Прогнозирование качества извлечение оксида железа из руды с помощью машинного обучения

Ссылка на репозиторий GitHub.

О себе

Здравствуйте, меня зовут Ыдырыс Олжас. Учусь на 3 курсе в Национальном исследовательском технологическом университете “МИСИС” по специальности металлургия, но также в свободное время я изучаю Data Science. Данный проект я реализовал, чтобы показать насколько эффективно можно применять методы машинного обучения для оптимизации и улучшения металлургических процессов. Так что давайте я начну с маленькой теоретического введения.

Примечание: Не всегда легко найти базы данных реальных производственных предприятий, особенно металлургических. Надеюсь что данная статья поможет развитию такого узкого направления и крупные предприятия начнут выкладывать данные для учебной практики.

Введение

Железные руды - это горные породы и минералы, из которых можно экономично извлечь металлическое железо. Кремнезем является основной примесью в железной руде. Высокое ее содержание может привести к большому объему шлака. Это, в свою очередь, приводит загрязнению окружающей среды. Прогнозируя содержание примеси в руде, мы можем помочь инженерам на заводе проводить необходимые расчеты на ранних стадиях производства.

Прогнозирование содержания кремнезема включает в себя множество химических анализов, которые отнимают много времени и требуют больших операционных затрат. Использование ML-моделей упростит наш процесс, решив все наши проблемы одним махом...

Данные

Данные были получены на сайте Kaggle.

# Выводим информацию о датафрейме
df.info()

Второй и третий столбец - это показатели качества железорудной пульпы непосредственно перед ее подачей на флотационную установку. Столбцы с четвертого по восьмой - это наиболее важные переменные, которые влияют на качество исходной продукции в конце процесса. С столбца 9 по столбец 22 мы можем видеть данные процесса (уровень и поток воздуха внутри флотационных колонн, которые также влияют на качество процесса. Последние два столбца - это окончательные измерения качества пульпы железной руды, полученные в лаборатории. Цель - предсказать последний столбец, который представляет собой процент кремнезема в железорудном концентрате.

Разведочный анализ данных

Разведочный анализ данных (EDA) - это подход к анализу наборов данных для обобщения их основных характеристик, часто с использованием визуальных методов.

# Выводим статистическую информацию
df.describe()

В первую очередь я рассмотрел статистическую информацию для этого я применил метод df.describe(). Из выведенного столбца мы можем увидеть что максимальный процент кремнезема после флотации равно 5.5%, а минимальное 0.6%. Процент железного концентрата после флотации 62-68%.

Гистограмма столбцов

С помощью гистограмм мы можем более наглядно увидеть статистическую информацию.

df.hist(figsize= (20,20))
plt.show("png")

Матрица корреляций

Коэффициент корреляции характеризует величину отражающую степень взаимосвязи двух переменных между собой. Из этой диаграммы можно сделать вывод, что существует взаимосвязь между железным сырьем и кремнеземом. Также существует связь между концентратом кремнезема и концентратом железа.

plt.figure(figsize=(18,18))
sns.heatmap(df.corr(), annot=True)
plt.show("png")

Строим и оцениваем модель

В этом практическом проекте я буду использовать LightGBM и Optuna для лучшей эффективности модели. Также для оценки модели я и использовал перекрестную проверку, что поможет мне избежать переобучения модели.

LightGBM

LightGBM — это фреймворк, который предоставляет реализацию деревьев принятия решений с градиентным бустингом. Он создан группой исследователей и разработчиков Microsoft. Основные преимуществами:

• Более высокая скорость обучения и высокая эффективность.

• Меньшее использование памяти.

• Более высокая точность.

• Поддержка параллельного, распределенного и GPU-обучения.

• Возможность работы с большими объемами данных.

Optuna

Optuna - это программный фреймворк для автоматической оптимизации гиперпараметров, разработанный специально для машинного обучения.

