使用 ML.NET 对 K-Means 平均值聚类分析和分类

数据集 :https://en.wikipedia.org/wiki/Iris_flower_data_set

聚类分析

非监管式机器学习任务，用于将数据实例分组到包含类似特性的群集。聚类分析还可用来识别可能无法通过浏览或简单的观察以逻辑方式推导出的数据集中的关系。聚类分析算法的输入和输出取决于选择的方法。可以采取分发、质心、连接或基于密度的方法。ML.NET 当前支持使用 K 平均值聚类分析的基于质心的方法。聚类分析方案示例包括：

基于酒店选择的习惯和特征来了解酒店来宾群。
确定客户群和人口统计信息来帮助生成目标广告活动。
基于生产指标对清单进行分类。

聚类分析训练程序

可以使用以下算法训练聚类分析模型：

KMeansTrainer

聚类分析输入和输出

输入特征数据必须为 Single。无需标签。

该训练程序输出以下列：

输出名称	类型	说明
`Score`	Single 的向量	给定数据点到所有群集的质心的距离
`PredictedLabel`	key 类型	模型预测的最接近的群集的索引。

异常情况检测

此任务使用主体组件分析 (PCA) 创建异常情况检测模型。基于 PCA 的异常情况检测有助于在以下场景中构建模型：可以很轻松地从一个类中获得定型数据（例如有效事务），但难以获得目标异常的足够示例。

PCA 是机器学习中已建立的一种技术，由于它揭示了数据的内部结构，并解释了数据中的差异，因此经常被用于探索性数据分析。PCA 的工作方式是通过分析包含多个变量的数据。它查找变量之间的关联性，并确定最能捕捉结果差异的值的组合。这些组合的特性值用于创建一个更紧凑的特性空间，称为主体组件。

异常情况检测包含机器学习中的许多重要任务：

识别潜在的欺诈交易。
指示发生了网络入侵的学习模式。
发现异常的患者群集。
检查输入系统的值。

根据定义，异常情况属于罕见事件，因此很难收集具有代表性的数据样本用于建模。此类别中包含的算法是专门设计用来解决使用不平衡数据集建立和定型模型的核心挑战。

异常情况检测训练程序

可以使用以下算法训练异常情况检测模型：

RandomizedPcaTrainer

异常情况检测输入和输出

输入特征必须为 Single 的固定大小向量。

该训练程序输出以下列：

输出名称	类型	说明
`Score`	Single	由异常情况检测模型计算得出的非负无界分数

排名

排名任务从一组标记的示例构建排名程序。该示例集由实例组组成，这些实例组可以使用给定的标准进行评分。每个实例的排名标签是 { 0, 1, 2, 3, 4 }。排名程序定型为用每个实例的未知分数对新实例组进行排名。 ML.NET 排名学习器基于机器已学习的排名。

排名训练算法

可以使用以下算法训练排名模型：

排名输入和输出

输入标签数据类型必须为 key 类型或 Single。标签的值决定相关性，其中较高的值表示较高的相关性。如果标签为 key 类型，则键索引为相关性值，其中最小索引是最不相关的。如果标签为 Single，则较大的值表示较高的相关性。

特征数据必须为 Single 的固定大小向量，输入行组列必须为 key 类型。

该训练程序输出以下列：

输出名称	类型	说明
`Score`	Single	由模型计算以确定预测的无界分数

建议

推荐任务支持生成推荐产品或服务的列表。 ML.NET 使用矩阵因子分解 (MF)，这是一种协作筛选算法，当目录中有历史产品评级数据时，推荐使用该算法。例如，你为用户提供历史电影评级数据，并希望向他们推荐接下来可能观看的其他电影。

建议训练算法

可以使用以下算法训练建议模型：

MatrixFactorizationTrainer

系统必备

安装了“.NET Core 跨平台开发”工作负载的 Visual Studio 2017 15.6 或更高版本。

了解问题

此问题的本质即基于花卉特征将鸢尾花数据归入不同的组。这些特征包括：花萼的长度和宽度以及花瓣的长度和宽度。此教程假设每朵花的类型都是未知的。需通过这些特征了解数据集的结构，并预测数据实例与此结构的拟合程度。

