手把手教你如何使用DolphinDB进行机器学习

2022-05-20 00:00:00 数据函数代码训练复制

DolphinDB实现了一系列常用的机器学习算法，例如小二乘回归、随机森林、K-平均等，使用户能够方便地完成回归、分类、聚类等任务。这篇教程会通过具体的例子，介绍用DolphinDB脚本语言进行机器学习的流程。本文的所有例子都基于DolphinDB 1.10.9。

1. 个例子：对小样本数据进行分类

我们用UCI Machine Learning Repository上的wine数据，用来完成个随机森林分类模型的训练。

1.1 加载数据

将数据下载到本地后，在DolphinDB中用loadText导入：

wineSchema = table(    
    `Label`Alcohol`MalicAcid`Ash`AlcalinityOfAsh`Magnesium`TotalPhenols`Flavanoids`NonflavanoidPhenols`Proanthocyanins`ColorIntensity`Hue`OD280_OD315`Proline as name,    
    `INT`DOUBLE`DOUBLE`DOUBLE`DOUBLE`DOUBLE`DOUBLE`DOUBLE`DOUBLE`DOUBLE`DOUBLE`DOUBLE`DOUBLE`DOUBLE as type
)
wine = loadText("D:/dataset/wine.data", schema=wineSchema)
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1.2 数据预处理

DolphinDB的randomForestClassifier函数要求类的标签的取值是[0, classNum)之间的整数。下载得到的wine数据的分类标签为1, 2, 3，需要更新为0, 1, 2：

update wine set Label = Label - 1
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将数据按7:3分为训练集和测试集。本例编写了一个trainTestSplit函数以便划分。

def trainTestSplit(x, testRatio) {
    xSize = x.size()
    testSize = xSize * testRatio
    r = (0..(xSize-1)).shuffle()
    return x[r > testSize], x[r <= testSize]
}

wineTrain, wineTest = trainTestSplit(wine, 0.3)
wineTrain.size()    // 124
wineTest.size()     // 54
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1.3 使用randomForestClassifier进行随机森林分类

对训练集调用randomForestClassifier函数进行随机森林分类。该函数有四个必选参数，分别是：

ds: 输入的数据源，本例中用sqlDS函数生成。
yColName: 数据源中因变量的列名。
xColNames: 数据源中自变量的列名。
numClasses: 类的个数。

model = randomForestClassifier( sqlDS(<select * from wineTrain>), yColName=Label, xColNames=AlcoholMalicAcidAshAlcalinityOfAshMagnesiumTotalPhenolsFlavanoidsNonflavanoidPhenolsProanthocyaninsColorIntensityHueOD280_OD315Proline, numClasses=3 )

用训练得到的模型，对测试集进行预测：

predicted = model.predict(wineTest)
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观察预测正确率：

> sum(predicted == wineTest.Label) \ wineTest.size();

0.925926
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1.4 模型持久化

用saveModel函数将训练得到的模型保存到磁盘上：

model = loadModel("D:/model/wineModel.bin")
predicted = model.predict(wineTest)
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用loadModel函数加载磁盘上的模型，并用于预测：

model = loadModel("D:/model/wineModel.bin")
predicted = model.predict(wineTest)
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2.分布式机器学习

上面的例子只是一个在小数据上的玩具。与常见的机器学习库不同，DolphinDB是为分布式环境而设计的，许多内置的机器学习算法对分布式环境有良好的支持。

本章将介绍如何在DolphinDB分布式数据库上用逻辑回归算法完成分类模型的训练。

现有一个DolphinDB分布式数据库，按股票名分区，存储了各股票在2010年到2018年的每日ohlc数据。

我们将用以下九个变量作为预测的指标：开盘价、高价、低价、收盘价、当天开盘价与前一天收盘价的差、当天开盘价与前一天开盘价的差、10天的移动平均值、相关系数、相对强弱指标（relative strength index, RSI）。

我们将用第二天的收盘价是否大于当天的收盘价作为预测的目标。

2.1 数据预处理

在本例中，原始数据中的空值，可以通过ffill函数填充；对原始数据求10天移动平均值和RSI后，结果的前10行将会是空值，需要去除。我们将用[transDS!](https://link.zhihu.com/?target=http%3A//dolphindb.cn/cn/help/transDS.html)函数对原始数据应用预处理步骤。本例中，求RSI用到了DolphinDB的ta模块，具体用法参见DolphinDBModules.

use ta

def preprocess(t) {
    ohlc = select ffill(Open) as Open, ffill(High) as High, ffill(Low) as Low, ffill(Close) as Close from t
    update ohlc set OpenClose = Open - prev(Close), OpenOpen = Open - prev(Open), S_10 = mavg(Close, 10), RSI = ta::rsi(Close, 10), Target = iif(next(Close) > Close, 1, 0)
    update ohlc set Corr = mcorr(Close, S_10, 10)
    return ohlc[10:]
}
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加载数据后，通过sqlDS生成数据源，并通过transDS!用预处理函数转化数据源：

ohlc = database("dfs://trades").loadTable("ohlc")
ds = sqlDS(<select * from ohlc>).transDS!(preprocess)
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2.2 调用logisticRegression函数训练

函数logisticRegression有三个必选参数：

ds: 输入的数据源。
yColName: 数据源中因变量的列名。
xColNames: 数据源中自变量的列名。

上一节已经生成了输入的数据源，可以直接用作参数。

model = logisticRegression(ds, `Target, `Open`High`Low`Close`OpenClose`OpenOpen`S_10`RSI`Corr)
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用训练的模型对一支股票的数据进行预测并计算分类准确率：

aapl = preprocess(select * from ohlc where Ticker = `AAPL)
predicted = model.predict(aapl)
score = sum(predicted == appl.Target) \ aapl.size()    // 0.756522
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3. 使用PCA为数据降维

