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前言

近年来水产品总产量逐年上升。由于日本排海事件的发酵及不良营销，水产品供需发生变化，淡水水产需求增大，所以加强水产养殖的信息化建设,建立水产养殖监测、预警和管理的综合体系显得十分重要 。水质的安全关乎水产养殖的产量和质量，在养殖过程中,对水质实现动态的监测和预警能提升养殖过程的稳健性。 传统的水质监测系统,存在系统精度低,系统控制延迟高,不能进行预测和提前预警等问题。
本次Intel 黑客松大赛，我基于Intel Ai Analytics Toolkit 及边缘计算设备实现溶氧预测水产养殖监测方案。

一、关键需求及方案概述

传统水产养殖水质监测系统具有不能提前预警、通信延迟高的问题,对于时序数据处理能力较差，核心需解决的是时序数据的分析处理能力。

该方案以基于Intel优化的 水质预测算法为核心，针对于不同场景的特征分布进行定向分析，实现水质溯源档案、重金属富集预测、溶氧预测、水华预警预测、兽药残留检测等功能。

其中时序数据，通过物联数据采集模块实现水质数据采集和端处理的功能,采样周期为 1 min。 采集系统电路连接多种传感器获取模拟信号,经过 MCU 识别和计算后将结果值保存到本地寄存器，作为上报的原始数据。
使用Intel Ai Analytics Toolkit 通过对采集数据的处理、分析、训练、预测、实现预测模型。

二、方案设计

预测机制

应用边缘计算的方法,将云服务器的计算和控制任务卸载到上位机,来降低系统控制延迟。 上位机系统实现数据预测的功能,当数据预测或采集数据中出现预警值时,上位机及时向增氧机发出增氧的指令,防范水中出现低氧的情况。 上位机系统配置有预测进程和数据收发进程,两个进程并行计算。同时，上报至云服务的数据会进行二次分析，进行日级别的重金属富集、水华预警预测、兽药残留预测、环境污染检测等模型分析。
下面是溶氧预测的流畅图。

LSTM 模型

长短时记忆网络（ Long short-term memory，LSTM ）是一种循环神经网络 (Recurrent neural network, RNN)的特殊变体，具有“门”结构，通过门单元的逻辑控制决定数据是否更新或是选择丢弃，克服了 RNN 权重影响过大、容易产生梯度消失和爆炸的缺点，使网络可以更好、更快地收敛，能够有效提高预测精度。LSTM 拥有三个门， 分别为遗忘门、输入门、输出门，以此决定每一时刻信息记忆与遗忘。输入门决定有多少新的信息加入到细胞当中，遗忘门控制每一时刻信息是否会被遗忘，输出门决定每一时刻是否有信息输出。其基本结构如图所示。

基于intel AI 的时序水质分析模型与分类模型优化

通过针对预测水域质量的数据集，我们从多个角度对其展开分析，包括不限于缺失值分析、异常值分析、不规则分布分析、离散/连续数据分析等。

在分析过程中，我们使用了，
英特尔® Modin 分发版提升pandas处理与探索数据；
英特尔® Extension for Scikit-learn提升基线模型（SVM等）的执行效率；
英特尔® 架构优化的 XGBoost作为我们最终的分类模型进行效果的提升与验证。

三、实战分析

1、方案简述

根据物联设备（本次使用的是开源数据模拟）获取的数据集进行特征构造，用于预测目标水域质量，围绕特征与目标间的关联表现进行特征筛选，利用英特尔® Modin 分发版提升pandas处理特征集的效率，得到了50维相关特征作为最终的入模特证。最后，利用英特尔® 架构优化的XGBoost模型进行二分类。
完成模型后，使用Intel Extension for PyTorch提供的分布式训练功能，利用多台机器和多GPU进行训练。通过使用ipex.distributed.DistributedDataParallel()来包装模型，并在Tesla T4GPU上并行训练数据。

环境配置：

2、数据分析

预处理

首先，获取一份水质监测的离线数据，针对于后续可能实现的污染监测、重金属富集，加入一些随机特征进行模拟。然后将该数据集按照5：2.5：2.5的比例划分为训练集、验证集、测试集。测试集仅在模型推理阶段时使用，可以防止数据穿越等问题的发生，并能够准确对模型关于预测目标的拟合效果进行评估。

