TensorFlow 的使用步骤

使用 TensorFlow 的基本步骤

学习目标：

学习基本的 TensorFlow 概念
在 TensorFlow 中使用 LinearRegressor 类并基于单个输入特征预测各城市街区的房屋价值中位数
使用均方根误差 (RMSE) 评估模型预测的准确率
通过调整模型的超参数提高模型准确率

数据基于加利福尼亚州 1990 年的人口普查数据。

1. 设置

首先我们要import相应的库，做一些准备工作。

import math

from IPython import display
from matplotlib import cm
from matplotlib import gridspec
from matplotlib import pyplot as plt
import numpy as np
import pandas as pd
from sklearn import metrics
import tensorflow as tf
from tensorflow.python.data import Dataset
#设置 tf 训练过程中输出报错信息
#如果要设置 tf训练过程中输出loss信息，可以把ERROR改为INFO，复制粘贴一下。
tf.logging.set_verbosity(tf.logging.ERROR)
#设置 pandas 的显示大小、格式
pd.options.display.max_rows = 10  
pd.options.display.float_format = '{:.1f}'.format

接下来我们就添加数据集。用到pands的read_csv函数。

california_housing_dataframe = pd.read_csv("https://storage.googleapis.com/mledu-datasets/california_housing_train.csv", sep=",")

我们将对数据进行随机化处理，以确保不会出现任何病态排序结果（可能会损害随机梯度下降法的效果）。此外，我们会将 median_house_value 调整为以千为单位，这样，模型就能够以常用范围内的学习速率较为轻松地学习这些数据。

california_housing_dataframe = california_housing_dataframe.reindex(
    np.random.permutation(california_housing_dataframe.index))
california_housing_dataframe["median_house_value"] /= 1000.0
california_housing_dataframe

2. 检查数据

建议在使用之前，先观察一下数据，在上面那个步骤的最后一句话应该会输出数据的前几位和后几位，大概能了解数据的字段名。但是还有一个更实用的函数describe()可以输出数据的统计信息快速摘要：样本数、均值、标准偏差、最大值、最小值和各种分位数。

california_housing_dataframe.describe()

[caption id="attachment_236" align="alignnone" width="300"] 显示数据的统计摘要[/caption]

3. 构建第一个模型

我们将尝试预测 median_house_value，它将是我们的标签（有时也称为目标）。我们将使用 total_rooms 作为输入特征。

第 1 步：定义特征并配置特征列

为了将我们的训练数据导入 TensorFlow，我们需要指定每个特征包含的数据类型。我们主要会使用以下两类数据：

分类数据：一种文字数据。在本练习中，我们的住房数据集不包含任何分类特征，但您可能会看到的示例包括家居风格以及房地产广告词。
数值数据：一种数字（整数或浮点数）数据以及您希望视为数字的数据。有时您可能会希望将数值数据（例如邮政编码）视为分类数据（我们将在稍后的部分对此进行详细说明）。

在 TensorFlow 中，我们使用一种称为“特征列”的结构来表示特征的数据类型。特征列仅存储对特征数据的描述；不包含特征数据本身。

一开始，我们只使用一个数值输入特征 total_rooms。以下代码会从 california_housing_dataframe 中提取 total_rooms 数据，并使用 numeric_column 定义特征列，这样会将其数据指定为数值：

# Define the input feature: total_rooms.
my_feature = california_housing_dataframe[["total_rooms"]]

# Configure a numeric feature column for total_rooms.
feature_columns = [tf.feature_column.numeric_column("total_rooms")]

第 2 步：定义目标

接下来，我们将定义目标，也就是 median_house_value。同样，我们可以从 california_housing_dataframe 中提取它：

# Define the label.
targets = california_housing_dataframe["median_house_value"]

第 3 步：配置 LinearRegressor

接下来，我们将使用 LinearRegressor 配置线性回归模型，并使用 GradientDescentOptimizer（它会实现小批量随机梯度下降法 (SGD)）训练该模型。learning_rate 参数可控制梯度步长的大小。

# Use gradient descent as the optimizer for training the model.
my_optimizer=tf.train.GradientDescentOptimizer(learning_rate=0.0000001)
my_optimizer = tf.contrib.estimator.clip_gradients_by_norm(my_optimizer, 5.0)

# Configure the linear regression model with our feature columns and optimizer.
# Set a learning rate of 0.0000001 for Gradient Descent.
linear_regressor = tf.estimator.LinearRegressor(
    feature_columns=feature_columns,
    optimizer=my_optimizer
)

第 4 步：定义输入函数

模型配置完，目标与特征也选完了，把数据导入到LinearRegressor去，我们需要定义一个输入函数让它告诉 TensorFlow 如何对数据进行预处理，以及在模型训练期间如何批处理、随机处理和重复数据。

