【实战案例】手把手教你用 Python 分析产品交叉销售和关联分析

今天的内容是一期Python实战训练，我们来手把手教你用Python分析保险产品交叉销售和哪些因素有关。

01 实战背景

首先介绍下实战的背景：

这次的数据集来自kaggle：

https://www.kaggle.com/anmolkumar/health-insurance-cross-sell-prediction

我们的客户是一家保险公司，最近新推出了一款汽车保险。现在他们的需要是建立一个模型，用来预测去年的投保人是否会对这款汽车保险感兴趣。

我们知道，保险单指的是，保险公司承诺为特定类型的损失、损害、疾病或死亡提供赔偿保证，客户则需要定期向保险公司支付一定的保险费。

这里再进一步说明一下。

例如，你每年要为20万的健康保险支付2000元的保险费。那么你肯定会想，保险公司只收取5000元的保费，这种情况下，怎么能承担如此高的住院费用呢? 这时，“概率”的概念就出现了。例如，像你一样，可能有100名客户每年支付2000元的保费，但当年住院的可能只有少数人，(比如2-3人)，而不是所有人。通过这种方式，每个人都分担了其他人的风险。

和医疗保险一样，买了车险的话，每年都需要向保险公司支付一定数额的保险费，这样在车辆发生意外事故时，保险公司将向客户提供赔偿（称为“保险金额”）。

我们要做的就是建立模型，来预测客户是否对汽车保险感兴趣。这对保险公司来说是非常有帮助的，公司可以据此制定沟通策略，接触这些客户，并优化其商业模式和收入。

02 数据理解

为了预测客户是否对车辆保险感兴趣，我们需要了解一些客户信息 (性别、年龄等)、车辆(车龄、损坏情况)、保单(保费、采购渠道)等信息。

数据划分为训练集和测试集，训练数据包含381109笔客户资料，每笔客户资料包含12个字段，1个客户ID字段、10个输入字段及1个目标字段-Response是否响应(1代表感兴趣，0代表不感兴趣)。测试数据包含127037笔客户资料；字段个数与训练数据相同，目标字段没有值。字段的定义可参考下文。

下面我们开始吧！

03 数据读入和预览

首先开始数据读入和预览。

# 数据整理  
import numpy as np   
import pandas as pd   
  
# 可视化  
import matplotlib.pyplot as plt   
import seaborn as sns   
import plotly as py   
import plotly.graph_objs as go   
import plotly.express as px   
pyplot = py.offline.plot   
from exploratory_data_analysis import EDAnalysis # 自定义  

# 读入训练集  
train = pd.read_csv('../data/train.csv')  
train.head() 

# 读入测试集  
test = pd.read_csv('../data/test.csv')  
test.head() 

print(train.info())  
print('-' * 50)  
print(test.info()) 

<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>  
RangeIndex: 381109 entries, 0 to 381108  
Data columns (total 12 columns):  
 #   Column                Non-Null Count   Dtype    
---  ------                --------------   -----    
 0   id                    381109 non-null  int64    
 1   Gender                381109 non-null  object   
 2   Age                   381109 non-null  int64    
 3   Driving_License       381109 non-null  int64    
 4   Region_Code           381109 non-null  float64  
 5   Previously_Insured    381109 non-null  int64    
 6   Vehicle_Age           381109 non-null  object   
 7   Vehicle_Damage        381109 non-null  object   
 8   Annual_Premium        381109 non-null  float64  
 9   Policy_Sales_Channel  381109 non-null  float64  
 10  Vintage               381109 non-null  int64    
 11  Response              381109 non-null  int64    
dtypes: float64(3), int64(6), object(3)  
memory usage: 34.9+ MB  
None  
--------------------------------------------------  
<class 'pandas.core.frame.DataFrame'>  
RangeIndex: 127037 entries, 0 to 127036  
Data columns (total 11 columns):  
 #   Column                Non-Null Count   Dtype    
---  ------                --------------   -----    
 0   id                    127037 non-null  int64    
 1   Gender                127037 non-null  object   
 2   Age                   127037 non-null  int64    
 3   Driving_License       127037 non-null  int64    
 4   Region_Code           127037 non-null  float64  
 5   Previously_Insured    127037 non-null  int64    
 6   Vehicle_Age           127037 non-null  object   
 7   Vehicle_Damage        127037 non-null  object   
 8   Annual_Premium        127037 non-null  float64  
 9   Policy_Sales_Channel  127037 non-null  float64  
 10  Vintage               127037 non-null  int64    
dtypes: float64(3), int64(5), object(3)  
memory usage: 10.7+ MB  
None  

