利用TensorFlow2.0为胆固醇、血脂、血压数据构建时序深度学习模型（含完整python代码）

背景数据描述

胆固醇、高血脂、高血压是压在广大中年男性头上的三座大山，如何有效的监控他们，做到早发现、早预防、早治疗尤为关键，趁着这个假期我就利用TF2.0构建了一套时序预测模型，一来是可以帮我预发疾病，二来也可以体验下TF2.0的特性。

先来看下数据结构：

• date表示的是测量日期

• cholesterol代表胆固醇数值

• blood_fat代表血脂

• blood_pressure代表血压

整个的建模思路就是将这三个数值一起构建时序模型，因为这三个指标不能独立来看，他们是相互有影响的，互为特征和目标值。

代码详解

废话不多说，我们先看下完整的代码，代码比较长，我把整个代码分为数据探查、网络构建、模型训练、模型保存和预测这4个模块进行拆分并讲解，可以参见代码中的注释进行模块区分。环境使用的是python3.7、TensorFlow2.0版本。（完整代码见文末）

1

数据探查

在数据探查模块使用了pandas将数据读取进来，然后用diff函数构建了时序数据的增长率曲线图，因为做时序数据预测，更多地是去看数据的增长或者降低趋势。通过matplotlib可以把数据的成长曲线画出来：

2

网络结构构建

使用的是标准的lstm网络结构，可以通过model.summary函数将深度学习网络结构打印出来，如下图所示：

3

模型训练

在模型训练环节主要是构建了收敛函数MSPE，MSPE是一种残差收敛算法，具体计算公式比较简单：

(y_true - y_pred)**2/(tf.maximum(y_true**2,1e-7))

4

模型存储和预测

第四部分先使用model.save这个TF的官方模型保持函数将模型保存到本地，建议尽量使用这种官方的模型保持方案。

然后load模型对象，用model.predict函数对下一阶段的3个指标数据做一个预测。最终的预测结果存放在arr_predict对象中，预测结果为：

[[0.26552328，0.33151102，0]]

以上预测的是数据的增长率，假设最后一阶段的三个指标的数据分别为4.5、3.2、119，那么最终下一阶段的预测值就是：

[[4.5+0.26552328，3.2+0.33151102，119+0]]

完整代码如下，有兴趣的同学可以跑一跑玩一玩。

import numpy as np

import pandas as pd 

import matplotlib.pyplot as plt

import tensorflow as tf 

from tensorflow.keras import models,layers,losses,metrics,callbacks

import os

import datetime 

#1.数据探查-------------------------------------

df = pd.read_csv("/Users/garvin/Downloads/data.txt",sep = "\t")

print(df)

dfdata = df.set_index("date")

dfdiff = dfdata.diff(periods=1).dropna()

dfdiff = dfdiff.reset_index("date")

dfdiff.plot(x = "date",y = ["cholesterol","blood_fat","blood_pressure"],figsize=(10,6))

plt.xticks(rotation=60)

dfdiff = dfdiff.drop("date",axis = 1).astype("float32")

plt.show()

WINDOW_SIZE = 1

def batch_dataset(dataset):

    dataset_batched = dataset.batch(WINDOW_SIZE,drop_remainder=True)

    return dataset_batched

ds_data = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(tf.constant(dfdiff.values,dtype = tf.float32)) \

   .window(WINDOW_SIZE,shift=1).flat_map(batch_dataset)

ds_label = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(

    tf.constant(dfdiff.values[WINDOW_SIZE:],dtype = tf.float32))

#We put all data into one batch for better efficiency since the data volume is small.

ds_train = tf.data.Dataset.zip((ds_data,ds_label)).batch(38).cache()

#2.构建网络结构-------------------------------------

class Block(layers.Layer):

    def __init__(self, **kwargs):

        super(Block, self).__init__(**kwargs)

    

    def call(self, x_input,x):

        x_out = tf.maximum((1+x)*x_input[:,-1,:],0.0)

        return x_out

    

    def get_config(self):  

        config = super(Block, self).get_config()

        return config

tf.keras.backend.clear_session()

x_input = layers.Input(shape = (None,3),dtype = tf.float32)

x = layers.LSTM(3,return_sequences = True,input_shape=(None,3))(x_input)

x = layers.LSTM(3,return_sequences = True,input_shape=(None,3))(x)

x = layers.LSTM(3,return_sequences = True,input_shape=(None,3))(x)

x = layers.LSTM(3,input_shape=(None,3))(x)

x = layers.Dense(3)(x)

x = Block()(x_input,x)

model = models.Model(inputs = [x_input],outputs = [x])

model.summary()

#Customized loss function, consider the ratio between square error and the prediction

class MSPE(losses.Loss):

    def call(self,y_true,y_pred):

        err_percent = (y_true - y_pred)**2/(tf.maximum(y_true**2,1e-7))

        mean_err_percent = tf.reduce_mean(err_percent)

        return mean_err_percent

    

    def get_config(self):

        config = super(MSPE, self).get_config()

        return config

#3.模型训练-------------------------------------

optimizer = tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=0.01)

model.compile(optimizer=optimizer,loss=MSPE(name = "MSPE"))

stamp = datetime.datetime.now().strftime("%Y%m%d-%H%M%S")

logdir = os.path.join('data', 'autograph', stamp)

tb_callback = tf.keras.callbacks.TensorBoard(logdir, histogram_freq=1)

#Half the learning rate if loss is not improved after 100 epoches

lr_callback = tf.keras.callbacks.ReduceLROnPlateau(monitor="loss",factor = 0.5, patience = 100)

#Stop training when loss is not improved after 200 epoches

stop_callback = tf.keras.callbacks.EarlyStopping(monitor = "loss", patience= 200)

callbacks_list = [tb_callback,lr_callback,stop_callback]

history = model.fit(ds_train,epochs=10,callbacks = callbacks_list)

#4.模型保存和预测-------------------------------------

model.save('tf_model_savedmodel', save_format="tf")

print('export saved model.')

dfresult = dfdiff[["cholesterol","blood_fat","blood_pressure"]].copy()

dfresult.tail()

#print(dfresult.values[-1:,:])

arr_predict = model.predict(tf.constant(tf.expand_dims(dfresult.values[-1:,:],axis = 0)))

print(arr_predict)