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机器学习和深度学习模型训练流程

news 2025/10/22 8:49:39

机器学习和深度学习在代码实现流程上有诸多共通之处，但由于深度学习模型更复杂、依赖算力更强，在部分环节存在显著差异。以下从相同流程和不同流程两方面梳理：

一、相同流程（核心逻辑一致）

问题定义与目标明确
- 确定任务类型（分类、回归、聚类、生成等），明确输入数据和输出目标（如预测房价、识别图像类别）。
- 评估指标定义（如准确率、MSE、F1 分数等）。
数据收集与加载
- 从文件（CSV、JSON、图像库等）、数据库或 API 获取数据，用工具（Pandas、NumPy、OpenCV 等）加载。
- 示例：pd.read_csv("data.csv") 加载表格数据，cv2.imread() 加载图像。
数据预处理
- 清洗：处理缺失值（填充、删除）、异常值（检测与修正）。
- 转换：特征编码（类别变量转独热编码 / 标签编码）、数据归一化 / 标准化（如 Min-Max、Z-score）。
- 示例：SimpleImputer 填充缺失值，StandardScaler 标准化特征。
特征工程
- 特征选择（过滤法、嵌入法、包裹法）、特征降维（PCA、t-SNE）、特征构造（如多项式特征）。
- 示例：SelectKBest 选择重要特征，PCA(n_components=2) 降维。
数据集划分
- 将数据分为训练集（训练模型）、验证集（调参）、测试集（评估最终性能），常用 train_test_split。
- 示例：X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2)。
模型训练
- 初始化模型，用训练集拟合参数，通过反向传播（深度学习）或优化算法（如 SGD、Adam，机器学习部分模型也用）更新参数。
- 示例：model.fit(X_train, y_train)（Scikit-learn / 深度学习框架均支持类似接口）。
模型评估
- 用测试集计算评估指标，分析模型性能（如混淆矩阵、ROC 曲线）。
- 示例：model.score(X_test, y_test) 计算准确率，roc_auc_score(y_test, y_pred) 评估 AUC。
模型调优
- 调整超参数（如学习率、树的深度），通过网格搜索（GridSearchCV）、随机搜索（RandomizedSearchCV）优化。
- 示例：GridSearchCV(estimator, param_grid, cv=5) 遍历参数组合。
模型部署
- 将训练好的模型保存（如 joblib.dump()、torch.save()），部署到生产环境（API、移动端等）。

二、不同流程（深度学习特有或差异显著环节）

机器学习特有（或简化环节）

模型选择更依赖传统算法
- 以轻量级模型为主，如逻辑回归、SVM、决策树、随机森林等，直接调用 Scikit-learn 等库的现成实现，无需手动设计网络结构。
- 示例：from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier。
算力需求低，训练速度快
- 无需 GPU 加速，普通 CPU 可高效训练，适合小规模数据或简单任务。
特征工程依赖性高
- 模型性能严重依赖人工特征设计（如手动提取图像的边缘、纹理特征），特征质量直接决定效果。

深度学习特有（或复杂环节）

模型结构设计
- 需要手动定义网络层（如卷积层、循环层、Transformer 块）、激活函数、损失函数，依赖框架（TensorFlow、PyTorch）搭建。
- 示例（PyTorch）：

class Net(nn.Module):def __init__(self):super(Net, self).__init__()self.conv1 = nn.Conv2d(3, 32, 3)  # 卷积层self.fc1 = nn.Linear(32*28*28, 10)  # 全连接层def forward(self, x):x = self.conv1(x)return self.fc1(x.flatten(1))

数据增强（针对图像、文本等）
- 为缓解过拟合，对训练数据进行随机变换（如图像旋转、裁剪、翻转，文本同义词替换），常用框架内置工具（如 TorchVision 的transforms）。
- 示例：transforms.RandomCrop(224) 随机裁剪图像。
批处理与迭代训练
- 数据量大时需分批次（batch）训练，通过DataLoader（PyTorch）或tf.data（TensorFlow）实现批量加载和迭代。
- 示例：DataLoader(dataset, batch_size=32, shuffle=True)。
算力与硬件依赖
- 必须依赖 GPU 加速（大规模模型需多 GPU 或 TPU），否则训练时间过长，需配置框架的设备参数（如device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")）。
正则化与优化细节更复杂
- 除传统正则化（L1/L2），还需设置 dropout 率、批归一化（BatchNorm）、学习率调度（如余弦退火）等。
- 示例：nn.Dropout(0.5) 随机丢弃神经元，torch.optim.lr_scheduler.CosineAnnealingLR(optimizer, T_max=10) 调整学习率。
预训练与迁移学习
- 常用预训练模型（如 ResNet、BERT）微调，减少数据需求和训练成本，需加载预训练权重并冻结部分层。
- 示例：resnet = torchvision.models.resnet50(pretrained=True) 加载预训练 ResNet。