PaddleX 3.0 时序分类模型产线———心跳监测时序数据分类应用教程

PaddleX 提供了丰富的模型产线，模型产线由一个或多个模型组合实现，每个模型产线都能够解决特定的场景任务问题。PaddleX 所提供的模型产线均支持快速体验，如果效果不及预期，也同样支持使用私有数据微调模型，并且 PaddleX 提供了 Python API，方便将产线集成到个人项目中。在使用之前，您首先需要安装 PaddleX，安装方式请参考 PaddleX 安装。此处以一个设备节点的分类的任务为例子，介绍模型产线工具的使用流程。

1. 选择产线

首先，需要根据您的任务场景，选择对应的 PaddleX 产线，本任务目标就是基于心跳监测数据对时序分类模型进行训练，实现对心跳时间序列状况的分类。了解到这个任务属于时序分类任务，对应 PaddleX 的时序分类产线。如果无法确定任务和产线的对应关系，您可以在 PaddleX 支持的模型产线列表中了解相关产线的能力介绍。

2. 快速体验

PaddleX 提供了两种体验的方式，一种是可以直接通过 PaddleX 在本地体验，另外一种是可以在 AI Studio 星河社区上体验。

本地体验方式：

python main.py -c paddlex/configs/ts_classification/TimesNet_cls.yaml \
    -o Global.mode=predict \
    -o Predict.model_dir=https://paddle-model-ecology.bj.bcebos.com/paddlex/official_inference_model/TimesNet_cls_heart_infer.tar \
    -o Predict.input_path=https://paddle-model-ecology.bj.bcebos.com/paddlex/PaddleX3.0/doc_images/practical_tutorial/timeseries_classification/test.csv

星河社区体验方式：可以进入官方时序分类应用体验时序分类任务的能力。

注：由于时序数据和场景紧密相关，时序任务的在线体验官方内置模型仅是在一个特定场景下的模型方案，并非通用方案，不适用其他场景，因此体验方式不支持使用任意的文件来体验官方模型方案效果。但是，在完成自己场景数据下的模型训练之后，可以选择自己训练的模型方案，并使用对应场景的数据进行在线体验。

3. 选择模型

PaddleX 提供了1个端到端的时序分类模型，具体可参考模型列表，其中模型的benchmark如下：

模型列表	acc(%)	模型存储大小(M)
TimesNet_cls	87.5	5.3M

注：以上精度指标测量自 UEA/UWaveGestureLibrary 数据集。

4. 数据准备和校验

4.1 数据准备

为了演示时序分类任务整个流程，我们将使用公开的 Heartbeat 数据集进行模型训练及验证。Heartbeat 数据集是 UEA 时间序列分类数据集的场景之一，涉及到心跳监测医学诊断这一实际任务。该数据集由多组时间序列组成，每个数据点由标签变量、群组编号和 61 个特征变量组成。该数据集通常用于测试和验证时间分类预测模型的性能。

我们已经将该数据集转化为标准数据格式，可通过以下命令获取示例数据集。关于数据格式介绍，您可以参考 PaddleX 数据格式介绍。

数据集获取命令：

cd /path/to/paddlex
wget https://paddle-model-ecology.bj.bcebos.com/paddlex/data/ts_classify_examples.tar -P ./dataset
tar -xf ./dataset/ts_classify_examples.tar -C ./dataset/

数据注意事项
- 基于收集的真实数据，明确时序数据的分类目标，并定义相应的分类标签。例如，在股票价格分类中，标签可能是“上涨”或“下跌”。对于在一段时间是“上涨”的时间序列，可以作为一个样本（group），即这段时间序列每个时间点都具有共同的 group_id, 标签列我们都定义为“上涨”标签；对于在一段时间是“下跌”的时间序列，可以作为一个样本（group），即这段时间序列每个时间点都具有共同的 group_id, 标签列我们都定义为“下跌”标签。每一个 group，就是一个分类样本。
- 时间频率一致：确保所有数据序列的时间频率一致，如每小时、每日或每周，对于不一致的时间序列，可以通过重采样方法调整到统一的时间频率。
- 时间序列长度一致：确保每一个group的时间序列的长度一致。
- 缺失值处理：为了保证数据的质量和完整性，可以基于专家经验或统计方法进行缺失值填充。
- 非重复性：保证数据是安装时间顺序按行收集的，同一个时间点不能重复出现。

