机器学习实战：沃尔玛销售预测

一、简介

1.1 比赛描述

建模零售数据的一个挑战是需要根据有限的历史做出决策。如果圣诞节一年一次，那么有机会看到战略决策如何影响到底线。

在此招聘竞赛中，为求职者提供位于不同地区的45家沃尔玛商店的历史销售数据。每个商店都包含许多部门，参与者必须为每个商店中的每个部门预测销售额。要添加挑战，选定的假日降价事件将包含在数据集中。众所周知，这些降价会影响销售，但预测哪些部门受到影响以及影响程度具有挑战性。

想要在世界上最大的一些数据集的良好环境中工作吗？这是向沃尔玛招聘团队展示您的模特气概的机会。

这项比赛计入排名和成就。 如果您希望考虑参加沃尔玛的面试，请在第一次参加时选中“允许主持人与我联系”复选框。

你必须在招募比赛中作为个人参加比赛。您只能使用提供的数据进行预测。

1.2 比赛评估

本次比赛的加权平均绝对误差（WMAE）评估：

n是行数
yi是真实销售额
wi是权重，如果该周是假日周，wi=5，否则为1
提交文件：Id列是通过将Store，Dept和Date与下划线连接而形成的（例如Store_Dept_2012-11-02）

对于测试集中的每一行（商店+部门+日期三元组），您应该预测该部门的每周销售额。

1.3 数据描述

您将获得位于不同地区的45家沃尔玛商店的历史销售数据。每个商店都包含许多部门，您的任务是预测每个商店的部门范围内的销售额。

此外，沃尔玛全年举办多项促销降价活动。这些降价活动在突出的假期之前，其中最大的四个是超级碗，劳动节，感恩节和圣诞节。包括这些假期的周数在评估中的加权比非假日周高五倍。本次比赛提出的部分挑战是在没有完整/理想的历史数据的情况下模拟降价对这些假期周的影响。

stores.csv:
此文件包含有关45个商店的匿名信息，指示商店的类型和大小。

train.csv:
这是历史销售数据，涵盖2010-02-05至2012-11-01。在此文件中，您将找到以下字段：
Store - 商店编号
Dept - 部门编号
Date - 一周
Weekly_Sales - 给定商店中给定部门的销售额(目标值)
sHoliday - 周是否是一个特殊的假日周

test.csv:
此文件与train.csv相同，但我们保留了每周销售额。您必须预测此文件中每个商店，部门和日期三元组的销售额。

features.csv:
此文件包含与给定日期的商店，部门和区域活动相关的其他数据。它包含以下字段：
Store - 商店编号
Date - 一周
Temperature - 该地区的平均温度
Fuel_Price - 该地区的燃料成本
MarkDown1-5 - 与沃尔玛正在运营的促销降价相关的匿名数据。MarkDown数据仅在2011年11月之后提供，并非始终适用于所有商店。任何缺失值都标有NA。
CPI - 消费者物价指数
Unemployment - 失业率
IsHoliday - 周是否是一个特殊的假日周

为方便起见，数据集中的四个假期在接下来的几周内（并非所有假期都在数据中）：

超级碗：2月12日至10日，11月2日至11日，10月2日至12日，2月8日至2月13
日劳动节：10月9日至10日，9月9日至9日，9月9日至9月12日-13
感恩节：26-Nov- 10,25 -Nov-11,23-Nov-12,29-Nov-13
圣诞节：31-Dec-10,30-Dec-11,28-Dec-12,27-Dec -13

二、代码

将数据存在GitHub的压缩包里，直接运行下载即可，或去kaggle下载数据，链接:https://www.kaggle.com/c/walmart-recruiting-store-sales-forecasting

