一文读懂：机器学习模型构建全流程

上文以薅羊毛项目为例，简单介绍了AI产品构建的全流程，其中模型构建、模型评估等重点环节只是一笔带过。今天我们来了解一下模型构建环节的具体内容。

模型构建，其实就是从繁杂的数据中提取那些最能解释数据本质的特征，再利用算法建立出对未知数据有准确预测能力模型的过程。

模型构建主要包括5个阶段，分别为算法选择、特征工程、模型训练、模型验证和模型融合。

一、算法选择

以上文薅羊毛项目为例，基于其需求定义，模型需要计算出用户是薅羊毛用户的概率，并根据概率高低分为正常、疑似、高危三类，最终技术同学决定采用逻辑回归算法来实现该需求。

逻辑回归算法具有计算速度快、可解释性强的优点，适用于解决需求中的多分类问题，而且还可以对用户“为什么封号”的质疑，有较强的解释性。

目前大家对算法有个概念就可以，后续篇章中会对常见的算法进行较详细的介绍。

二、特征工程

确定算法之后，我们就可以进入特征工程阶段了。

特征工程是模型构建过程中最重要的部分，如果我们可以挑选到足够优质的特征，不仅可以提升模型性能，还能降低模型的复杂度，大幅简化构建过程。

数据和特征决定了模型的上限，而模型和算法只是逼近这个上限而已。

所有模型的输入都是数量化的信息，所以我们需要通过某种方式，把各种类型的数据转化成数量化的信息，这个过程就是特征工程。

以薅羊毛项目为例，我们可以通过用户是否在夜间活动、操作频率、历史订单、完成活动速度、同一台终端是否登录多个账号等一系列特征，来表达是薅羊毛用户的可能性，这就是建立了薅羊毛用户的特征工程。我们可以通过这些特征来判断用户的可疑程度。

特征过程包括以下四个流程：

1. 数据清洗：数据预处理的重要环节，主要是对数据进行重新审查和校验，检查数据一致性、处理无效值和缺失值等。
2. 特征提取：从原始数据中提取有用的特征，将其转化为一组更具代表性和可解释性的特征。特征提取的目的是减少原始数据的维度，提高数据的表达能力，帮助算法进行更好的完成任务。
3. 特征选择：筛选出对分类或回归有重要贡献的特征，从而降低数据集复杂度，提高模型的泛化能力。
4. 生成训练集和测试集：把整理过的数据分为训练集和测试集，为模型训练做最后的准备。

构造机器学习模型的目的，是希望从原始数据中梳理出问题的结构，学习到问题的本质，那些优质的特征其实就是对问题本质的最好诠释，而如何找到优质特征自然也就成为了模型构建的核心工作。

特征工程的内容很多，也非常重要，建议自己主动去查一下资料，详细了解一下数据清洗、数据提取、数据选择的各种方法，对该环节了解越深入，和算法同学的沟通越顺畅。

三、模型训练

模型训练是通过不断训练、验证和调优，让模型达到最优的过程。

这里的“最优”，指的是模型拟合能力和泛化能力的平衡点。

• 拟合能力：模型在已知数据上（训练集）表现的好坏
• 泛化能力：模型在未知数据上（测试集）表现的好

如果想让模型有足够好的拟合能力，就需要构建一个复杂的模型对训练集进行训练，但是模型越复杂就会越依赖训练集的数据，就越可能出现训练集的表现很好，但在测试集上表现差的情况，泛化能力比较差，这种情况叫做“过拟合”。

如果想让提高模型的泛化能力，就要降低模型复杂度，减少对训练集的依赖，但如果过度降低复杂度，又可能导致“欠拟合”的情况。

• 过拟合：模型把数据学习的太彻底，甚至把噪声数据的特征也学习到了，就导致不能很好的识别未知数据，模型泛化能力下降。训练集表现很好，但是测试集很差。读的是“死书”，并没有真正掌握书里的精髓，自然就无法很好的应用了。产生过拟合的原因一般有：特征过多，模型复杂度过高，样本数据无法代表预定的分类，样本噪音干扰过大等。
• 欠拟合：模型不能很好的捕捉数据特征，不能很好的拟合数据。在训练集的表现就很差，需要继续努力“学习”。产生欠拟合的原因一般有：模型复杂度过低、特征量过少等。

算法工程师就这样不断的调整模型参数、训练，再用交叉验证的方式，逐渐找到拟合能力和泛化能力的平衡点，这个平衡点就是我们训练模型的目标。

• 交叉验证：一种评估机器学习模型性能的有效方法，可以用于选择最佳模型参数、模型选择以及避免过拟合等问题。包括简单交叉验证、留出交叉验证、自助交叉验证等方法。

四、模型验证

经过复杂的模型训练，我们终于得到了一个所谓的“最优解”，但是怎么证明这个最优解就是真正的最优解呢？我们需要模型验证阶段来确认这个“最优解”的真假。

模型验证一般通过模型的性能指标和稳定性指标来评估。

模型性能，就是模型预测的准确性。

• 分类模型性能评估：分类模型的预测结果是具体的分类，一般使用召回率、F1、KS、AUC等评估指标，来判断分类模型的性能。
• 回归模型性能评估：回归模型的预测结果是连续值，一般使用方差和MSE等评估指标，来判断回归模型的性能。

模型稳定性，指的是模型性能可以持续多久，一般使用PSI指标来评估模型的稳定性。

产品经理需要对模型验证环节格外关注，需要深入理解评估指标、计算逻辑，并能根据指标的数据判断模型效果是否达标。

这里只简单描述了模型验证的概念和意义，后面会详细讲解模型评估的核心指标。

五、模型融合

为了提升模型的准确率和稳定性，有时会同时构建多个模型，再把这些模型集成在一起，确保模型有更优的整体表现。

比如薅羊毛项目这种分类模型，可以用最简单的投票方法来融合，票数最多的类别就是最终的结果。

我们只需要知道一些常用的模型融合方法即可，比如加权平均法、Bagging等，感兴趣的话可以自己查一下。

六、总结

本文粗略介绍了模型构建的算法选择、特征工程、模型训练、模型验证和模型融合等5个环节，其中产品经理需要重点关注特征过程和模型验证环节，建议继续查阅资料，加强理解。

下篇文章，我会详细介绍模型评估环节的详细内容，敬请期待。

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