本文為你介紹，如何從 Waze 交通事件開放數(shù)據(jù)中，利用序列模型找到規(guī)律，進行分類預(yù)測。以便相關(guān)部門可以未雨綢繆，提前有效干預(yù)可能發(fā)生的嚴(yán)重?fù)矶隆?/p>

尋找

之前在《文科生如何理解循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）？》一文中，我為你講解過循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的含義?！度绾斡?Python 和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做中文文本分類？》一文，我又為你介紹了如何用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對文本做分類。

我不希望給你一種錯誤的簡單關(guān)聯(lián)，即“循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只能用來處理文本數(shù)據(jù)”。

事實上，只要是序列數(shù)據(jù)，你都可以考慮一下循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。

我一直打算找個其他序列數(shù)據(jù)的樣例，給你展示循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的更多應(yīng)用場景。

但是這個數(shù)據(jù)不太好選擇。

目前一個熱門的應(yīng)用場景，就是金融產(chǎn)品的價格預(yù)測。

每時每秒，金融產(chǎn)品的價格都在變動。把它匯集起來，是個典型的序列數(shù)據(jù)。

但是我一直不看好這種應(yīng)用。因為金融產(chǎn)品的定價，應(yīng)該是面向未來的。基于歷史價格信息尋找波動規(guī)律，并對未來價格進行預(yù)測，實際上如同看著后視鏡開車一般危險。

但是，還有很多人依然樂此不疲地嘗試。很多時候，他們也能嘗到成功的甜頭。

這是為什么？

原因在于，金融市場的參與者，并非理性的機器，而是由人組成的群體。從行為金融學(xué)的角度來看，進化給人類思考與行為帶來了一些“快捷方式”，你可以利用它們從中漁利。

陸蓉教授的《行為金融學(xué)》欄目，對此有詳細介紹。

例如，人們追漲殺跌，認(rèn)為歷史會重演；

例如，吸引大眾關(guān)注到事件，總會帶來買入；

例如，人們會傾向于投資于自己熟悉的標(biāo)的；

例如，人們會購買下跌的已持倉標(biāo)的，來攤薄成本。

……

如果沒有大風(fēng)浪，這種對市場參與者行為規(guī)律的洞察，確實可以幫你賺錢。你可以從價格的歷史波動中，挖掘出這些規(guī)律的影響。但是這對沒有模型可用的人來說，不公平。教你建模，就如同教你考試作弊。

如果遇到黑天鵝事件，其影響大概率會超過市場參與者行為偏誤帶來的歷史價格波動規(guī)律。那么你，可能會因為應(yīng)用模型，而遭遇虧損。你大約不會認(rèn)為這是自己的錯誤，而直接把我當(dāng)做騙子，朝我扔雞蛋。

理性權(quán)衡后，我決定不用金融產(chǎn)品價格趨勢分析，作為循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用樣例。

其他開放的序列數(shù)據(jù)，當(dāng)然也有很多。例如共享單車租用數(shù)據(jù)、氣溫變化數(shù)據(jù)等。

不過這些應(yīng)用，一來別人都寫過了，不新鮮。二來，氣溫變化，你看天氣預(yù)報就好了。共享單車租用數(shù)量……你真的關(guān)心這里的規(guī)律嗎？

正在我猶豫的時候，一次偶然的機會，我接觸到了一個新的序列數(shù)據(jù)樣例——交通事件數(shù)據(jù)。我覺得，把它作為應(yīng)用案例分享給你，可能更合適一些。

比賽

拿到這個數(shù)據(jù)，是因為我參與了一次編程馬拉松（hackathon）比賽。

比賽在 Frisco 的 UNT Inspire Park 舉辦。從早上8點開始，一直到晚上9點多才結(jié)束。中間可以自由吃免費提供的點心和水果，也可以到院子里曬曬太陽放放風(fēng)。大家還可以自由交流和組隊。

主辦方為參賽者提供了若干種開放數(shù)據(jù)，也提了一些問題供大家參考解答。當(dāng)然，實際參賽的時候，你也可以自己擬定新的題目。

這其中，就包括了 Waze 數(shù)據(jù)。

我在中國開車，平時用的都是高德導(dǎo)航，對于 Waze 這款 App 不大熟悉。

簡而言之，這個 Waze 應(yīng)用除了提供一般的導(dǎo)航功能之外，還有一個類似于眾包的功能——讓司機們自由提交路況信息。

這樣一來，Waze 就利用群體智慧形成了一個眼觀六路耳聽八方的巨大網(wǎng)絡(luò)，隨時依據(jù)用戶提供的情況，匯總成實時交通參考。并且匯報給用戶，以便于大家調(diào)整自己的行車路線。

