用户购物性别模型标签（USG）之决策树模型

一、USG模型引入:

首先了解一下，如何通过大数据来确定用户的真实性别，
经常谈论的用户精细化运营，到底是什么?
简单来讲，就是将网站的每个用户标签化，制作一个属于用户自己的网络身份证。然后，运营人员
通过身份证来确定活动的投放人群，圈定人群范围，更为精准的用户培养和管理。
当然，身份证最基本的信息就是姓名，年龄和性别，与现实不同的是，网络上用户填写的资料不一
定完全准确，还需要进行进一步的确认和评估。
确定性别这件事很重要，简单举个栗子，比如店铺想推荐新品的Bra，如果粗糙的
全部投放人群或者投放到不准确性别的人群，那后果可想而知了。

虽然能够通过用户的行为、购买和兴趣数据，了解用户的基本信息，但是仍然不清楚如何建
模?用什么语言建模?
购物性别的区分使用的是机器学习分类算法模型，但是算法也有很多分类，包含逻辑
回归，线性支持向量机，朴素贝叶斯模型和决策树，又该如何选择呢?
使用大数据 Spark MLlib 机器学习库， Java、Scala和Python 三种语言都支持。
其中，决策树的优点较多，主要是其变量处理灵活，不要求相互独立。可处理大维度的数
据，不用预先对模型的特征有所了解。对于表达复杂的非线性模式和特征的相互关系，模型相
对容易理解和解释，所以决定用决策树进行尝试。

核心难点:如何构建树，有三种方式

• "ID3 算法:信息增益Info_Gain

• C4.5 算法:信息增量率(比):lnfo Gain Rate

• CART 算法:Classification And Regression Tree，基尼指数(Gini_Index)

建立在决策树算法之上: 集成融合学习算法 ，效果非常非常好的

• GBT:梯度提升树算法，构建1棵树，迭代构建的树

• RF:随机森林，构建N棵树，每个棵树不同，使用所有树预测，综合获取结果

USG:用户购物性别：

1.定义:通过用户购买的产品，确定用户的性别

2.思路：依据商品的名称、商品的颜色和商品的类别等，判断购买者的性别

如何确定USG?

基于用户购买商品确定性别的

用户在购物时，每个商品都有自己的属性，比如名称、颜色、类别等等，往往属于某个性别的用户

a.商品名称

剃须刀 male

口红 female

家用电器 male、female

---

b.商品颜色                                                                   

衣服红色/亮色衣服 female

格子衫（黑灰色、杂色） male

中性颜色 male、female

c.商品类别

电子数码产品 male

美容保养 female

---

U_1001 product_01 male

U_1001 product_02 female

U_1001 product_03 male

U_1001 product_4 male

U_1001 product_05 female

U_1001 product_06 male

---

基于上面用户购买的物品，打上商品购买的性别，进行计算，最终确定用户购物性别

统计购物商品的个数

total =6

统计购物中男性商品个数

maletotal = 4

占比： maleRate = 4 /6 ≈ 0.666666666

统计购物中女性商品个数

femaletotal = 2

占比： femaleRate = 2/ 6 ≈ 0.333333333333

判断男性商品占比和女商品占比 if(maleRate >=0.6)时，USG = male if(femaleRate >=0.6)时,USG = female

else：USG = 末知

=========上述计算出用户购物性别USG，为什么还需要算法构建模型预测呢？=============

依据上述计算数据，构建分类算法模型以后，直接使用算法模型对用户进行预测即可，不需要在按照规则(经验) 进行分类操作。

业务目标: 精准投放，针对已有产品，寻找某性别偏好的精准人群进行广告投放。
技术目标:对用户购物性别识别:男性，女性，中性。
解决思路:选择一种分类算法，建立Spark模型，对模型进行应用。
线上投放:对得到的数据进行小范围内的测试投放，初期不宜过大扩大投放范围。
效果分析:对投放的用户进行数据分析，评估数据的准确性。若不够完美，则需要
重新建模和测试。

二、标签模型开发：

用户购物性别标签模型类: UsgModel ，继承基类 AbstractModel ，实现标签计算方法doTag 。

订单表：

需要将 订单商品表 中订单号 cordersn 关联到 订单表 中订单号 ordersn ，获取到对应的会员ID: memberid

颜色维度表：

商品类别维度表：

读取订单表数据：

	val session: SparkSession = businessDF.sparkSessionimport session.implicits._val ordersDF: DataFrame = spark.read.format("hbase").option("zkHosts", "bigdata-cdh01.itcast.cn").option("zkPort", "2181").option("hbaseTable", "tbl_tag_orders").option("family", "detail").option("selectFields", "memberid,ordersn").load()

