursos e nenhuma regularização por recurso. Observe que usar uma camada tfl.layers.RTL permite dimensionar conjuntos muito maiores do que usar instâncias separadas de tfl.layers.Lattice .

# Make sure our feature configs have the same lattice size, no per-feature
# regularization, and only monotonicity constraints.
rtl_layer_feature_configs = copy.deepcopy(feature_configs)
for feature_config in rtl_layer_feature_configs:
  feature_config.lattice_size = 2
  feature_config.unimodality = 'none'
  feature_config.reflects_trust_in = None
  feature_config.dominates = None
  feature_config.regularizer_configs = None
# This is RTL layer ensemble model with separate calibration:
# model output is the average output of separately calibrated lattices.
model_config = tfl.configs.CalibratedLatticeEnsembleConfig(
    lattices='rtl_layer',
    feature_configs=rtl_layer_feature_configs,
    num_lattices=5,
    lattice_rank=3)
# A CannedClassifier is constructed from the given model config.
estimator = tfl.estimators.CannedClassifier(
    feature_columns=feature_columns,
    model_config=model_config,
    feature_analysis_input_fn=feature_analysis_input_fn,
    optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(LEARNING_RATE),
    config=tf.estimator.RunConfig(tf_random_seed=42))
estimator.train(input_fn=train_input_fn)
results = estimator.evaluate(input_fn=test_input_fn)
print('Random ensemble test AUC: {}'.format(results['auc']))
saved_model_path = estimator.export_saved_model(estimator.model_dir,
                                                serving_input_fn)
model_graph = tfl.estimators.get_model_graph(saved_model_path)
tfl.visualization.draw_model_graph(model_graph, calibrator_dpi=15)
Random ensemble test AUC: 0.9241854548454285

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Conjunto de retículas de cristais

O TFL também fornece um algoritmo de organização de recursos heurísticos, denominado Cristais . O algoritmo Crystals primeiro treina um modelo de prefitting que estima interações de recursos em pares. Em seguida, ele organiza o conjunto final de forma que os recursos com mais interações não lineares estejam nas mesmas redes.

Para modelos de cristais, você também precisará fornecer um prefitting_input_fn que é usado para treinar o modelo de prefitting, conforme descrito acima. O modelo de preparação não precisa ser totalmente treinado, portanto, algumas épocas devem ser suficientes.

prefitting_input_fn = tf.compat.v1.estimator.inputs.pandas_input_fn(
    x=train_x,
    y=train_y,
    shuffle=False,
    batch_size=BATCH_SIZE,
    num_epochs=PREFITTING_NUM_EPOCHS,
    num_threads=1)

Você pode então criar um modelo Crystal definindo lattice='crystals' na configuração do modelo.

# This is Crystals ensemble model with separate calibration: model output is
# the average output of separately calibrated lattices.
model_config = tfl.configs.CalibratedLatticeEnsembleConfig(
    feature_configs=feature_configs,
    lattices='crystals',
    num_lattices=5,
    lattice_rank=3)
# A CannedClassifier is constructed from the given model config.
estimator = tfl.estimators.CannedClassifier(
    feature_columns=feature_columns,
    model_config=model_config,
    feature_analysis_input_fn=feature_analysis_input_fn,
    # prefitting_input_fn is required to train the prefitting model.
    prefitting_input_fn=prefitting_input_fn,
    optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(LEARNING_RATE),
    prefitting_optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(LEARNING_RATE),
    config=tf.estimator.RunConfig(tf_random_seed=42))
estimator.train(input_fn=train_input_fn)
results = estimator.evaluate(input_fn=test_input_fn)
print('Crystals ensemble test AUC: {}'.format(results['auc']))
saved_model_path = estimator.export_saved_model(estimator.model_dir,
                                                serving_input_fn)
model_graph = tfl.estimators.get_model_graph(saved_model_path)
tfl.visualization.draw_model_graph(model_graph, calibrator_dpi=15)
Crystals ensemble test AUC: 0.8859649300575256

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Você pode plotar calibradores de recursos com mais detalhes usando o módulo tfl.visualization .

_ = tfl.visualization.plot_feature_calibrator(model_graph, "age")
_ = tfl.visualization.plot_feature_calibrator(model_graph, "restecg")

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