基于K-Means聚类与RFM模型分析顾客消费情况【500010102】

项目说明

本数据集是生成式模拟数据，本项目通过可视化分析对数据进行初步探索，再通过时间序列针对店铺的销售额进行分析，对时序图进行分解，发现数据存在季节性，并且通过auto_arima自动选择参数建立了SARIMA模型，对未来7天的销售额进行预测，并利用聚类分析将消费者分为不同的群体，再建立RFM模型，将消费者进一步划分为不同价值的客户，对于不价值的消费者，采取不同的方案，通过这些模型，可以针对不同的消费群体采取不同的营销方案，尽可能的保留重要价值客户，对于一些低价值的客户，可以降低投入成本。

数据说明

字段名称	描述
订单交易时间	交易时候的时间
订单编号	交易订单的编号
订单来源	订单的来源：直播下单，店铺下单
用户ID	消费者的ID
会员	判断该消费者是否为本店会员
首次下单用户	判断该消费者是否为首次下单的用户
性别	消费者的性别：男，女
品类	商品类型，共四类：A，B，C，D
商品单价	商品的价格
购买数量	购买商品的数量
活动优惠	是否使用了活动优惠
换货	是否换货，0-否，1-是
退货	是否退货，0-否，1-是
已评价	是否已经评价，0-否，1-是

数据处理

Python库导入

import pandas as pd
import numpy as np
import seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt
from statsmodels.tsa.seasonal import seasonal_decompose
from statsmodels.tsa.statespace.sarimax import SARIMAX
from pmdarima import auto_arima # 自动选择参数
import statsmodels.api as sm
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.cluster import KMeans
from sklearn.metrics import silhouette_score

数据导入

data = pd.read_csv("./data/orders_data.csv")

数据预览

# 查看数据维度
data.shape

# 查看数据信息
data.info()

# 查看各列缺失值
data.isna().sum()

# 查看重复值
data.duplicated().sum()

数据逻辑性检查

# 检查用户会员状态是否一致
membership_inconsistency_count = sum(data.groupby('用户ID')['会员'].nunique() > 1)
print(f"会员状态不一致的用户数量: {membership_inconsistency_count}")
# 检查用户性别是否一致
gender_inconsistency_count = sum(data.groupby('用户ID')['性别'].nunique() > 1)
print(f"性别不一致的用户数量: {gender_inconsistency_count}")

first_order_flag = data.groupby('用户ID')['订单交易时间'].transform('min') == data['订单交易时间'] # 为了获取第一次交易的时间

# 计算那些在第一次订单之后仍标记为首次下单的情况数量
inconsistencies_count = sum((first_order_flag == False) & (data['首次下单用户'] == '是'))  # 计算第一次交易后，判断后续交易中，是否还被定义为首次下单用户

print(f"首次下单状态不一致的用户数量: {inconsistencies_count}")

可以看到，虚拟出来的数据逻辑上存在一些错误，有的用户在某个订单中被定义成会员或者男性，但是在后面的订单中又被定义成非会员或者女性，以及有的用户以及下过单了，结果后续订单还被定义为首次下单用户，所以逻辑存在错误，需要在之后进行处理，使得数据变得合理。

数据处理

# 对性别不一致的数据进行处理
# 找出性别不一致的用户
gender_inconsistencies = data.groupby('用户ID')['性别'].nunique() > 1
inconsistent_gender_users = gender_inconsistencies[gender_inconsistencies].index

# 对每个性别不一致的用户进行处理
for user_id in inconsistent_gender_users:
    user_data = data[data['用户ID'] == user_id]
    
    # 计算性别的众数
    mode_gender = user_data['性别'].mode()

    if len(mode_gender) > 1:  # 如果存在多个众数，使用第一个订单的性别
        first_order_gender = user_data.sort_values('订单交易时间')['性别'].iloc[0]
        data.loc[data['用户ID'] == user_id, '性别'] = first_order_gender
    else:  # 如果只有一个众数，使用这个众数替换所有不一致的性别
        data.loc[data['用户ID'] == user_id, '性别'] = mode_gender.iloc[0]