特征类型处理

1、划分类别特征, 数值特征

# 划分类别特征, 数值特征
cat_cols, float_cols = [], ['Target']
for col in data.columns:
    if data[col].value_counts().count() < 50:
        cat_cols.append(col)
    else:
        float_cols.append(col)
print('离散特征：', cat_cols)
print('连续特征：', float_cols)

离散特征： [‘Color’, ‘Source’, ‘Month’, ‘Day’, ‘Time of Day’, ‘Target’]
连续特征： [‘Target’, ‘pH’, ‘Iron’, ‘Nitrate’, ‘Chloride’, ‘Lead’, ‘Zinc’…]

2、针对离散特征，进行缺失值处理

# 查看缺失值情况
display(data[cat_cols].isna().sum())
missing=data[cat_cols].isna().sum().sum()
print("\nThere are {:,.0f} missing values in the data.".format(missing))
print('-' * 50)

其中像月份属于有序类别特征，如果单纯地映射数字会破坏掉这种有序性，对于这类数据进行单独映射。

......
# 将月份映射至数字1~12
months = ["January", "February", "March", "April", "May",
          "June", "July", "August", "September", "October",
          "November", "December"]
data['Month'] = data['Month'].replace(dict(zip(months, range(1, len(months) + 1))))
display(data['Month'].value_counts())
......

针对明显无序的类别特征，我们对其进行独特编码处理。对于有序类别特征，我们不对其进行额外处理。

......
# 将无序类别特征进行独特编码
color_ohe = OneHotEncoder()
X_color = color_ohe.fit_transform(data.Color.values.reshape(-1, 1)).toarray()
pickle.dump(color_ohe, open('../feat_data/color_ohe.pkl', 'wb'))     # 将编码方式保存在本地
dfOneHot = pandas.DataFrame(X_color, columns=["Color_" + str(int(i)) for i in range(X_color.shape[1])])
data = pandas.concat([data, dfOneHot], axis=1)
......

由于连续变量存在数据缺失的情况，所以我们通过统计每个连续类别对应的中位数对缺失值进行填充。

display(data[float_cols].isna().sum())
missing=data[float_cols].isna().sum().sum()
print("\nThere are {:,.0f} missing values in the data.".format(missing))

# 使用中位数填充连续变量每列缺失值
fill_dict = {}
for column in list(data[float_cols].columns[data[float_cols].isnull().sum() > 0]):
    tmp_list = list(data[column].dropna())
    # 平均值
    mean_val = sum(tmp_list) / len(tmp_list)

    # 中位数
    tmp_list.sort()
    mid_val = tmp_list[len(tmp_list) // 2]
    if len(tmp_list) % 2 == 0:
        mid_val = (tmp_list[len(tmp_list) // 2 - 1] + tmp_list[len(tmp_list) // 2]) / 2

    fill_val = mid_val

    # 填充缺失值
    data[column] = data[column].fillna(fill_val)
    fill_dict[column] = fill_val

特征分布分析

# 针对每个连续变量的频率画直方图
data[float_cols].hist(bins=50,figsize=(16,12))

对于非常不规则的数据进行非线性变换。

# 针对不规则分布的变量进行非线性变换，一般进行log
log_col = ['Iron', 'Zinc', 'Turbidity', 'Copper', 'Manganese']
show_col = []
for col in log_col:
    data[col + '_log'] = np.log(data[col])
    show_col.append(col + '_log')
    
# 特殊地，由于Lead变量0值占据了一定比例，此处特殊处理Lead变量
excep_col = ['Lead']
spec_val = {}
# 先将0元素替换为非0最小值，再进行log变换
for col in excep_col:
    spec_val[col] = data.loc[(data[col] != 0.0), col].min()
    data.loc[(data[col] == 0.0), col] = data.loc[(data[col] != 0.0), col].min()
    data[col + '_log'] = np.log(data[col])
    show_col.append(col + '_log')
    
data[show_col].hist(bins=50,figsize=(16,12))

可以发现，上述不规则分布的变量经过log之后已经变成了模型更容易拟合的类正态分布。

3、特征构造

由于特征之间往往隐藏着很多相关的信息等待挖掘，此处进行特征关联，得到新的特征。由于时间关系，此处我们仅以类别特征进行分组，去依次统计其余特征在组内的中位数、均值、方差、最大值、最小值、计数特征，挖掘有效的交互特征。