选择适当的机器学习任务

鉴于不知道每朵花属于哪个分组，应选择非监管式机器学习任务。为将数据归入不同的组，并使同一组中的元素互相之间更为相似（与其他组中的元素相比），应使用聚类分析机器学习任务。

创建控制台应用程序

打开 Visual Studio。从菜单栏中选择“文件” > “新建” > “项目” 。在“新项目” 对话框中，依次选择“Visual C#” 和“.NET Core” 节点。然后，选择“控制台应用程序(.NET Core)” 项目模板。在“名称”文本框中，键入“IrisFlowerClustering”，然后选择“确定”按钮。
在项目中创建一个名为“数据”的目录来保存数据集和模型文件：

在“解决方案资源管理器”中，右键单击项目，然后选择“添加” > “新文件夹” 。键入“Data”，然后按 Enter。
安装“Microsoft.ML NuGet”包：

在“解决方案资源管理器”中，右键单击项目，然后选择“管理 NuGet 包” 。选择“nuget.org”作为包源，然后选择“浏览”选项卡并搜索“Microsoft.ML”，选择列表中的“v1.0.0”包，再选择“安装”按钮。选择“预览更改” 对话框上的“确定” 按钮，如果你同意所列包的许可条款，则选择“接受许可” 对话框上的“我接受” 按钮。

准备数据

下载 iris.data 数据集并将其保存至在上一步中创建的“数据”文件夹。若要详细了解鸢尾花数据集，请参阅鸢尾花数据集维基百科页面，以及该数据集的源鸢尾花数据集页面。
在“解决方案资源管理器”中，右键单击“iris.data”文件并选择“属性” 。在“高级”下，将“复制到输出目录”的值更改为“如果较新则复制” 。

该 iris.data 文件包含五列，分别代表以下内容：

花萼长度（厘米）
花萼宽度（厘米）
花瓣长度（厘米）
花瓣宽度（厘米）
鸢尾花类型

考虑到聚类分析示例，本教程忽略最后一列。

创建数据类

创建输入数据和预测类：

在“解决方案资源管理器” 中，右键单击项目，然后选择“添加” > “新项” 。
在“添加新项”对话框中，选择“类”并将“名称”字段更改为“IrisData.cs” 。然后，选择“添加” 按钮。
将以下 using 指令添加到新文件：

C#复制
```
using Microsoft.ML.Data;
```

删除现有类定义并向“IrisData.cs”文件添加以下代码，其中定义了两个类 IrisData 和 ClusterPrediction ：

C#复制

public class IrisData

{

    [LoadColumn(0)]

    public float SepalLength;

    [LoadColumn(1)]

    public float SepalWidth;

    [LoadColumn(2)]

    public float PetalLength;

    [LoadColumn(3)]

    public float PetalWidth;

}

public class ClusterPrediction

{

    [ColumnName("PredictedLabel")]

    public uint PredictedClusterId;

    [ColumnName("Score")]

    public float[] Distances;

}

IrisData 是输入数据类，并且具有针对数据集每个特征的定义。使用 LoadColumn 属性在数据集文件中指定源列的索引。

ClusterPrediction 类表示应用到 IrisData 实例的聚类分析模型的输出。使用 ColumnName 属性将 PredictedClusterId 和 Distances 字段分别绑定至 PredictedLabel 和 Score 列。在聚类分析任务中，这些列具有以下含义：

PredictedLabel 列包含所预测的群集的 ID。
Score 列包含一个数组，该数组中的数与群集形心之间的距离为欧氏距离的平方。该数组的长度等于群集数。

备注

使用 float 类型来表示输入和预测数据类中的浮点值。

定义数据和模型路径

返回到 Program.cs 文件并添加两个字段，以保存数据集文件以及用于保存模型的文件的路径：

_dataPath 包含具有用于定型模型的数据集的文件的路径。
_modelPath 包含用于存储定型模型的文件的路径。

将以下代码添加到 Main 方法上方，以指定这些路径：

C#复制

static readonly string _dataPath = Path.Combine(Environment.CurrentDirectory, "Data", "iris.data");

static readonly string _modelPath = Path.Combine(Environment.CurrentDirectory, "Data", "IrisClusteringModel.zip");

