編者按：今年4月，谷歌在TensorFlow開發(fā)者峰會上發(fā)布TensorFlow的JavaScript版本，引起開發(fā)者廣泛關注。如今3個月過去了，大家學會使用這個機器學習新框架了嗎？在這篇文章中，我們將用一個初級項目Neural Titanic來演示如何使用TensorFlow.js，聯(lián)系到最近發(fā)生在泰國的事故，這次我們選用的數(shù)據(jù)集是“泰坦尼克號”，目標是分析哪些人更能從悲劇中幸免于難（二元分類）。

Demo

注：本文適合對前端JavaScript開發(fā)有基本了解的讀者。

神經網絡

經過Geoffrey Hinton、Yoshua Bengio、Andrew Ng和Yann LeCun等人的不懈努力，如今神經網絡終于可以正大光明地站在陽光下，并在現(xiàn)實中有了用武之地。眾所周知，傳統(tǒng)統(tǒng)計模型可以處理結構化的數(shù)據(jù)，但對非結構化的數(shù)據(jù)，如圖像、音頻和自然語言卻無可奈何。現(xiàn)在，通過往神經網絡中添加更多層神經元，也就是我們常說的深度學習研究，對非結構化數(shù)據(jù)建模已經不再是難事。

以圖像建模為例，圖像中最簡單的特征是邊緣，這些邊緣是形成紋理的基礎，紋理是形成簡單對象的基礎，而簡單對象又是形成復雜對象的基礎。這種關系正好契合深層神經網絡的多層結構，因此我們也能學習這些可組合的特征。（考慮到文章的目的是介紹TensorFlow.js，我們對深度學習的介紹就此打住。）

如需要以上PPT，歡迎私信哦

在過去這幾十年中，隨著計算機算力和可用數(shù)據(jù)的急劇增加，神經網絡已經成為解決諸多現(xiàn)實世界問題的可行方案。與此同時，像TensorFlow這樣的機器學習庫也在快速崛起，鼓勵開發(fā)者嘗試用神經網絡解決問題。雖然完全搞懂神經網絡不是一時半會兒就能做到的，但我們希望這篇文章能激發(fā)開發(fā)者興趣，鼓勵他們去創(chuàng)建自己的的神經網絡程序。

項目概述

如上所述，神經網絡非常適合對非結構化數(shù)據(jù)進行建模，而本文的示例數(shù)據(jù)集是泰坦尼克號，它只包含表格數(shù)據(jù)。這里我們先澄清一個誤區(qū)，看完之前的介紹，一些人可能會認為神經網絡是萬能的，它比傳統(tǒng)統(tǒng)計模型更好，但事實上，對于簡單數(shù)據(jù)，模型結構越簡單，它的性能就越好，因為那樣越不容易出現(xiàn)過擬合。

例如泰坦尼克號數(shù)據(jù)集，或者其他幾乎所有類型的表格數(shù)據(jù)，神經網絡在處理它們時需要用到的超參數(shù)有batch-size、激活函數(shù)和神經元數(shù)量等，但像決策樹這樣的常規(guī)算法只需調整更少超參數(shù)，最后性能也差不多。所以雖然鼓勵新手多多嘗試，但當我們建模時，真的沒有必要事事都用神經網絡。

在這個項目中，因為神經網絡處理的是簡單數(shù)據(jù)集的二元分類任務，我們會結合可視化技術，具體介紹最后的單隱藏層神經網絡。如果你已經精通前端JavaScript開發(fā)，也能熟練使用像React這樣的前端框架，你可以在讀完本文后再去學習官方文檔，相信它會讓你對TensorFlow.js產生更多興趣：js.tensorflow.org/tutorials/mnist.html

數(shù)據(jù)集和建模概述

泰坦尼克號數(shù)據(jù)集適合初學者，由于比較小，影響輸出結果的各項特征也比較好找。我們的任務是根據(jù)表格數(shù)據(jù)預測乘客的生存概率，因此可以被用來輔助預測的列是X，預測的目標列則是Y。下面是數(shù)據(jù)集中的部分數(shù)據(jù)：