首先，我们将 Pandas 特征数据转换成 NumPy 数组字典。然后，我们可以使用 TensorFlow Dataset API 根据我们的数据构建 Dataset 对象，并将数据拆分成大小为 batch_size 的多批数据，以按照指定周期数 (num_epochs) 进行重复。

注意：如果将默认值 num_epochs=None 传递到 repeat()，输入数据会无限期重复。

然后，如果 shuffle 设置为 True，则我们会对数据进行随机处理，以便数据在训练期间以随机方式传递到模型。buffer_size 参数会指定 shuffle 将从中随机抽样的数据集的大小。

最后，输入函数会为该数据集构建一个迭代器，并向 LinearRegressor 返回下一批数据。

def my_input_fn(features, targets, batch_size=1, shuffle=True, num_epochs=None):
    """用一个特征值训练一个线性回归模型
    Args:
      features: 特征值
      targets: 目标值
      batch_size: 传递给模型的batch的大小
      shuffle: True or False. 决定是否要将数据打乱顺序
      num_epochs: 可以重复的元组数， None 表示无重复
    Returns:
      包含下一个数据批的特征、标签的元组（tuple）
    """

    # Convert pandas data into a dict of np arrays.
    features = {key:np.array(value) for key,value in dict(features).items()}                                           

    # Construct a dataset, and configure batching/repeating
    ds = Dataset.from_tensor_slices((features,targets)) # warning: 2GB limit
    ds = ds.batch(batch_size).repeat(num_epochs)

    # Shuffle the data, if specified
    if shuffle:
      ds = ds.shuffle(buffer_size=10000)

    # Return the next batch of data
    features, labels = ds.make_one_shot_iterator().get_next()
    return features, labels

第 5 步：训练模型

现在，我们可以在 linear_regressor 上调用 train() 来训练模型。我们会将 my_input_fn 封装在 lambda 中，以便可以将 my_feature 和 target 作为参数传入,我们可以先训练100步。

linear_regressor.train(
    input_fn = lambda:my_input_fn(my_feature, targets),
    steps=1000
)

第 6 步：评估模型

我们基于该训练数据做一次预测，看看我们的模型在训练期间与这些数据的拟合情况。

注意：训练误差可以衡量您的模型与训练数据的拟合情况，但并不能衡量模型泛化到新数据的效果。

# Create an input function for predictions.
# Note: Since we're making just one prediction for each example, we don't 
# need to repeat or shuffle the data here.
prediction_input_fn =lambda: my_input_fn(my_feature, targets, num_epochs=1, shuffle=False)

# Call predict() on the linear_regressor to make predictions.
predictions = linear_regressor.predict(input_fn=prediction_input_fn)

# Format predictions as a NumPy array, so we can calculate error metrics.
predictions = np.array([item['predictions'][0] for item in predictions])

# Print Mean Squared Error and Root Mean Squared Error.
mean_squared_error = metrics.mean_squared_error(predictions, targets)
root_mean_squared_error = math.sqrt(mean_squared_error)
print "Mean Squared Error (on training data): %0.3f" % mean_squared_error
print "Root Mean Squared Error (on training data): %0.3f" % root_mean_squared_error

然后我们看一下预测跟目标函数的统计摘要：

calibration_data = pd.DataFrame()
calibration_data["predictions"] = pd.Series(predictions)
calibration_data["targets"] = pd.Series(targets)
calibration_data.describe()

我们也可以根据模型绘制出散点图：

sample = california_housing_dataframe.sample(n=300)
# Get the min and max total_rooms values.
x_0 = sample["total_rooms"].min()
x_1 = sample["total_rooms"].max()

# Retrieve the final weight and bias generated during training.
weight = linear_regressor.get_variable_value('linear/linear_model/total_rooms/weights')[0]
bias = linear_regressor.get_variable_value('linear/linear_model/bias_weights')

# Get the predicted median_house_values for the min and max total_rooms values.
y_0 = weight * x_0 + bias 
y_1 = weight * x_1 + bias

# Plot our regression line from (x_0, y_0) to (x_1, y_1).
plt.plot([x_0, x_1], [y_0, y_1], c='r')

# Label the graph axes.
plt.ylabel("median_house_value")
plt.xlabel("total_rooms")

# Plot a scatter plot from our data sample.
plt.scatter(sample["total_rooms"], sample["median_house_value"])

# Display graph.
plt.show()

这条初始线看起来与目标相差很大。看看您能否回想起摘要统计信息，并看到其中蕴含的相同信息。
综上所述，这些初始健全性检查提示我们也许可以找到更好的线。