我覺得最有用的特點是，在堵車的時候，你可以了解到前面究竟發(fā)生了什么。其他導(dǎo)航也有實時交通狀況提示，但是你對前面的情況一無所知。道路半幅施工？交通事故？

信息的對稱，可以在很大程度上，讓司機避免焦慮。

Waze 從幾年前開始，就和政府部門合作，進行數(shù)據(jù)開放共享。這樣一來，政府可以通過 Waze 的數(shù)據(jù)了解交通實時狀況，對于問題進行快速的響應(yīng)處理；與此同時， Waze 用戶也因為可以獲取整合其他相關(guān)類型的政府開放數(shù)據(jù)（例如道路規(guī)劃等），更加有效合理安排出行。

這次比賽，主辦方提供的數(shù)據(jù)，是 DFW （達拉斯-沃斯堡都會區(qū)）區(qū)域，11月1日到29日的 Waze 交通事件（Incidents）開放數(shù)據(jù)，這是政府開放數(shù)據(jù)的一部分。這些數(shù)據(jù)基本都是來自于 Waze 用戶的提交。

原始的數(shù)據(jù)，接近 300 MB。每一條事件信息，都包含了提交的經(jīng)緯度，以及時間。因此在探索性數(shù)據(jù)分析階段，我做了幾個可視化圖形。

這是我當(dāng)天跟新認(rèn)識的編程高手 Jesse 學(xué)的 QGIS 分析結(jié)果。

看看圖上的點，每一個都對應(yīng)一次事件匯報。這叫一個密密麻麻啊。

因為 QGIS 初學(xué)，用得不熟，我還是用 Python 進行了分類繪圖。

這只是前 3000 條數(shù)據(jù)中部分類型的可視化。其中紅色代表交通擁堵，黃色代表事故發(fā)生，藍色代表有車停在了路肩上。

可以看到，紅色的數(shù)據(jù)量最大。這說明交通擁堵是個大問題。

我把全部的數(shù)據(jù)都拿了出來，提煉出包含的事件類型，包括以下這些類：

我看到，其中單是交通阻塞，也是分為若干級別的。其中最嚴(yán)重的，分別是“大型交通擁堵”（large traffic jam）和“超大型交通擁堵”（huge traffic jam）。

于是，我把所有這兩種嚴(yán)重交通擁堵事件，合并成一個集合；其他剩余事件，作為另一個集合。

對于每一個嚴(yán)重?fù)矶率录?，我追?0分鐘，把之前同一條道路上，發(fā)生的事件，按照順序存成一個列表。這樣的列表，有987個；但是，其中有一些，是驟然發(fā)生的，30分鐘的區(qū)間里面，沒有任何其他事件作為先兆。這樣的空列表，我進行了清除。剩下了861個有效序列。

同樣，從剩余事件集合中，我們隨機找到了861個非空有效序列。這些序列，后續(xù)緊隨事件，都不是嚴(yán)重?fù)矶隆?/p>

我們對嚴(yán)重?fù)矶轮?0分鐘的事件序列，標(biāo)記為1；對于非嚴(yán)重?fù)矶轮?0分鐘的事件序列，標(biāo)記為0。

于是，我們就把問題轉(zhuǎn)換成了，能否利用事件序列，進行分類，預(yù)測后續(xù)是否會發(fā)生嚴(yán)重?fù)矶隆?/p>

靠著這個模型，我們團隊（UNT IIA lab代表隊，其實不過就是我和春迎倆人，團隊昵稱 watch-dumpling ）在這次比賽中，獲得第一名。

這是 HackNTX 官網(wǎng)的報道（http://t.cn/EUbS9m5） 。

UNT 網(wǎng)站也正式發(fā)布了這則新聞（http://t.cn/EUbS127），于是我周圍盡人皆知。我才剛拿到手的獎金，立即就因為請客被掃蕩一空了。

