Datawhale AI夏令营 - 机器学习：分子性质AI预测挑战赛#ai夏令营datawhale#夏令营

该笔记分为六个part：

一、赛题介绍

二、评估结果

三、比赛解题思路

四、Baseline介绍及其代码

五、我的打榜过程

六、注意事项及答疑学习

一、赛题介绍

比赛链接：

https://challenge.xfyun.cn/topic/info?type=molecular-properties

赛题背景

在当今科技日新月异的时代，人工智能（AI）技术正以前所未有的深度和广度渗透到科研领域，特别是在化学及药物研发中展现出了巨大潜力。精准预测分子性质有助于高效筛选出具有优异性能的候选药物。以PROTACs为例，它是一种三元复合物由目标蛋白配体、linker、E3连接酶配体组成，靶向降解目标蛋白质。本次大赛聚焦于运用先进的人工智能算法预测其降解效能，旨在激发参赛者创新思维，推动AI技术与化学生物学的深度融合，进一步提升药物研发效率与成功率，为人类健康事业贡献智慧力量。通过此次大赛，我们期待见证并孵化出更多精准、高效的分子性质预测模型，共同开启药物发现的新纪元。

赛事任务与数据

选手根据提供的demo数据集，可以基于demo数据集进行数据增强、自行搜集数据等方式扩充数据集，并自行划分数据。运用深度学习、强化学习或更加优秀人工智能的方法预测PROTACs的降解能力，若DC50>100nM且Dmax<80% ，则视为降解能力较差（demo数据集中Label=0）；若DC50<=100nM或Dmax>=80%，则视为降解能力好（demo数据集中Label=1）。

大白话解释：

【训练分子性质分类预测模型】

运用深度学习、强化学习或更加优秀人工智能的方法预测PROTACs的降解能力，

分类为 降解能力较差/降解能力好 两种结论

二、评估结果

评价指标

本次竞赛的评价标准采用f1_score，分数越高，效果越好

三、比赛解题思路

参赛选手的任务是基于训练集的样本数据，构建一个模型来预测测试集中分子的性质情况。

这是一个二分类任务，其中目标是根据分析相关信息以及结构信息等特征，预测该分子的性质标签。

具体来说，选手需要利用给定的数据集进行特征工程、模型选择和训练，然后使用训练好的模型对测试集中的用户进行预测，并生成相应的预测结果。

我们 Baseline 选择使用机器学习方法，在解决机器学习问题时，一般会遵循以下流程：

思考：这里为什么选择机器学习算法？为什么不考虑深度学习？

在许多机器学习问题中，特征工程的重要性不容忽视。如果特征工程能够充分捕捉数据的关键特征，那么机器学习算法也能够表现很好。深度学习在某种程度上可以自动学习特征，但对于特定问题，手动设计特征可能会更有效。

思考：这里从逻辑回归和决策树中选择，哪一个模型更加合适？

• 决策树能够处理非线性关系，并且可以自动捕获特征之间的交互作用。
• 它可以生成可解释的规则，有助于理解模型如何做出决策。
• 决策树能够处理不同类型的特征，包括分类和数值型。

四、Baseline介绍及其代码

Datawhale提供了2个Baseline，其中第一个Baseline为线上Baseline，部署在飞桨的Aistudio里面，可以一键运行，第二个Baseline为基于catboost。（Baseline直达链接：AI夏令营 - ML实践教程 ）

Baseline1

该Baseline运行后的A榜分数为：0.7064

#Step1：下载相关库
!pip install lightgbm openpyxl

#Step2：训练模型并预测结果
# 1. 导入需要用到的相关库
# 导入 pandas 库，用于数据处理和分析
import pandas as pd
# 导入 numpy 库，用于科学计算和多维数组操作
import numpy as np
# 从 lightgbm 模块中导入 LGBMClassifier 类
from lightgbm import LGBMClassifier