...... 
# 特征交互统计
cat_interaction_dict = {}
del_feat_list = []
if 'del_feat_list' in count_fea_dict:
    del_feat_list = count_fea_dict['del_feat_list']
add_feat_list = []
    
for cat_col1 in cat_cols:
    if cat_col1 == label_col:
        continue
    new_col = cat_col1 + '_count'
    if new_col not in data.columns and new_col not in del_feat_list:
        add_feat_list.append(new_col)
        temp = data.groupby(cat_col1).size()
        cat_interaction_dict[new_col] = dict(temp)
        temp = temp.reset_index().rename(columns={0: new_col})
        data = data.merge(temp, 'left', on=cat_col1)
    for cat_col2 in cat_cols:
        if cat_col2 == label_col:
            continue
        if cat_col1 == cat_col2:
            continue
        new_col = cat_col1 + '_' + cat_col2 + '_count'
        if new_col not in data.columns and new_col not in del_feat_list:
            add_feat_list.append(new_col)
            temp = data.groupby(cat_col1)[cat_col2].nunique()
            cat_interaction_dict[new_col] = dict(temp)
            temp = temp.reset_index().rename(columns={cat_col2: new_col})
            data = data.merge(temp, 'left', on=cat_col1)
...... 

4、特征选择

过滤法

由于本次目标是对淡水质量是否可用进行二分类预测，所以我们针对包含构造特征的所有特征数据，对于离散特征，利用卡方检验判断特征与目标的相关性，对于连续特征，利用方差分析判断特征与目标的相关性，以此做特征集的第一轮筛选。

# 卡方检验对类别特征进行筛选
def calc_chi2(x, y):
    import pandas as pd
    import numpy as np
    from scipy import stats
    
    chi_value, p_value, def_free, exp_freq = -1, -1, -1, []
    tab = pd.crosstab(x, y)
    if tab.shape == (2, 2):
        # Fisher确切概率法, 2✖️2列联表中推荐使用Fisher检验
        oddsr, p_value = stats.fisher_exact(tab, alternative='two-sided')
    else:
        # Pearson卡方检验, 参数correction默认为True
        chi_value, p_value, def_free, exp_freq = stats.chi2_contingency(tab, correction=False)

        min_exp = exp_freq.min()
        if min_exp >= 1 and min_exp < 5:
            # Yates校正卡方检验
            chi_value, p_value, def_free, exp_freq = stats.chi2_contingency(tab, correction=True)
    
    return chi_value, p_value, def_free, exp_freq

def select_feat_by_chi2(df, cate_cols, target_col, alpha=0.05, cut=99999):
    col_chi2_list = []
    for col in cate_cols:
        chi_value, p_value, def_free, exp_freq = calc_chi2(df[col], df[target_col])
        if p_value < alpha:
            col_chi2_list.append([col, chi_value])
    col_chi2_list = sorted(col_chi2_list, key=lambda x: x[1], reverse=False)
    rel_cols = []
    for i in range(min(len(col_chi2_list), cut)):
        rel_cols.append(col_chi2_list[i][0])
    return rel_cols
            
data = {
    'a': ['Ohio', 'Ohio', 'Ohio', 'Nevada', 'Nevada', 'Nevada'],
    'b': [2000, 2001, 2002, 2001, 2000, 2002],
    'Target': [0, 0, 1, 1, 1, 0]
}
df = pd.DataFrame(data)
cols = ['a', 'b']
select_feat_by_chi2(df, cols, 'Target')

# 方差分析法对连续特征进行筛选
def calc_fc(x, y):
    import pandas as pd
    import statsmodels.api as sm
    from statsmodels.formula.api import ols
    
    tab = pd.DataFrame({'group': y, 'feat': x})
    tab['group'] = tab['group'].astype('str').map(lambda x: 'g_' + x)

    mod = ols('feat ~ group', data=tab).fit()        
    ano_table = sm.stats.anova_lm(mod, typ=2)
    F = ano_table.loc['group', 'F']
    p_value = ano_table.loc['group', 'PR(>F)']
    return F, p_value

def select_feat_by_fc(df, cate_cols, target_col, alpha=0.05, cut=99999):
    from scipy import stats
    
    col_F_list = []
    for col in cate_cols:
        F, p_value = calc_fc(df[col], df[target_col])
        F_test = stats.f.ppf((1-alpha), 
                             df[target_col].nunique(),
                             len(df[col]) - df[target_col].nunique())
        # p值小于显著性水平 or MSa/MSe大于临界值，则拒绝原假设，认为各组样本不完全来自同一总体
        if p_value < alpha or F > F_test:
            col_F_list.append([col, F])
    col_F_list = sorted(col_F_list, key=lambda x: x[1], reverse=False)
    rel_cols = []
    for i in range(min(len(col_F_list), cut)):
        rel_cols.append(col_F_list[i][0])
    return rel_cols

data = {
    'a': [0.13, 0.09, 0.2, 0.11, 0.13, 0.15],
    'b': [2000, 2001, 2002, 2001, 2000, 2002],
    'Target': [0, 0, 1, 1, 1, 0]
}
df = pd.DataFrame(data)
cols = ['a', 'b']
select_feat_by_fc(df, cols, 'Target')

