如何预测出工业蒸汽量？

1. 赛题介绍

火力发电的基本原理是：燃料在燃烧时加热水生成蒸汽，蒸汽压力推动汽轮机旋转，然后汽轮机带动发电机旋转，产生电能。在这一系列的能量转化中，影响发电效率的核心是锅炉的燃烧效率，即燃料燃烧加热水产生高温高压蒸汽。锅炉的燃烧效率的影响因素很多，包括锅炉的可调参数，如燃烧给量，一二次风，引风，返料风，给水水量；以及锅炉的工况，比如锅炉床温、床压，炉膛温度、压力，过热器的温度等。
赛题链接：https://tianchi.aliyun.com/competition/entrance/231693/introduction
2. 数据说明

数据分成训练数据（zhengqi_train.txt）和测试数据（zhengqi_test.txt），其中字段V0-V37，这38个字段是作为特征变量，“target”作为目标变量。
训练集：





测试集：





因此我们可以创建一个简单的深度学习模型Y=f(x)，使用V0-V37作为训练集(train set)的输入x，target作为模型的输出(即预测结果)，对预测结果的评估可以使用均方误差MSE(mean square error)。最后将测试集的数据输入到训练好的模型中，得到测试集的预测结果。
3. 实验步骤

3.1 数据清洗

需要先了解数据的特征及其分布，才能对数据进行清洗，有必要的话还可以提高特定数据的权重，来增强模型对数据的拟合程度。
将训练集和测试集的V0-V37合并，查看特征分布。
SelectKBest特征选择：





数据质量分布图：





使用目测法可以发现，特征中{V5，V9，V11，V17，V19，V20，V21，V22，V24，V28}的数据在训练集和测试集中分布不均匀，那么可以近似的理解为这些特征对模型的影响比较小，也就是模型对这些数据的学习可能对预测没有帮助，因此我们可以将这几个特征从数据集中移除，让模型只学习其他的特征。
（数据清洗部分我只考虑到了特征集合与模型学习的关系，应该再对横向的数据进行清洗，假设存在某行数据存在较大的误差，那么可能这个数据会对模型的学习产生负面影响）
3.2 数据归一化

为了能够更好的训练，最好将输入数据进行归一化（归一化可以将数据约束在一个区间），这里我们可以使用数据标准化(StandardScaler)或数据归一化(MinMaxScaler)处理数据。
考虑到后面深度学习网络使用的激活函数为ReLU，ReLU的计算结果是非负数，因此我使用的是数据归一化，将数据约束在0-1。
归一化结果：





3.3 数据划分

用于训练的数据，按照训练集和测试集按照8:2进行划分，然后导入模型训练并调参。如果最后训练效果良好，可以把训练集和测试集的比例再调高，有助于模型的学习，以及得出测试数据的最优结果。
3.4 建立模型

由于训练使用的特征为28个，数量少于32个，并且训练样本不超过3000，根据经验得出，深度学习网络的隐藏层设置在3到5层较为合适。
因此可以构建类似下列模型：





废话：模型一共5个隐藏层，各层神经元个数为{28,32,64,32,16,1}，并使用ReLU作为隐藏层的激活函数。这里的各层神经元使用的是2的倍数，有一种说法是数据在GPU和CPU中是使用二进制存储的，使用2的倍数可以提高数据的计算速度，其实不使用2的倍数也可以，使用2的倍数只是起到一个方便修改参数的作用，同时神经网络具有优秀的泛化性，前后两层神经元个数差距不大也能得到良好的学习。所以各层神经元你想设为{28,48,64,32,16,1}也没有问题，别问问就玄学。
3.5 训练参数

[tr]NamevalueDescription[/tr]

batch_size	32	训练批次
epoch	500	训练轮数
learning_rate	0.001	学习率
weight_decay	0.01	权重衰减
optimizer	Adam	模型训练优化器

