RNN心脏病预测
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- 🍨 本文为🔗365天深度学习训练营中的学习记录博客
- 🍖 原作者:K同学啊
一、前期准备工作
1.设置硬件设备
import numpy as np
import pandas as pd
import torch
from torch import nn
import torch.nn.functional as F
import seaborn as sns
# 设置GPU训练,也可以使用CPU
device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")
device

2.导入数据
import pandas as pd
df = pd.read_csv(r"D:\Code\R1.csv")
df

二、构建数据集
1.标准化
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.model_selection import train_test_split
X = df.iloc[:, :-1]
y = df.iloc[:, -1]
# 将每一列特征标准化为标准正态分布,注意,标准化是针对每一列而言的
sc = StandardScaler()
X = sc.fit_transform(X)
2.划分数据集
X = torch.tensor(np.array(X), dtype=torch.float32)
y = torch.tensor(np.array(y), dtype=torch.int64)
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(
X,
y,
test_size=0.1,
random_state=1
)
# 维度扩增使其符合RNN模型可接受的shape
X_train = X_train.unsqueeze(1)
X_test = X_test.unsqueeze(1)
X_train.shape, y_train.shape

3.构建数据加载器
from torch.utils.data import TensorDataset, DataLoader
train_dl = DataLoader(
TensorDataset(X_train, y_train),
batch_size=64,
shuffle=False
)
test_dl = DataLoader(
TensorDataset(X_test, y_test),
batch_size=64,
shuffle=False
)
三、模型训练
1.构建模型
class model_rnn(nn.Module):
def __init__(self):
super(model_rnn, self).__init__()
self.rnn0 = nn.RNN(
input_size=13,
hidden_size=200,
num_layers=1,
batch_first=True
)
self.fc0 = nn.Linear(200, 50)
self.fc1 = nn.Linear(50, 2)
def forward(self, x):
out, _ = self.rnn0(x)
out = out[:, -1, :] # 只取最后一个时间步的输出
out = self.fc0(out)
out = self.fc1(out)
return out
model = model_rnn().to(device)
model
model(torch.rand(30, 1, 13).to(device)).shape
2.定义训练函数
# 训练循环
def train(dataloader, model, loss_fn, optimizer):
size = len(dataloader.dataset) # 训练集的大小
num_batches = len(dataloader) # 批次数目(size / batch_size,向上取整)
train_loss, train_acc = 0, 0 # 初始化训练损失和正确率
for X, y in dataloader: # 获取数据及其标签
X, y = X.to(device), y.to(device)
# 计算预测误差
pred = model(X) # 网络输出
loss = loss_fn(pred, y) # 计算网络输出和真实值之间的差距
# 反向传播
optimizer.zero_grad() # 梯度归零
loss.backward() # 反向传播
optimizer.step() # 更新模型参数
# 记录准确率与损失
train_acc += (
(pred.argmax(1) == y)
.type(torch.float)
.sum()
.item()
)
train_loss += loss.item()
train_acc /= size
train_loss /= num_batches
return train_acc, train_loss
3.定义测试函数
def test(dataloader, model, loss_fn):
size = len(dataloader.dataset) # 测试集的大小
num_batches = len(dataloader) # 批次数目(size / batch_size,向上取整)
test_loss, test_acc = 0, 0
# 当不进行训练时,停止梯度更新,节省计算内存消耗
with torch.no_grad():
for imgs, target in dataloader:
imgs, target = imgs.to(device), target.to(device)
# 计算loss
target_pred = model(imgs)
loss = loss_fn(target_pred, target)
test_loss += loss.item()
test_acc += (
(target_pred.argmax(1) == target)
.type(torch.float)
.sum()
.item()
)
test_acc /= size
test_loss /= num_batches
return test_acc, test_loss
4.正式训练模型
loss_fn = nn.CrossEntropyLoss() # 创建损失函数
learn_rate = 1e-4 # 学习率
opt = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=learn_rate)
epochs = 50
train_loss = []
train_acc = []
test_loss = []
test_acc = []
for epoch in range(epochs):
model.train()
epoch_train_acc, epoch_train_loss = train(
train_dl, model, loss_fn, opt
)
model.eval()
epoch_test_acc, epoch_test_loss = test(
test_dl, model, loss_fn
)
train_acc.append(epoch_train_acc)
train_loss.append(epoch_train_loss)
test_acc.append(epoch_test_acc)
test_loss.append(epoch_test_loss)
# 获取当前学习率
lr = opt.state_dict()["param_groups"][0]["lr"]
template = (
"Epoch:{:2d}, Train_acc:{:.1f}%, Train_loss:{:.3f}, "
"Test_acc:{:.1f}%, Test_loss:{:.3f}, Lr:{:.2E}"
)
print(
template.format(
epoch + 1,
epoch_train_acc * 100,
epoch_train_loss,
epoch_test_acc * 100,
epoch_test_loss,
lr
)
)
print("=" * 20, "Done", "=" * 20)
四、模型评估
1.Loss与Accuracy图
import matplotlib.pyplot as plt
from datetime import datetime
# 隐藏警告
import warnings
warnings.filterwarnings("ignore") # 忽略警告信息
current_time = datetime.now() # 获取当前时间
plt.rcParams["font.sans-serif"] = ["SimHei"] # 用来正常显示中文标签
plt.rcParams["axes.unicode_minus"] = False # 用来正常显示负号
plt.rcParams["figure.dpi"] = 200 # 分辨率
epochs_range = range(epochs)
plt.figure(figsize=(12, 3))
plt.subplot(1, 2, 1)
plt.plot(epochs_range, train_acc, label="Training Accuracy")
plt.plot(epochs_range, test_acc, label="Test Accuracy")
plt.legend(loc="lower right")
plt.title("Training and Validation Accuracy")
plt.xlabel(current_time) # 打卡请带上时间戳,否则代码截图无效
plt.subplot(1, 2, 2)
plt.plot(epochs_range, train_loss, label="Training Loss")
plt.plot(epochs_range, test_loss, label="Test Loss")
plt.legend(loc="upper right")
plt.title("Training and Validation Loss")
plt.show()