奪冠純屬是個意外，幸運占得比重很大。但是我覺得我們做的這個模型，還是有些應(yīng)用價值的。

下面，我就以這組 Waze 交通事件數(shù)據(jù)，詳細給你講解一下，如何用 Python, Keras 和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，來實現(xiàn)這個序列數(shù)據(jù)分類模型。

環(huán)境

要運行深度學(xué)習(xí)，你需要有 GPU 或者 TPU 的支持，否則會累壞你的筆記本電腦的。Google Colab 是個不錯的實驗平臺，可以讓你免費使用 TPU 來進行深度學(xué)習(xí)訓(xùn)練。你可以閱讀《如何免費云端運行Python深度學(xué)習(xí)框架？》一文，查詢更為詳細的介紹。

這里，請你使用 Chrome 瀏覽器，點擊這個鏈接，安裝一個插件 Colaboratory 。

把它添加到 Google Chrome 之后，你會在瀏覽器的擴展工具欄里面，看見下圖中間的圖標(biāo)：

然后，請到本范例的github repo 主頁面。

打開其中的demo.ipynb文件。

點擊 Colaboratory 擴展圖標(biāo)。Google Chrome 會自動幫你開啟 Google Colab，并且裝載這個 ipynb 文件。

點擊上圖中紅色標(biāo)出的“復(fù)制到云端硬盤”按鈕。Google 會為你新建一個屬于你自己的副本。

點擊菜單欄里面的“代碼執(zhí)行程序”，選擇“更改運行時類型”。

在出現(xiàn)的對話框中，確認(rèn)選項如下圖所示。

點擊“保存”即可。

下面，你就可以依次執(zhí)行每一個代碼段落了。

注意第一次執(zhí)行的時候，可能會有警告提示。

出現(xiàn)上面這個警告的時候，點擊“仍然運行”就可以繼續(xù)了。

如果再次出現(xiàn)警告提示，反勾選“在運行前充值所有代碼執(zhí)行程序”選項，再次點擊“仍然運行”即可。

環(huán)境準(zhǔn)備好了，下面我們來一步步運行代碼。

代碼

首先，我們讀入 Pandas 軟件包，以便進行結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù)的處理。

importpandasaspd

這次還要讀入的一個軟件包，是 Python 中間進行數(shù)據(jù)存取的利器，叫做 pickle 。

importpickle

它可以把 Python 數(shù)據(jù)，甚至是許多組數(shù)據(jù)，一起存儲到指定文件。然后讀出的時候，可以完全恢復(fù)原先數(shù)據(jù)的格式。這一點上，它比用 csv 進行數(shù)據(jù)存儲和交換的效果更好，效率也更高。

下面我們從本文配套的 github 項目中，把數(shù)據(jù)傳遞過來。

!gitclonehttps://github.com/wshuyi/demo_traffic_jam_prediction.git

數(shù)據(jù)的下載，很快就可以完成。

Cloninginto'demo_traffic_jam_prediction'...remote:Enumeratingobjects:6,done.[Kremote:Countingobjects:100%(6/6),done.[Kremote:Compressingobjects:100%(4/4),done.[Kremote:Total6(delta0),reused3(delta0),pack-reused0[KUnpackingobjects:100%(6/6),done.

我們告訴 Jupyter Notebook ，數(shù)據(jù)文件夾的位置。

frompathlibimportPathdata_dir=Path('demo_traffic_jam_prediction')

打開數(shù)據(jù)文件，利用 pickle 把兩組數(shù)據(jù)分別取出。

withopen(data_dir/'data.pickle','rb')asf:[event_dict,df]=pickle.load(f)

先看其中的事件詞典event_dict：

event_dict

以下就是全部的事件類型。

{1:'roadclosedduetoconstruction',2:'trafficjam',3:'stoppedcarontheshoulder',4:'roadclosed',5:'other',6:'objectonroadway',7:'majorevent',8:'pothole',9:'trafficheavierthannormal',10:'roadconstruction',11:'fog',12:'accident',13:'slowdown',14:'stoppedcar',15:'smalltrafficjam',16:'stoppedtraffic',17:'heavytraffic',18:'minoraccident',19:'mediumtrafficjam',20:'malfunctioningtrafficlight',21:'missingsignontheshoulder',22:'animalontheshoulder',23:'animalstruck',24:'largetrafficjam',25:'hazardontheshoulder',26:'hazardonroad',27:'iceonroadway',28:'weatherhazard',29:'flooding',30:'roadclosedduetohazard',31:'hail',32:'hugetrafficjam'}