# 检查处理后的数据中是否还存在性别不一致的情况
post_processing_inconsistencies = sum(data.groupby('用户ID')['性别'].nunique() > 1)
print(f"处理后性别不一致的用户数量: {post_processing_inconsistencies}")

# 对会员状态不一致的数据进行处理
# 首先找出会员状态不一致的用户
membership_inconsistencies = data.groupby('用户ID')['会员'].nunique() > 1
inconsistent_membership_users = membership_inconsistencies[membership_inconsistencies].index

# 对每个会员状态不一致的用户进行处理
for user_id in inconsistent_membership_users:
    user_data = data[data['用户ID'] == user_id]
    
    # 计算会员状态的众数
    mode_membership = user_data['会员'].mode()

    if len(mode_membership) > 1:  # 如果存在多个众数，使用第一个订单的会员状态
        first_order_membership = user_data.sort_values('订单交易时间')['会员'].iloc[0]
        data.loc[data['用户ID'] == user_id, '会员'] = first_order_membership
    else:  # 如果只有一个众数，使用这个众数替换所有不一致的会员状态
        data.loc[data['用户ID'] == user_id, '会员'] = mode_membership.iloc[0]

# 检查处理后的数据中是否还存在会员状态不一致的情况
post_processing_membership_inconsistencies = sum(data.groupby('用户ID')['会员'].nunique() > 1)
print(f"处理后会员状态不一致的用户数量: {post_processing_membership_inconsistencies}")

# 新增一个总价列，有助于后面的分析
data['总价'] = data['商品单价'] * data['购买数量']
# 删除订单编号列和首次下单用户，因为是否是首次下单用户意义不大，可以直接删除，还能减少处理的过程
data.drop(columns=['订单编号','首次下单用户'], inplace=True)
# 确保下单时间是日期时间格式
data['订单交易时间'] = pd.to_datetime(data['订单交易时间'])

data.head()

数据分析

订单数据趋势分析

因为时序图不便于观察，这里主要分析每个月的销售情况，可以看到每个月的销售情况，2月的销售额和销售数量都是最少的。

订单特征分析

订单主要来源于店铺下单。
女性消费者远远高于男性消费者，这家店铺面向的主要对象就是女性。
购买A类的消费者最多，B类、C类、D类数量相差不大。
大多数订单是没有使用活动优惠的。

消费者反馈分析

在所有的订单中，换货、退货情况比较少，有超过半数的订单是已经评价过的了。

时间序列分析

销售额时序图

时间序列分解结果

从趋势图中可以看出，销售数据的趋势组成部分在整个时间段内波动显著，没有显示出明显的长期上升或下降趋势，这表明尽管有短期的波动，但在一年内内，销售总体上没有强烈的长期增长或衰退。
季节性分量的图表显示出非常规律的模式，这表明销售数据受到周期性因素的强烈影响，这种规律性模式对于预测或规划销售活动非常重要，并且识别出了周期为7天，第一次达到峰值。
残差分量的图表显示了在趋势和季节性分量被剔除后，数据中剩余的不规则或随机波动，这些波动可能由不可预测的事件或其他非系统性因素引起。

建立SARIMA模型

model = auto_arima(daily_sales_complete, seasonal=True, m=7, trace=True,error_action='ignore', suppress_warnings=True)

model.summary()

这里自动选择了SARIMAX(0, 0, 1)x(0, 0, 1, 7)模型，没有自回归项和差分，但有一个移动平均项和一个季节性移动平均项（周期为7）。该模型的AIC值为5476.950，BIC值为5492.517，截距项在统计上显著（P值几乎为0），而移动平均项和季节性移动平均项的P值则较高，说明它们在统计上不那么显著，但是残差方面，没有检测到显著的异方差性，可以勉强接受这个模型。

预测未来七天的销售额

这里预测了未来七天的一个销售额情况，可以看到，销售额主要集中在1157-1302之间，波动并不是很大，与时序图感觉还是存在许多差异，可能是自动选择的参数模型效果不理想，亦或者是受数据的影响，这里还是建议从检查白噪声等等步骤开始，我时间序列学的比较差，这里不做展开，读者可以自行去学习完成。

