学习笔记：【案例】电力窃漏用户自动识别

案例来源：《Python数据分析与挖掘实战》第6章

案例背景与挖掘目标

提取窃漏电用户的关键特征，构建窃漏电用户的识别模型，自动检查、判断用户是否存在窃漏电行为。
输入数据：
用电负荷数据
终端报警信息
违约、窃电处理通知书
挖掘目标：

1. 归纳出窃漏电用户的关键特征，构建窃漏电用户的识别模型
2. 利用实时监测数据，调用窃漏电用户识别模型实现实时诊断

分析方法与过程（选择的原则）

数据预处理时的考虑

1. 剔除大用户，如银行、税务、学校和工商等非居民类别的数据
2. 进行数据探索和预处理，总结窃漏电用户的行为规律
3. 从数据中提炼出描述窃漏电用户的特征指标

子任务规划

1. 有选择性地抽取数据
2. 数据探索分析，剔除白名单用户，初步审视正常用户与窃漏电用户的用电特征
3. 数据预处理：数据清洗，缺失值处理，数据变换
4. 构建专家样本集（有人工标注的“是否窃漏电用户”数据）
5. 构建窃漏电用户识别模型
6. 在线监测，调用模型实现实时诊断

实验一

#实验一
#完成缺失数据的插值操作

import os
import pandas as pd
from scipy.interpolate import lagrange

## 输入数据文件完整路径，输出describe
def data_read(dtpath):
    dttype = os.path.splitext(dtpath)
    if dttype[1] == '.xls':
        data = pd.read_excel(dtpath)
    ##desc = data.describe()
    return data # as dataframe

## plot in lagrange value for missing data
def plotinterp_col(s, n, k=5):
    y = s[list(range(n-k, n)) + list(range(n+1, n+1+k))]
    y = y[y.notnull()]
    return lagrange(y.index, list(y))(n)

def plotinterp_col_n(s, n, k=5):
    y = s[list(range(n-k, n)) + list(range(n+1, n+1+k))]
    y = y[y.notnull()]
    return pd.Series.interpolate(y.index, list(y))(n)

input_data = data_read('../data/missing_data.xls')
output_data = '../data/fixed.xls'

for i in input_data.columns:
    for j in range(len(input_data)):
        if (input_data[i].isnull())[j]:
            input_data[i][j] = plotinterp_col(input_data[i], j, 20)

input_data.to_excel(output_data)

## 测试使用pandas的interpolate函数进行插值处理，对比两者差异
input_data2 = data_read('../data/missing_data.xls')
output_data2 = '../data/fixed2.xls'

for i in input_data2.columns:
    ##for j in range(len(input_data2)):
    ##if (input_data2[i].isnull()):
    s = pd.Series(input_data2[i])
    input_data2[i] = s.interpolate()

input_data2.to_excel(output_data2)

实验二

## 实验二
## 1、读取数据
## 2、随机分成两部分，80%训练，20%测试
## 3、决策树模型训练及测试
## 4、LM神经网络模型训练及测试
## 5、对比结果交叉验证
import os
import pandas as pd
from random import shuffle
## 输入数据文件完整路径，输出describe
def data_read(dtpath):
    dttype = os.path.splitext(dtpath)
    if dttype[1] == '.xls':
        data = pd.read_excel(dtpath)
    ##desc = data.describe()
    return data # as dataframe

input_data = data_read('../data/model.xls')
input_data = input_data.as_matrix()
shuffle(input_data)

p=0.8
train = input_data[:int(len(input_data) * p),:]
test = input_data[int(len(input_data) * p):,:]

## 决策树模型

from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier

treefile = '../tmp/tree.pkl'

tree = DecisionTreeClassifier()

tree.fit(train[:,:3], train[:,3])

from sklearn.externals import joblib
joblib.dump(tree, treefile)

from sklearn.metrics import confusion_matrix
cm = confusion_matrix(train[:,3], tree.predict(train[:,:3]))
print(cm)

#[[152   7]
#[  7  66]]

# 总体正确率 = (152 + 66) / 232 = 93.97%
# 遗漏窃漏电用户 = 7 / 66 = 9.59%
# 因遗漏检测可能导致的问题更大，故提取以上指标


## LM神经网络模型

from keras.models import Sequential
from keras.layers.core import Dense, Activation

netfile = '../tmp/net.model'

net = Sequential()
net.add(Dense(input_dim=3, output_dim=10))
net.add(Activation('relu'))
net.add(Dense(input_dim=10, output_dim=1))
net.add(Activation('sigmoid'))
net.compile(loss = 'binary_crossentropy', optimizer='adam')

net.fit(train[:,:3], train[:,3], nb_epoch=1000, batch_size=1)
net.save_weights(netfile)

predict_result = net.predict_classes(train[:,:3]).reshape(len(train))
cm_lm = confusion_matrix(train[:,3], predict_result)
print(cm_lm)
#[[140  15]
# [ 16  61]]

# 总体正确率 = (140 + 61) / 232 = 86.64%
# 遗漏窃漏电用户 = 16 / 61 = 20.78%
# 因遗漏检测可能导致的问题更大，故提取以上指标

# Results
# 使用决策树模型的效果更佳