机器学习回归任务指标评价及Sklearn神经网络模型评价实践

机器学习回归模型评价是指对回归模型的性能进行评估，以便选择最佳的回归模型。其中，MAE、MSE、RMSE 用于衡量模型预测值与真实值之间的误差大小，R² 用于衡量模型对数据的拟合程度。在实际应用中，我们可以使用这些指标来评估回归模型的性能，并对模型进行优化。

例如，在工业领域，回归算法可以通过对历史数据的回归分析，预测用电负荷、发电量等生产指标。

1. 机器学习回归模型的预测结果评价

机器学习回归模型的预测结果评价有很多方法，以下是一些常用的方法：

R2（决定系数）：R2评估模型对数据的拟合程度，它的取值范围为0到1，越接近1表示模型的拟合程度越好（sklearn回归模型评估所使用的score默认是R2的计算公式）。R2的计算公式如下：

$$R2=1-\frac{{\sum }_{i=1}^n(y_i-\widehat{y_i}{)}^2}{{\sum }_{i=1}^n(y_i-\overline{y_i}{)}^2}$$

R2（决定系数）回归评分函数的最好分数是1.0，它可以是负数（因为模型可以任意变差）。

平均绝对误差（Mean Absolute Error，MAE）：MAE是预测值与真实值之间差的绝对值的平均数，它的值越小表示模型预测的准确度越高。计算公式为：

$$MAE=\frac{1}{n}\sum _{i=1}^n\mid y_i-\widehat{y_i}\mid$$

又称L1范数损失，来衡量预测值与真实值之间的真实距离。

均方误差（Mean Squared Error，MSE）：MSE是预测值与真实值之间差的平方的平均数，它的值越小表示模型预测的准确度越高。计算公式为：

$$MSE=\frac{1}{n}\sum _{i=1}^n(y_i-\widehat{y_i}{)}^2$$

通过平方的形式便于求导，所以常被用作线性回归的损失函数。

均方根误差（Root Mean Squared Error，RMSE）：RMSE是MSE的平方根，它的值越小表示模型预测的准确度越高。计算公式为：

$$RMSE=\sqrt{\frac{1}{n}\sum _{i=1}^n(y_i-\widehat{y_i}{)}^2}$$

常用来作为机器学习模型预测结果衡量的标准，衡量观测值与真实值之间的偏差。受异常点影响较大，鲁棒性比较差。

其中，$y_i$​是真实值，$\widehat{y_i}$​是预测值，$\overline{y_i}$​是真实值的平均值，n 表示样本数量。

R平方（R-squared）：R平方与R2的计算方式类似，但它可以对模型的复杂度进行惩罚，避免模型过拟合。

可决系数（Adjusted R-squared）：可决系数是R平方的改进版本，它考虑了自变量数量对模型的影响，可以更准确地评估模型的拟合程度。

2. 如何评价机器学习回归模型

评价机器学习得到的回归模型可以从多个方面入手，例如：模型的拟合程度、模型的预测能力、模型的稳定性等。

其中，模型的拟合程度可以通过决定系数（Coefficient of Determination，R2）来衡量。R2的取值范围在0到1之间，越接近1表示模型对数据的拟合程度越好。但是，R2并不能告诉我们哪些变量对目标变量有影响。

模型的预测能力可以通过均方根误差（Root Mean Squared Error，RMSE）、平均绝对误差（Mean Absolute Error，MAE）等指标来衡量。这些指标可以用来衡量模型对新数据的预测能力。

模型的稳定性可以通过交叉验证（Cross Validation）等方法来衡量。交叉验证可以用来评估模型在不同数据集上的表现，从而判断模型是否过拟合或欠拟合。

3. Sklearn回归模型实践

3.1. 多层感知机回归模型

实践案例使用简洁的神经网络感知机（MLPRegressor）。

from sklearn.neural_network import MLPRegressor
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.preprocessing import StandardScaler
from sklearn.metrics import mean_squared_error, mean_absolute_error
from sklearn.utils import column_or_1d
import pandas as pd
import numpy as np
import joblib
import matplotlib.pyplot as plt

df = pd.read_csv('power_pv09.csv')
# 数据处理过程，略
train_datas = df[cols_dict].loc[df['p_mp'] > 0]
y = train_datas[['ThisPower']] 
X = train_datas.drop(columns='ThisPower')
model_filename = 'mlpmodel.joblib'

x_train, x_test, Y_train, Y_test = train_test_split(X, y, test_size=0.2)

std_x = StandardScaler()
std_x.fit(x_train)
# y值可以不进行归一化，使用原值
std_y = StandardScaler()
std_y.fit(Y_train)

y_train = std_y.transform(Y_train)
y_test  = std_y.transform(Y_test)
X_train = std_x.transform(x_train)
X_test = std_x.transform(x_test)

forest_model = MLPRegressor(hidden_layer_sizes=(80, 90, 80), 
                            solver = 'adam', 
                            tol=1e-3, max_iter=600, random_state=0).fit(X_train, y_train)

joblib.dump(forest_model, model_filename)  # 存储模型

y_ = forest_model.predict(X_test)
y_ = y_.reshape(-1,1)
pre_y = std_y.inverse_transform(y_)

3.2. 可视化训练过程

# 可视化损失函数
plt.figure(figsize=(12,6))
plt.plot(forest_model.loss_curve_)
plt.xlabel("iters")
plt.ylabel(forest_model.loss)
plt.show()

注意：适用于solver = 'adam’等，牛顿法不适用solver=‘lbfgs’。

3.3. 回归模型评估

使用常用机器学习回归模型评估方法R2、MSE、MAE等方法，在Sklearn库中，分别调用其函数实现评估，具体函数详见如下代码。

R2 = forest_model.score(X_test, y_test)
print ("Test R2 Score = ", R2)
'''计算训练集 MSE'''
pre_train = forest_model.predict(X_train)
mse_train = mean_squared_error(pre_train,y_train)
print ("Train mean squared ERROR = ", mse_train)
'''计算训练集 MAE'''
pre_train = forest_model.predict(X_train)
mae_train = mean_absolute_error(pre_train,y_train)
print ("Train mean absolute ERROR = ", mae_train)
'''计算测试集mse'''
pred_test = forest_model.predict(X_test)
mse_test = mean_squared_error(pred_test,y_test)
print ("Test mean_squared ERROR = ", mse_test)
'''结果可视化'''
xx=range(0,len(y_test))
plt.figure(figsize=(8,6))
plt.scatter(xx,Y_test,color="red",label="Sample Point",linewidth=3) 
plt.plot(xx,column_or_1d(pre_y, warn=True),color="blue",label="Fitting Line",linewidth=2)
plt.legend()

评估结果如下：

Test R2 Score = 0.884
Train mean squared ERROR = 0.0475
Train mean absolute ERROR = 0.147
Test mean_squared ERROR = = 0.1026

测试集预测结果与真实值对比图如下：

参考：

大鱼. 机器学习常见评价指标. 知乎. 2022.11
Xiaofei@IDO. 机器学习：回归模型的评价指标. CSDN博客. 2021.06