风控违约场景如何预测，来看看这份常见的三种模型实现算法对比

在机器学习算法中，树模型在风控、营销等实际业务场景应用中始终备受青睐。其中对于GBDT集成学习树模型，我们是非常熟悉的，而且在此基础上发展而来的XGBoost、LightGBM更是我们日常建模场景中经常接触到的，可以称为是Boosting算法体系的两大“明星”算法。实际上，在GBDT算法衍生而来的主流树模型“神器”，并未只有XGBoost、LightGBM，还有一个算法也是名副其实的模型“宠儿”，那就是CatBoost。
CatBoost树模型的最大独特之处是可以直接对字符型类别特征进行数据处理，这是XGBoost、LightGBM等很多算法无法实现的。其实，从CatBoost的名称也能看出算法的显著特点，CatBoost的Cat便是Category（类别）的缩写，直观表现出了CatBoost对类别特征处理的特殊能力。而且，除此优点之外，CatBoost与XGBoost、LightGBM相比，在模型训练速度、模型结果精度、任务内存消耗等方面，也并没有都处于劣势，虽然各算法相互之间虽各有自身特点，但CatBoost模型的整体实现效果也是表现比较好的，甚至在某些方面优于其他两种算法。
为了让大家进一步了解并熟悉CatBoost的特点，我们将CatBoost、XGBoost、LightGBM这三个典型Boosting算法汇总，从多个维度来综合分析对比下各算法的性能，具体如下所示：
（1）类别特征处理：XGBoost不支持类别型特征，需要经过OneHot编码处理；LightGBM可以支持类别特征，但需要通过特定参数指定；CatBoost可以直接支持字符串类型的类别特征，无需任何数据预处理或超参数定义。
（2）模型训练速度：LightGBM很明显快于XGBoost，而CatBoost比XGBoost稍快，但也慢于LightGBM。
（3）模型结果精度：XGBoost和LightGBM表现相当，CatBoost效果相对较好，而且很多情形下无需过多参数调整便可获得较好结果。
（4）任务资源消耗：LightGBM远小于XGBoost，CatBoost也小于XGBoost，但大于LightGBM。
（5）模型预测速度：XGBoost和LightGBM表现相当，而CatBoost明显快于XGBoost和LightGBM。
（6）特征缺失处理：XGBoost与LightGBM均可以自动处理特征缺失值，但CatBoost不能自动处理缺失值，需要提前对其完成数据清洗。
（7）图表可视化：CatBoost自带某种可视化工具，可以实时展示相关指标的变化情况。

通过以上介绍，我们大体熟悉了CatBoost树模型算法的整体性能特点，为了体现CatBoost的实现效果，接下来我们围绕信贷风控的贷前场景，根据实例样本数据，采用CatBoost来构建一个信贷违约预测模型。
1、样本数据探索分析
本实例选取的样本数据包含10000条样本与12个特征，部分样本数据样例如图1所示。其中，ID为样本主键；X01~X10为特征变量池，分别表示用户各维度的数据信息，例如银行卡交易、APP设备使用、多头借贷、交通出行等；Target为目标变量，代表样本用户的贷后表现，取值1/0表示是/否违约，各字段对应的特征字典具体如图2所示。
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图1 样本数据样例

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                                 图2 特征字典详情

从数据样例与特征字典可知，建模样本的特征变量中存在字符类别型变量，例如特征X02、X03等。若采用XGBoost等算法来建立模型，必然需要对其进行数据转换才能满足模型的输入条件，最常见的特征编码方式例如OneHot编码、Label编码等。但是，当类别特征的取值情况较多时，OneHot编码会使特征的维度过多，直接影响资源内存消耗与模型训练效率；当类别特征的有序性能并不能很好反映权重关系时，Label编码会较大程度忽略原有特征的真实分布信息。对于以上常见情形，CatBoost算法则无需考虑，原因是算法自身可以直接对类别型特征进行分析处理，不需要类似特征编码的数据预处理环节。

2、模型训练及其评估
针对以上建模样本数据，采用CatBoost算法来建立模型，与XGBoost、LightGBM等其他树模型类似，CatBoost也可以根据不同类型的树来解决分类与回归问题，对应树分别为CatBoostClassifier与CatBoostRegressor。由于本文案例的违约预测场景属于二分类情况，因此需采用CatBoostClassifier树算法来训练拟合模型。为了验证模型效果，我们采用随机抽样方式按照7:3比例，将建模数据拆分训练集与测试集，从而通过训练样本来拟合模型，然后对测试样本进行预测，具体实现过程如图3所示。
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图3 模型训练与预测

对于CatBoost模型的训练过程，输入参数的定义是非常重要的，这里对其部分重要参数进行简单介绍。（1）iterations：树的最大数量，默认1000；（2）learning_rate：学习率，默认0.3；（3）depth：树的深度，取值范围[1,16]，默认6；（4）loss_function：损失函数，支持RMSE、Logloss、MAE、Multiclass等，默认RMSE。此外，在模型拟合函数fit()中，cat_features=[]为待处理的类别型特征列表，具体为列的索引或名称，cat_features=[1,2,5,7]代表特征X02、X03、X06、X08。
当模型拟合训练完成后，通过predict()对测试样本test_X进行预测，得到相应标签，label取值为1和0，代表样本用户的预测结果是否违约；同时，采用predict_probs()得到用户的违约概率，取值越大说明违约的可能性越大，当概率值大于0.5则标签label为1，当然对于判断阈值是可以根据实际场景进行调整的。获取了测试样本数据的真实标签train_Y、预测标签pred_Y之后，便可以对模型的综合效果进行评估，这里采用常见分类模型指标KS、AUC、Accuracy来评价，具体过程如图4所示。
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图4 模型评估

为了进一步了解特征变量对模型的贡献大小，可以采用get_feature_importance来实现特征的重要性分析，下面将各个特征变量的重要性系数输出，并通过可视化图表形式来展示具体分布，实现过程如图5所示。
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图5 特征重要性系数

综合以上内容，我们结合当前比较流行的树模型机器学习算法，描述了CatBoost算法的性能特点，同时与XGBoost、LightGBM进行了对比分析，有助于大家在建模实践中可以有效应用。同时，本文围绕具体业务场景与样本数据，介绍了通过CatBoost树模型算法来构建信贷违约预测模型的过程，包括样本探索、模型训练、模型评估、特征分析等建模流程的重要环节。为了便于大家对CatBoost应用的进一步熟悉与了解，本文额外附带了与以上内容同步的python代码与样本数据，供大家参考学习，详情请移至只是星球查看相关内容。
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