04 探索性分析

下面，我们基于训练数据集进行探索性数据分析。

1. 描述性分析

首先对数据集中数值型属性进行描述性统计分析。

desc_table = train.drop(['id', 'Vehicle_Age'], axis=1).describe().T  
desc_table  

通过描述性分析后，可以得到以下结论。

从以上描述性分析结果可以得出：

• 客户年龄：客户的年龄范围在20 ~ 85岁之间，平均年龄是38岁，青年群体居多；
• 是否有驾照：99.89%客户都持有驾照；
• 之前是否投保：45.82%的客户已经购买了车辆保险；
• 年度保费：客户的保费范围在2630 ~ 540165之间，平均的保费金额是30564。
• 往来时长：此数据基于过去一年的数据，客户的往来时间范围在10~299天之间，平均往来时长为154天。
• 是否响应：平均来看，客户对车辆保险感兴趣的概率为12.25%。

2. 目标变量的分布

训练集共有381109笔客户资料，其中感兴趣的有46710人，占比12.3%，不感兴趣的有334399人，占比87.7%。

train['Response'].value_counts()   
0    334399  
1     46710  
Name: Response, dtype: int64  

values = train['Response'].value_counts().values.tolist()  
  
# 轨迹  
trace1 = go.Pie(labels=['Not interested', 'Interested'],   
                values=values,  
                hole=.5,  
                marker={'line': {'color': 'white', 'width': 1.3}}  
               )  
# 轨迹列表  
data = [trace1]   
# 布局  
layout = go.Layout(title=f'Distribution_ratio of Response', height=600)  
# 画布  
fig = go.Figure(data=data, layout=layout)  
# 生成HTML  
pyplot(fig, filename='./html/目标变量分布.html') 

3. 性别因素

从条形图可以看出，男性的客户群体对汽车保险感兴趣的概率稍高，是13.84%，相较女性客户高出3个百分点。

pd.crosstab(train['Gender'], train['Response'])  

# 实例类  
eda = EDAnalysis(data=train, id_col='id', target='Response')  
  
# 柱形图  
fig = eda.draw_bar_stack_cat(colname='Gender')  
pyplot(fig, filename='./html/性别与是否感兴趣.html') 

4. 之前是否投保

没有购买汽车保险的客户响应概率更高，为22.54%，有购买汽车保险的客户则没有这一需求，感兴趣的概率仅为0.09%。

pd.crosstab(train['Previously_Insured'], train['Response'])  

fig = eda.draw_bar_stack_cat(colname='Previously_Insured')  
pyplot(fig, filename='./html/之前是否投保与是否感兴趣.html')  

5. 车龄因素

车龄越大，响应概率越高，大于两年的车龄感兴趣的概率最高，为29.37%，其次是1~2年车龄，概率为17.38%。小于1年的仅为4.37%。

6. 车辆损坏情况

车辆曾经损坏过的客户有较高的响应概率，为23.76%，相比之下，客户过去车辆没有损坏的响应概率仅为0.52%

7. 不同年龄

从直方图中可以看出，年龄较高的群体和较低的群体响应的概率较低，30~60岁之前的客户响应概率较高。

通过可视化探索，我们大致可以知道:

车龄在1年以上，之前有车辆损坏的情况出现，且未购买过车辆保险的客户有较高的响应概率。

05 数据预处理

此部分工作主要包含字段选择，数据清洗和数据编码，字段的处理如下：

• Region_Code和Policy_Sales_Channel：分类数过多，且不易解读，删除；
• Annual_Premium：异常值处理
• Gender、Vehicle_Age、Vehicle_Damage：分类型数据转换为数值型编码

# 删除字段  
train = train.drop(['Region_Code', 'Policy_Sales_Channel'], axis=1)   
  
# 盖帽法处理异常值  
f_max = train['Annual_Premium'].mean() + 3*train['Annual_Premium'].std()  
f_min = train['Annual_Premium'].mean() - 3*train['Annual_Premium'].std()   
  
train.loc[train['Annual_Premium'] > f_max, 'Annual_Premium'] = f_max  
train.loc[train['Annual_Premium'] < f_min, 'Annual_Premium'] = f_min   
  
# 数据编码  
train['Gender'] = train['Gender'].map({'Male': 1, 'Female': 0})   
train['Vehicle_Damage'] = train['Vehicle_Damage'].map({'Yes': 1, 'No': 0})   
train['Vehicle_Age'] = train['Vehicle_Age'].map({'< 1 Year': 0, '1-2 Year': 1, '> 2 Years': 2})   
train.head() 

测试集做相同的处理：

# 删除字段  
test = test.drop(['Region_Code', 'Policy_Sales_Channel'], axis=1)    
# 盖帽法处理  
test.loc[test['Annual_Premium'] > f_max, 'Annual_Premium'] = f_max  
test.loc[test['Annual_Premium'] < f_min, 'Annual_Premium'] = f_min   
  
# 数据编码  
test['Gender'] = test['Gender'].map({'Male': 1, 'Female': 0})   
test['Vehicle_Damage'] = test['Vehicle_Damage'].map({'Yes': 1, 'No': 0})   
test['Vehicle_Age'] = test['Vehicle_Age'].map({'< 1 Year': 0, '1-2 Year': 1, '> 2 Years': 2})   
test.head() 

06 数据建模

我们选择使用以下几种模型进行建置，并比较模型的分类效能。

首先在将训练集划分为训练集和验证集，其中训练集用于训练模型，验证集用于验证模型效果。首先导入建模库：

# 建模  
from sklearn.linear_model import LogisticRegression  
from sklearn.neighbors import KNeighborsClassifier  
from sklearn.tree import DecisionTreeClassifier  
from sklearn.ensemble import RandomForestClassifier  
from lightgbm import LGBMClassifier  
  
# 预处理  
from sklearn.preprocessing import StandardScaler, MinMaxScaler  
  
# 模型评估  
from sklearn.model_selection import train_test_split, GridSearchCV  
from sklearn.metrics import confusion_matrix, classification_report, accuracy_score, f1_score, roc_auc_score  

# 划分特征和标签  
X = train.drop(['id', 'Response'], axis=1)  
y = train['Response']   
  
# 划分训练集和验证集(分层抽样)   
X_train, X_val, y_train, y_val = train_test_split(X, y, test_size=0.2, stratify=y, random_state=0)   
print(X_train.shape, X_val.shape, y_train.shape, y_val.shape)   
(304887, 8) (76222, 8) (304887,) (76222,)  

# 处理样本不平衡，对0类样本进行降采样  
from imblearn.under_sampling import RandomUnderSampler  
  
under_model = RandomUnderSampler(sampling_strategy={0:133759, 1:37368}, random_state=0)  
X_train, y_train = under_model.fit_sample(X_train, y_train)    
# 保存一份极值标准化的数据  
mms = MinMaxScaler()  
  
X_train_scaled = pd.DataFrame(mms.fit_transform(X_train), columns=x_under.columns)  
X_val_scaled = pd.DataFrame(mms.transform(X_val), columns=x_under.columns)  
  
