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概率预测之NGBoost（Natural Gradient Boosting）回归和线性分位数回归

NGBoost
- NGBoost超参数解释
- NGBoost.fit
- score(X, Y)
- staged_predict(X)
- feature_importances_
- pred_dist 方法来获取概率分布对象
分位数回归（Quantile Regression）
- smf.quantreg 对多变量数据进行分位数回归分析
- 概率预测指标
参考

概率预测是一种预测方法，它不仅提供一个具体的预测值（如点预测），还提供预测值的概率分布或置信区间。这种方法能够更好地捕捉预测的不确定性，适用于需要了解预测结果可靠性的场景。

NGBoost

NGBoost（Natural Gradient Boosting）是一个用于提升树的分位数回归和概率预测的强大库。它通过自然梯度提升方法来优化分位数损失函数，从而能够提供更准确的概率预测和分位数回归。

NGBoost超参数解释

n_estimators
含义：提升树的数量。
作用：控制模型的复杂度和拟合能力。增加树的数量可以提高模型性能，但也可能导致过拟合。
默认值：通常为50或100。
learning_rate
含义：学习率，用于缩放每棵树的贡献。
作用：降低每棵树的影响以防止过拟合，同时通过更多的树逐步逼近目标。
默认值：0.1。
minibatch_frac
含义：每次迭代时使用的样本比例（类似于随机梯度下降中的批量大小）。
作用：减少计算量并引入随机性，有助于防止过拟合。
默认值：1.0（使用所有样本）。
col_sample
含义：每次迭代时使用的特征比例。
作用：通过减少特征数量引入随机性，防止过拟合。
默认值：1.0（使用所有特征）。
base
含义：基础估计器（弱学习器），通常是决策树。
作用：指定模型的基础结构，默认为DecisionTreeRegressor。
默认值：max_depth=3 的决策树。
Dist
含义：目标变量的概率分布类型。
作用：定义目标变量的分布形式，如正态分布 (Normal)、伯努利分布 (Bernoulli) 等。
默认值：根据任务自动选择。
Score
含义：评分函数，用于评估当前模型的拟合效果。
作用：指导模型优化方向，例如负对数似然 (LogScore) 或偏差方差分解 (CRPScore)。
默认值：LogScore。
natural_gradient
含义：是否使用自然梯度下降。
作用：启用自然梯度下降可以加速收敛并减少训练过程中的振荡。
默认值：True。
verbose
含义：控制训练过程中的日志输出。
作用：调试和监控模型训练过程。
默认值：True。
random_state
含义：随机种子，确保结果可复现。
作用：设置随机数生成器的种子。
默认值：None。

from xgboost import XGBRegressor# 使用XGBoost作为基学习器
model = NGBRegressor(base=XGBRegressor(max_depth=3, n_estimators=10))from sklearn.linear_model import LinearRegression# 使用线性回归作为基学习器
model = NGBRegressor(base=LinearRegression())from sklearn.svm import SVR# 使用支持向量机作为基学习器
model = NGBRegressor(base=SVR(kernel='rbf'))

NGBoost.fit

X
类型：array-like 或 pandas.DataFrame
含义：训练数据的特征矩阵，形状为 (n_samples, n_features)。
作用：模型将基于这些特征进行学习。
Y
类型：array-like
含义：目标变量（标签），形状为 (n_samples,)。
作用：模型的目标是拟合这些标签值。
X_val=None
类型：array-like 或 pandas.DataFrame
含义：验证集的特征矩阵。
作用：如果提供验证集，则可以在训练过程中监控模型在验证集上的表现。
Y_val=None
类型：array-like
含义：验证集的目标变量。
作用：与 X_val 配合使用，用于评估模型的泛化能力。
early_stopping_rounds=None
类型：int
含义：早停轮数。
作用：如果在连续 early_stopping_rounds 轮中，验证集上的性能没有提升，则提前停止训练。用于防止过拟合。
sample_weight=None
类型：array-like
含义：样本权重，形状为 (n_samples,)。
作用：为每个样本分配不同的权重，影响模型的学习过程。

score(X, Y)

含义：计算模型在给定数据上的评分。
返回值：负对数似然（Negative Log-Likelihood, NLL）或其他指定的评分函数值。

staged_predict(X)

含义：逐步生成预测结果，类似于梯度提升中的逐轮预测。
参数：
- X：特征矩阵。
- 返回值：一个生成器，逐步返回每轮迭代后的预测结果。
- 适用场景：观察模型在不同迭代次数下的表现。

for i, preds in enumerate(model.staged_predict(X_test)):print(f"第 {i+1} 轮预测: {preds[:5]}")

feature_importances_

含义：返回特征的重要性（基于基学习器的贡献）。
返回值：一个数组，表示每个特征的重要性。
注意：仅当基学习器为决策树时有效。

pred_dist 方法来获取概率分布对象

mean(): 获取均值。
median(): 获取中位数。
interval(alpha): 获取指定置信水平的置信区间。
pdf(x): 获取概率密度函数（PDF）在 x 处的值。
cdf(x): 获取累积分布函数（CDF）在 x 处的值。
ppf(q): 获取分位数函数（PPF）在 q 处的值。