加载颜色维度数据并与ID进行相应的映射：

	val colorsDF: DataFrame = {spark.read.format("jdbc").option("driver", "com.mysql.jdbc.Driver").option("url","jdbc:mysql://bigdata-cdh01.itcast.cn:3306/?useUnicode=true&characterEncoding=UTF-8&serverTimezone=UTC").option("dbtable", "profile_tags.tbl_dim_colors").option("user", "root").option("password", "123456").load()}val colorColumn: Column = {// 声明变量var colorCol: Column = nullcolorsDF.as[(Int, String)].rdd.collectAsMap().foreach{case (colorId, colorName) =>if(null == colorCol){colorCol = when($"ogcolor".equalTo(colorName), colorId)}else{colorCol = colorCol.when($"ogcolor".equalTo(colorName), colorId)}}colorCol = colorCol.otherwise(0).as("color")//  返回colorCol}

加载商品维度表数据并将其与对应ID进行映射：

val productsDF: DataFrame = {spark.read.format("jdbc").option("driver", "com.mysql.jdbc.Driver").option("url","jdbc:mysql://bigdata-cdh01.itcast.cn:3306/?useUnicode=true&characterEncoding=UTF-8&serverTimezone=UTC").option("dbtable", "profile_tags.tbl_dim_products").option("user", "root").option("password", "123456").load()}var productColumn: Column = {// 声明变量var productCol: Column = nullproductsDF.as[(Int, String)].rdd.collectAsMap().foreach{case (productId, productName) =>if(null == productCol){productCol = when($"producttype".equalTo(productName), productId)}else{productCol = productCol.when($"producttype".equalTo(productName), productId)}}productCol = productCol.otherwise(0).as("product")// 返回productCol}

根据运营规则标注的部分数据并关联订单数据，颜色维度和商品类别维度数据： 

		val labelColumn: Column = {when($"ogcolor".equalTo("樱花粉").or($"ogcolor".equalTo("白色")).or($"ogcolor".equalTo("香槟色")).or($"ogcolor".equalTo("香槟金")).or($"productType".equalTo("料理机")).or($"productType".equalTo("挂烫机")).or($"productType".equalTo("吸尘器/除螨仪")), 1) //女.otherwise(0)//男.alias("label")//决策树预测label}val goodsDF: DataFrame = businessDF// 关联订单数据：.join(ordersDF, businessDF("cordersn") === ordersDF("ordersn"))// 选择所需字段，使用when判断函数.select($"memberid".as("userId"), //colorColumn, // 颜色ColorColumnproductColumn, // 产品类别ProductColumn// 依据规则标注商品性别labelColumn)

打标签，统计每个用户男女性商品个数占比：

	// TODO: 直接使用标注数据，给用户打标签val predictionDF: DataFrame = goodsDF.select($"userId", $"label".as("prediction"))// 4. 按照用户ID分组，统计每个用户购物男性或女性商品个数及占比val genderDF: DataFrame = predictionDF.groupBy($"userId").agg(count($"userId").as("total"), // 某个用户购物商品总数// 判断label为0时，表示为男性商品，设置为1，使用sum函数累加sum(when($"prediction".equalTo(0), 1).otherwise(0)).as("maleTotal"),// 判断label为1时，表示为女性商品，设置为1，使用sum函数累加sum(when($"prediction".equalTo(1), 1).otherwise(0)).as("femaleTotal"))

计算标签、计算占比、获取画像标签数据：

		// 5.1 获取属性标签：tagRule和tagNameval rulesMap: Map[String, String] = TagTools.convertMap(tagDF)val rulesMapBroadcast: Broadcast[Map[String, String]] = session.sparkContext.broadcast(rulesMap)// 对每个用户，分别计算男性商品和女性商品占比，当占比大于等于0.6时，确定购物性别val gender_tag_udf: UserDefinedFunction = udf((total: Long, maleTotal: Long, femaleTotal: Long) => {// 计算占比val maleRate: Double = maleTotal / total.toDoubleval femaleRate: Double = femaleTotal / total.toDoubleif(maleRate >= 0.6){ // usg = 男性rulesMapBroadcast.value("0")}else if(femaleRate >= 0.6){ // usg =女性rulesMapBroadcast.value("1")}else{ // usg = 中性rulesMapBroadcast.value("-1")}})//  获取画像标签数据val modelDF: DataFrame = genderDF.select($"userId", //gender_tag_udf($"total", $"maleTotal", $"femaleTotal").as("usg"))

三、ML Pipeline

在机器学习中，特别是在使用Apache Spark MLlib或Spark ML（Spark的机器学习库）时，ML Pipeline（机器学习流水线）是一个非常重要的概念。ML Pipeline提供了一种将多个机器学习步骤（如特征提取、转换、选择、模型训练和评估等）组合在一起的方式，使得数据处理和模型训练过程更加清晰、模块化和可重用。

DataFrame：数据框，一种数据结构，来源于SparkSQL中，DataFrame=Dataset[Row],存储要训练的和测试的数据集;

Transformer:转换器，一种算法Algorithm，必须实现transform方法。比如:模型 Model就是一个转换器，将输入的数据集DataFrame，转换为预测结果的数据集 DataFrame;