# 2. 读取训练集和测试集
# 使用 read_excel() 函数从文件中读取训练集数据，文件名为 'traindata-new.xlsx'
train = pd.read_excel('./data/data280993/traindata-new.xlsx')
# 使用 read_excel() 函数从文件中读取测试集数据，文件名为 'testdata-new.xlsx'
test = pd.read_excel('./data/data280993/testdata-new.xlsx')

# 3 特征工程
# 3.1 test数据不包含 DC50 (nM) 和 Dmax (%)，将train数据中的DC50 (nM) 和 Dmax (%)删除
train = train.drop(['DC50 (nM)', 'Dmax (%)'], axis=1)

# 3.2 将object类型的数据进行目标编码处理
for col in train.columns[2:]:
    if train[col].dtype == object or test[col].dtype == object:
        train[col] = train[col].isnull()
        test[col] = test[col].isnull()

# 4. 加载决策树模型进行训练
model = LGBMClassifier(verbosity=-1)
model.fit(train.iloc[:, 2:].values, train['Label'])
pred = model.predict(test.iloc[:, 1:].values, )

# 5. 保存结果文件到本地
pd.DataFrame(
    {
        'uuid': test['uuid'],
        'Label': pred
    }
).to_csv('submit.csv', index=None)

#Step3：下载 submit.csv 文件

Baseline2

该Baseline运行后的A榜分数为：0.74359

导入模块

导入Python中用于数据分析、机器学习建模和化学信息学所需的库。以下是每个库的简要说明：

• numpy: 提供强大的多维数组对象和相应的操作。
• pandas: 提供高性能、易用的数据结构和数据分析工具。
• catboost: 一个用于机器学习的库，特别是分类和回归任务。
• sklearn.model_selection: 包含模型选择的多种方法，如交叉验证。
• sklearn.metrics: 包含评估模型性能的多种指标。
• rdkit: 一个化学信息学和机器学习软件，用于处理化学结构。
• sklearn.feature_extraction.text: 提供将文本转换为特征向量的Tf-idf向量化器。
• tqdm: 用于在长循环中添加进度条的库。
• sys: 与Python解释器密切相关的模块，提供访问由解释器使用或维护的变量和函数。
• os: 提供与操作系统交互的功能。
• gc: 垃圾收集器接口，用于手动标记对象为可删除。
• re: 正则表达式库，用于字符串搜索和替换。
• argparse: 用于编写用户友好的命令行接口。
• warnings: 用于发出警告的库，这里用来忽略警告信息。

import numpy as np
import pandas as pd
from catboost import CatBoostClassifier
from sklearn.model_selection import StratifiedKFold, KFold, GroupKFold
from sklearn.metrics import f1_score
from rdkit import Chem
from rdkit.Chem import Descriptors
from sklearn.feature_extraction.text import TfidfVectorizer
import tqdm, sys, os, gc, re, argparse, warnings
warnings.filterwarnings('ignore')

数据预处理

train = pd.read_excel('./dataset-new/traindata-new.xlsx')
test = pd.read_excel('./dataset-new/testdata-new.xlsx')

# test数据不包含 DC50 (nM) 和 Dmax (%)
train = train.drop(['DC50 (nM)', 'Dmax (%)'], axis=1)

# 定义了一个空列表drop_cols，用于存储在测试数据集中非空值小于10个的列名。
drop_cols = []
for f in test.columns:
    if test[f].notnull().sum() < 10:
        drop_cols.append(f)
        
# 使用drop方法从训练集和测试集中删除了这些列，以避免在后续的分析或建模中使用这些包含大量缺失值的列
train = train.drop(drop_cols, axis=1)
test = test.drop(drop_cols, axis=1)

# 使用pd.concat将清洗后的训练集和测试集合并成一个名为data的DataFrame，便于进行统一的特征工程处理
data = pd.concat([train, test], axis=0, ignore_index=True)
cols = data.columns[2:]