2.1.1 下载数据

import os
import zipfile
from six.moves import urllib

FILE_NAME = "walmart-recruiting-store-sales-forecasting.zip" #文件名
DATA_PATH ="datasets/walmart-recruiting-store-sales-forecasting" #存储文件的文件夹，取跟文件相同（相近）的名字便于区分
DATA_URL = "https://github.com/824024445/KaggleCases/blob/master/datasets/" + FILE_NAME + "?raw=true"


def fetch_data(data_url=DATA_URL, data_path=DATA_PATH, file_name=FILE_NAME):
    if not os.path.isdir(data_path): #查看当前文件夹下是否存在"datasets/titanic"，没有的话创建
        os.makedirs(data_path)
    zip_path = os.path.join(data_path, file_name) #下载到本地的文件的路径及名称
    # urlretrieve()方法直接将远程数据下载到本地
    urllib.request.urlretrieve(data_url, zip_path) #第二个参数zip_path是保存到的本地路径
    data_zip = zipfile.ZipFile(zip_path)
    data_zip.extractall(path=data_path) #什么参数都不输入就是默认解压到当前文件,为了保持统一，是泰坦尼克的数据就全部存到titanic文件夹下
    data_zip.close()
fetch_data()

2.1.2 读取数据

import pandas as pd
import numpy as np

train_df = pd.read_csv("datasets/walmart-recruiting-store-sales-forecasting/train.csv")
test_df = pd.read_csv("datasets/walmart-recruiting-store-sales-forecasting/test.csv")
features = pd.read_csv("datasets/walmart-recruiting-store-sales-forecasting/features.csv")
stores = pd.read_csv("datasets/walmart-recruiting-store-sales-forecasting/stores.csv")

train_df = train_df.merge(features, on=["Store", "Date"], how="left").merge(stores, on="Store", how="left")
test_df = test_df.merge(features, on=["Store", "Date"], how="left").merge(stores, on="Store", how="left")
combine = [train_df, test_df]
train_df.head()

train_df.info()

test_df.info()

train_df.describe()
train_df.describe(include="O")

#各变量与Weekly_Sales的关系

corr_matrix = train_df.corr()
corr_matrix.Weekly_Sales.sort_values(ascending=False)

corr_matrix[["MarkDown1","MarkDown2","MarkDown3","MarkDown4","MarkDown5"]].sort_values(by="MarkDown5", ascending=False)

• markdown1和4的关联度比较大，只需要要一个就行，删除markdown4

2.3 数据清洗

2.3.1 缺失值处理

## Markdown 对于训练集markdown的缺失，这里先不处理，等会分成两个数据集，一个含缺失markdown然后填充，一个去掉这些数据
test_df[['MarkDown1','MarkDown2','MarkDown3','MarkDown5']] = test_df[['MarkDown1','MarkDown2','MarkDown3','MarkDown5']].fillna(0)
test_df[["CPI","Unemployment"]] = test_df[["CPI","Unemployment"]].fillna(method="ffill")  

2.3.2 创建新特征

将type列转变成onehot编码

train_df = pd.get_dummies(train_df, columns=["Type"])
test_df = pd.get_dummies(test_df, columns=["Type"])
train_df.head()

 

把日期换成月份

train_df['Month'] = pd.to_datetime(train_df['Date']).dt.month
test_df["Month"] = pd.to_datetime(test_df['Date']).dt.month
#等下记得删除Date，test的暂时先不删，后面要用

温度
想来，人们在极端天气的时候不太会出门。所以把数据分成两组：小于22.01，大于91.03（根据温度分布划分的，画柱状图可得，我已经删掉了）

train_df.loc[(train_df["Temperature"]<22.01)|(train_df["Temperature"]>91.03), "Is_temp_extr"]=1
train_df.loc[(train_df["Temperature"]>=22.01)& (train_df["Temperature"]<=91.03), "Is_temp_extr"]=0

test_df.loc[(test_df["Temperature"]<22.01)|(test_df["Temperature"]>91.03), "Is_temp_extr"]=1
test_df.loc[(test_df["Temperature"]>=22.01)& (test_df["Temperature"]<=91.03), "Is_temp_extr"]=0

train_df.corr().Weekly_Sales.sort_values(ascending=False)[["Temperature", "Is_temp_extr"]]
#提取新特征后相关性提升了十多倍 等下记得把这个特征删除。

燃油价格
人们会因为燃油费太贵不出门吗？

train_df.loc[train_df["Fuel_Price"]>3.47, "Is_fuel_expen"]=1
train_df.loc[train_df["Fuel_Price"]<=3.47, "Is_fuel_expen"]=0
#无论怎么改，这个相关性都很低，所以这个特征等下去除
train_df.corr().Weekly_Sales.sort_values(ascending=False)[["Fuel_Price", "Is_fuel_expen"]]

