【深度学习实验】前馈神经网络（九）：整合训练、评估、预测过程（Runner）

一、实验介绍

二、实验环境

1. 配置虚拟环境

2. 库版本介绍

三、实验内容

0. 导入必要的工具包

1. __init__(初始化)

2. train(训练)

3. evaluate(评估)

4. predict(预测)

5. save_model

6. load_model

7. 代码整合

一、实验介绍

二、实验环境

本系列实验使用了PyTorch深度学习框架，相关操作如下：

1. 配置虚拟环境

conda create -n DL python=3.7

conda activate DL

pip install torch==1.8.1+cu102 torchvision==0.9.1+cu102 torchaudio==0.8.1 -f https://download.pytorch.org/whl/torch_stable.html

conda install matplotlib

 conda install scikit-learn

2. 库版本介绍

软件包	本实验版本	目前最新版
matplotlib	3.5.3	3.8.0
numpy	1.21.6	1.26.0
python	3.7.16
scikit-learn	0.22.1	1.3.0
torch	1.8.1+cu102	2.0.1
torchaudio	0.8.1	2.0.2
torchvision	0.9.1+cu102	0.15.2

三、实验内容

ChatGPT：

        前馈神经网络（Feedforward Neural Network）是一种常见的人工神经网络模型，也被称为多层感知器（Multilayer Perceptron，MLP）。它是一种基于前向传播的模型，主要用于解决分类和回归问题。

        前馈神经网络由多个层组成，包括输入层、隐藏层和输出层。它的名称"前馈"源于信号在网络中只能向前流动，即从输入层经过隐藏层最终到达输出层，没有反馈连接。

以下是前馈神经网络的一般工作原理：

输入层：接收原始数据或特征向量作为网络的输入，每个输入被表示为网络的一个神经元。每个神经元将输入加权并通过激活函数进行转换，产生一个输出信号。

隐藏层：前馈神经网络可以包含一个或多个隐藏层，每个隐藏层由多个神经元组成。隐藏层的神经元接收来自上一层的输入，并将加权和经过激活函数转换后的信号传递给下一层。

输出层：最后一个隐藏层的输出被传递到输出层，输出层通常由一个或多个神经元组成。输出层的神经元根据要解决的问题类型（分类或回归）使用适当的激活函数（如Sigmoid、Softmax等）将最终结果输出。

前向传播：信号从输入层通过隐藏层传递到输出层的过程称为前向传播。在前向传播过程中，每个神经元将前一层的输出乘以相应的权重，并将结果传递给下一层。这样的计算通过网络中的每一层逐层进行，直到产生最终的输出。

损失函数和训练：前馈神经网络的训练过程通常涉及定义一个损失函数，用于衡量模型预测输出与真实标签之间的差异。常见的损失函数包括均方误差（Mean Squared Error）和交叉熵（Cross-Entropy）。通过使用反向传播算法（Backpropagation）和优化算法（如梯度下降），网络根据损失函数的梯度进行参数调整，以最小化损失函数的值。

        前馈神经网络的优点包括能够处理复杂的非线性关系，适用于各种问题类型，并且能够通过训练来自动学习特征表示。然而，它也存在一些挑战，如容易过拟合、对大规模数据和高维数据的处理较困难等。为了应对这些挑战，一些改进的网络结构和训练技术被提出，如卷积神经网络（Convolutional Neural Networks）和循环神经网络（Recurrent Neural Networks）等。

本系列为实验内容，对理论知识不进行详细阐释

（咳咳，其实是没时间整理，待有缘之时，回来填坑）

0. 导入必要的工具包

import torch
from torch import nn
import torch.nn.functional as F
# 绘画时使用的工具包
import matplotlib.pyplot as plt
# 导入鸢尾花数据集
from sklearn.datasets import load_iris
# 构建自己的数据集,继承自Dataset类
from torch.utils.data import Dataset, DataLoader

1. init(初始化)

    def __init__(self, model, optimizer, loss_fn, metric, **kwargs):self.model = modelself.optimizer = optimizerself.loss_fn = loss_fn# 用于计算评价指标self.metric = metric# 记录训练过程中的评价指标变化self.dev_scores = []# 记录训练过程中的损失变化self.train_epoch_losses = []self.dev_losses = []# 记录全局最优评价指标self.best_score = 0

五个参数：
- model（模型）
- optimizer（优化器）
- loss_fn（损失函数）
- metric（评价指标）
- 其他可选参数。
该类还定义了一些用于记录训练过程中的指标变化和全局最优指标的属性：
- self.dev_scores（记录验证集评价指标的变化）
- self.train_epoch_losses（记录训练集损失的变化）
- self.dev_losses（记录验证集损失的变化）
- self.best_score（记录全局最优评价指标）

