深度学习实战41-基于LSTM-GRU模型搭建对糖尿病数据的预测与应用

大家好，我是微学AI，今天给大家介绍一下深度学习实战41-基于LSTM-GRU模型搭建对糖尿病数据的预测与应用，本文将向大家介绍一种基于LSTM-GRU的糖尿病预测模型，包括模型的原理、中文糖尿病csv数据样例、利用PyTorch框架进行模型训练与预测的实现、以及训练过程中准确率和损失值的打印的全流程。

文章目录：

1. 介绍
2. LSTM与GRU的原理
3. 数据样例
4. 数据加载
5. 模型构建
6. 模型训练与预测
7. 结论

1. 介绍

随着糖尿病患者数量的上升，对糖尿病的预测和控制变得越来越重要。近年来，深度学习方法在时间序列数据的分析上取得了显著的进展，其中基于长短时记忆网络（LSTM）和门控循环单元（GRU）的模型在许多应用中表现优异。本文将介绍一种基于LSTM-GRU的糖尿病预测模型，通过对中文糖尿病csv数据进行分析，利用PyTorch框架进行模型的训练与预测。

2. LSTM与GRU的原理

2.1 LSTM

长短时记忆网络（LSTM）是一种特殊的循环神经网络（RNN），能够学习长序列数据中的依赖关系。LSTM通过引入门控机制解决了传统RNN在处理长序列时梯度消失和梯度爆炸的问题。

LSTM包含三个门：输入门、遗忘门和输出门。输入门决定输入的信息是否被加入到记忆细胞中，遗忘门决定记忆细胞中的过去信息是否被保留，输出门决定最终的输出值。

2.2 GRU

门控循环单元（GRU）是LSTM的一种变体，它将LSTM的遗忘门和输入门合并为一个更新门，同时将记忆细胞和隐藏状态合并。这样，GRU可以在减少参数数量的同时保持很好的性能。

LSTM与GRU模型结合的好处

将LSTM（长短期记忆网络）与GRU（门控循环单元）模型结合在一起可以带来以下好处：

1.更好的模型灵活性：LSTM和GRU是两种常见的循环神经网络架构，它们在建模时有不同的优势。LSTM通过输入、遗忘和输出门来控制信息的流动和存储，适用于需要长期记忆的序列建模任务。而GRU则通过更新门和重置门来实现信息的更新和选择性记忆，适用于对最近的输入更加敏感的任务。将两者结合在一起可以使模型具有更好的灵活性，能够同时捕捉长期依赖和短期变化。

2.更快的训练速度：由于GRU模型相对于LSTM模型参数更少，所以在一些情况下，使用LSTM和GRU的组合模型可以实现相对较快的训练速度。这对于大规模数据集或计算资源有限的环境下是非常有益的。

3.更好的泛化能力：通过结合LSTM和GRU模型，可以尽可能地充分利用两种模型的优势，并且可以根据具体任务进行调整和调优。这样可以提高模型的泛化能力，使其在不同的序列建模任务中表现得更好。

4.更强的表示能力：LSTM和GRU模型都具有良好的表示能力，通过将它们结合在一起，可以进一步增强模型的表示能力。这对于复杂的序列数据建模任务非常重要，可以提高模型对输入序列的抽象和理解能力。

3. 数据样例

以下是一些中文糖尿病csv数据样例：

年龄,性别,身高,体重,收缩压,舒张压,空腹血糖,糖尿病
45,男,175,83,130,85,5.6,否
58,女,162,62,140,90,7.2,是
32,男,180,90,120,80,5.2,否
67,女,155,72,150,95,8.1,是
51,男,168,75,135,88,6.5,是
39,女,170,63,122,78,4.9,否
62,男,176,85,148,92,6.0,是
56,女,160,70,142,93,7.9,是
29,男,182,92,116,78,4.6,否
58,女,168,68,130,85,6.2,是
43,男,177,80,124,80,5.4,否
63,女,157,74,148,91,7.6,是
35,男,181,87,118,76,6.2,否
53,女,165,67,137,88,6.8,是
46,男,173,78,132,86,6.0,否
61,女,163,71,145,92,8.3,是
28,男,179,88,114,74,4.4,否
50,女,166,65,134,87,6.6,是
38,男,174,82,126,81,5.7,否
59,女,161,69,144,94,7.8,是
31,男,178,84,120,77,4.9,否
55,女,159,73,139,90,7.4,是
40,男,175,81,130,84,5.9,否
64,女,156,76,147,94,8.0,是

4. 数据加载

首先，我们需要加载数据并对其进行预处理。这里，我们使用pandas库来处理csv数据：

import pandas as pd

# 读取csv数据
data = pd.read_csv("diabetes.csv")

# 将性别和糖尿病标签转为数值
data["性别"] = data["性别"].map({
    
    "男": 0, "女": 1})
data["糖尿病"] = data["糖尿病"].map({
    
    "否": 0, "是": 1})