IsHoliday

（在最开始df.merge时）
由于前面合并表格的时候的问题，出现了两个isholidy,删掉一个即可。
另外，把bool值换成0和5(后面权重），新建一列IsHoliday，一会吧IsHoliday_x,IsHoliday_y删掉

train_df["IsHoliday"] = train_df["IsHoliday_x"].replace(True, 5).replace(False,0)
test_df["IsHoliday"] = test_df["IsHoliday_x"].replace(True, 5).replace(False,0)

train_df.corr().Weekly_Sales.sort_values(ascending=False)[["IsHoliday_x", "IsHoliday"]]

把刚刚处理过的多余的特征值删掉

train_df = train_df.drop(["IsHoliday_x", "IsHoliday_y",'MarkDown4',"Date", "Temperature", "Fuel_Price","Is_fuel_expen"], axis=1)

#这是后面提交表格需要用到的变量，用到了测试集的date特征，先在这里给id变量赋值，然后就可以吧date特征删除了
id = test_df["Store"].astype(str)+"_"+test_df["Dept"].astype(str)+"_"+test_df["Date"].astype(str)
test_df = test_df.drop(["IsHoliday_x", "IsHoliday_y", "MarkDown4", "Date","Temperature", "Fuel_Price"], axis=1) 

最终检查

将数据集用到模型前，一定要确保没有空值，所以最后再检查一下

先把训练集做成两份：一份含缺失的markdown，一个去除掉这些数据

train_df_one = train_df.copy()
train_df_two = train_df.copy()
train_df_one[['MarkDown1','MarkDown2','MarkDown3','MarkDown5']] = train_df_one[['MarkDown1','MarkDown2','MarkDown3','MarkDown5']].fillna(0)
train_df_two.dropna(inplace=True)

train_df_one.info()

train_df_two.info()

test_df.info()

模型和预测

 为了快速测试，写了一个类。我写的案例大部分都回用到这个类。不过每次因为性能评测的指标不同，所以需要微改。

import time
import os
from sklearn.metrics import mean_absolute_error
from sklearn.base import clone

class Tester():
    def __init__(self, target):
        self.target = target
        self.datasets = {}
        self.models = {}
        self.scores = {}
        self.cache = {} # 我们添加了一个简单的缓存来加快速度

    def addDataset(self, name, df):
        self.datasets[name] = df.copy()

    def addModel(self, name, model):
        self.models[name] = model
        
    def clearModels(self):
        self.models = {}

    def clearCache(self):
        self.cache = {}
    
    def testModelWithDataset(self, m_name, df_name, sample_len, cv):
        if (m_name, df_name, sample_len, cv) in self.cache:
            return self.cache[(m_name, df_name, sample_len, cv)]

        clf = clone(self.models[m_name])
        
        if not sample_len: 
            sample = self.datasets[df_name]
        else: sample = self.datasets[df_name].sample(sample_len)
            
        X = sample.drop([self.target], axis=1)
        Y = sample[self.target]

        #评分标准不一样的话，修改这里
        weights = X["IsHoliday"]
        clf.fit(X, Y)
        Y_pred = clf.predict(X)
        s = mean_absolute_error(Y, Y_pred, sample_weight=weights)
        self.cache[(m_name, df_name, sample_len, cv)] = s

        return s

    def runTests(self, sample_len=97056, cv=3):
        # 在所有添加的数据集上测试添加的模型
        for m_name in self.models:
            for df_name in self.datasets:
                # print('Testing %s' % str((m_name, df_name)), end='')
                start = time.time()

                score = self.testModelWithDataset(m_name, df_name, sample_len, cv)
                self.scores[(m_name, df_name)] = score
                
                end = time.time()
                
