数据挖掘实战：个人信贷违约预测
项目背景
当今社会，个人信贷业务发展迅速，但同时也会暴露较高的信用风险。信息不对称在金融贷款领域突出，表现在过去时期借款一方对自身的财务状况、还款能力及还款意愿有着较为全面的掌握，而金融机构不能全面获知借款方的风险水平，或在相关信息的掌握上具有明显的滞后性。这种信息劣势，使得金融机构在贷款过程中可能由于风险评估与实际情况的偏离，产生资金损失，直接影响金融机构的利润水平。
而现今时间金融机构可以结合多方数据，提前对客户风险水平进行评估，并做出授信决策。
解决方法
运用分类算法预测违约
模型选择
单模型： 决策树、贝叶斯、SVM等
集成模型： 随机森林、梯度提升树等
评分卡模型： 逻辑回归
项目可输出： 评分卡
数据描述
数据总体概述
可用的训练数据包括用户的基本属性user_info.txt、银行流水记录bank_detail.txt、用户浏览行为browse_history.txt、信用卡账单记录bill_detail.txt、放款时间loan_time.txt，以及这些顾客是否发生逾期行为的记录overdue.txt。（注意：并非每一位用户都有非常完整的记录，如有些用户并没有信用卡账单记录，有些用户却没有银行流水记录。）
相应地，还有用于测试的用户的基本属性、银行流水、信用卡账单记录、浏览行为、放款时间等数据信息，以及待预测用户的id列表。
脱敏处理：(a) 隐藏了用户的id信息；(b) 将用户属性信息全部数字化；(c) 将时间戳和所有金额的值都做了函数变换。
（1）用户的基本属性user_info.txt。共6个字段，其中字段性别为0表示性别未知。
用户id,性别,职业,教育程度,婚姻状态,户口类型 6346,1,2,4,4,2
（2）银行流水记录bank_detail.txt。共5个字段，其中，第2个字段，时间戳为0表示时间未知；第3个字段，交易类型有两个值，1表示支出、0表示收入；第5个字段，工资收入标记为1时，表示工资收入。
用户id,时间戳,交易类型,交易金额,工资收入标记 6951,5894316387,0,13.756664,0
（3）用户浏览行为browse_history.txt。共4个字段。其中，第2个字段，时间戳为0表示时间未知。
用户id,时间戳,浏览行为数据,浏览子行为编号 34724,5926003545,172,1
（4）信用卡账单记录bill_detail.txt。共15个字段，其中，第2个字段，时间戳为0表示时间未知。为方便浏览，字段以表格的形式给出。
（6）顾客是否发生逾期行为的记录overdue.txt。共2个字段。样本标签为1，表示逾期30天以上；样本标签为0，表示逾期10天以内。
注意：逾期10天~30天之内的用户，并不在此问题考虑的范围内。用于测试的用户，只提供id列表，文件名为testUsers.csv。
用户id,样本标签 1,1 2,0 3,1
各个数据表之间的关系
数据预处理
从表中数据得知并非每一位用户都有非常完整的记录，如有些用户并没有信用卡账单记录，有些用户却没有银行流水记录。
发现用户信息表，是否逾期表，放款时间表这三张表的id数目都是55,596，银行流水表为9,294，浏览信息表为47,330，信用卡账单表为53,174。通过用户id数得到并非每个用户都有银行流水记录、信用卡账单等信息，所以这里我们取6个表共同用户的记录筛选后组成完整的表。
我们要预测的测试集都是还没有放款的用户特征，所以训练数据这里我们也选取放款时间之前的特征，将存在时间戳的表与放款时间表进行交叉，只筛选此时间范围内的用户id。
筛选出这6张表共有的用户id，得出5735个用户的记录是完整的。
user.T
银行账单表
bank_detail_select = pd.merge(left=df_bank_detail_train,
right=user,
how='inner',
on='用户id')
统计用户进账单数，求和
统计用户支出单数，求和
统计用户工资收入计数，求和
银行账单表
bank_train.head()
浏览表
先剔除5735以外的数据，再统计每个用户的浏览记录（count）
browse_train.head()
账单表
去掉了时间、银行id、还款状态这几个变量，按用户id分组后对每个字段均值化处理。
逾期表、用户表
合并五张表
将筛选后的五个表进行合并，得出25个字段
df_train=user_train.merge(bank_train)
df_train=df_train.merge(bill_train)
df_train=df_train.merge(browse_train)
df_train=df_train.merge(overdue_train)
df_train.head()
查看完整表格的基本情况，无缺失值，均是数值类型。
df_train.info()
特征工程
基于业务理解的筛选
银行流水记录特征相关性分析
# 相关性结果数据表
corrmat=bank_train[internal_chars].corr()
#热力图
sns.heatmap(corrmat, square=True,
linewidths=.5, annot=True);
'进账单数'与'进账金额'的相关系数很高,相关系数为0.99 '支出单数', '支出金额'的相关性较高，相关系数分别为0.82,0.85 '进账金额'与'支出单数', '支出金额'的相关性较高，相关系数分别为0.81,0.85 '支出单数'与 '支出金额'的相关性很高，相关系数为0.99 '工资笔数'与'工资收入'相关系数为1 可见收入、支出、工资三个指标的金额跟笔数是线性关系，那么后续将构建一个新的特征：笔均=金额/笔数，取工资笔均；而且收入、支出是强相关（0.82），所以只取一个即可，支出笔均。 后续将用'进账金额/进账单数','支出金额/支出单数','工资收入/工资笔数'得到'进账笔均','支出笔均','工资笔均'
总表相关性分析
# 相关性结果数据表
corrmat=df_train[internal_chars].corr()