2.混淆矩阵
print("=============输入数据Shape为============")
print("X_test.shape: ", X_test.shape)
print("y_test.shape: ", y_test.shape)
pred = model(X_test.to(device)).argmax(1).cpu().numpy()
print("\n=============输出数据Shape为============")
print("pred.shape: ", pred.shape)
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
from sklearn.metrics import confusion_matrix, ConfusionMatrixDisplay
# 计算混淆矩阵
cm = confusion_matrix(y_test, pred)
plt.figure(figsize=(6, 5))
plt.suptitle("")
sns.heatmap(cm, annot=True, fmt="d", cmap="Blues")
# 修改字体大小
plt.xticks(fontsize=10)
plt.yticks(fontsize=10)
plt.title("Confusion Matrix", fontsize=12)
plt.xlabel("Predicted Label", fontsize=10)
plt.ylabel("True Label", fontsize=10)
# 显示图
plt.tight_layout() # 调整布局防止重叠
plt.show()
3.调用模型进行预测
test_X = X_test[0].unsqueeze(1) # X_test[0]即我们的输入数据
pred = model(test_X.to(device)).argmax(1).item()
print("模型预测结果为:", pred)
print("==" * 20)
print("0:不会患心脏病")
print("1:可能患心脏病")
五、个人总结
1.数据表通常由两部分组成:
特征:用于预测的输入变量,例如年龄、血压、胆固醇等。
标签:模型需要预测的目标变量,例如是否患心脏病。
该项目默认将数据表的最后一列作为标签,其余列全部作为输入特征。
2.不同特征的单位和数值范围可能差异很大。例如,年龄可能在几十左右,而胆固醇可能达到数百。如果直接输入神经网络,数值较大的特征可能对模型产生更强影响。
标准化的作用是将每一列特征转换为均值接近 0、标准差接近 1 的数据。
标准化是按列进行的,而不是按行进行的。
标准化的主要作用包括:减少不同特征量纲的影响。提高梯度下降的稳定性。加快模型收敛。避免某些数值较大的特征主导训练过程。
规范做法是先划分训练集和测试集,再使用训练集计算标准化参数。测试集只能使用训练集得到的均值和标准差进行转换。如果先对全部数据进行标准化,再划分训练集和测试集,就会使测试集信息提前参与数据处理,形成数据泄漏。
3.RNN模型主要由两部分组成:
第一部分是 RNN 层,用于将输入特征转换为隐藏状态。
第二部分是全连接层,用于将隐藏状态映射为最终分类结果。
RNN 层中的主要参数包括:输入维度:每个时间步包含多少个特征。隐藏层维度:RNN 内部表示的维度。层数:RNN 堆叠的层数。批量优先:输入数据是否采用“批量、序列、特征”的排列方式。
模型最终输出两个数,分别表示样本属于两个类别的预测分数。
这两个数不是概率,而是未经归一化的分类分数,也称为 logits。
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