import lightgbm as lgb
from sklearn.base import BaseEstimator, RegressorMixin
import numpy as np
from ngboost import NGBRegressor
from ngboost.scores import LogScore
from ngboost.distns import Normal
from sklearn.datasets import make_regression
from sklearn.model_selection import train_test_split
from sklearn.metrics import mean_absolute_error# 定义适配器类
class LGBMRegressorAdapter(BaseEstimator, RegressorMixin):def __init__(self, **kwargs):self.lgbm = lgb.LGBMRegressor(**kwargs)def fit(self, X, y):self.lgbm.fit(X, y)return selfdef predict(self, X):return self.lgbm.predict(X)# 生成模拟数据
X, Y = make_regression(n_samples=1000, n_features=10, noise=0.5, random_state=42)
X_train, X_test, Y_train, Y_test = train_test_split(X, Y, test_size=0.2, random_state=42)# 初始化 LGBMRegressorAdapter
lgbm_base = LGBMRegressorAdapter(n_estimators=10, max_depth=3, learning_rate=0.1)# 初始化 NGBoost 模型，使用 LGBM 作为基学习器，并使用 LogScore 和 Normal
model = NGBRegressor(base=lgbm_base,Dist=Normal,Score=LogScore,n_estimators=200,learning_rate=0.1,verbose=True
)# 训练模型
model.fit(X_train, Y_train,X_val=X_test, Y_val=Y_test,early_stopping_rounds=10,refit=True
)# 预测
predictions = model.predict(X_test)# 计算 MAE
mae = mean_absolute_error(Y_test, predictions)
print(f"Test MAE: {mae}")# 获取概率分布对象
distributions = model.pred_dist(X_test)# 示例：获取前5个样本的统计信息
for i, dist in enumerate(distributions[:5]):mean_val = dist.mean()median_val = dist.median()lower, upper = dist.interval(0.95)pdf_val = dist.pdf(mean_val)  # PDF at the meancdf_val = dist.cdf(mean_val)  # CDF at the meanppf_val = dist.ppf(0.5)       # PPF at 0.5 (median)print(f"样本 {i+1}:")print(f"  均值: {mean_val}")print(f"  中位数: {median_val}")print(f"  95% 置信区间: [{lower}, {upper}]")print(f"  PDF at mean: {pdf_val}")print(f"  CDF at mean: {cdf_val}")print(f"  PPF at 0.5: {ppf_val}")print()# 以下等价
mean_val = dist.mean()
median_val = dist.median()
ppf_val = dist.ppf(0.5)       # PPF at 0.5 (median)
distributions = model.predict(X_test)

分位数回归（Quantile Regression）

分位数回归（Quantile Regression）是一种统计方法，用于估计目标变量在不同分位数上的条件分布。

smf.quantreg 对多变量数据进行分位数回归分析

smf.quantreg 是 statsmodels 库中的一个模块，用于进行分位数回归（Quantile Regression）。

import pandas as pd
import statsmodels.formula.api as smf# 创建示例数据集
data = {'y': [1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10],'x1': [10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 80, 90, 100],'x2': [15, 25, 35, 45, 55, 65, 75, 85, 95, 105]
}
df = pd.DataFrame(data)# 指定分位数
quantile = 0.5# 定义模型公式
formula = 'y ~ x1 + x2'# 拟合模型
model = smf.quantreg(formula, df)
result = model.fit(q=quantile)# 查看回归结果
print(result.summary())

概率预测指标

# PICP: predicition interval coverage probability
# WS: winkler score
def evaluate_PICP_WS(y_pred_upper, y_pred_lower, y_test, confidence):# Reshape to 2D array for standardizationy_pred_upper = np.reshape(y_pred_upper, (len(y_pred_upper), 1))y_pred_lower = np.reshape(y_pred_lower, (len(y_pred_lower), 1))y_pred_upper = sc_load.inverse_transform(y_pred_upper)y_pred_lower = sc_load.inverse_transform(y_pred_lower)y_test = sc_load.inverse_transform(y_test)# Ravel for ease of computationy_pred_upper = y_pred_upper.ravel()y_pred_lower = y_pred_lower.ravel()y_test = y_test.ravel()# Find out of bound indices for WSidx_oobl = np.where((y_test < y_pred_lower) > 0)idx_oobu = np.where((y_test > y_pred_upper) > 0)PICP = np.sum((y_test > y_pred_lower) & (y_test <= y_pred_upper)) / len(y_test) * 100WS = np.sum(np.sum(y_pred_upper - y_pred_lower) + np.sum(2 * (y_pred_lower[idx_oobl[0]] - y_test[idx_oobl[0]]) / confidence) +np.sum(2 * (y_test[idx_oobu[0]] - y_pred_upper[idx_oobu[0]]) / confidence)) / len(y_test)print ("PICP of testing set: {:.2f}%".format(PICP))print ("WS of testing set: {:.2f}".format(WS))return PICP, WS

参考

1.https://github.com/statsmodels/statsmodels
2.新能源电力系统概率预测：基本概念与数学原理_万灿.pdf
3.新能源电力系统概率预测理论与方法=Theory and Methodology of Probabilistic Forecasting for Renewable Power Systems_万灿,宋永华.pdf
4.https://github.com/stanfordmlgroup/ngboost