金融贷款风险预测:使用图神经网络模型进行违约概率评估

要使用PyTorch和GNN(图神经网络)来预测金融贷款风险,并加入注意力机制,我们首先需要构建一个贷款风险预测的图数据集。然后,我们将设计一个基于注意力机制的GNN模型。

以下是一个简化的代码示例,演示了如何使用PyTorch和PyTorch Geometric(一个流行的图神经网络库)来实现这一点。请注意,这只是一个起点,并且您可能需要根据您的具体需求进行调整。

首先,安装必要的库:

 

bash复制代码

pip install torch torchvision torch-geometric

然后,创建一个简单的注意力GNN模型:

 

python复制代码

import torch
from torch_geometric.nn import GCNConv, MessagePassing
from torch_geometric.utils import add_self_loops, degree
class AttentionGCNLayer(MessagePassing):
def __init__(self, in_channels, out_channels):
super(AttentionGCNLayer, self).__init__(aggr='add') # "Add" aggregation.
self.lin = torch.nn.Linear(in_channels, out_channels)
self.att = torch.nn.Linear(2 * out_channels, 1)
def forward(self, x, edge_index, edge_weight=None):
# Step 1: Add self-loops to the adjacency matrix.
edge_index, edge_weight = add_self_loops(edge_index, edge_weight, num_nodes=x.size(0))
# Step 2: Linearly transform node feature matrix.
x = self.lin(x)
# Step 3: Compute normalization
row, col = edge_index
deg = degree(row, x.size(0), dtype=x.dtype)
deg_inv_sqrt = deg.pow(-0.5)
norm = deg_inv_sqrt[row] * edge_weight * deg_inv_sqrt[col]
# Step 4: Start propagating messages.
return self.propagate(edge_index, size=(x.size(0), x.size(0)), x=x, norm=norm)
def message(self, x_j, norm):
# Step 5: Compute attention coefficients.
alpha = self.att(torch.cat([x_j, x_j], dim=-1))
alpha = alpha * norm.view(-1, 1)
# Step 6: Apply softmax to compute the weights.
return torch.nn.functional.softmax(alpha, dim=1) * x_j
class AttentionGCN(torch.nn.Module):
def __init__(self, num_features, num_classes):
super(AttentionGCN, self).__init__()
self.conv1 = AttentionGCNLayer(num_features, 16)
self.conv2 = AttentionGCNLayer(16, num_classes)
def forward(self, x, edge_index, edge_weight=None):
x = self.conv1(x, edge_index, edge_weight)
x = torch.nn.functional.relu(x)
x = torch.nn.functional.dropout(x, training=self.training)
x = self.conv2(x, edge_index, edge_weight)
return torch.nn.functional.log_softmax(x, dim=1)

接下来,我们需要创建一个图数据集,这通常涉及从CSV或其他数据源加载数据,并将其转换为PyTorch Geometric可以处理的格式。这里,我将省略这个步骤,因为具体的实现取决于您的数据来源和格式。

一旦您有了图数据集,您就可以使用上面的模型进行训练了:

 
import torch.optim as optim
device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu')
model = AttentionGCN(num_features, num_classes).to(device)
data = data.to(device) # 假设data是您的图数据集
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.01, weight_decay=5e-4)
model.train()
for epoch in range(1, 201):
optimizer.zero_grad()
out = model(data.x, data.edge_index, data.edge_attr) # 假设data.edge_attr是边的权重
loss = torch.nn.functional.nll_loss(out[data.train_mask], data.y[data.train_mask])
loss.backward()

使用的数据集 格式: 

为了构建一个基于图的金融贷款风险预测模型,你需要一个包含节点和边信息的CSV数据集。这个数据集应该至少包含节点特征和边信息。以下是一个简化的CSV格式示例,假设我们有一个贷款网络,其中包含借款人节点和贷款关系边。

借款人节点CSV文件 (borrowers.csv)

 

csv复制代码

borrower_id,feature1,feature2,feature3,...,loan_default
1,0.5,0.7,0.3,...,0
2,0.6,0.2,0.8,...,1
3,0.3,0.9,0.1,...,0
...

每一行代表一个借款人节点,borrower_id 是借款人的唯一标识符。feature1feature2feature3, ... 是借款人的特征,比如信用评分、收入、债务比率等。loan_default 是该借款人的贷款违约状态,通常是一个二分类标签(0表示未违约,1表示违约)。

贷款关系CSV文件 (loans.csv)

 

csv复制代码

loan_id,borrower_id_origin,borrower_id_dest,loan_amount,loan_term
1,1,2,10000,12
2,2,3,15000,24
3,3,1,5000,6
...

每一行代表一笔贷款关系,loan_id 是贷款的唯一标识符。borrower_id_origin 和 borrower_id_dest 分别表示贷款的发起方和接收方借款人的ID。loan_amount 是贷款金额,loan_term 是贷款期限。

边的CSV文件 (edges.csv)

边的信息通常可以直接从loans.csv中提取,因为它包含了贷款关系的源节点和目标节点。如果你需要单独一个文件来表示边,它可能看起来像这样:

 

csv复制代码

edge_index_source,edge_index_target
1,2
2,3
3,1
...