                # print(' -- %0.2fs ' % (end - start))

        print('--- Top 10 Results ---')
        # 评分标准改了之后这里也得改
        for score in sorted(self.scores.items(), key=lambda x: x[1])[:10]:
            # score = int(score[1])
            print(score)

    def obtian_result(self, X_test):
        clf = self.models[sorted(self.scores.items(), key=lambda x: x[1])[0][0]]
        Y_pred = clf.predict(X_test)
        return Y_pred

from sklearn.ensemble import ExtraTreesRegressor, RandomForestRegressor, GradientBoostingRegressor
from sklearn.neighbors import KNeighborsRegressor
from sklearn.svm import SVR
from sklearn.feature_selection import RFE
from sklearn.neural_network import MLPRegressor

# 我们将在所有模型中使用测试对象
tester = Tester('Weekly_Sales')

# 添加数据集
tester.addDataset('all_markdown', train_df_one)
tester.addDataset('wipe_markdown', train_df_two)

# 添加模型
knn_reg = KNeighborsRegressor(n_neighbors=10)
tree_reg = ExtraTreesRegressor(n_estimators=100,max_features='auto', verbose=1, n_jobs=1)
rf_reg = RandomForestRegressor(n_estimators=100,max_features='log2', verbose=1)
svr_reg = SVR(kernel='rbf', gamma='auto')
mlp_reg = MLPRegressor(hidden_layer_sizes=(10,),  activation='relu', verbose=3)
gbrt_reg = GradientBoostingRegressor(max_depth=8, warm_start=True)
tester.addModel('KNeighborsRegressor', knn_reg)
tester.addModel('ExtraTreesRegressor', tree_reg)
tester.addModel('RandomForestRegressor', rf_reg)
tester.addModel('SVR', svr_reg)
tester.addModel('MLPRegressor', mlp_reg)
tester.addModel('GradientBoostingRegressor', gbrt_reg)

# 测试
tester.runTests()

X = train_df_one.drop(["Weekly_Sales"], axis=1)
Y = train_df_one["Weekly_Sales"]

gbrt_reg.fit(X, Y)
Y_pred = gbrt_reg.predict(test_df)
submission = pd.DataFrame({
        "Id": id,
        "Weekly_Sales": pd.DataFrame(Y_pred)[0]
    })
id

submission.to_csv('submission.csv', index=False)

完整代码

#下载数据
import os
import zipfile
from six.moves import urllib

FILE_NAME = "walmart-recruiting-store-sales-forecasting.zip" #文件名
DATA_PATH ="datasets/walmart-recruiting-store-sales-forecasting" #存储文件的文件夹，取跟文件相同（相近）的名字便于区分
DATA_URL = "https://github.com/824024445/KaggleCases/blob/master/datasets/" + FILE_NAME + "?raw=true"


def fetch_data(data_url=DATA_URL, data_path=DATA_PATH, file_name=FILE_NAME):
    if not os.path.isdir(data_path): #查看当前文件夹下是否存在"datasets/titanic"，没有的话创建
        os.makedirs(data_path)
    zip_path = os.path.join(data_path, file_name) #下载到本地的文件的路径及名称
    # urlretrieve()方法直接将远程数据下载到本地
    urllib.request.urlretrieve(data_url, zip_path) #第二个参数zip_path是保存到的本地路径
    data_zip = zipfile.ZipFile(zip_path)
    data_zip.extractall(path=data_path) #什么参数都不输入就是默认解压到当前文件,为了保持统一，是泰坦尼克的数据就全部存到titanic文件夹下
    data_zip.close()
fetch_data()
#数据处理
import pandas as pd
import numpy as np

train_df = pd.read_csv("datasets/walmart-recruiting-store-sales-forecasting/train.csv")
test_df = pd.read_csv("datasets/walmart-recruiting-store-sales-forecasting/test.csv")
features = pd.read_csv("datasets/walmart-recruiting-store-sales-forecasting/features.csv")
stores = pd.read_csv("datasets/walmart-recruiting-store-sales-forecasting/stores.csv")

train_df = train_df.merge(features, on=["Store", "Date"], how="left").merge(stores, on="Store", how="left")
test_df = test_df.merge(features, on=["Store", "Date"], how="left").merge(stores, on="Store", how="left")
combine = [train_df, test_df]
train_df.head()

train_df.info()
test_df.info()

train_df.describe()
train_df.describe(include="O")