同樣，我們來看看存儲事件序列的數(shù)據(jù)框。

先看前10個：

df.head(10)

注意，每一行，都包含了標(biāo)記。

再看結(jié)尾部分：

df.tail(10)

讀取無誤。

下面我們來看看，最長的一個序列，編號是多少。

這里，我們利用的是 Pandas 的一個函數(shù)，叫做idxmax()，它可以幫助我們，把最大值對應(yīng)的索引編號，傳遞回來。

max_len_event_id=df.events.apply(len).idxmax()max_len_event_id

結(jié)果為：

105

我們來看看，這個編號對應(yīng)的事件序列，是什么樣子的：

max_len_event=df.iloc[max_len_event_id]max_len_event.events

下面是長長的反饋結(jié)果：

['stoppedcarontheshoulder','heavytraffic','heavytraffic','heavytraffic','slowdown','stoppedtraffic','heavytraffic','heavytraffic','heavytraffic','heavytraffic','trafficheavierthannormal','stoppedcarontheshoulder','trafficjam','heavytraffic','stoppedtraffic','stoppedtraffic','stoppedtraffic','heavytraffic','trafficjam','stoppedcarontheshoulder','stoppedtraffic','stoppedtraffic','stoppedtraffic','heavytraffic','trafficheavierthannormal','trafficheavierthannormal','trafficheavierthannormal','trafficheavierthannormal','heavytraffic','stoppedtraffic','trafficheavierthannormal','pothole','stoppedcarontheshoulder','trafficjam','slowdown','stoppedtraffic','heavytraffic','trafficheavierthannormal','trafficjam','trafficjam','stoppedcarontheshoulder','majorevent','trafficjam','trafficjam','stoppedtraffic','heavytraffic','trafficheavierthannormal','stoppedcarontheshoulder','slowdown','heavytraffic','heavytraffic','stoppedcarontheshoulder','trafficjam','slowdown','slowdown','heavytraffic','stoppedcarontheshoulder','heavytraffic','minoraccident','stoppedcarontheshoulder','heavytraffic','stoppedcarontheshoulder','heavytraffic','stoppedtraffic','heavytraffic','trafficheavierthannormal','heavytraffic','stoppedcarontheshoulder','trafficheavierthannormal','stoppedtraffic','heavytraffic','heavytraffic','heavytraffic','stoppedcarontheshoulder','slowdown','stoppedtraffic','heavytraffic','stoppedcarontheshoulder','trafficheavierthannormal','heavytraffic','minoraccident','majorevent','stoppedcarontheshoulder','stoppedcarontheshoulder']

讀一遍，你就會發(fā)現(xiàn)，在超級擁堵發(fā)生之前，確實還是有一些先兆的。當(dāng)然，這是由人來閱讀后，獲得的觀感。我們下面需要做的，是讓機器自動把握這些列表的特征，并且做出區(qū)別分類。

我們看看，這個最長列表的長度。

maxlen=len(max_len_event.events)maxlen

結(jié)果為：

84

這里的前導(dǎo)事件，還真是不少啊。

下面我們要做的，是把事件轉(zhuǎn)換成數(shù)字編號，這樣后面更容易處理。

我們使用以下的一個小技巧，把原先的事件詞典倒置，即變“序號：事件名稱”，為“事件名稱：序號”。這樣，以事件名稱查詢起來，效率會高很多。

reversed_dict={}fork,vinevent_dict.items():reversed_dict[v]=k

我們看看倒置的結(jié)果詞典：

reversed_dict

這是反饋結(jié)果：

{'accident':12,'animalontheshoulder':22,'animalstruck':23,'flooding':29,'fog':11,'hail':31,'hazardonroad':26,'hazardontheshoulder':25,'heavytraffic':17,'hugetrafficjam':32,'iceonroadway':27,'largetrafficjam':24,'majorevent':7,'malfunctioningtrafficlight':20,'mediumtrafficjam':19,'minoraccident':18,'missingsignontheshoulder':21,'objectonroadway':6,'other':5,'pothole':8,'roadclosed':4,'roadclosedduetoconstruction':1,'roadclosedduetohazard':30,'roadconstruction':10,'slowdown':13,'smalltrafficjam':15,'stoppedcar':14,'stoppedcarontheshoulder':3,'stoppedtraffic':16,'trafficheavierthannormal':9,'trafficjam':2,'weatherhazard':28}