这里,edge_index_source 和 edge_index_target 分别对应边的源节点和目标节点的ID。

注意事项

  1. 特征工程:在实际应用中,你可能需要对特征进行进一步的预处理和特征工程,以提取更有意义的特征和关系。

  2. 图构建:在加载这些数据到图神经网络模型之前,你需要根据这些CSV文件构建图数据结构。这通常涉及到将节点特征矩阵和边索引加载到适当的图数据结构中。

  3. 数据分割:你还需要将数据集分割成训练集、验证集和测试集,以便进行模型训练和评估。

  4. 类别标签:对于监督学习任务,你需要确保每个节点(或图)都有一个相应的类别标签或目标变量。

  5. 隐私和合规性:处理金融数据时,请确保遵守所有相关的隐私和数据保护法规。

 读取数据

在PyTorch Geometric中,数据通常以Data对象的形式读入,而Data对象可以通过多种方式来创建,包括直接从内存中的数据结构创建,或者从磁盘上的文件加载。为了从CSV文件中加载数据,你需要先将CSV文件读取到内存中,并将数据转换为适合PyTorch Geometric的格式。

以下是一个示例,展示了如何将CSV文件中的数据读入并转换为Data对象:

首先,确保你已经安装了pandas库,它可以帮助我们方便地读取CSV文件,以及torch_geometric库,用于处理图数据。

 

bash复制代码

pip install pandas torch-geometric

然后,你可以使用以下Python代码来读取CSV文件并创建Data对象:

 

python复制代码

import pandas as pd
from torch_geometric.data import Data
# 读取节点特征的CSV文件
node_df = pd.read_csv('borrowers.csv')
node_features = node_df.drop(columns=['borrower_id', 'loan_default']).values
node_labels = node_df['loan_default'].values
# 读取边的CSV文件
edge_df = pd.read_csv('loans.csv')
edge_index = torch.tensor([edge_df['borrower_id_origin'].tolist(), edge_df['borrower_id_dest'].tolist()], dtype=torch.long)
# 创建Data对象
data = Data(x=torch.tensor(node_features, dtype=torch.float), edge_index=edge_index, y=torch.tensor(node_labels, dtype=torch.long))
# 打印数据以检查
print(data)

在这个示例中,我们首先使用pandasread_csv函数读取了节点特征和边的CSV文件。然后,我们从节点特征数据框中提取了特征值,并保留了标签值。边的信息直接从边的数据框中提取,并转换为了PyTorch Geometric所需的边索引格式。

最后,我们创建了一个Data对象,将节点特征、边索引和节点标签传递给它。Data对象现在包含了所有必要的信息,可以用于后续的图神经网络训练。

请注意,这个例子假设你的CSV文件是正确格式的,并且你已经对数据进行了适当的预处理(例如,处理缺失值、数据标准化等)。根据你的具体数据集和任务,你可能需要调整数据读取和预处理的步骤。

预测模型

为了使用模型进行金融贷款风险预测,我们首先需要准备一个训练好的图神经网络模型。在这个例子中,我们将使用PyTorch Geometric库来定义一个简单的图卷积网络(GCN)模型,并使用它来预测贷款违约风险。由于金融数据通常是表格形式的,并不直接涉及图形结构,因此这里假设你已经将数据转换成图结构或者我们可以简单地使用GCN处理特征。

下面是一个完整的代码示例,展示如何加载预训练模型,准备测试数据,并进行预测:

 

python复制代码

import torch
from torch_geometric.data import Data
from torch_geometric.nn import GCNConv
import torch.nn.functional as F
# 假设你有一个预训练的GCN模型
class FinancialGCN(torch.nn.Module):
def __init__(self, num_features, hidden_channels, num_classes):
super(FinancialGCN, self).__init__()
self.conv1 = GCNConv(num_features, hidden_channels)
self.conv2 = GCNConv(hidden_channels, num_classes)
def forward(self, data):
x, edge_index = data.x, data.edge_index
x = self.conv1(x, edge_index)
x = F.relu(x)
x = F.dropout(x, training=self.training)
x = self.conv2(x, edge_index)
return F.log_softmax(x, dim=1)
# 加载预训练模型
model = FinancialGCN(num_features=10, hidden_channels=16, num_classes=2) # 假设有10个特征和2个类别(违约/不违约)
# 加载预训练权重,这里假设你已经保存了模型权重
model.load_state_dict(torch.load('financial_gcn_model.pth'))
model.eval() # 设置模型为评估模式
# 准备测试数据
# 假设你有一个测试数据集,包含节点特征和边索引
test_data = Data(x=torch.randn(100, 10), edge_index=torch.tensor([[0, 1, 2, 1, 2], [1, 0, 2, 2, 1]]))
# 使用模型进行预测
with torch.no_grad(): # 不需要计算梯度,也不进行反向传播
predictions = model(test_data)
# 获取预测结果
_, predicted_labels = predictions.max(dim=1) # 获取每个节点的预测类别
# 打印预测结果
print(predicted_labels)
# 如果需要,你可以将预测结果转换为违约概率
predicted_probabilities = F.softmax(predictions, dim=1)
print(predicted_probabilities)
# 根据阈值确定违约与否
threshold = 0.5 # 假设阈值为0.5
default_predictions = predicted_probabilities[:, 1] > threshold # 假设类别1代表违约
print(default_predictions)

请注意,这个例子是非常简化的,并且假设你已经有了图结构的数据。在实际情况中,金融数据通常是表格形式的,并且可能需要额外的步骤来将其转换为图结构。此外,你可能需要调整模型架构、超参数和训练过程以适应你的具体任务。

另外,这个代码示例也没有包含数据预处理、模型训练、验证和评估等步骤,这些在实际应用中都是非常重要的。如果你需要完整的流程,请确保按照你的具体数据和任务来调整代码。

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