• Масштабируемость

• Параллелизация вычислении

• Быстрая визуализация

from optuna.integration import LightGBMPruningCallback
import optuna
from sklearn.metrics import mean_squared_error
from sklearn.model_selection import KFold
import lightgbm as lgbm

EPS = 1e-8

# Создаем функцию objective для optuna
def objective(trial, X, y):
  
    # Параметры обучения
    param_grid = {
    "verbosity": -1,
    "boosting_type": "gbdt",
    "n_estimators": trial.suggest_categorical("n_estimators", [10000]),
    "learning_rate": trial.suggest_categorical("learning_rate", [0.0125, 0.025, 0.05, 0.1]),
    "num_leaves": trial.suggest_int("num_leaves", 2, 2048),
    "max_depth": trial.suggest_int("max_depth", 3, 12),
    "min_data_in_leaf": trial.suggest_int("min_data_in_leaf", 1, 100),
    "lambda_l1": trial.suggest_float("lambda_l1", 1e-8, 10.0, log=True),
    "lambda_l2": trial.suggest_float("lambda_l2", 1e-8, 10.0, log=True),
    "min_gain_to_split": trial.suggest_float("min_gain_to_split", 0, 15),
    "bagging_fraction": min(trial.suggest_float("bagging_fraction", 0.3, 1.0 + EPS), 1.0),
    "bagging_freq": trial.suggest_int("bagging_freq", 1, 7),
    "feature_fraction": min(trial.suggest_float("feature_fraction", 0.3, 1.0 + EPS), 1.0),
    "feature_pre_filter": False,
    "extra_trees": trial.suggest_categorical("extra_trees", [True, False]),
    }
    
    # Перекрестная проверка
    cv = KFold(n_splits=5, shuffle=True)
    
		# Массив куда мы сохраняем результаты проверки
    cv_scores = np.empty(5)
        
    for idx, (train_idx, test_idx) in enumerate(cv.split(X, y)):
        X_train, X_test = X.iloc[train_idx], X.iloc[test_idx]
        y_train, y_test = y[train_idx], y[test_idx]
        
        # Создаем регрессионную модель LightGBM
        model = lgbm.LGBMRegressor( **param_grid)
        # Обучаем модель
        model.fit(
            X_train,
            y_train,
            eval_set=[(X_test, y_test)],
            eval_metric="rmse",
            early_stopping_rounds=100,
            callbacks=[
                LightGBMPruningCallback(trial, "rmse")
            ], 
        )
        preds = model.predict(X_test)
        # Сохраняем в массив результаты проверки
        cv_scores[idx] = mean_squared_error(y_test, preds)

    return np.mean(cv_scores) # Возращаем среднее значение всех проверок

# Создаем новое обучение.
study = optuna.create_study(direction="minimize", study_name="LGBM Classifier")
func = lambda trial: objective(trial, X, y)
# Вызываем оптимизацию функций objective.
study.optimize(func, n_trials=20)

Для оценки модели я использую метрику RMSE (Среднеквадратическая ошибка)

Для каждой точки вычисляется квадратная разница между прогнозами и целью, а затем усредняются эти значения и возводится в корень. Чем выше это значение, тем хуже модель.

print(f"\tНаилучшее значение (rmse): {study.best_value:.5f}")
print(f"\tНаилучшие параметры:")
for key, value in study.best_params.items():
print(f"\t\t{key}: {value}")

--------------------------------------------------------------------------------
		Наилучшее значение (rmse): 0.01053
		Наилучшие параметры:
				n_estimators: 10000
				learning_rate: 0.025
				num_leaves: 628
				max_depth: 11
				min_data_in_leaf: 1
				lambda_l1: 1.970304366797382e-06
				lambda_l2: 3.183217431386711e-08
				min_gain_to_split: 0.06980772043041306
				bagging_fraction: 0.9383496311685677
				bagging_freq: 7
				feature_fraction: 0.978126829339409
				extra_trees: False

Заключение

На основании проведённых исследований мы можем увидеть насколько эффективно применять методы машинного обучения в отличие от лабораторных исследований. Потратив час на написание кода и обучения модели мы получаем невероятную точность предсказании (99%).

Ссылки

• https://optuna.org

• https://lightgbm.readthedocs.io/en/latest/

• https://www.kaggle.com/edumagalhaes/quality-prediction-in-a-mining-process