4.2 数据集校验

在对数据集校验时，只需一行命令：

python main.py -c paddlex/configs/ts_classification/TimesNet_cls.yaml \
    -o Global.mode=check_dataset \
    -o Global.dataset_dir=./dataset/ts_classify_examples

执行上述命令后，PaddleX 会对数据集进行校验，并统计数据集的基本信息。命令运行成功后会在 log 中打印出 Check dataset passed ! 信息，同时相关产出会保存在当前目录的 ./output/check_dataset 目录下，产出目录中包括示例数据行。校验结果文件保存在 ./output/check_dataset_result.json，校验结果文件具体内容为

{
  "done_flag": true,
  "check_pass": true,
  "attributes": {
    "train_samples": 82620,
    "train_table": [
      [ ...
    ],
    ],
    "val_samples": 83025,
    "val_table": [
      [ ...
      ]
    ]
  },
  "analysis": {
    "histogram": "check_dataset/histogram.png"
  },
  "dataset_path": "./dataset/ts_classify_examples",
  "show_type": "csv",
  "dataset_type": "TSCLSDataset"
}

上述校验结果中数据部分已省略，check_pass 为 True 表示数据集格式符合要求，其他部分指标的说明如下：

attributes.train_samples：该数据集训练集样本数量为 82620
attributes.val_samples：该数据集验证集样本数量为 83025
attributes.train_table：该数据集训练集样本示例数据行；
attributes.val_table：该数据集验证集样本示例数据行；

注：只有通过数据校验的数据才可以训练和评估。

4.3 数据集格式转换/数据集划分（非必选）

如需对数据集格式进行转换或是重新划分数据集，可通过修改配置文件或是追加超参数的方式进行设置。

数据集校验相关的参数可以通过修改配置文件中 CheckDataset 下的字段进行设置，配置文件中部分参数的示例说明如下：

CheckDataset:
- convert:
  - enable: 是否进行数据集格式转换，为 True 时进行数据集格式转换，默认为 False;
  - src_dataset_type: 如果进行数据集格式转换，则需设置源数据集格式，数据可选源格式为 xlsx 和 xls；
- split:
  - enable: 是否进行重新划分数据集，为 True 时进行数据集格式转换，默认为 False；
  - train_percent: 如果重新划分数据集，则需要设置训练集的百分比，类型为 0-100 之间的任意整数，需要保证和 val_percent 值加和为 100；
  - val_percent: 如果重新划分数据集，则需要设置验证集的百分比，类型为 0-100 之间的任意整数，需要保证和 train_percent 值加和为 100；

数据转换和数据划分支持同时开启，对于数据划分原有标注文件会被在原路径下重命名为 xxx.bak，以上参数同样支持通过追加命令行参数的方式进行设置，例如重新划分数据集并设置训练集与验证集比例：-o CheckDataset.split.enable=True -o CheckDataset.split.train_percent=80 -o CheckDataset.split.val_percent=20。

5. 模型训练和评估

5.1 模型训练

在训练之前，请确保您已经对数据集进行了校验。完成 PaddleX 模型的训练，只需如下一条命令：

    python main.py -c paddlex/configs/ts_classification/TimesNet_cls.yaml \
    -o Global.mode=train \
    -o Global.dataset_dir=./dataset/ts_classify_examples \
    -o Train.epochs_iters=5 \
    -o Train.batch_size=16 \
    -o Train.learning_rate=0.0001 \
    -o Train.time_col=time \
    -o Train.target_cols=dim_0,dim_1,dim_2 \
    -o Train.freq=1 \
    -o Train.group_id=group_id \
    -o Train.static_cov_cols=label