#各变量与Weekly_Sales的关系
corr_matrix = train_df.corr()
corr_matrix.Weekly_Sales.sort_values(ascending=False)

corr_matrix[["MarkDown1","MarkDown2","MarkDown3","MarkDown4","MarkDown5"]].sort_values(by="MarkDown5", ascending=False)

#数据清洗
## Markdown 对于训练集markdown的缺失，这里先不处理，等会分成两个数据集，一个含缺失markdown然后填充，一个去掉这些数据
#缺失值处理
test_df[['MarkDown1','MarkDown2','MarkDown3','MarkDown5']] = test_df[['MarkDown1','MarkDown2','MarkDown3','MarkDown5']].fillna(0)
test_df[["CPI","Unemployment"]] = test_df[["CPI","Unemployment"]].fillna(method="ffill")  

#创建新特征
#type转变成onehot编码
train_df = pd.get_dummies(train_df, columns=["Type"])
test_df = pd.get_dummies(test_df, columns=["Type"])
train_df.head()

#把日期换成月份，便于分析
train_df['Month'] = pd.to_datetime(train_df['Date']).dt.month
test_df["Month"] = pd.to_datetime(test_df['Date']).dt.month
#等下记得删除Date，test的暂时先不删，后面要用

#温度
#想来，人们在极端天气的时候不太会出门。所以把数据分成两组：小于22.01，大于91.03（根据温度分布划分的，画柱状图可得，我已经删掉了）
train_df.loc[(train_df["Temperature"]<22.01)|(train_df["Temperature"]>91.03), "Is_temp_extr"]=1
train_df.loc[(train_df["Temperature"]>=22.01)& (train_df["Temperature"]<=91.03), "Is_temp_extr"]=0

test_df.loc[(test_df["Temperature"]<22.01)|(test_df["Temperature"]>91.03), "Is_temp_extr"]=1
test_df.loc[(test_df["Temperature"]>=22.01)& (test_df["Temperature"]<=91.03), "Is_temp_extr"]=0

train_df.corr().Weekly_Sales.sort_values(ascending=False)[["Temperature", "Is_temp_extr"]]
#提取新特征后相关性提升了十多倍 等下记得把这个特征删除。

#燃油价格
#人们会因为燃油费太贵不出门吗？
train_df.loc[train_df["Fuel_Price"]>3.47, "Is_fuel_expen"]=1
train_df.loc[train_df["Fuel_Price"]<=3.47, "Is_fuel_expen"]=0
#无论怎么改，这个相关性都很低，所以这个特征等下删除
train_df.corr().Weekly_Sales.sort_values(ascending=False)[["Fuel_Price", "Is_fuel_expen"]]

#IsHoliday

#（在最开始df.merge时）
#由于前面合并表格的时候的问题，出现了两个isholidy,删掉一个即可。
#另外，把bool值换成0和5(后面权重）

train_df["IsHoliday"] = train_df["IsHoliday_x"].replace(True, 5).replace(False,0)
test_df["IsHoliday"] = test_df["IsHoliday_x"].replace(True, 5).replace(False,0)

#train_df.corr().Weekly_Sales.sort_values(ascending=False)[["IsHoliday_x", "IsHoliday"]]

#把刚刚处理过的多余的特征值删掉

train_df = train_df.drop(["IsHoliday_x", "IsHoliday_y",'MarkDown4',"Date", "Temperature", "Fuel_Price","Is_fuel_expen"], axis=1)

#这是后面提交表格需要用到的变量，用到了测试集的date特征，先在这里给id变量赋值，然后就可以吧date特征删除了
id = test_df["Store"].astype(str)+"_"+test_df["Dept"].astype(str)+"_"+test_df["Date"].astype(str)
test_df = test_df.drop(["IsHoliday_x", "IsHoliday_y", "MarkDown4", "Date","Temperature", "Fuel_Price"], axis=1) 

#最终检查

#将数据集用到模型前，一定要确保没有空值，所以最后再检查一下

#先把训练集做成两份：一份含缺失的markdown，一个去除掉这些数据
train_df_one = train_df.copy()
train_df_two = train_df.copy()
train_df_one[['MarkDown1','MarkDown2','MarkDown3','MarkDown5']] = train_df_one[['MarkDown1','MarkDown2','MarkDown3','MarkDown5']].fillna(0)
train_df_two.dropna(inplace=True)

train_df_one.info()
train_df_two.info()
test_df.info()