特征工程

特征工程指的是把原始数据转变为模型训练数据的过程，目的是获取更好的训练数据特征。特征工程能使得模型的性能得到提升，有时甚至在简单的模型上也能取得不错的效果。

# 将SMILES转换为分子对象列表,并转换为SMILES字符串列表
data['smiles_list'] = data['Smiles'].apply(lambda x:[Chem.MolToSmiles(mol, isomericSmiles=True) for mol in [Chem.MolFromSmiles(x)]])
data['smiles_list'] = data['smiles_list'].map(lambda x: ' '.join(x))  

# 使用TfidfVectorizer计算TF-IDF
tfidf = TfidfVectorizer(max_df = 0.9, min_df = 1, sublinear_tf = True)
res = tfidf.fit_transform(data['smiles_list'])

# 将结果转为dataframe格式
tfidf_df = pd.DataFrame(res.toarray())
tfidf_df.columns = [f'smiles_tfidf_{i}' for i in range(tfidf_df.shape[1])]

# 按列合并到data数据
data = pd.concat([data, tfidf_df], axis=1)

# 自然数编码
def label_encode(series):
    unique = list(series.unique())
    return series.map(dict(zip(
        unique, range(series.nunique())
    )))

for col in cols:
    if data[col].dtype == 'object':
        data[col]  = label_encode(data[col])
        
train = data[data.Label.notnull()].reset_index(drop=True)
test = data[data.Label.isnull()].reset_index(drop=True)

# 特征筛选
features = [f for f in train.columns if f not in ['uuid','Label','smiles_list']]

# 构建训练集和测试集
x_train = train[features]
x_test = test[features]

# 训练集标签
y_train = train['Label'].astype(int)

代码执行了以下步骤：

1. SMILES转换：使用RDKit库将数据集中的SMILES字符串转换回SMILES字符串的列表。这里看起来有些冗余，因为您已经拥有SMILES字符串，但可能您想确保所有SMILES都是以相同的方式（例如，考虑异构体信息）处理的。
2. 字符串处理：将SMILES字符串列表转换为单个字符串，每个SMILES之间用空格分隔。
3. TF-IDF计算：使用TfidfVectorizer从处理后的SMILES字符串创建TF-IDF特征矩阵。
4. 转换为DataFrame：将TF-IDF矩阵转换为DataFrame，以便与原始数据集结合。
5. 自然数编码：定义了一个函数label_encode，用于将分类特征（对象类型）转换为整数编码。
6. 特征和标签准备：
   1. 对于所有的特征列（cols），如果它们的数据类型是对象（通常表示为字符串），则应用自然数编码。
   2. 从合并后的数据集中分离出训练集和测试集，其中训练集包含标签（Label），测试集不包含。
7. 特征和标签的筛选：从训练集和测试集中筛选出特征列（不包括uuid、Label和smiles_list），并从训练集中提取标签列。
8. 数据类型转换：将标签列Label转换为整数类型，以便于模型训练。

模型训练与预测

def cv_model(clf, train_x, train_y, test_x, clf_name, seed=2022):
    
    kf = KFold(n_splits=5, shuffle=True, random_state=seed)

    train = np.zeros(train_x.shape[0])
    test = np.zeros(test_x.shape[0])

    cv_scores = []
    # 100， 1 2 3 4 5
    # 1 2 3 4    5
    # 1 2 3 5。  4
    # 1
    for i, (train_index, valid_index) in enumerate(kf.split(train_x, train_y)):
        print('************************************ {} {}************************************'.format(str(i+1), str(seed)))
        trn_x, trn_y, val_x, val_y = train_x.iloc[train_index], train_y[train_index], train_x.iloc[valid_index], train_y[valid_index]
               
        params = {'learning_rate': 0.1, 'depth': 6, 'l2_leaf_reg': 10, 'bootstrap_type':'Bernoulli','random_seed':seed,
                  'od_type': 'Iter', 'od_wait': 100, 'allow_writing_files': False, 'task_type':'CPU'}