Estimator :估计器或者模型学习器，将数据集DataFrame转换为一个Transformer, 实现 fit() 方法，输入一个 DataFrame并产生一个 Model，即一个Transformer(转换 器);

Pipeline :管道,管道由一系列阶段组成，每个阶段都是 估计器或转换器；

Parameter :参数，无论是转换器Transformer还是模型学习器Estimator都是一个 算法，使用算法的时候必然有参数。

将USG中 构建决策树算法模型 代码修改为 训练Pipeline模型 ，整个管道Pipeline流程示意图如下： 

完整代码封装函数 trainPipelineModel如下：

	def trainPipelineModel(dataframe: DataFrame): PipelineModel = {// 数据划分为训练数据集和测试数据集val Array(trainingDF, testingDF) = dataframe.randomSplit(Array(0.8, 0.2), seed = 123)// a. 特征向量化val assembler: VectorAssembler = new VectorAssembler().setInputCols(Array("color", "product")).setOutputCol("raw_features")// b. 类别特征进行索引val vectorIndexer: VectorIndexer = new VectorIndexer().setInputCol("raw_features").setOutputCol("features").setMaxCategories(30)// c. 构建决策树分类器val dtc: DecisionTreeClassifier = new DecisionTreeClassifier().setFeaturesCol("features").setLabelCol("label").setPredictionCol("prediction").setImpurity("gini") // 基尼系数.setMaxDepth(5) // 树的深度.setMaxBins(32) // 树的叶子数目// TODO: 构建Pipeline管道对象，组合模型学习器（算法）和转换器（模型）val pipeline: Pipeline = new Pipeline().setStages(Array(assembler, vectorIndexer, dtc))// 训练模型，使用训练数据集val pipelineModel: PipelineModel = pipeline.fit(trainingDF)// f. 模型评估val predictionDF: DataFrame = pipelineModel.transform(testingDF)predictionDF.show(100, truncate = false)println(s"accuracy = ${modelEvaluate(predictionDF, "accuracy")}")// 返回模型pipelineModel}

ML Pipeline优缺点分析：

优点：

降低耦合度：将不同的处理逻辑封装成独立的阶段，每个阶段只关注自己的输入和输出，不需要知道其他阶段的细节。这使得添加、删除或修改阶段变得更加容易，且不影响整个流程的运行。
增加灵活性：通过配置化可以实现不同的业务走不同的流程，而不需要修改代码。这能够根据需求变化快速调整流程，提高开发效率和可维护性。
提高性能：可以利用多线程或异步机制来并行执行不同的阶段，从而提高整个流程的吞吐量和响应时间。
提高可读性：通过将复杂的机器学习模型分解为多个阶段，每个阶段负责特定的任务，使得整个模型的结构更加清晰，易于理解和维护。
可测试性强：由于不同的步骤之间相对独立，耦合较低，可以更方便地对每个步骤编写单元测试，从而提高代码质量。

缺点：

调试困难：当流水线中的某个阶段出现问题时，可能需要逐个检查每个阶段以确定问题的根源，这可能会增加调试的复杂性和时间成本。
资源消耗：并行执行多个阶段可能会消耗更多的计算资源，包括CPU、内存和存储空间等。
配置和部署：配置和部署一个复杂的ML Pipeline可能需要一定的技术知识和经验，以确保所有组件能够正确协同工作。

注意
对管道调用 fit 方法的效果跟依次对每个评估器调用 fit 方法一样, 都是transform 输入并传递给下个步骤。 管道中最后一个评估器的所有方法，管道都有。例如，如果最后的评估器是一个分类器， Pipeline 可以当做分类器来用。如果最后一个评估器是转换器，管道也一样可以。 

四、模型调优 

交叉验证（Cross-Validation）：

交叉验证（Cross-Validation） 是一种评估机器学习模型性能的方法，特别是当可用的训练数据较少时。这种方法通过重复使用数据来模拟训练集和测试集，从而得到模型性能的一个更可靠估计。以下是交叉验证的基本概念和一些常见的交叉验证策略：

K折交叉验证（K-Fold Cross-Validation）：

• 将数据集分为K个大小相等的子集（或尽可能相等）。
• 对于每个子集，都将其视为测试集，而其余K-1个子集则作为训练集。
• 重复此过程K次，每次都使用不同的子集作为测试集。
• 最终，计算K次评估的平均值作为模型性能的估计。

 

五、总结： 

在USG模型中，ML Pipeline（机器学习流水线）为使用决策树算法构建和评估模型提供了一个系统化的流程，确保了整个模型开发过程的一致性和可重复性。交叉验证通过将数据集划分为不同的子集，并轮流使用这些子集进行训练和测试，为模型提供了更为准确和可靠的性能评估。这有助于我们发现并避免过拟合，调整模型参数以达到最佳性能，以及在不同算法和特征集合中选择最佳模型。