重要性排序

针对第一轮筛选剩余的150维特征，使用模型去进行拟合，并根据最后模型产出的特征重要性从大到小排序，根据重要性以及设定阈值对特征进行第二轮筛选。

# 模型训练函数
def train(data):
    ## Prepare Train and Test datasets ##
    print("Preparing Train and Test datasets")
    X_train, X_test, y_train, y_test = prepare_train_test_data(data=data,
                                                               target_col='Target',
                                                               test_size=.25)
    
    ## Initialize XGBoost model ##
    ratio = float(np.sum(y_train == 0)) / np.sum(y_train == 1)
    parameters = {
        'scale_pos_weight': len(raw_data.loc[raw_data['Target'] == 0]) / len(raw_data.loc[raw_data['Target'] == 1]),
        'objective': "binary:logistic", 
        'learning_rate': 0.1,
        'n_estimators': 18,
        'max_depth': 10,
        'min_child_weight': 5,
        'alpha': 4,
        'seed': 1024,
    }
    xgb_model = XGBClassifier(**parameters)
    xgb_model.fit(X_train, y_train)

    print("Done!\nBest hyperparameters:", grid_search.best_params_)
    print("Best cross-validation accuracy: {:.2f}%".format(grid_search.best_score_ * 100))
    
    ## Convert XGB model to daal4py ##
    xgb = grid_search.best_estimator_
    daal_model = d4p.get_gbt_model_from_xgboost(xgb.get_booster())

    ## Calculate predictions ##
    daal_prob = d4p.gbt_classification_prediction(nClasses=2,
                                                  resultsToEvaluate="computeClassLabels|computeClassProbabilities",
                                                  fptype='float').compute(X_test,
                                                                          daal_model).probabilities  # or .predictions
    xgb_pred = pd.Series(np.where(daal_prob[:, 1] > .5, 1, 0), name='Target')
    xgb_acc = accuracy_score(y_test, xgb_pred)
    xgb_auc = roc_auc_score(y_test, daal_prob[:, 1])
    xgb_f1 = f1_score(y_test, xgb_pred)

    ## Plot model results ##
    print("\ndaal4py Test ACC: {:.2f}%, F1 Accuracy: {:.2f}%, AUC: {:.5f}".format(xgb_acc * 100, xgb_f1 * 100, xgb_auc))
    # plot_model_res(model_name='XGBoost', y_test=y_test, y_prob=daal_prob[:, 1])

    importance_df = pd.DataFrame({'importance':xgb.feature_importances_,'feat_name': data.drop('Target', axis=1).columns})
    importance_df = importance_df.sort_values(by='importance', ascending=False)
    
    return importance_df

importance_df = train(data)
display(importance_df.head())

针对现有的150维特征对XGB模型进行拟合，并针对输出的特征重要性得分进行排序，将小于阈值的特征进行过滤。

5.构建LSTM模型

LSTM 模型的关键是单元状态,即贯穿图表顶部的水平线。 每个单元就像一个微型状态机,单元三个门的权重在训练过程中学习得到。 遗忘门是
主要由 σ 层组成,σ 层根据 ht-1 和 xt 的输入,通过 sigmoid 激活函数计算信息的丢弃情况,生成一个 0 到 1 之间的结果 ft,0 表示全部丢弃,1 表示
全部保留。 ft 用于与 Ct-1 输入矩阵做点乘运算。 输入门会生成新的信息存储到单元状态中,主要由 σ 层和 tanh 层决定。 通过运算,单元状态从 Ct-1 更新为 Ct。 输出门决定输出的结果,由 σ 层、tanh 层和更新后的单元状态 Ct 共同决定。