成功了。

下面我們編寫一個函數(shù)，輸入一個事件列表，返回對應(yīng)的事件編號列表。

defmap_event_list_to_idxs(event_list):list_idxs=[]foreventin(event_list):idx=reversed_dict[event]list_idxs.append(idx)returnlist_idxs

然后，我們在剛才是找到的最長列表上，實驗一下：

map_event_list_to_idxs(max_len_event.events)

結(jié)果是這樣的：

[3,17,17,17,13,16,17,17,17,17,9,3,2,17,16,16,16,17,2,3,16,16,16,17,9,9,9,9,17,16,9,8,3,2,13,16,17,9,2,2,3,7,2,2,16,17,9,3,13,17,17,3,2,13,13,17,3,17,18,3,17,3,17,16,17,9,17,3,9,16,17,17,17,3,13,16,17,3,9,17,18,7,3,3]

看來功能實現(xiàn)上，沒問題。

讀入 numpy 和 Keras 的一些工具。

importnumpyasnpfromkeras.utilsimportto_categoricalfromkeras.preprocessing.sequenceimportpad_sequences

系統(tǒng)自動提示我們，Keras 使用了 Tensorflow 作為后端框架。

UsingTensorFlowbackend.

我們需要弄清楚，一共有多少種事件類型。

len(event_dict)

結(jié)果是：

32

因此，我們需要對32種不同的事件類型，進行轉(zhuǎn)換和處理。

我們把整個數(shù)據(jù)集里面的事件類型，都變成事件編號。

df.events.apply(map_event_list_to_idxs)

結(jié)果如下：

0[9,17,18,14,13,17,3,13,16,3,17,17,...1[2,10,3]2[2]3[2]4[2,2,2,2,2,2,2,9]5[3,2,17]6[3,2,17]7[2,15,2,17,2,2,13,17,2]8[17,2,2,16,17,2]9[17,2,2,16,17,2]10[17,16,17,2,17,3,17,17,16,17,16,18,...11[17]12[17]13[24,24]14[24,2,24,24,2]15[24,2,24,24,2]16[2,10,2,2,2,18,16,16,7,2,16,2,2,9...17[2,10,2,2,2,18,16,16,7,2,16,2,2,9...18[24,24,24,16,2,16]19[24,24,24,16,2,16]20[2,2]21[2,16,2]22[2,16,2]23[2,2]24[2,2]25[24,24]26[2,2]27[2,2,2,17]28[2,19,2]29[24]...831[9,9,9,2,9,9,17,2,9,17]832[3,3,3]833[2,9,2,17,17,2]834[3,3,17,3,13,3,3,23,9,3,3,25,3,3]835[3,17,9,14,9,17,14,9,2,9,3,2,2,17]836[2]837[17,2,16,3,9,17,17,17,13,17,9,17]838[13,17,17,3,3,16,17,16,17,16,3,9,1...839[2]840[3]841[2]842[17,17,17,3,17,23,16,17,17,3,2,13,...843[3,3]844[2]845[2,17,2,2,2,2,2,17,2,2]846[7,17,3,18,17]847[3,3,3]848[2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,...849[2,2]850[2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,2,13,3,2]851[2,2,2]852[16,2,16]853[3,16,5,3,17,3,16,9,3,2,17]854[16]855[3,3,3,3,3,3,3,3,2,13,3,6,3,6,3,...856[17,17,17,2,3,2,2,2,2,2]857[2,2]858[2,2,9,17,2,2]859[17,3,2,2,2,2,2,2]860[17,3,3,17,3,17,2,3,18,14,3,3,16,...Name:events,Length:1722,dtype:object

現(xiàn)在，作為人類，我們確實是看不清楚，列表里面的事件都是什么了。好在計算機對于數(shù)字，更加喜聞樂見。

我們把該列表，起名為 sequences ，并且顯示前5項內(nèi)容。

sequences=df.events.apply(map_event_list_to_idxs).tolist()sequences[:5]