基于聚类分析构建用户画像

数据处理

new_data = data.copy()

# 计算总订单数
purchase_frequency = new_data.groupby('用户ID').size().reset_index(name='总订单数量')
new_data = pd.merge(data, purchase_frequency, on='用户ID')


user_features = new_data.groupby('用户ID').agg({
    '性别': 'first',
    '会员': 'first',
    '品类': lambda x: x.mode()[0],
    '订单交易时间': 'max',
    '订单来源': lambda x: x.mode()[0],
    '总价': 'sum',
    '总订单数量': 'first',
    '活动优惠': lambda x: x.mode()[0],
    '退货': 'sum',
    '换货': 'sum',
    '已评价': 'sum'
}).reset_index()


# 重新命名dataframe，能够更好的理解数据
user_features = user_features.rename(columns={
    '性别': '性别',
    '会员': '会员状态',
    '品类': '最常购买品类',
    '订单交易时间': '最近购买日期',
    '订单来源': '主要下单方式',
    '总价': '总消费额',
    '总订单数量': '总订单数',
    '活动优惠': '是否经常使用优惠',
    '退货': '总退货数',
    '换货': '总换货数',
    '已评价': '总评论数'
})
user_features['平均消费金额'] = user_features['总消费额'] / user_features['总订单数']
user_features.head()

确定聚类数

# 使用肘部法则来确定最佳聚类数
inertia = []
silhouette_scores = []
k_range = range(2, 11)
for k in k_range:
    kmeans = KMeans(n_clusters=k, random_state=10).fit(new_user_features)
    inertia.append(kmeans.inertia_)
    silhouette_scores.append(silhouette_score(new_user_features, kmeans.labels_))

通过肘部法则图和轮廓系数图，可以看到，在4、5的时候，肘部法则图下降的趋势减缓，结合轮廓系数图，k取5的时候，轮廓系数比k取4的时候大，所以我们选择聚类数为5。

# 执行K-均值聚类，选择5个聚类
kmeans_final = KMeans(n_clusters=5, random_state=15)
kmeans_final.fit(new_user_features)
# 获取聚类标签
cluster_labels = kmeans_final.labels_
# 将聚类标签添加到原始数据中以进行分析
user_features['聚类标签'] = cluster_labels
user_features.head()

五类消费者对比

类型0:大多数消费者不是会员，没有购买过B类商品，大多数这一年里只购买过1单，评论数比较少，消费低，针对这一类消费者，可以针对他们推销A、D类的商品，并且考虑他们消费金额低，可以提供特殊折扣来重新吸引他们的兴趣。
类型1：大多数消费者是会员，主要购买的是A类商品，购买频率高，总消费金额位居第二，但是每次消费的金额都比较低，评论数量较多，针对这类消费者，可以提供一些会员专享优惠，优先投放A类商品的广告，吸引他们下单。
类型2：所有消费者都不是会员，但是都只购买过一次商品，不喜欢评论，最常购买的类型为B类商品，单次消费最高，这一类消费者是潜力群体，有一定的消费能力，但是他们的购买频率不高，针对这一类消费者，需要提出一些策略，使得他们转化为会员，并且设置一些激励活动，增加他们的购买频率。
类型3：不是会员的消费者的数量略高于是会员的消费者数量，他们主要购买A类商品和B类商品，购买频率高于类型0和类型2，但是购买金额低，评论数量适中，平均消费能力一般，针对这类消费者，主要推荐他们购买A类商品和B类商品，提供一些优惠活动。
类型4：全部都是会员，全是女性消费者，而且消费金额高，购买频率高，平均消费能力强，针对这一类消费者，需要与他们保持联系，并且赠送一些优惠券，开展一些激励活动，保持她们的忠诚度。