#训练模型
import time
import os
from sklearn.metrics import mean_absolute_error
from sklearn.base import clone

class Tester():
    def __init__(self, target):
        self.target = target
        self.datasets = {}
        self.models = {}
        self.scores = {}
        self.cache = {} # 我们添加了一个简单的缓存来加快速度

    def addDataset(self, name, df):
        self.datasets[name] = df.copy()

    def addModel(self, name, model):
        self.models[name] = model
        
    def clearModels(self):
        self.models = {}

    def clearCache(self):
        self.cache = {}
    
    def testModelWithDataset(self, m_name, df_name, sample_len, cv):
        if (m_name, df_name, sample_len, cv) in self.cache:
            return self.cache[(m_name, df_name, sample_len, cv)]

        clf = clone(self.models[m_name])
        
        if not sample_len: 
            sample = self.datasets[df_name]
        else: sample = self.datasets[df_name].sample(sample_len)
            
        X = sample.drop([self.target], axis=1)
        Y = sample[self.target]

        #评分标准不一样的话，修改这里
        weights = X["IsHoliday"]
        clf.fit(X, Y)
        Y_pred = clf.predict(X)
        s = mean_absolute_error(Y, Y_pred, sample_weight=weights)
        self.cache[(m_name, df_name, sample_len, cv)] = s

        return s

    def runTests(self, sample_len=97056, cv=3):
        # 在所有添加的数据集上测试添加的模型
        for m_name in self.models:
            for df_name in self.datasets:
                # print('Testing %s' % str((m_name, df_name)), end='')
                start = time.time()

                score = self.testModelWithDataset(m_name, df_name, sample_len, cv)
                self.scores[(m_name, df_name)] = score
                
                end = time.time()
                
                # print(' -- %0.2fs ' % (end - start))

        print('--- Top 10 Results ---')
        # 评分标准改了之后这里也得改
        for score in sorted(self.scores.items(), key=lambda x: x[1])[:10]:
            # score = int(score[1])
            print(score)

    def obtian_result(self, X_test):
        clf = self.models[sorted(self.scores.items(), key=lambda x: x[1])[0][0]]
        Y_pred = clf.predict(X_test)
        return Y_pred

from sklearn.ensemble import ExtraTreesRegressor, RandomForestRegressor, GradientBoostingRegressor
from sklearn.neighbors import KNeighborsRegressor
from sklearn.svm import SVR
from sklearn.feature_selection import RFE
from sklearn.neural_network import MLPRegressor

# 我们将在所有模型中使用测试对象
tester = Tester('Weekly_Sales')

# 添加数据集
tester.addDataset('all_markdown', train_df_one)
tester.addDataset('wipe_markdown', train_df_two)

# 添加模型
knn_reg = KNeighborsRegressor(n_neighbors=10)
tree_reg = ExtraTreesRegressor(n_estimators=100,max_features='auto', verbose=1, n_jobs=1)
rf_reg = RandomForestRegressor(n_estimators=100,max_features='log2', verbose=1)
svr_reg = SVR(kernel='rbf', gamma='auto')
mlp_reg = MLPRegressor(hidden_layer_sizes=(10,),  activation='relu', verbose=3)
gbrt_reg = GradientBoostingRegressor(max_depth=8, warm_start=True)
tester.addModel('KNeighborsRegressor', knn_reg)
tester.addModel('ExtraTreesRegressor', tree_reg)
tester.addModel('RandomForestRegressor', rf_reg)
tester.addModel('SVR', svr_reg)
tester.addModel('MLPRegressor', mlp_reg)
tester.addModel('GradientBoostingRegressor', gbrt_reg)

# 测试
tester.runTests()

X = train_df_one.drop(["Weekly_Sales"], axis=1)
Y = train_df_one["Weekly_Sales"]

gbrt_reg.fit(X, Y)
Y_pred = gbrt_reg.predict(test_df)
submission = pd.DataFrame({
        "Id": id,
        "Weekly_Sales": pd.DataFrame(Y_pred)[0]
    })
id

submission.to_csv('submission.csv', index=False)