下面是結(jié)果：

[[9,17,18,14,13,17,3,13,16,3,17,17,16,3,16,17,9,17,2,17,2,7,16,17,17,17,17,13,5,17,9,9,16,16,3],[2,10,3],[2],[2],[2,2,2,2,2,2,2,9]]

注意，第一行，明顯比后幾行都要長。

對于輸入序列，我們希望它的長度都是一樣的。因此，下面我們就用最長的序列長度作為標(biāo)準(zhǔn)，用 0 來填充其他短序列。

data=pad_sequences(sequences,maxlen=maxlen)data

這是結(jié)果：

array([[0,0,0,...,16,16,3],[0,0,0,...,2,10,3],[0,0,0,...,0,0,2],...,[0,0,0,...,17,2,2],[0,0,0,...,2,2,2],[0,0,0,...,3,3,2]],dtype=int32)

注意，所有的0，都補充到了序列的最前端。序列都一樣長了。

下面，我們把全部的分類標(biāo)記，存儲到 labels 變量里面。

labels=np.array(df.label)

后面，我們有好幾個函數(shù)，需要用到隨機變量。

為了咱們運行結(jié)果的一致性。我這里指定隨機種子數(shù)值。你第一次嘗試運行的時候，不要動它。但是后面自己動手操作的時候，可以任意修改它。

np.random.seed(12)

好了，下面我們“洗牌”。打亂數(shù)據(jù)的順序，但是注意序列和對應(yīng)標(biāo)記之間，要保持一致性。

indices=np.arange(data.shape[0])np.random.shuffle(indices)data=data[indices]labels=labels[indices]

然后，我們?nèi)?80% 的數(shù)據(jù)，作為訓(xùn)練；另外 20% 的數(shù)據(jù)，作為驗證。

training_samples=int(len(indices)*.8)validation_samples=len(indices)-training_samples

我們正式劃分訓(xùn)練集和驗證集。

X_train=data[:training_samples]y_train=labels[:training_samples]X_valid=data[training_samples:training_samples+validation_samples]y_valid=labels[training_samples:training_samples+validation_samples]

看看訓(xùn)練集的內(nèi)容。

X_train

結(jié)果為：

array([[0,0,0,...,15,15,3],[0,0,0,...,0,2,2],[0,0,0,...,0,0,16],...,[0,0,0,...,2,15,16],[0,0,0,...,2,2,2],[0,0,0,...,0,0,2]],dtype=int32)

注意由于我們補充了“0”，作為填充，因此原先的32種事件類型的基礎(chǔ)上，又加了一種。

這就是我們新的事件類型數(shù)量：

num_events=len(event_dict)+1

我們使用嵌入層，把事件標(biāo)號，轉(zhuǎn)換成一系列數(shù)字組成的向量。這樣，可以避免模型把事件序號，當(dāng)成數(shù)值型數(shù)據(jù)來處理。

這里，我們指定每一個標(biāo)號，轉(zhuǎn)換成 20 個數(shù)字組成的向量。

embedding_dim=20

利用事件類型數(shù)量，和事件向量長度，我們隨機構(gòu)造初始的嵌入矩陣。

embedding_matrix=np.random.rand(num_events,embedding_dim)

下面我們搭建一個循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。其中的 LSTM 層，包含了32位輸出數(shù)字。

fromkeras.modelsimportSequentialfromkeras.layersimportEmbedding,Flatten,Dense,LSTMunits=32model=Sequential()model.add(Embedding(num_events,embedding_dim))model.add(LSTM(units))model.add(Dense(1,activation='sigmoid'))

這里，我假設(shè)你已經(jīng)看過了《如何用 Python 和循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)做中文文本分類？》一文，所以就不對細節(jié)進行講述了。如果你沒有看過，或者已經(jīng)遺忘，可以點擊這個鏈接復(fù)習(xí)一下。

如果你對 Keras 的使用方法還不熟悉，我再次向你推薦 Fran?ois Chollet 的《Deep Learning with Python》。

下面，是處理其中的嵌入層參數(shù)。我們直接把剛才隨機生成的嵌入矩陣挪進來。而且，不讓模型在訓(xùn)練中對嵌入層參數(shù)進行修改。

model.layers[0].set_weights([embedding_matrix])model.layers[0].trainable=False

下面，我們開始訓(xùn)練。并且把模型運行結(jié)果保存起來。

model.compile(optimizer='rmsprop',loss='binary_crossentropy',metrics=['acc'])history=model.fit(X_train,y_train,epochs=50,batch_size=32,validation_data=(X_valid,y_valid))model.save("mymodel_embedding_untrainable.h5")

