Python实现贝叶斯优化器(Bayes_opt)优化卷积神经网络-双向长短时记忆循环神经网络分类模型(CNN-BiLSTM分类算法)项目实战

news2024/11/13 10:34:51

说明:这是一个机器学习实战项目(附带数据+代码+文档+视频讲解),如需数据+代码+文档+视频讲解可以直接到文章最后获取。

1.项目背景

随着深度学习技术的发展,卷积神经网络(Convolutional Neural Networks, CNNs)和循环神经网络(Recurrent Neural Networks, RNNs)已经成为处理自然语言处理(NLP)、计算机视觉(CV)等领域的强大工具。CNN 能够有效地提取局部特征,而 RNN 特别擅长处理序列数据,捕捉时间序列中的长期依赖关系。双向长短时记忆网络(Bidirectional Long Short-Term Memory, BiLSTM)作为一种特殊的 RNN 结构,能够从前向后和从后向前两个方向捕捉序列中的信息,从而更好地理解上下文语境。

然而,构建高效的 CNN-BiLSTM 模型面临着一系列挑战,尤其是超参数的选择。传统的网格搜索或随机搜索方法往往耗时较长,而且不一定能找到最优解。近年来,贝叶斯优化(Bayesian Optimization, BO)作为一种高效的全局优化方法,在超参数调优方面表现出了显著的优势。贝叶斯优化利用概率模型(通常是高斯过程)来估计目标函数的分布,并通过优化一个获得函数(Acquisition Function)来指导后续的搜索方向,从而有效地探索和开发搜索空间。

本项目使用Python实现贝叶斯优化器(Bayes_opt)优化卷积神经网络-双向长短时记忆循环神经网络分类模型(CNN-BiLSTM分类算法)项目实战。   

2.数据获取

本次建模数据来源于网络(本项目撰写人整理而成),数据项统计如下:

编号 

变量名称

描述

1

x1

2

x2

3

x3

4

x4

5

x5

6

x6

7

x7

8

x8

9

x9

10

x10

11

y

标签

数据详情如下(部分展示):

3.数据预处理

3.1 用Pandas工具查看数据

使用Pandas工具的head()方法查看前五行数据:

从上图可以看到,总共有11个字段。

关键代码:

3.2 缺失值统计

使用Pandas工具的info()方法统计每个特征缺失情况:

从上图可以看到,数据不存在缺失值,总数据量为2000条。

关键代码:  

3.3 变量描述性统计分析

通过Pandas工具的describe()方法来来统计变量的平均值、标准差、最大值、最小值、分位数等信息:

关键代码如下:

4.探索性数据分析

4.1 y变量分类柱状图

用Pandas工具的value_counts().plot()方法进行统计绘图,图形化展示如下:

从上面图中可以看到,分类为0和1的样本,数量基本一致。

4.2 y变量类型为1 x1变量分布直方图

通过Matpltlib工具的hist()方法绘制直方图:

从上图可以看出,y=1的数据主要集中在-1到3之间。

4.3 相关性分析

通过Pandas工具的corr()方法和seaborn工具的heatmap()方法绘制相关性热力图:

从图中可以看到,正数为正相关,负数为负相关,绝对值越大相关性越强。

5.特征工程

5.1 建立特征数据和标签数据

y为标签数据,除 y之外的为特征数据。关键代码如下:

5.2 数据集拆分

数据集集拆分,分为训练集和测试集,80%训练集和20%测试集。关键代码如下:

5.3 数据样本增维

数据样本增加维度后的数据形状:

6.构建贝叶斯优化器优化CNN-BiLSTM分类模型

主要使用基于贝叶斯优化器优化CNN-BiLSTM分类算法,用于目标分类。  

6.1 构建调优模型

编号

模型名称

调优参数

1

CNN-BiLSTM分类模型

int(units)

2

round(learning_rate, 4)

3

int(epochs)

6.2 最优参数展示

最优参数结果展示:

6.3 最优参数构建模型 

编号

模型名称

调优参数

1

CNN-BiLSTM分类模型

units=int(params_best['units'])

2

round(params_best['learning_rate'], 4)

3

epochs=int(params_best['epochs'])

6.4 模型摘要信息

6.5 模型网络结构

6.6 模型训练集测试集损失和准确率曲线图 

7.模型评估

7.1 评估指标及结果 

评估指标主要包括准确率、查准率、召回率、F1分值等等。 

模型名称

指标名称

指标值

测试集

CNN-BiLSTM分类模型 

准确率

0.9600

查准率

0.9622

召回率

0.9519

F1分值

0.957

从上表可以看出,F1分值为0.957,说明此模型效果良好。

关键代码如下:

7.2 分类报告

模型的分类报告:

从上图可以看到,分类类型为0的F1分值为0.96;分类类型为1的F1分值为0.96;整个模型的准确率为0.96。

7.3 混淆矩阵

从上图可以看出,实际为0预测不为0的 有7个样本;实际为1预测不为1的 有9个样本,整体预测准确率良好。

8.结论与展望

综上所述,本项目采用了基于贝叶斯优化器优化卷积神经网络-双向长短时记忆循环神经网络分类模型,最终证明了我们提出的模型效果良好。 

# 描述性统计分析
print(df.describe())
print('******************************')

#  y变量柱状图
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']  # 指定默认字体
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 解决保存图像是负号'-'显示为方块的问题
# kind='bar' 绘制柱状图
df['y'].value_counts().plot(kind='bar')  # 绘图
plt.xlabel("y变量")  # 设置x轴名称
plt.ylabel("数量")  # 设置y轴名称
plt.title('y变量柱状图')  # 设置标题名称
plt.show()  # 展示图片

# 获取方式:
 
# 项目实战合集导航:
 
# https://docs.qq.com/sheet/DTVd0Y2NNQUlWcmd6?tab=BB08J2

# https://item.taobao.com/item.htm?ft=t&id=830679327825

plt.rcParams['font.sans-serif'] = 'SimHei'  # 设置中文显示
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 解决保存图像是负号'-'显示为方块的问题
data_tmp = df.loc[df['y'] == 1, 'x1']  # 过滤出y=1的样本
# 绘制直方图  bins:控制直方图中的区间个数 auto为自动填充个数  color:指定柱子的填充色
plt.hist(data_tmp, bins='auto', color='g')  # 绘图
plt.xlabel('x1')  # 设置x轴名称
plt.ylabel('数量')  # 设置y轴名称
plt.title('y=1样本x1变量分布直方图')  # 设置标题名称
plt.show()  # 展示图片

# 数据的相关性分析
sns.heatmap(df.corr().round(2), cmap="YlGnBu", annot=True)  # 绘制热力图
plt.title('相关性分析热力图')  # 设置标题名称

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