# 数据归一化处理
for column in ["年龄", "身高", "体重", "收缩压", "舒张压", "空腹血糖"]:
    data[column] = (data[column] - data[column].min()) / (data[column].max() - data[column].min())

# 划分训练集和测试集
from sklearn.model_selection import train_test_split

X = data.drop(columns=["性别","糖尿病"])
y = data["糖尿病"]
X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2, random_state=42)

# 转换为PyTorch张量
import torch
from torch.utils.data import TensorDataset, DataLoader

train_data = TensorDataset(torch.tensor(X_train.values, dtype=torch.float), torch.tensor(y_train.values, dtype=torch.float))
test_data = TensorDataset(torch.tensor(X_test.values, dtype=torch.float), torch.tensor(y_test.values, dtype=torch.float))

train_loader = DataLoader(train_data, batch_size=2, shuffle=True)
test_loader = DataLoader(test_data, batch_size=2, shuffle=True)

5. 模型构建

接下来，我们构建基于LSTM-GRU的预测模型：

import torch.nn as nn

class DiabetesPredictor(nn.Module):
    def __init__(self, input_size, hidden_size, num_layers, output_size):
        super(DiabetesPredictor, self).__init__()
        self.lstm = nn.LSTM(input_size, hidden_size, num_layers, batch_first=True)
        self.gru = nn.GRU(hidden_size, hidden_size, num_layers, batch_first=True)
        self.fc = nn.Linear(hidden_size, output_size)

    def forward(self, x):
        # LSTM层
        out, _ = self.lstm(x)
        # GRU层
        out, _ = self.gru(out)
        # 全连接层
        out = self.fc(out[:, -1, :])
        return out

input_size = X_train.shape[1]
hidden_size = 64
num_layers = 2
output_size = 1

model = DiabetesPredictor(input_size, hidden_size, num_layers, output_size)

6. 模型训练与预测

现在我们可以使用PyTorch框架对模型进行训练和预测：

import torch.optim as optim

# 设置损失函数和优化器
criterion = nn.BCEWithLogitsLoss()
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)

# 训练模型
num_epochs = 50

for epoch in range(num_epochs):
    model.train()
    running_loss = 0
    correct = 0
    total = 0

    for inputs, labels in train_loader:
        inputs = inputs.unsqueeze(1)
        labels = labels.view(-1, 1)

        optimizer.zero_grad()

        outputs = model(inputs)
        loss = criterion(outputs, labels)
        loss.backward()
        optimizer.step()

        running_loss += loss.item()
        preds = torch.round(torch.sigmoid(outputs))
        total += labels.size(0)
        correct += (preds == labels).sum().item()

    # 计算训练集准确率和损失值
    train_acc = correct / total
    train_loss = running_loss / len(train_loader)

    print(f"Epoch [{epoch + 1}/{num_epochs}] - Loss: {train_loss:.4f}, Accuracy: {train_acc:.4f}")

# 测试模型
model.eval()
correct = 0
total = 0

with torch.no_grad():
    for inputs, labels in test_loader:
        inputs = inputs.unsqueeze(1)
        labels = labels.view(-1, 1)

        outputs = model(inputs)
        preds = torch.round(torch.sigmoid(outputs))
        total += labels.size(0)
        correct += (preds == labels).sum().item()

    # 计算测试集准确率
    test_acc = correct / total
    print(f"Test Accuracy: {test_acc:.4f}")

运行结果：

Epoch [36/50] - Loss: 0.0031, Accuracy: 1.0000
Epoch [37/50] - Loss: 0.0030, Accuracy: 1.0000
Epoch [38/50] - Loss: 0.0030, Accuracy: 1.0000
Epoch [39/50] - Loss: 0.0025, Accuracy: 1.0000
Epoch [40/50] - Loss: 0.0025, Accuracy: 1.0000
Epoch [41/50] - Loss: 0.0022, Accuracy: 1.0000
Epoch [42/50] - Loss: 0.0022, Accuracy: 1.0000
Epoch [43/50] - Loss: 0.0019, Accuracy: 1.0000
Epoch [44/50] - Loss: 0.0018, Accuracy: 1.0000
Epoch [45/50] - Loss: 0.0018, Accuracy: 1.0000
Epoch [46/50] - Loss: 0.0016, Accuracy: 1.0000
Epoch [47/50] - Loss: 0.0016, Accuracy: 1.0000
Epoch [48/50] - Loss: 0.0015, Accuracy: 1.0000
Epoch [49/50] - Loss: 0.0014, Accuracy: 1.0000
Epoch [50/50] - Loss: 0.0014, Accuracy: 1.0000
Test Accuracy: 1.0000

7. 结论

本文介绍了一种基于LSTM-GRU的糖尿病预测模型，以及如何使用PyTorch框架对其进行训练和预测。通过对中文糖尿病csv数据的分析，我们可以发现该模型在预测糖尿病方面具有较好的性能。