可以看到，因為有 TPU 的強力支持，程序在歡快地運行中。

訓(xùn)練過程結(jié)束之后，我們利用 matplotlib 繪圖功能，看一下訓(xùn)練中，準(zhǔn)確率和損失值的變化。

importmatplotlib.pyplotaspltacc=history.history['acc']val_acc=history.history['val_acc']loss=history.history['loss']val_loss=history.history['val_loss']epochs=range(1,len(acc)+1)plt.plot(epochs,acc,'bo',label='Trainingacc')plt.plot(epochs,val_acc,'b',label='Validationacc')plt.title('Trainingandvalidationaccuracy')plt.legend()plt.figure()plt.plot(epochs,loss,'bo',label='Trainingloss')plt.plot(epochs,val_loss,'b',label='Validationloss')plt.title('Trainingandvalidationloss')plt.legend()plt.show()

這是準(zhǔn)確率變化曲線。

可以看到，效果還是不錯的。因為我們數(shù)據(jù)中，不同標(biāo)記各占一半。因此如果構(gòu)建一個 dummy model 作為標(biāo)準(zhǔn)線的話，對所有的輸入都猜測0或者1，準(zhǔn)確率應(yīng)該只有50%。

這里的準(zhǔn)確率，已經(jīng)達到了65%-75%之間，證明我們的模型是有意義的。只不過，抖動比較厲害，穩(wěn)定性差。

這是損失值變化曲線。

這個圖看起來，就不是很美妙了。因為雖然訓(xùn)練集上面的損失值一路下降，但是驗證集上，這個效果并不是很明顯，一直劇烈波動。

看到結(jié)果，不是最重要的。關(guān)鍵是我們得分析出目前遇到問題，原因是什么。

注意我們前面使用了嵌入矩陣。它隨機生成，卻又沒有真正進行訓(xùn)練調(diào)整，這可能是個問題。

因此，我們這里再次構(gòu)建和跑一下模型。唯一改動的地方，在于讓嵌入矩陣的參數(shù)也可以隨著訓(xùn)練進行自動調(diào)整。

fromkeras.modelsimportSequentialfromkeras.layersimportEmbedding,Flatten,Dense,LSTMunits=32model=Sequential()model.add(Embedding(num_events,embedding_dim))model.add(LSTM(units))model.add(Dense(1,activation='sigmoid'))

注意這里的差別，就是trainable設(shè)置為真值。

model.layers[0].set_weights([embedding_matrix])model.layers[0].trainable=True

構(gòu)建模型，再次運行。

model.compile(optimizer='rmsprop',loss='binary_crossentropy',metrics=['acc'])history=model.fit(X_train,y_train,epochs=50,batch_size=32,validation_data=(X_valid,y_valid))model.save("mymodel_embedding_trainable.h5")

繪圖看看。

importmatplotlib.pyplotaspltacc=history.history['acc']val_acc=history.history['val_acc']loss=history.history['loss']val_loss=history.history['val_loss']epochs=range(1,len(acc)+1)plt.plot(epochs,acc,'bo',label='Trainingacc')plt.plot(epochs,val_acc,'b',label='Validationacc')plt.title('Trainingandvalidationaccuracy')plt.legend()plt.figure()plt.plot(epochs,loss,'bo',label='Trainingloss')plt.plot(epochs,val_loss,'b',label='Validationloss')plt.title('Trainingandvalidationloss')plt.legend()plt.show()

這次的準(zhǔn)確率曲線，看起來好多了。驗證集波動沒有這么劇烈，模型穩(wěn)定性好了許多。而且，準(zhǔn)確率的取值，也獲得了提升。后半程穩(wěn)定在了75%以上。這樣的模型，就有應(yīng)用價值了。