對應X和Y，我們可以獲得：

預測特征（X）

pClass：船票等級（1等、2等、3等）

name：乘客的姓名

sex：乘客的性別

age：乘客的年齡

sibsp：船上和乘客相關的兄弟姐妹、配偶人數(shù)

parch：船上與乘客相關的父母和孩子人數(shù)

ticket：乘客的票號

fare：乘客為船票支付的金額

cabin：乘客所在船艙

Embarked：登船港口（C=Cherbourg, Q=Queenstown, S=Southampton）

目標標簽（Y）

survived：乘客幸存為1，死亡為0

原數(shù)據(jù)集中包含超過1000名乘客的信息，這里為了簡潔直觀，我們假裝上表就是我們的數(shù)據(jù)集，X和y的映射關系如下所示：

從技術意義上講，神經網絡為非線性函數(shù)擬合提供了一個強大的框架。如果把上圖轉換成函數(shù)形式，它就是：

對于神經網絡，如果我們要模型學會其中的映射關系，這個學習過程被稱為訓練。最后得到的結果必定是個近似值，而不是精確函數(shù)，因為如果是后者，這個神經網絡就過擬合了，它強行記住了數(shù)據(jù)集的所有結果，這樣的模型是沒法用在其他數(shù)據(jù)上的，泛化（通用化）水平太低。作為深度學習實踐者，我們的目標是構建近似上述函數(shù)的神經網絡體系結構，讓它不僅在訓練集上表現(xiàn)出色，也能被推廣到從未見過的數(shù)據(jù)上。

項目設置

為了防止每次開發(fā)都要重新綁定源代碼，這里我們先用webpack bundler把JavaScript源代碼和webpack dev服務器捆綁起來。

在開始項目前，我們先做一些設置：

安裝Node.js

到github上下載這個repo：github.com/Andrewnetwork/NeuralTitanic

打開終端，再打開下載的repo

設置終端類型：npm install

鍵入以下命令啟動dev服務器：npm run dev

單擊終端中顯示的URL，或在Web瀏覽器中輸入：localhost:8080/

在步驟4中，用npm來安裝package.json中列出的項目依賴項。在步驟5中，啟動開發(fā)服務器，上面會顯示步驟6中需要點擊的URL。這之后，每當我們保存對源代碼的修改時，網頁上會實時刷新內容，并顯示更改。

如果需要捆綁源代碼，只需運行npm run build，它會自動生成文件放進./dist/文件夾中。

代碼

雖然文章開頭我們展示了一個比較美觀的Demo，但這里我們沒有介紹index.html、index.js、ui.js等內容，一方面是因為本文假設讀者已經熟悉現(xiàn)代前端JavaScript開發(fā)，另一方面是這些細枝末節(jié)介紹起來太復雜，容易講不清楚。如果確實有需要，可以直接用步驟2中提到的repo，或者Python了解下？學起來很快的！:stuckouttongue:

preprocessing.js

function prepTitanicRow(row){

var sex = [0,0];

var embarked = [0,0,0];

var pclass = [0,0,0];

var age = row["age"];

var sibsp = row["sibsp"];

var parch = row["parch"];

var fare = row["fare"];

// Process Categorical Variables

if(row["sex"] == "male"){

sex = [0,1];

}elseif(row["sex"] == "female"){

sex = [1,0];

}

if(row["embarked"] == "S"){

embarked = [0,0,1];

}

elseif(row["embarked"] == "C"){

embarked = [0,1,0];

}

elseif(row["embarked"] == "Q"){

embarked = [1,0,0];

}

if(row["Pclass"] == 1){

pclass = [0,0,1];

}

elseif(row["Pclass"] == 2){

pclass = [0,1,0];

}

elseif(row["Pclass"] == 3){

pclass = [1,0,0];

}

// Process Quantitative Variables

if(parseFloat(age) == NaN){

age = 0;

}

if(parseFloat(sibsp) == NaN){

sibsp = 0;

}

if(parseFloat(parch) == NaN){

parch = 0;

}

if(parseFloat(fare) == NaN){

fare = 0;

}

return pclass.concat(sex).concat([age,sibsp,parch,fare]).concat(embarked);

}

對于任何數(shù)據(jù)分析工作，數(shù)據(jù)預處理是非常重要的，也是十分有必要的，上面的代碼就在進行預處理：把分類變量轉換為one-hot編碼，并用0替代缺失值（NaN）。因為這是個簡單數(shù)據(jù)集，事實上我們還可以更優(yōu)雅一點，用算法來填補缺失值，但考慮到篇幅因素，這里我們都做簡化處理。

}

exportfunction titanicPreprocess(data){

const X = _.map(_.map(data,(x)=>x.d),prepTitanicRow);

const y = _.map(data,(x)=>x.d["survived"]);

return [X,y];