# 热力图
sns.heatmap(corrmat, square=False,
linewidths=.5, annot=True);
'本期账单金额'与'本期账单余额'相关系数为0.85 '上期账单金额'与'上期还款金额'相关系数为0.75 '本期账单金额'与'上期还款金额'相关系数为0.64 '信用卡额度'与'上期账单金额'和'上期还款金额'相关系数分别为0.54和0.52 '本期账单金额'与'上期账单金额'相关系数为0.5
本期的账单余额与最低还款额具有高度共线性，决定只选用最低还款额。
生产衍射变量
上期还款差额 =上期账单金额 - 上期还款金额， 上期还款差额还会直接影响用户的信用额度以及本期的账单金额。
调整金额和循环利息是跟“上期的还款差额”有关的：
还款差额>0，需要计算循环利息，调整金额不计 还款差额<0，需要计算调整金额，循环利息不计
可以将还款差额进行“特征二值化”来代替这两个特征。
预借现金额度，是指持卡人使用信用卡通过ATM等自助终端提取现金的最高额度，取现额度包含于信用额度之内，一般是信用额度的50%左右，所以可以不用这个特征，选择信用额度即可。
df_train['平均支出']=df_train.apply(lambda x:x.支出金额/x.支出单数, axis=1)
df_train['平均工资收入']=df_train.apply(lambda x:x.工资收入/x.工资笔数, axis=1)
df_train['上期还款差额']=df_train.apply(lambda x:x.上期账单金额-x.上期还款金额, axis=1)
df_select=df_train.loc[:,['用户id', '性别', '教育程度', '婚姻状态', '平均支出',
'平均工资收入', '上期还款差额', '信用卡额度', '本期账单余额', '本期账单最低还款额',
'消费笔数', '浏览行为数据', '样本标签']].fillna(0)
df_select.head()
基于机器学习的筛选
将上期还款差额二值化
from sklearn.preprocessing import Binarizer
X=df_select['上期还款差额'].values.reshape(-1,1)
transformer = Binarizer(threshold=0).fit_transform(X)
df_select['上期还款差额标签']=transformer
方差过滤法
过滤那些不带有信息的变量，默认参数为0，即过滤方差为0的那些变量，只保留对模型有贡献的那些信息。
from sklearn.feature_selection import VarianceThreshold
VTS = VarianceThreshold() # 实例化，参数默认方差为0
x_01=VTS.fit_transform(x)
相关性过滤--互信息法
互信息法是用来捕捉每个特征与标签之间的任意关系(包括线性和非线性关系)的过滤方法。
和F检验相似，它既可以做回归也可以做分类，并且包含两个类mutual_info_classif(互信息分类)和mutual_info_regression(互信息回归)。
这两个类的用法和参数都和F检验一模一样，不过互信息法比F检验更加强大，F检验只能够找出线性关系，而互信息法可以找出任意关系。
from sklearn.feature_selection import mutual_info_classif as MIC
result = MIC(x,y)
样本不均衡
通过观察，正负样本比例为 836：4899，属于样本不均衡范畴，可采用上采样的SMOTE算法对其进行样本不均衡处理。
from imblearn.over_sampling import SMOTE
over_samples = SMOTE(random_state=111)
over_samples_x, over_samples_y = over_samples.fit_sample(x,y)
模型建立与调参
文章一开始已经提到过了，可选模型较多，这里举例三种模型逻辑回归、决策树、随机森林模型，其余模型的选用，小伙伴们可以自己动手练习练习。
二分类模型——逻辑回归模型
互信息与正则化对模型效果的影响
用学习曲线对参数C进行调整，分别在两个模型中进行调参。
超参数C : 一般不会超过1， 越大惩罚力度越小，本次选取从 0.05 - 2范围。
from sklearn.linear_model import LogisticRegression as LR
from sklearn.model_selection import cross_val_score as cvs
lrl1 = LR(penalty='l1', solver='liblinear',
C=i, max_iter=1000, random_state=0)
lrl2 = LR(penalty='l2', solver='liblinear',
C=i, max_iter=1000, random_state=0)
由图可知，在经过互信息过滤后，逻辑回归模型得分明显提高，且当超参数C=0.6时，模型效果是最好的。
包装法筛选变量
以逻辑回归为基分类器，结合包装法筛选变量，并运用交叉验证绘制学习曲线，探索最佳变量个数。
同时，运用SMOTE算法进行样本均衡处理，并比较均衡前后模型效果的变化。
from sklearn.feature_selection import RFE
LR_1 = LogisticRegression(penalty='l1', solver='liblinear',
C=0.6, max_iter=1000, random_state=0)
selector1 = RFE(LR_1, n_features_to_select=i, step=1)
X_wrapper1 = selector1.fit_transform(x, y)
once1=cvs(LR_1, X_wrapper1, y, cv=5, scoring='f1').mean()