运行环境：
CUDA10.0、Python3.6.9、Pytorch1.2.0
3.6 运行代码


import numpy as np
import torch
import torch.nn as nn
import pandas as pd
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn import preprocessing
import torch.utils.data as Data
import matplotlib.pyplot as plt


plt.rcParams['font.family'] = ['sans-serif']  # 中文乱码
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']  # 中文乱码
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 正常显示符号


class Model():
    def __init__(self, sizes):
        self.MSE = nn.MSELoss()
        self.layers = nn.ModuleList()
        self.train_loss_set = []
        self.test_loss_set = []
        for neuron, next_neuron in zip(sizes[:-1], sizes[1:]):
            self.layers.append(nn.Linear(neuron, next_neuron))


    def forward(self, x):
        for layer in self.layers[:-1]:
            x = torch.relu(layer(x))
        x = self.layers[-1](x)
        return x


    def train(self, x_train, y_train, epochs, batch_size=1, lr=0.001, weight_decay=0.01):
        self.train_loss_set = []
        self.test_loss_set = []
        optimizer = torch.optim.Adam(self.layers.parameters(), lr=lr, weight_decay=weight_decay)
        # 数据集划分批次
        torch_data_set = Data.TensorDataset(x_train, y_train)
        loader = Data.DataLoader(dataset=torch_data_set, batch_size=batch_size, shuffle=True)
        for e in range(epochs):
            if e == 300 or e == 450:
                lr /= 2
            for (batch_x, batch_y) in loader:
                y_hat = self.forward(batch_x)
                loss = self.MSE(y_hat, batch_y)
                optimizer.zero_grad()
                loss.backward()
                optimizer.step()
            y_train_predict = self.forward(x_train)
            train_loss = self.MSE(y_train_predict, y_train)
            self.train_loss_set.append(train_loss.item())
            print("Epoch:{}  train loss:{}".format(e + 1, train_loss.item()))


if __name__ == '__main__':
    # 训练数据路径
    train_path = 'zhengqi_train.txt'
    # 测试数据路径
    test_path = 'zhengqi_test.txt'
    # 保存结果路径
    save_path = 'result.txt'
    train_data = pd.read_table(train_path) # 读取训练数据
    delete = [5, 9, 11, 17, 19, 20, 21, 22, 24, 28] # 不重要特征 V5 V9 V11 V17 V19 V20 V21 V22 V24 V28
    data_range = [i for i in range(38) if i+1 not in delete] # 可以作为训练的列
    # 训练批次
    batch_size = 32
    # 训练轮数
    epochs = 500
    # 学习率
    learning_rate = 1e-3
    # 权重衰减
    weight_decay = 0.01
    # 获得训练集
    x_train, y_train = train_data.iloc[:, data_range].values, train_data.iloc[:, -1].values


    test_data = pd.read_table(test_path) # 读取测试数据
    x_result = test_data.iloc[:, data_range].values # 提取值


    # 数据归一化
    scaler = preprocessing.MinMaxScaler(feature_range=(0,1))
    len_x_train = len(x_train)
    len_x_result = len(x_result)
    data = np.vstack((x_train, x_result))
    data = scaler.fit_transform(data)
    # 切割数据
    x_train = data[:len(x_train)]
    x_result = data[len(x_train):]


    # numpy转tensor, view(n行,m列)
    x_train = torch.from_numpy(x_train).float()
    y_train = torch.from_numpy(y_train).float().view(-1, 1)
    # 模型初始化
    sizes = [len(data_range), 48, 64, 32, 16, 1] # 模型尺寸
    model = Model(sizes) # 创建模型
    model.train(x_train, y_train, epochs=epochs,batch_size=batch_size, lr=learning_rate, weight_decay=weight_decay) # 训练
    # 预测测试数据
    x_result = torch.from_numpy(x_result).float() # 标准化转float
    y = model.forward(x_result) # 前向传播
    print(y.shape) # 显示数据尺寸
    np.savetxt(save_path, y.detach().numpy()) # 保存文本
    # 绘制结果
    plt.figure(figsize=(8, 6))  # 设置画布大小
    plt.plot(model.train_loss_set, 'r-', linewidth=1, label='train mse') # 训练集损失
    plt.legend()
    plt.grid(True)  # 显示网格
    plt.show() # 显示图片
3.7 实验结果

训练过程：





蓝色代表测试集误差，红色代表训练集误差，可以看出模型已经达到一个收敛状态，由于最后需要的是测试数据的预测结果，我将测试数据进行预测提交，得到的MSE为0.2759。
预测的误差挺大的，那么就需要进一步优化了，我把神经元个数调整成{28,48,64,32,16,1}，由于测试集是不参与训练的，于是我把原先的所有训练集和测试集合并进行训练，得到下面的训练误差结果：





接着使用训练完的模型，对zhengqi_test.txt的数据进行预测，提交后得到的MSE值为0.1232