RFM模型

RFM模型是衡量客户价值和客户创造利益能力的重要工具。该模型通过客户在一定时间范围内的近期购买行为、购买总频率和购买总金额3项指标来描述该客户的价值状况。
R（Recency）：最近一次消费的时间间隔，即客户最近一次与企业产生交易的时间间隔，一般已天为单位。
F（Frequency）：消费总频次，即客户在一定时期范围内产生交易的累计频次。
M（Monetary）：消费总金额，即客户在一定时期范围内产生交易的总累计金额。
R值越大，即客户与企业产生交易行为的周期越长，客户活跃度低，客户越容易流失。反之，客户与企业交易行为周期短，客户处于活跃状态。
F值越大，即客户与企业交易越频繁，客户与企业合作粘性强，忠诚度高。反之，客户与企业合作粘性差，忠诚度低。
M值越大，即客户与企业的交易金额大，侧面反映客户自身的经营规模大，市场份额多且资金能力强。反之，则客户的经营规模小，市场份额少且资金能力弱。
RFM模型通常将客户分成8类：重要价值客户、重要保持客户、重要发展客户、重要挽留客户、一般价值客户、一般保持客户、一般发展客户和一般挽留客户。

# 以2024年1月1日作为截止日期
current_date = pd.to_datetime('2024-01-01')
# 将日期字符串转换为日期对象
user_features['最近购买日期'] = pd.to_datetime(user_features['最近购买日期'])
# 计算RFM指标
rfm_data = user_features.groupby('用户ID').agg({
    '最近购买日期': lambda x: (current_date - x.max()).days,
    '总订单数': 'sum',
    '总消费额': 'sum'
}).rename(columns={'最近购买日期': 'Recency', '总订单数': 'Frequency', '总消费额': 'Monetary'})

# 计算RFM分数
rfm_data['Recency_Score'] = pd.qcut(rfm_data['Recency'], 5, labels=False, duplicates='drop') + 1
rfm_data['Frequency_Score'] = pd.qcut(rfm_data['Frequency'].rank(method='first'), 5, labels=False, duplicates='drop') + 1
rfm_data['Monetary_Score'] = pd.qcut(rfm_data['Monetary'], 5, labels=False, duplicates='drop') + 1

rfm_data.head()

def assign_rfm_group(row):
    if row['Frequency_Score'] >= 4 and row['Monetary_Score'] >= 4 and row['Recency_Score'] >= 4:
        return '重要价值客户'
    elif row['Frequency_Score'] >= 4 and row['Monetary_Score'] < 4 and row['Recency_Score'] >= 4:
        return '重要保持客户'
    elif row['Frequency_Score'] < 4 and row['Monetary_Score'] >= 4 and row['Recency_Score'] >= 4:
        return '重要发展客户'
    elif row['Frequency_Score'] < 4 and row['Monetary_Score'] >= 4 and row['Recency_Score'] < 4:
        return '重要挽留客户'
    elif row['Frequency_Score'] >= 4 and row['Monetary_Score'] < 4 and row['Recency_Score'] < 4:
        return '一般价值客户'
    elif row['Frequency_Score'] >= 4 and row['Monetary_Score'] < 4 and row['Recency_Score'] < 4:
        return '一般保持客户'
    elif row['Frequency_Score'] < 4 and row['Monetary_Score'] < 4 and row['Recency_Score'] >= 4:
        return '一般发展客户'
    else:
        return '一般挽留客户'
rfm_data['客户类型'] = rfm_data.apply(assign_rfm_group, axis=1)
# 将RFM分析结果添加到用户数据中
user_features = user_features.join(rfm_data['客户类型'], on='用户ID')
user_features.head()

总结

本项目通过可视化分析对数据进行初步探索，再通过时间序列针对店铺的销售额进行分析，对时序图进行分解，发现数据存在季节性，并且通过auto_arima自动选择参数建立了SARIMA模型，对未来7天的销售额进行预测，然后利用特征构建一个新的数据，该数据主要包括各个消费者的情况，再利用聚类分析将消费者分为5类不同的群体，再建立RFM模型，将消费者进一步划分为不同价值的客户，对于不价值的消费者，采取不同的方案，通过这些模型，可以针对不同的消费群体采取不同的营销方案，尽可能的保留重要价值客户，对于一些低价值的客户，可以降低投入成本。