在 PaddleX 中模型训练支持：修改训练超参数、单机单卡训练(时序模型仅支持单卡训练)等功能，只需修改配置文件或追加命令行参数。

PaddleX 中每个模型都提供了模型开发的配置文件，用于设置相关参数。模型训练相关的参数可以通过修改配置文件中 Train 下的字段进行设置，配置文件中部分参数的示例说明如下：

Global：
- mode：模式，支持数据校验（check_dataset）、模型训练（train）、模型评估（evaluate）、单例测试（predict）；
- device：训练设备，可选cpu、gpu；可在该路径下模型支持列表的文档中，查看不同设备上支持的模型；
Train：训练超参数设置；
- epochs_iters：训练轮次数设置；
- learning_rate：训练学习率设置；
- batch_size：训练单卡批大小设置；
- time_col: 时间列，须结合自己的数据设置时间序列数据集的时间列的列名称;
- target_cols:结合自己的数据，设置时间序列数据集的目标变量的列名称，可以为多个，多个之间用','分隔。一般目标变量和希望预测的目标越相关，模型精度通常越高。本教程中心跳监控数据集中的时间列名有 61 个特征变量，如：dim_0, dim_1 等;
- freq：频率，须结合自己的数据设置时间频率，如：1min、5min、1h;
- group_id：一个群组编号表示的是一个时序样本，相同编号的时序序列组成一个样本。结合自己的数据设置指定群组编号的列名称, 如：group_id。
- static_cov_cols：代表时序的类别编号列，同一个样本的标签相同。结合自己的数据设置类别的列名称，如：label。

更多超参数介绍，请参考 PaddleX 超参数介绍。

注：

以上参数可以通过追加令行参数的形式进行设置，如指定模式为模型训练：-o Global.mode=train；指定前 1 卡 gpu 训练：-o Global.device=gpu:0；设置训练轮次数为 10：-o Train.epochs_iters=10。
模型训练过程中，PaddleX 会自动保存模型权重文件，默认为output，如需指定保存路径，可通过配置文件中 -o Global.output 字段

训练产出解释:

在完成模型训练后，所有产出保存在指定的输出目录（默认为./output/）下，通常有以下产出：

train_result.json：训练结果记录文件，记录了训练任务是否正常完成，以及产出的权重指标、相关文件路径等；
train.log：训练日志文件，记录了训练过程中的模型指标变化、loss 变化等；
config.yaml：训练配置文件，记录了本次训练的超参数的配置；
.pdparams、.pkl、model_meta、checkpoint、best_accuracy.pdparams.tar模型权重相关文件，包括网络参数、优化器、归一化、网络参数、数据信息和最佳模型权重压缩包等；

5.2 模型评估

在完成模型训练后，可以对指定的模型权重文件在验证集上进行评估，验证模型精度。使用 PaddleX 进行模型评估，只需一行命令：

    python main.py -c paddlex/configs/ts_classification/TimesNet_cls.yaml \
    -o Global.mode=evaluate \
    -o Global.dataset_dir=./dataset/ts_classify_examples \
    -o Evaluate.weight_path=./output/best_model/model.pdparams

与模型训练类似，模型评估支持修改配置文件或追加命令行参数的方式设置。

注：在模型评估时，需要指定模型权重文件路径，每个配置文件中都内置了默认的权重保存路径，如需要改变，只需要通过追加命令行参数的形式进行设置即可，如-o Evaluate.weight_path=./output/best_model/model.pdparams。

5.3 模型调优

通过合理调整训练轮数，您可以控制模型的训练深度，避免过拟合或欠拟合；而学习率的设置则关乎模型收敛的速度和稳定性。因此，在优化模型性能时，务必审慎考虑这两个参数的取值，并根据实际情况进行灵活调整，以获得最佳的训练效果。基于控制变量的方法，我们可以采用在初始阶段基于固定的较小轮次，多次调整学习率，从而找到较优学习率；之后再次增大训练轮次，进一步提升效果。下面我们详细介绍时序分类的调参方法:

推荐在调试参数时遵循控制变量法：

首先固定训练轮次为 5，批大小为 16。
基于 TimesNet_cls 模型启动三个实验，学习率分别为：0.00001，0.0001，0.001。
可以发现实验三精度最高。因此固定学习率为 0.001，尝试增大训练轮次到 30。注：由于时序任务内置的 earlystop 机制，验证集精度在 10 个 patience epoch（耐心轮次）后没有提升时，会自动停止训练。如果需要更改早停训练的耐心轮次，可以手动修改配置文件中的超参数 patience 的值。

学习率探寻实验结果：

实验	轮次	学习率	batch_size	训练环境	验证集准确率
实验一	5	0.00001	16	1卡	72.20%
实验二	5	0.0001	16	1卡	72.20%
实验三	5	0.001	16	1卡	73.20%

增大训练轮次实验结果：

实验	轮次	学习率	batch_size	训练环境	验证集准确率
实验三	5	0.001	16	1卡	73.20%
实验四	30	0.001	16	1卡	75.10%

6. 产线测试

将模型目录设置为训练完成的模型进行测试，使用测试文件，进行预测：

python main.py -c paddlex/configs/ts_classification/TimesNet_cls.yaml \
    -o Global.mode=predict \
    -o Predict.model_dir="output/best_model/model.pdparams" \
    -o Predict.input_path=https://paddle-model-ecology.bj.bcebos.com/paddlex/PaddleX3.0/doc_images/practical_tutorial/timeseries_classification/test.csv

通过上述可在./output下生成预测结果，其中test.csv的预测结果保存在result.csv中。

7. 开发集成/部署

PaddleX 针对时序分析模型也提供了本地推理部署/服务化部署的方式进行模型部署。目前时序部署方案为动态图部署，提供本地推理和服务化部署两种部署方式，能够满足更多场景的需求。本地部署和服务化部署两种部署方式的特点如下：

* 本地部署：运行脚本执行推理，或在程序中调用 Python 的推理 API。旨在实现测试样本的高效输入与模型预测结果的快速获取，特别适用于大规模批量刷库的场景，显著提升数据处理效率。
* 服务化部署：采用 C/S 架构，以服务形式提供推理能力，客户端可以通过网络请求访问服务，以获取推理结果。

PaddleX 本地部署和服务化部署流程如下：
1. 获取离线部署包。
  1. 进入 AIStudio 星河社区根据本地训练模型产线创建对应产线，在“选择产线”页面点击“直接部署”。
  2. 在“产线部署”页面选择“导出离线部署包”，使用默认的模型方案，选择与本地测试环境对应的部署包运行环境，点击“导出部署包”。
  3. 待部署包导出完毕后，点击“下载离线部署包”，将部署包下载到本地。
  4. 点击“生成部署包序列号”，根据页面提示完成设备指纹的获取以及设备指纹与序列号的绑定，确保序列号对应的激活状态为“已激活“。
2. 将自训练产出打包的模型 best_accuracy.pdparams.tar 放在离线部署包 model/ts_classification_module/ 目录中，替换原有的模型。
3. 根据需要选择要使用的部署SDK：offline_sdk 目录对应推理SDK，serving_sdk 目录对应服务化部署SDK。按照SDK文档（README.md）中的说明，完成部署环境准备。
```
python infer.py \
    --csv_path test.csv \
    --device gpu \
    --save_dir ./output_infer \
    --checkpoints ./model/ts_classification_module/best_accuracy.pdparams.tar \
    --visual True \
    --serial_num <serial_num> \
    --update_license True
```

其他产线的 Python API 集成方式可以参考PaddleX 模型产线推理预测。 PaddleX 同样提供了高性能的离线部署和服务化部署方式，具体参考基于 FastDeploy 的模型产线部署。

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