}

在這里，我們把預處理函數(shù)prepTitanicRow映射到數(shù)據(jù)的每一行，這個函數(shù)的輸出是特征變量X和目標向量y。

modeling.js

exportfunction createModel(actFn,nNeurons){

const initStrat = "leCunNormal";

const model = tf.sequential();

model.add(tf.layers.dense({units:nNeurons,activation:actFn,kernelInitializer:initStrat,inputShape:[12]}));

model.add(tf.layers.dense({units:1,activation:"sigmoid",kernelInitializer:initStrat}));

model.compile({optimizer: "adam", loss: tf.losses.logLoss});

return model;

}

現(xiàn)在我們就可以創(chuàng)建單隱藏層神經網絡了，它已經被actFn和nNeurons兩個變量參數(shù)化?？梢园l(fā)現(xiàn)，我們要近似的函數(shù)有多個輸入，卻只有一個輸出，這是因為我們在上面的預處理步驟中擴展了特征空間的維度；也就是說，我們現(xiàn)在有一個步長為3的one-hot輸入，而不是只有一個輸入端口，如下圖所示：

const initStrat = "leCunNormal";

上圖中這些帶箭頭的線被稱為“邊”，它們自帶權重，我們訓練神經網絡的最終目標就是把這些權重調整到最佳值。在剛開始訓練的時候，因為對情況一無所知，這些邊會被隨機分配一個初始值，我們把它稱為初始化策略。

一般情況下，這個初始化不用你自己聲明，TensorFlow提供了通用性較強的默認初始化策略，在大多數(shù)情況下都表現(xiàn)良好。但就事論事，這個策略確實會影響神經網絡性能，尤其是我們這次用到的數(shù)據(jù)集太小了，權重的初始值會對訓練過程造成明顯影響。所以這里我們自選一種初始化策略。

const model = tf.sequential();

這個序列模型對象就是我們用來構建神經網絡的東西。它意味著當我們往里面添加神經網絡層時，它們會按順序堆疊，先輸入層，再隱藏層，最后是輸出層。

model.add(tf.layers.dense({units:nNeurons,activation:actFn,kernelInitializer:initStrat,inputShape:[12]}));

在這里，我們添加了一個輸入層（大小為12），并在它后面又加了個密集連接的隱藏層。密集連接表示這一層的所有神經元都與上一層的每個神經元相連，在圖中，神經元被表示為圓，但需要注意的是，它是個存儲單位，我們的輸入不是神經元。

隱藏層會繼承定義圖層的參數(shù)詞典：我們定義了多少參數(shù)，它就接收多少參數(shù)。除了我們提供的參數(shù)，它還有一些默認參數(shù)：

units：神經元個數(shù)，這是個可調整的超參數(shù)。

activation：該層中應用于每個神經元的激活函數(shù)，對于本文已超綱，請自學選擇。

kernelInitializer：初始化。

inputShape：輸入空間大小，在我們的例子里是12。

model.add(tf.layers.dense({units:1,activation:"sigmoid",kernelInitializer:initStrat}));

這是我們整個神經網絡的最后一層，它只是一個密集連接到隱藏層的單個輸出神經元。我們用sigmoid函數(shù)作為該神經元的激活函數(shù)，因為函數(shù)的范圍是[0,1]，剛好適合二元分類問題。如果你還要深究“為什么這個函數(shù)能用于預測概率”，我只能簡單告訴你，它和邏輯回歸息息相關。

model.compile({optimizer: "adam", loss: tf.losses.logLoss});

截至目前，我們已經完成網絡的搭建工作，最后就只剩下TensorFlow編譯了。在編譯過程中，我們會遇到兩個新參數(shù)：

optimizer：這是我們在訓練期間使用的優(yōu)化算法。如果是新手，用Adam；如果很要求高，梯度下降會是你的最愛。

loss：這個參數(shù)的選擇要多加注意，因為不同的建模問題需要不同的損失函數(shù)，它決定了我們會如何測量神經網絡預測結果和實際結果之間的差異。這個誤差會結合優(yōu)化算法、反向傳播算法進一步訓練模型，一般情況下，我們用交叉熵。

最后就是神經網絡模型的實際訓練：

export async function trainModel(data,trainState){

// Disable Form Inputs

d3.select("#modelParameters").selectAll(".form-control").attr('disabled', 'disabled');

d3.select("#tableControls").selectAll(".form-control").attr('disabled', 'disabled');