其中: ft、it∗C􀮨t、ht 分别表示 t 时刻单元中遗忘门、输入门、输出门的结果; σ 为 sigmoid 激活函数; W为权重; ht-1 、xt 为 单元输入; bf、bi、bc、bo 均为偏差矩阵;tanh 表示激活函数; Ct-1 为初始单元状态; Ct 为更新后的单元状态; ht 为单元的状态输出;ot 表示输出的信息量

将时间序列转换为监督学习问题
将时间序列形式的数据转换为监督学习集的形式，例如：[[10],[11],[12],[13],[14]]转换为[[0,10],[10,11],[11,12],[12,13],[13,14]]，即把前一个数作为输入，后一个数作为对应输出。

def series_to_supervised(data, n_in=1, n_out=1, dropnan=True):
    n_vars = 1 if type(data) is list else data.shape[1]
    df = DataFrame(data)
    cols, names = list(), list()
    # input sequence (t-n, ... t-1)
    for i in range(n_in, 0, -1):
        cols.append(df.shift(i))
        names += [('var%d(t-%d)' % (j + 1, i)) for j in range(n_vars)]
        # forecast sequence (t, t+1, ... t+n)
    for i in range(0, n_out):
        cols.append(df.shift(-i))
        if i == 0:
            names += [('var%d(t)' % (j + 1)) for j in range(n_vars)]
        else:
            names += [('var%d(t+%d)' % (j + 1, i)) for j in range(n_vars)]
    # put it all together
    agg = concat(cols, axis=1)
    agg.columns = names
    # drop rows with NaN values
    if dropnan:
        agg.dropna(inplace=True)
    return agg
 
reframed = series_to_supervised(scaled, 2, 1)

初始化LSTM模型，设置神经元核心的个数，迭代次数，优化器等等

model = Sequential()
model.add(LSTM(27, input_shape=(train_X.shape[1], train_X.shape[2])))
model.add(Dropout(0.5))
model.add(Dense(15,activation='relu'))#激活函数
model.compile(loss='mae', optimizer='adam')
history = model.fit(train_X, train_y, epochs=95, batch_size=2, validation_data=(test_X, test_y), verbose=2,shuffle=False)

6.模型训练

针对经过两轮筛选得到的50维入模特征，使用RandomizedSearchCV对XGBoost的重要参数进行搜索，同时使用StratifiedKFold对模型效果进行交叉验证。

......
import modin.pandas as pd
from modin.config import Engine
Engine.put("dask")
......
from sklearn.preprocessing import OneHotEncoder
from sklearnex import patch_sklearn
patch_sklearn()
......
from sklearn.model_selection import train_test_split, StratifiedKFold, GridSearchCV, RandomizedSearchCV
from sklearn.preprocessing import RobustScaler, StandardScaler
from sklearn.metrics import make_scorer, recall_score, precision_score, accuracy_score, roc_auc_score, f1_score
from sklearn.metrics import roc_auc_score, roc_curve, auc, accuracy_score, f1_score
from sklearn.metrics import precision_recall_curve, average_precision_score
from sklearn.svm import SVC
from xgboost import plot_importance
import pickle
......
# 模型训练函数
def train(data):
    ## Prepare Train and Test datasets ##
    print("Preparing Train and Test datasets")
    X_train, X_test, y_train, y_test = prepare_train_test_data(data=data,
                                                               target_col='Target',
                                                               test_size=.25)
    
    ## Initialize XGBoost model ##
    ratio = float(np.sum(y_train == 0)) / np.sum(y_train == 1)
    parameters = {
        'scale_pos_weight': len(raw_data.loc[raw_data['Target'] == 0]) / len(raw_data.loc[raw_data['Target'] == 1]),
        'objective': "binary:logistic", 
        'learning_rate': 0.1,
        'n_estimators': 18,
        'max_depth': 10,
        'min_child_weight': 5,
        'alpha': 4,
        'seed': 1024,
    }
    xgb_model = XGBClassifier(**parameters)

    ## Tune hyperparameters ##
    strat_kfold = StratifiedKFold(n_splits=3, shuffle=True, random_state=21)
    print("\nTuning hyperparameters..")
    grid = {'min_child_weight': [1, 5, 10],
            'gamma': [0.5, 1, 1.5, 2, 5],
            'max_depth': [15, 17, 20],
    
    strat_kfold = StratifiedKFold(n_splits=3, shuffle=True, random_state=1024)
    grid_search = RandomizedSearchCV(xgb_model, param_distributions=grid, 
                                    cv=strat_kfold, n_iter=10, scoring='accuracy', 
                                    verbose=1, n_jobs=-1, random_state=1024)
    grid_search.fit(X_train, y_train)

    print("Done!\nBest hyperparameters:", grid_search.best_params_)
    print("Best cross-validation accuracy: {:.2f}%".format(grid_search.best_score_ * 100))
    