        model = clf(iterations=20000, **params, eval_metric='AUC')
        model.fit(trn_x, trn_y, eval_set=(val_x, val_y),
                  metric_period=100,
                  cat_features=[], 
                  use_best_model=True, 
                  verbose=1)

        val_pred  = model.predict_proba(val_x)[:,1]
        test_pred = model.predict_proba(test_x)[:,1]
            
        train[valid_index] = val_pred
        test += test_pred / kf.n_splits
        cv_scores.append(f1_score(val_y, np.where(val_pred>0.5, 1, 0)))
        
        print(cv_scores)
       
    print("%s_score_list:" % clf_name, cv_scores)
    print("%s_score_mean:" % clf_name, np.mean(cv_scores))
    print("%s_score_std:" % clf_name, np.std(cv_scores))
    return train, test
    
cat_train, cat_test = cv_model(CatBoostClassifier, x_train, y_train, x_test, "cat")

pd.DataFrame(
    {
        'uuid': test['uuid'],
        'Label': np.where(cat_test>0.5, 1, 0)
    }
).to_csv('submit.csv', index=None)

代码定义了一个名为 cv_model 的函数，用于使用交叉验证训练分类模型，并对测试集进行预测。以下是代码的详细步骤和说明：

1. 函数定义：cv_model 函数接受分类器对象 clf，训练特征集 train_x 和标签集 train_y，测试特征集 test_x，分类器名称 clf_name，以及可选的随机种子 seed。
2. 交叉验证设置：使用 KFold 进行5折交叉验证，shuffle=True 表示在分折前打乱数据。
3. 初始化变量：创建两个数组 train 和 test 来存储交叉验证过程中的训练集预测和测试集预测。
4. 循环执行交叉验证：
   1. 对每一折数据，使用训练索引 train_index 和验证索引 valid_index 分割训练集和验证集。
   2. 打印当前折数和随机种子。
   3. 设置 CatBoost 分类器的参数 params。
5. 模型训练：使用 CatBoost 分类器训练模型，iterations=20000 表示最大迭代次数，eval_metric='AUC' 表示使用 AUC 作为评估指标。
6. 模型评估：
   1. 使用验证集 val_x 和 val_y 对模型进行评估，获取预测概率 val_pred。
   2. 使用测试集 test_x 获取测试集预测概率 test_pred。
7. 保存结果：将验证集的预测结果存储在 train 数组中，将测试集的预测结果累加到 test 数组中，并计算当前折的 F1 分数。
8. 输出结果：打印所有折的 F1 分数、平均值和标准差。
9. 返回结果：返回训练集预测结果 train 和测试集预测结果 test。
10. 模型应用：
    1. 使用 cv_model 函数训练 CatBoost 分类器，并将返回的测试集预测结果 cat_test 用于生成提交文件。
    2. 根据预测概率 cat_test 生成二元标签，概率大于0.5的预测为1，否则为0。
11. 生成提交文件：创建一个包含 uuid 和预测标签 Label 的 DataFrame，并将其保存为 CSV 文件。

五、我的打榜过程

6.28 按照datawhale提供的一站式baseline教程完成了第一次比赛提交
目前排名：546

score：0.7064

7.3 改用catboost进行提交
目前排名：274

score：0.74359

六、注意事项及答疑学习

注意事项

答疑学习

至此、

_test用于生成提交文件。 2. 根据预测概率cat_test生成二元标签，概率大于0.5的预测为1，否则为0。 11. **生成提交文件**：创建一个包含uuid和预测标签Label` 的 DataFrame，并将其保存为 CSV 文件。

五、我的打榜过程

6.28 按照datawhale提供的一站式baseline教程完成了第一次比赛提交
目前排名：546

score：0.7064

7.3 改用catboost进行提交
目前排名：274

score：0.74359

六、注意事项及答疑学习

注意事项

答疑学习

至此、

谢谢你能阅读到它的结尾。