# 测试集  
X_test = test.drop('id', axis=1)   
X_test_scaled = pd.DataFrame(mms.transform(X_test), columns=X_test.columns)  

1. KNN算法

# 建立knn  
knn = KNeighborsClassifier(n_neighbors=3, n_jobs=-1)  
knn.fit(X_train_scaled, y_train)  
  
y_pred = knn.predict(X_val_scaled)  
  
print('Simple KNeighborsClassifier accuracy：%.3f' % (accuracy_score(y_val, y_pred)))  
print('Simple KNeighborsClassifier f1_score: %.3f' % (f1_score(y_val, y_pred)))    
print('Simple KNeighborsClassifier roc_auc_score: %.3f' % (roc_auc_score(y_val, y_pred))) 

Simple KNeighborsClassifier accuracy：0.807  
Simple KNeighborsClassifier f1_score: 0.337  
Simple KNeighborsClassifier roc_auc_score: 0.632  

# 对测试集评估  
test_y = knn.predict(X_test_scaled)  
test_y[:5]   
array([0, 0, 1, 0, 0], dtype=int64)  

2. Logistic回归

# Logistic回归  
lr = LogisticRegression()  
lr.fit(X_train_scaled, y_train)  
  
y_pred = lr.predict(X_val_scaled)  
  
print('Simple LogisticRegression accuracy：%.3f' % (accuracy_score(y_val, y_pred)))  
print('Simple LogisticRegression f1_score: %.3f' % (f1_score(y_val, y_pred)))    
print('Simple LogisticRegression roc_auc_score: %.3f' % (roc_auc_score(y_val, y_pred)))  

Simple LogisticRegression accuracy：0.863  
Simple LogisticRegression f1_score: 0.156  
Simple LogisticRegression roc_auc_score: 0.536  

3. 决策树

# 决策树  
dtc = DecisionTreeClassifier(max_depth=10, random_state=0)   
dtc.fit(X_train, y_train)  
  
y_pred = dtc.predict(X_val)   
  
print('Simple DecisionTreeClassifier accuracy：%.3f' % (accuracy_score(y_val, y_pred)))  
print('Simple DecisionTreeClassifier f1_score: %.3f' % (f1_score(y_val, y_pred)))    
print('Simple DecisionTreeClassifier roc_auc_score: %.3f' % (roc_auc_score(y_val, y_pred))) 

Simple DecisionTreeClassifier accuracy：0.849  
Simple DecisionTreeClassifier f1_score: 0.310  
Simple DecisionTreeClassifier roc_auc_score: 0.603  

4. 随机森林

# 决策树  
rfc = RandomForestClassifier(n_estimators=100, max_depth=10, n_jobs=-1)    
rfc.fit(X_train, y_train)  
  
y_pred = rfc.predict(X_val)   
  
print('Simple RandomForestClassifier accuracy：%.3f' % (accuracy_score(y_val, y_pred)))  
print('Simple RandomForestClassifier f1_score: %.3f' % (f1_score(y_val, y_pred)))    
print('Simple RandomForestClassifier roc_auc_score: %.3f' % (roc_auc_score(y_val, y_pred))) 

Simple RandomForestClassifier accuracy：0.870  
Simple RandomForestClassifier f1_score: 0.177  
Simple RandomForestClassifier roc_auc_score: 0.545  

5. LightGBM

lgbm = LGBMClassifier(n_estimators=100, random_state=0)  
lgbm.fit(X_train, y_train)  
  
y_pred = lgbm.predict(X_val)  
  
print('Simple LGBM accuracy: %.3f' % (accuracy_score(y_val, y_pred)))  
print('Simple LGBM f1_score: %.3f' % (f1_score(y_val, y_pred)))    
print('Simple LGBM roc_auc_score: %.3f' % (roc_auc_score(y_val, y_pred))) 

Simple LGBM accuracy: 0.857  
Simple LGBM f1_score: 0.290  
Simple LGBM roc_auc_score: 0.591  

综上，以f1-score作为评价标准的情况下，KNN算法有较好的分类效能，这可能是由于数据样本本身不平衡导致，后续可以通过其他类别不平衡的方式做进一步处理，同时可以通过参数调整的方式来优化其他模型，通过调整预测的门槛值来增加预测效能等其他方式。