`2. train(训练)`

 def train(self, train_loader, dev_loader=None, **kwargs):# 将模型设置为训练模式，此时模型的参数会被更新self.model.train()num_epochs = kwargs.get('num_epochs', 0)log_steps = kwargs.get('log_steps', 100)save_path = kwargs.get('save_path', 'best_mode.pth')eval_steps = kwargs.get('eval_steps', 0)# 运行的step数，不等于epoch数global_step = 0if eval_steps:if dev_loader is None:raise RuntimeError('Error: dev_loader can not be None!')if self.metric is None:raise RuntimeError('Error: Metric can not be None')# 遍历训练的轮数for epoch in range(num_epochs):total_loss = 0# 遍历数据集for step, data in enumerate(train_loader):x, y = datalogits = self.model(x.float())loss = self.loss_fn(logits, y.long())total_loss += lossif log_steps and global_step % log_steps == 0:print(f'loss:{loss.item():.5f}')loss.backward()self.optimizer.step()self.optimizer.zero_grad()# 每隔一定轮次进行一次验证，由eval_steps参数控制，可以采用不同的验证判断条件if (epoch + 1) % eval_steps == 0:dev_score, dev_loss = self.evaluate(dev_loader, global_step=global_step)print(f'[Evalute] dev score:{dev_score:.5f}, dev loss:{dev_loss:.5f}')if dev_score > self.best_score:self.save_model(f'model_{epoch + 1}.pth')print(f'[Evaluate]best accuracy performance has been updated: {self.best_score:.5f}-->{dev_score:.5f}')self.best_score = dev_score# 验证过程结束后，请记住将模型调回训练模式self.model.train()global_step += 1# 保存当前轮次训练损失的累计值train_loss = (total_loss / len(train_loader)).item()self.train_epoch_losses.append((global_step, train_loss))print('[Train] Train done')

3. evaluate(评估)

    def evaluate(self, dev_loader, **kwargs):assert self.metric is not None# 将模型设置为验证模式，此模式下，模型的参数不会更新self.model.eval()global_step = kwargs.get('global_step', -1)total_loss = 0self.metric.reset()for batch_id, data in enumerate(dev_loader):x, y = datalogits = self.model(x.float())loss = self.loss_fn(logits, y.long()).item()total_loss += lossself.metric.update(logits, y)dev_loss = (total_loss / len(dev_loader))self.dev_losses.append((global_step, dev_loss))dev_score = self.metric.accumulate()self.dev_scores.append(dev_score)return dev_score, dev_loss

4. predict(预测)

predict方法用于模型的阶段，输入数据x，返回模型对输入的预测结果。

 def predict(self, x, **kwargs):self.model.eval()logits = self.model(x)return logits

5. save_model

 def save_model(self, save_path):torch.save(self.model.state_dict(),save_path)

`6. load_model`

  def load_model(self, model_path):self.model.load_state_dict(torch.load(model_path, map_location=torch.device('cpu')))

7. 代码整合

class Runner(object):def __init__(self, model, optimizer, loss_fn, metric, **kwargs):self.model = modelself.optimizer = optimizerself.loss_fn = loss_fn# 用于计算评价指标self.metric = metric# 记录训练过程中的评价指标变化self.dev_scores = []# 记录训练过程中的损失变化self.train_epoch_losses = []self.dev_losses = []# 记录全局最优评价指标self.best_score = 0# 模型训练阶段def train(self, train_loader, dev_loader=None, **kwargs):# 将模型设置为训练模式，此时模型的参数会被更新self.model.train()num_epochs = kwargs.get('num_epochs', 0)log_steps = kwargs.get('log_steps', 100)save_path = kwargs.get('save_path','best_mode.pth')eval_steps = kwargs.get('eval_steps', 0)# 运行的step数，不等于epoch数global_step = 0if eval_steps:if dev_loader is None:raise RuntimeError('Error: dev_loader can not be None!')if self.metric is None:raise RuntimeError('Error: Metric can not be None')# 遍历训练的轮数for epoch in range(num_epochs):total_loss = 0# 遍历数据集for step, data in enumerate(train_loader):x, y = datalogits = self.model(x.float())loss = self.loss_fn(logits, y.long())total_loss += lossif log_steps and global_step%log_steps == 0:print(f'loss:{loss.item():.5f}')loss.backward()self.optimizer.step()self.optimizer.zero_grad()# 每隔一定轮次进行一次验证，由eval_steps参数控制，可以采用不同的验证判断条件if (epoch+1)% eval_steps ==  0:dev_score, dev_loss = self.evaluate(dev_loader, global_step=global_step)print(f'[Evalute] dev score:{dev_score:.5f}, dev loss:{dev_loss:.5f}')if dev_score > self.best_score:self.save_model(f'model_{epoch+1}.pth')print(f'[Evaluate]best accuracy performance has been updated: {self.best_score:.5f}-->{dev_score:.5f}')self.best_score = dev_score# 验证过程结束后，请记住将模型调回训练模式   self.model.train()global_step += 1# 保存当前轮次训练损失的累计值train_loss = (total_loss/len(train_loader)).item()self.train_epoch_losses.append((global_step,train_loss))print('[Train] Train done')# 模型评价阶段def evaluate(self, dev_loader, **kwargs):assert self.metric is not None# 将模型设置为验证模式，此模式下，模型的参数不会更新self.model.eval()global_step = kwargs.get('global_step',-1)total_loss = 0self.metric.reset()for batch_id, data in enumerate(dev_loader):x, y = datalogits = self.model(x.float())loss = self.loss_fn(logits, y.long()).item()total_loss += loss self.metric.update(logits, y)dev_loss = (total_loss/len(dev_loader))self.dev_losses.append((global_step, dev_loss))dev_score = self.metric.accumulate()self.dev_scores.append(dev_score)return dev_score, dev_loss# 模型预测阶段，def predict(self, x, **kwargs):self.model.eval()logits = self.model(x)return logits# 保存模型的参数def save_model(self, save_path):torch.save(self.model.state_dict(),save_path)# 读取模型的参数def load_model(self, model_path):self.model.load_state_dict(torch.load(model_path, map_location=torch.device('cpu')))