// Create Model

const model = createModel(d3.select("#activationFunction").property("value"),

parseInt(d3.select("#nNeurons").property("value")));

// Preprocess Data

const cleanedData = titanicPreprocess(data);

const X = cleanedData[0];

const y = cleanedData[1];

// Train Model

const lossValues = [];

var lastBatchLoss = null;

// Get Hyperparameter Settings

const epochs = d3.select("#epochs").property("value");

const batchSize = d3.select("#batchSize").property("value")

// Init training curve plotting.

initPlot();

for(let epoch = 0; epoch < epochs && trainState.s; epoch++ ){

try{

var i = 0;

while(trainState.s){

// Select Batch

const [xs,ys] = tf.tidy(() => {

const xs = tf.tensor(X.slice(i*batchSize,(i+1)*batchSize))

const ys = tf.tensor(y.slice(i*batchSize,(i+1)*batchSize))

return [xs,ys];

});

const history = await model.fit(xs, ys, {batchSize: batchSize, epochs: 1});

lastBatchLoss = history.history.loss[0];

tf.dispose([xs, ys]);

await tf.nextFrame();

i++;

}

}catch(err){

// End of epoch.

//console.log("Epoch "+epoch+"/"+epochs+" ended.");

const xs = tf.tensor(X);

const pred = model.predict(xs).dataSync();

updatePredictions(pred);

const accuracy = _.sum(_.map(_.zip(pred,y),(x)=> (Math.round(x[0]) == x[1]) ? 1 : 0))/pred.length;

lossValues.push(lastBatchLoss);

plotLoss(lossValues,accuracy);

}

}

trainState.s = true;

createTrainBttn("train",data);

console.log("End Training");

// Enable Form Controls

d3.select("#modelParameters").selectAll(".form-control").attr('disabled', null);

d3.select("#tableControls").selectAll(".form-control").attr('disabled', null);

}

在具體介紹前，我們先看看一些常用的術語：

Epoch：在整個數(shù)據(jù)集上訓練一次被稱為一個epoch。

Mini-Batch：完整訓練數(shù)據(jù)的子集。對于每個epoch，我們會把訓練數(shù)據(jù)分成較小的子集一批批進行訓練，通過對比，想必你也應該理解上一個術語的含義了。

如果還是覺得有困難，這里是完整版：

創(chuàng)建神經網絡

預處理數(shù)據(jù)

Epoch Loop：我們手動設置的迭代次數(shù)

Mini-Batch Loop：我們還沒有完成一個epoch，還有剩余數(shù)據(jù)，訓練也沒有停止——在Mini-Batch上訓練模型。

End of epoch：已經進一步訓練了模型，并讓它對數(shù)據(jù)做了預測，而且已經用函數(shù)updatePredictions更新了預測結果。

什么是“async”和“await”？

ES6允許我們定義異步函數(shù)，常見的有async函數(shù)，這里應該沒問題。當我們訓練模型時，用await，它也是個異步函數(shù)，這樣我們就能讓模型在進入下一個epoch前先完成訓練。

tf.tidy和tf.dispose？

這些函數(shù)涉及所創(chuàng)建的張量。你可以在張量或變量上調用dispose來清除它并釋放其GPU內存；或者用tf.tidy執(zhí)行一個函數(shù)并清除所有創(chuàng)建的中間張量，釋放它們的GPU內存（它不清除內部函數(shù)的返回值）。

await tf.nextFrame();

如果沒有這個，模型訓練會凍結你的瀏覽器。其實查遍資料，關于它的記錄非常少，這大概是TensorFlow.js早起開發(fā)時的產物。

tf.tensor()和dataSync();

因為我們的數(shù)據(jù)存儲在標準JavaScript數(shù)組中，所以我們需要用tf.tensor()將它們轉換為TensorFlow的張量格式。反之，如果要從張量轉回數(shù)組，用dataSync()。

小結

如果你下載了repo，而且準確無誤地理解了上述內容，你會得到之前動圖的演示結果，其中紅色表示死亡，綠色表示幸存，亮綠色表示幸存幾率更高。

本文探討了一個完整的現(xiàn)代JavaScript項目，該項目使用TensorFlow.js可視化單層神經網絡的演化預測，使用的數(shù)據(jù)集是泰坦尼克號，問題類型是二元分類。希望讀者能根據(jù)這篇文章開始理解如何使用TensorFlow.js。