要编译前面的代码，请将以下 using 指令添加到 Program.cs 文件顶部：

C#复制

using System;

using System.IO;

创建 ML 上下文

将以下附加 using 指令添加到 Program.cs 文件顶部：

C#复制

using Microsoft.ML;

using Microsoft.ML.Data;

在 Main 方法中，请使用以下代码替换 Console.WriteLine("Hello World!"); 行：

C#复制

var mlContext = new MLContext(seed: 0);

Microsoft.ML.MLContext 类表示机器学习环境，并提供用于数据加载、模型定型、预测和其他任务的日志记录和入口点的机制。这在概念上相当于在实体框架中使用 DbContext。

设置数据加载

将以下代码添加到 Main 方法以设置加载数据的方式：

C#复制

IDataView dataView = mlContext.Data.LoadFromTextFile<IrisData>(_dataPath, hasHeader: false, separatorChar: ',');

泛型 MLContext.Data.LoadFromTextFile 扩展方法根据所提供的 IrisData 类型推断数据集架构，并返回可用作转换器输入的 IDataView。

创建学习管道

对于本教程，聚类分析任务的学习管道包含两个以下步骤：

将加载的列连接到“Features”列，由聚类分析训练程序使用；
借助 KMeansTrainer 训练程序使用 k - 平均值 + + 聚类分析算法来定型模型。

将以下代码添加到 Main 方法中：

C#复制

string featuresColumnName = "Features";

var pipeline = mlContext.Transforms

    .Concatenate(featuresColumnName, "SepalLength", "SepalWidth", "PetalLength", "PetalWidth")

    .Append(mlContext.Clustering.Trainers.KMeans(featuresColumnName, numberOfClusters: 3));

该代码指定该数据集应拆分为三个群集。

定型模型

前述部分中添加的步骤准备了用于定型的管道，但尚未执行。将以下行添加到 Main 方法以执行数据加载和模型定型：

C#复制

var model = pipeline.Fit(dataView);

保存模型

此时，你具有可以集成到任何现有或新 .NET 应用程序的模型。要将模型保存为 .zip 文件，请将以下代码添加到 Main 方法中：

C#复制

using (var fileStream = new FileStream(_modelPath, FileMode.Create, FileAccess.Write, FileShare.Write))

{

    mlContext.Model.Save(model, dataView.Schema, fileStream);

}

使用预测模型

要进行预测，请使用通过转换器管道获取输入类型实例和生成输出类型实例的 PredictionEngine<TSrc,TDst> 类。将以下行添加到 Main 方法以创建该类的实例：

C#复制

var predictor = mlContext.Model.CreatePredictionEngine<IrisData, ClusterPrediction>(model);

将 TestIrisData 类创建到房屋测试数据实例：

在“解决方案资源管理器” 中，右键单击项目，然后选择“添加” > “新项” 。
在“添加新项”对话框中，选择“类”并将“名称”字段更改为“TestIrisData.cs” 。然后，选择“添加” 按钮。
将类修改为静态，如下面的示例所示：

C#复制
```
static class TestIrisData
```

本教程引入此类中的一个鸢尾花数据实例。可以添加其他方案来体验此模型。将下面的代码添加到 TestIrisData 类中：

C#复制

internal static readonly IrisData Setosa = new IrisData

{

    SepalLength = 5.1f,

    SepalWidth = 3.5f,

    PetalLength = 1.4f,

    PetalWidth = 0.2f

};

若要查找指定项所属的群集，请返回至 Program.cs 文件并将以下代码添加进 Main 方法：

C#复制

var prediction = predictor.Predict(TestIrisData.Setosa);

Console.WriteLine($"Cluster: {prediction.PredictedClusterId}");

Console.WriteLine($"Distances: {string.Join(" ", prediction.Distances)}");

运行该程序以查看哪个群集包含所指定的数据实例，以及从该实例到群集形心的距离的平方值。结果应如下所示：

text复制

Cluster: 2

Distances: 11.69127 0.02159119 25.59896

祝贺你！现已成功地生成用于鸢尾花聚类分析的机器学习模型并将其用于预测。可以在 dotnet/samples GitHub 存储库中找到本教程的源代码。