由图可见，样本均衡前后模型效果有大幅度增长。且两种正则化方法相差无几。
树模型——决策树
因为样本均衡化处理前后，对模型效果提升较为明显，因此在使用决策树模型建立之前，对样本进行均衡化处理。
因为深度参数max_depth是对决策树模型影响最大的参数之一，因此本案例正对决策树深度绘制学习曲线，探索决策树最佳参数。
plt.plot(L_CVS, 'r') # 交叉验证
plt.plot(L_train, 'g')# 训练集
plt.plot(L_test, 'b') # 测试集
由学习曲线可知，在max_depth=5时训练集和测试集模型效果均达到了最佳状态，当在max_depth大于5后，模型在训练集上的分数依然在上升，而测试集上的表现有所下降，这就是模型过拟合现象，因此最终我们选用max_depth=5。
特征重要性
features_imp = pd.Series(dtc.feature_importances_,
index = x.columns).sort_values(ascending=False)
features_imp
上期还款差额标签 0.705916
性别 0.101779
平均支出 0.064218
平均工资收入 0.047644
浏览行为数据 0.044333
教育程度 0.015257
婚姻状态 0.012665
本期账单最低还款额 0.004455
消费笔数 0.003734
本期账单余额 0.000000
信用卡额度 0.000000
dtype: float64
决策树可视化
这里提出一点，如果需要深入理解决策树决策过程，可以借助决策树可视化来辅助理解。
import graphviz
from sklearn import tree
#首先配置
dot_data = tree.export_graphviz(dtc
# 要对已经建成的dct这个实例化好的模型进行画图
,feature_names= x.columns
# 更改列名为中文
# ,class_names=[]
# 更改标签名字
,filled=True
# 给每一个节点分配颜色,颜色约深表示叶子的纯度越高
,rounded=True
# 节点性状为圆角
)
graph = graphviz.Source(dot_data)
graph
树模型——随机森林
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier as RFC
from sklearn.model_selection import GridSearchCV
rfc = RFC(n_estimators=i+1,
n_jobs=-1,
random_state=90)
score = cvs(rfc,over_samples_x_train,
over_samples_y_train,
cv=5, scoring='f1').mean()
模型调参
有⼀些参数是没有参照的，一开始很难确定⼀个范围，这种情况下采用先通过学习曲线确定参数大致范围，再通过网格搜索确定最佳参数。
比如确定n_estimators范围时，通过学习曲线观察n_estimators在什么取值开始变得平稳，是否⼀直推动模型整体准确率的上升等信息。
对于其他参数也是按照同样的思路，如影响单棵决策树模型的参数max_depth来说，⼀般根据数据的⼤⼩来进⾏⼀个试探，比如乳腺癌数据很⼩，所以可以采⽤1～10，或者1~20这样的试探。
但对于像digit recognition那样的⼤型数据来说，我们应该尝试30~50层深度（或许还不⾜够），此时更应该画出学习曲线，来观察深度对模型的影响。
确定范围后，就可以通过网格搜索的方式确定最佳参数。其他参数就不一一举例了，大家可以动手尝试一下。
# 调整max_depth
param_grid = {'max_depth':np.arange(1, 20, 1)}
rfc = RFC(n_estimators=150,random_state=90, n_jobs=-1)
GS = GridSearchCV(rfc,param_grid,cv=5, scoring='f1')
GS.fit(over_samples_x, over_samples_y)
GS.best_params_
GS.best_score_
模型评价
本次案例模型评估使用classification_report
sklearn中的classification_report函数用于显示主要分类指标的文本报告．在报告中显示每个类的精确度，召回率，F1值等信息。
主要参数:
y_true：1维数组，或标签指示器数组/稀疏矩阵，目标值。y_pred：1维数组，或标签指示器数组/稀疏矩阵，分类器返回的估计值。labels：array，shape = [n_labels]，报表中包含的标签索引的可选列表。target_names：字符串列表，与标签匹配的可选显示名称（相同顺序）。sample_weight：类似于shape = [n_samples]的数组，可选项，样本权重。digits：int，输出浮点值的位数。
决策树验证集评价结果
最后这里举了一个决策树模型效果评价的例子，其余分类型模型评价同样可以使用。当然，模型评价方法不止这一种，大家也可以尝试着从其他角度来做模型评价。
precision recall f1-score support
0 0.70 0.74 0.72 1454
1 0.72 0.68 0.70 1454
accuracy 0.71 2908
macro avg 0.71 0.71 0.71 2908
weighted avg 0.71 0.71 0.71 2908
本文旨在梳理数据挖掘的一般过程，没有涉及到很复杂的算法，每个环节，如数据预处理、特征工程、模型建立于评价，均是常用的方法。本文数据也都给大家准备好了。
数据源代码下载地址：
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