主成分分析（Principal Component Analysis, PCA）是一个机器学习中的使用技巧。如果数据的维度太高，学习算法的效率可能很低下，通过PCA，将高维数据映射到低维空间，同时尽可能小化信息损失，可以解决维度灾难的问题。PCA的另一个应用是数据可视化。二维或三维的数据能便于用户理解。

以对wine数据进行分类为例，输入的数据集有13个因变量，对数据源调用pca函数，观察各主成分的方差权重。将normalize参数设为true，以对数据进行归一化处理。

xColNames = `Alcohol`MalicAcid`Ash`AlcalinityOfAsh`Magnesium`TotalPhenols`Flavanoids`NonflavanoidPhenols`Proanthocyanins`ColorIntensity`Hue`OD280_OD315`Proline
pcaRes = pca(
    sqlDS(<select * from wineTrain>),
    colNames=xColNames,
    normalize=true
)
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返回值是一个字典，观察其中的explainedVarianceRatio，会发现压缩后的前三个维度的方差权重已经非常大，压缩为三个维度足够用于训练：

> pcaRes.explainedVarianceRatio;
[0.209316,0.201225,0.121788,0.088709,0.077805,0.075314,0.058028,0.045604,0.038463,0.031485,0.021256,0.018073,0.012934]
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我们只保留前三个主成分：

components = pcaRes.components.transpose()[:3]
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将主成分分析矩阵应用于输入的数据集，并调用randomForestClassifier进行训练。

def principalComponents(t, components, yColName, xColNames) {
    res = matrix(t[xColNames]).dot(components).table()
    res[yColName] = t[yColName]
    return res
}

ds = sqlDS(<select * from wineTrain>)
ds.transDS!(principalComponents{, components, `Class, xColNames})

model = randomForestClassifier(ds, yColName=`Class, xColNames=`col0`col1, numClasses=3)
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对测试集进行预测时，也需要提取测试集的主成分：

model.predict(wineTest.principalComponents(components, `Class, xColNames))
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4. 使用DolphinDB插件进行机器学习

除了内置的经典机器学习算法，DolphinDB还提供了一些插件。利用这些插件，我们可以方便地用DolphinDB地脚本语言调用第三方库进行机器学习。本节将以DolphinDB XGBoost插件为例，介绍使用插件进行机器学习的方法。

4.1 加载XGBoost插件

从DolphinDB Plugin的GitHub页面下载已经编译好的XGBoost插件到本地。然后在DolphinDB中运行loadPlugin(pathToXgboost)，其中pathToXgboost是下载的PluginXgboost.txt的路径：

pathToXgboost = "C:/DolphinDB/plugin/xgboost/PluginXgboost.txt"
loadPlugin(pathToXgboost)
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4.2 调用插件函数进行训练、预测

同样使用wine数据。XGBoost插件的训练函数xgboost::train的语法为xgboost::train(Y, X, [params], [numBoostRound=10], [xgbModel])，我们将训练数据wineTrain的Label列单独取出来作为输入的Y，将其他列保留作为输入的X：

Y = exec Label from wineTrain
X = select Alcohol, MalicAcid, Ash, AlcalinityOfAsh, Magnesium, TotalPhenols, Flavanoids, NonflavanoidPhenols, Proanthocyanins, ColorIntensity, Hue, OD280_OD315, Proline from wineTrain
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训练前需要设置参数params字典。我们将训练一个多分类模型，故将params中的objective设为"multi:softmax"，将分类的类别数num_class设为3。其他常见的参数有：

booster: 可以取"gbtree"或"gblinear"。gbtree采用基于树的模型进行提升计算，gblinear采用线性模型。
eta: 步长收缩值。每一步提升，会按eta收缩特征的权重，以防止过拟合。取值范围是[0,1]，默认值是0.3。
gamma: 小的损失减少值，仅当分裂树节点产生的损失减小大于gamma时才会分裂。取值范围是[0,∞]，默认值是0。
max_depth: 树的大深度。取值范围是[0,∞]，默认值是6。
subsample: 采样的比例。减少这个参数的值可以避免过拟合。取值范围是(0,1]，默认值是1。
lambda: L2正则的惩罚系数。默认值是0。
alpha: L1正则的惩罚系数。默认值是0。
seed: 随机数种子。默认值是0。

其他参数参见XGBoost的官方文档。

在本例中，我们将设置objective, num_class, max_depth, eta, subsample这些参数：

params = {
    objective: "multi:softmax",
    num_class: 3,
    max_depth: 5,
    eta: 0.1,
    subsample: 0.9
}
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训练模型，预测并计算分类准确率：

model = xgboost::train(Y, X, params)

testX = select Alcohol, MalicAcid, Ash, AlcalinityOfAsh, Magnesium, TotalPhenols, Flavanoids, NonflavanoidPhenols, Proanthocyanins, ColorIntensity, Hue, OD280_OD315, Proline from wineTest
predicted = xgboost::predict(model, testX)

sum(predicted == wineTest.Label) \ wineTest.size()    // 0.962963
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同样，可以将模型持久化或加载已有模型：

xgboost::saveModel(model, "xgboost001.mdl")

model = xgboost::loadModel("xgboost001.mdl")
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通过指定xgboost::train的xgbModel参数，对已有的模型进行增量训练：

model = xgboost::train(Y, X, params, , model)
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附录：DolphinDB机器学习函数

A. 机器学习训练函数

B. 机器学习工具函数

C. 机器学习插件

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