但是我們看看損失值曲線，可能就不這么樂觀了。

注意從半程之后，訓(xùn)練集和驗證集的損失值變化，就發(fā)生了分叉。

這是典型的過擬合（over-fitting）。

發(fā)生過擬合，主要原因就是相對于復(fù)雜的模型，訓(xùn)練數(shù)據(jù)不夠用。

這時候，要么增加訓(xùn)練數(shù)據(jù)，要么降低模型復(fù)雜度。

立即增加數(shù)據(jù)，不太現(xiàn)實。因為我們手中，目前只有那29天里積攢的數(shù)據(jù)。但是降低模型復(fù)雜度，是可以利用 Dropout 來嘗試完成的。

Dropout 的實現(xiàn)機理，是在訓(xùn)練的時候，每次隨機把一定比例的模型中神經(jīng)元對應(yīng)權(quán)重參數(shù)，設(shè)置為0，讓它不起作用。這樣，模型的復(fù)雜度，就會降低。

下面，我們輕微修改一下，在 LSTM 層上，加入dropout=0.2, recurrent_dropout=0.2這兩個參數(shù)。

fromkeras.modelsimportSequentialfromkeras.layersimportEmbedding,Flatten,Dense,LSTMunits=32model=Sequential()model.add(Embedding(num_events,embedding_dim))model.add(LSTM(units,dropout=0.2,recurrent_dropout=0.2))model.add(Dense(1,activation='sigmoid'))

依然保持嵌入層可以被訓(xùn)練。

model.layers[0].set_weights([embedding_matrix])model.layers[0].trainable=True

再次運行。

model.compile(optimizer='rmsprop',loss='binary_crossentropy',metrics=['acc'])history=model.fit(X_train,y_train,epochs=50,batch_size=32,validation_data=(X_valid,y_valid))model.save("mymodel_embedding_trainable_with_dropout.h5")

繪制圖形的函數(shù)跟之前兩次完全一致。

importmatplotlib.pyplotaspltacc=history.history['acc']val_acc=history.history['val_acc']loss=history.history['loss']val_loss=history.history['val_loss']epochs=range(1,len(acc)+1)plt.plot(epochs,acc,'bo',label='Trainingacc')plt.plot(epochs,val_acc,'b',label='Validationacc')plt.title('Trainingandvalidationaccuracy')plt.legend()plt.figure()plt.plot(epochs,loss,'bo',label='Trainingloss')plt.plot(epochs,val_loss,'b',label='Validationloss')plt.title('Trainingandvalidationloss')plt.legend()plt.show()

這次的準(zhǔn)確率曲線，看起來達到的數(shù)值，跟沒有加入 Dropout 的差不多。

然而，我們可以感受到訓(xùn)練集和驗證集達到的準(zhǔn)確率更加貼近。曲線更加平滑。

下面我們看看損失值曲線的變化。

這個曲線上，過擬合的去除效果就更為明顯了?？梢钥吹接?xùn)練集和驗證集兩條曲線的波動基本保持了一致。這樣我們更可以確信，模型預(yù)測能力是穩(wěn)定的，對外界新的輸入信息，適應(yīng)性更好。

如果把咱們的模型放在交通管理部門那里，可以期望它根據(jù) Waze 獲得的新序列數(shù)據(jù)，能以大約 75% 的準(zhǔn)確率，預(yù)測嚴(yán)重交通擁堵的發(fā)生。這樣，交管部門就可以未雨綢繆，提前做出干預(yù)了。

用序列模型，欺負(fù)金融市場的散戶，屬于零和博弈。然而這種在交通管理上的應(yīng)用，大概更能造福社會，體現(xiàn)科技的價值吧。

小結(jié)

通過本文的學(xué)習(xí)和實際上手操作，希望你已了解了以下知識點：

不只是文本，其他序列數(shù)據(jù)，也可以利用循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來進行分類預(yù)測。

對定類數(shù)據(jù)（categorical data）進行嵌入表示，如果用隨機數(shù)初始，那么在建模過程中把嵌入層一起訓(xùn)練，效果會更好。

數(shù)據(jù)量不夠的情況下，深度學(xué)習(xí)很可能會發(fā)生過擬合。使用 Dropout ，可以降低過擬合的影響，讓模型具有更好的穩(wěn)定性和可擴展性。

希望這篇文章，可以幫助你了解循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的更多應(yīng)用場景。在實際的工作和學(xué)習(xí)中，靈活運用它來處理序列數(shù)據(jù)的分類等任務(wù)。