Công cụ ước tính đóng hộp mạng TF

Xem trên TensorFlow.org Chạy trong Google Colab Xem nguồn trên GitHub Tải xuống sổ ghi chép

Tổng quat

Công cụ ước lượng đóng hộp là cách nhanh chóng và dễ dàng để đào tạo mô hình TFL cho các trường hợp sử dụng điển hình. Hướng dẫn này phác thảo các bước cần thiết để tạo công cụ ước tính đóng hộp TFL.

Cài đặt

Cài đặt gói TF Lattice:

pip install -q tensorflow-lattice

Nhập các gói bắt buộc:

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)

Tải xuống tập dữ liệu 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

Đặt các giá trị mặc định được sử dụng để đào tạo trong hướng dẫn này:

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

Các cột tính năng

Đối với bất kỳ ước lượng TF khác, nhu cầu dữ liệu được truyền cho các ước lượng, mà thường là thông qua một input_fn và phân tích cú pháp sử dụng 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']),
]

Các công cụ ước tính đóng hộp TFL sử dụng loại cột tính năng để quyết định loại lớp hiệu chuẩn sẽ sử dụng. Chúng tôi sử dụng một tfl.layers.PWLCalibration lớp cho các cột tính năng số và một tfl.layers.CategoricalCalibration lớp cho các cột tính năng phân loại.

Lưu ý rằng các cột đối tượng địa lý phân loại không được bao bọc bởi một cột đối tượng địa lý nhúng. Chúng được đưa trực tiếp vào công cụ ước tính.

Tạo input_fn

Đối với bất kỳ công cụ ước tính nào khác, bạn có thể sử dụng input_fn để cung cấp dữ liệu vào mô hình để đào tạo và đánh giá. Các công cụ ước tính TFL có thể tự động tính toán lượng tử của các tính năng và sử dụng chúng làm điểm chính đầu vào cho lớp hiệu chuẩn PWL. Để làm như vậy, họ yêu cầu đi qua một feature_analysis_input_fn , đó cũng tương tự như việc đào tạo input_fn nhưng với một kỷ nguyên đơn hoặc một subsample của dữ liệu.

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)))

Cấu hình tính năng

Tính năng hiệu chỉnh và cấu hình cho mỗi tính năng được thiết lập sử dụng tfl.configs.FeatureConfig . Cấu hình tính năng bao gồm các ràng buộc đơn điệu, quy tắc cho mỗi tính năng (xem tfl.configs.RegularizerConfig ), và kích thước lưới cho các mô hình mạng.

Nếu không có cấu hình được định nghĩa cho một tính năng nhập liệu, cấu hình mặc định trong tfl.config.FeatureConfig được sử dụng.

# 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')],
    ),
]

Mô hình tuyến tính đã hiệu chỉnh

Để xây dựng một TFL đóng hộp ước lượng, xây dựng một cấu hình mô hình từ tfl.configs . Một mô hình tuyến tính hiệu chuẩn được xây dựng bằng tfl.configs.CalibratedLinearConfig . Nó áp dụng hiệu chuẩn từng đoạn tuyến tính và phân loại trên các tính năng đầu vào, tiếp theo là kết hợp tuyến tính và hiệu chuẩn tuyến tính từng đoạn tùy chọn đầu ra. Khi sử dụng hiệu chuẩn đầu ra hoặc khi giới hạn đầu ra được chỉ định, lớp tuyến tính sẽ áp dụng giá trị trung bình có trọng số trên các đầu vào đã hiệu chuẩn.

Ví dụ này tạo ra một mô hình tuyến tính đã được hiệu chỉnh trên 5 đối tượng địa lý đầu tiên. Chúng tôi sử dụng tfl.visualization để vẽ mô hình đồ thị với các lô calibrator.

# 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

Mô hình mạng đã hiệu chỉnh

Một mô hình mạng hiệu chuẩn được xây dựng bằng tfl.configs.CalibratedLatticeConfig . Mô hình mạng tinh thể đã hiệu chuẩn áp dụng hiệu chuẩn từng đoạn tuyến tính và phân loại trên các tính năng đầu vào, tiếp theo là mô hình mạng tinh thể và hiệu chuẩn tuyến tính từng đoạn tùy chọn đầu ra.

Ví dụ này tạo ra một mô hình mạng tinh thể đã được hiệu chỉnh trên 5 tính năng đầu tiên.

# 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

Hệ thống lưới hiệu chỉnh

Khi số lượng đối tượng lớn, bạn có thể sử dụng mô hình tổng hợp, mô hình này tạo ra nhiều mạng nhỏ hơn cho các tập hợp con của các đối tượng và tính trung bình đầu ra của chúng thay vì chỉ tạo một mạng khổng lồ duy nhất. Mô hình mạng Ensemble được xây dựng sử dụng tfl.configs.CalibratedLatticeEnsembleConfig . Mô hình tổng thể mạng tinh thể đã hiệu chuẩn áp dụng hiệu chuẩn từng đoạn tuyến tính và phân loại trên tính năng đầu vào, tiếp theo là một tập hợp các mô hình mạng tinh thể và hiệu chuẩn tuyến tính từng đoạn tùy chọn đầu ra.

Hệ thống mạng ngẫu nhiên

Cấu hình mô hình sau sử dụng một tập hợp con ngẫu nhiên của các tính năng cho mỗi mạng tinh thể.

# 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

Hệ thống mạng ngẫu nhiên lớp RTL

Các cấu hình mô hình sau đây sử dụng một tfl.layers.RTL lớp có sử dụng một tập hợp con ngẫu nhiên các tính năng cho mỗi mạng. Chúng tôi lưu ý rằng tfl.layers.RTL chỉ hỗ trợ hạn chế đơn điệu và phải có kích thước lưới tương tự cho tất cả các tính năng và không theo quy tắc mỗi tính năng. Lưu ý rằng việc sử dụng một tfl.layers.RTL lớp cho phép bạn mở rộng để cụm công trình lớn hơn nhiều so với sử dụng riêng biệt tfl.layers.Lattice trường.

# 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

png

Crystals Lattice Ensemble

TFL cũng cung cấp một thuật toán sắp xếp tính năng heuristic, gọi là Crystal . Crystal thuật toán xe lửa đầu tiên một mô hình prefitting rằng ước tính cặp tương tác năng. Sau đó, nó sắp xếp tập hợp cuối cùng sao cho các đặc điểm có nhiều tương tác phi tuyến tính hơn nằm trong cùng một mạng lưới.

Đối với Crystal mô hình, bạn cũng sẽ cần phải cung cấp một prefitting_input_fn được sử dụng để đào tạo các mô hình prefitting, như mô tả ở trên. Mô hình prefitting không cần phải được đào tạo đầy đủ, vì vậy chỉ cần một vài kỷ nguyên là đủ.

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)

Sau đó bạn có thể tạo ra một mô hình pha lê bằng cách thiết lập lattice='crystals' trong mô hình config.

# 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

png

Bạn có thể vẽ calibrators tính năng với nhiều chi tiết sử dụng tfl.visualization module.

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

png

png