    ## Convert XGB model to daal4py ##
    xgb = grid_search.best_estimator_
    daal_model = d4p.get_gbt_model_from_xgboost(xgb.get_booster())

    ## Calculate predictions ##
    daal_prob = d4p.gbt_classification_prediction(nClasses=2,
                                                  resultsToEvaluate="computeClassLabels|computeClassProbabilities",
                                                  fptype='float').compute(X_test,
                                                                          daal_model).probabilities  # or .predictions
    xgb_pred = pd.Series(np.where(daal_prob[:, 1] > .5, 1, 0), name='Target')
    xgb_acc = accuracy_score(y_test, xgb_pred)
    xgb_auc = roc_auc_score(y_test, daal_prob[:, 1])
    xgb_f1 = f1_score(y_test, xgb_pred)

    ## Plot model results ##
    print("\ndaal4py Test ACC: {:.2f}%, F1 Accuracy: {:.2f}%, AUC: {:.5f}".format(xgb_acc * 100, xgb_f1 * 100, xgb_auc))
    # plot_model_res(model_name='XGBoost', y_test=y_test, y_prob=daal_prob[:, 1])

    ##
    importance_df = pd.DataFrame({'importance':xgb.feature_importances_,'feat_name': data.drop('Target', axis=1).columns})
    importance_df = importance_df.sort_values(by='importance', ascending=False)
    print('model saving...')
    pickle.dump(xgb, open("../result/model_best.dat", "wb"))
    return importance_df

四、Intel Ai Analytics Toolkit 及相关库使用

Intel ® Modin

本方案使用了Intel ® Modin 分发版提升pandas处理与探索数据；Intel 为Pandas库提供了基于Dask的并行计算功能。通过配置引擎，代码将使用Dask作为默认的并行计算引擎，在使用Pandas或Modin进行数据处理和分析时，将利用Dask的分布式计算能力来加速操作。

Intel ® Extension for Scikit-learn

本方案使用 Intel® Extension for Scikit-learn的目的是提升基线模型（SVM等）的执行效率；

其中，包含使用Intel scikit-learn的StandardScaler进行特征缩放，并使用train_test_split函数进行数据集分割。在完成分割后，函数还将scaler对象保存到文件中，并打印训练集的形状。同时使用了intel优化的NearestNeighbors、RobustScaler等类进行聚类、分类、标准化动作。

Intel daal4py

在oneAPI提供的daal4py模型的加速下，算法的推理速度能得到了更大的提升，同时，在特征选择和模型训练中，当数据集的某些特性不符合特定条件时，需要应用特定的补丁来处理这些特性。PatchingConditionsChain 类提供了一种方便的方式来创建和管理这些补丁条件链。

Intel ® XGBoost

Intel XGBoost的XGBClassifier是一个基分类器，它使用XGBoost算法进行分类任务。该分类器默认使用gbtree作为基分类器，并支持并行计算处理。XGBClassifier和XGBRegressor类提供了nthread参数，用于在训练期间可以使用的线程数。
我们通过调整模型的nthread、n_estimators、learning_rate等参数来优化模型的性能。

Intel ® Extension for PyTorch

首先，使用Intel Scikit-learn库提供的预处理函数来对数据进行归一化，以加速神经网络的训练。可以使用sklearn_ipydnn.Normalize()函数对输入数据进行归一化。
然后，使用Intel Scikit-learn库提供的优化器来替换PyTorch的优化器。例如，sklearn_ipydnn.Adam()函数来替换PyTorch的Adam优化器。这些优化器针对Intel MKL进行了优化，可以加速训练过程。

功耗更低，速度更快的Tesla T4

完成模型后，使用Intel Extension for PyTorch提供的分布式训练功能，利用多台机器和多GPU进行训练。通过使用ipex.distributed.DistributedDataParallel()来包装模型，并在Tesla T4 GPU上并行训练数据。

将数据加载到GPU内存中，以加速数据传输和处理。可以使用PyTorch的torch.cuda.is_available()函数检查是否有可用的GPU，然后使用.to(device)方法将数据和模型移动到GPU上。

总结

最终，我们经过多次训练，模型在训练集的平均准确率约91.42%，验证集上的准确率达到90.89%，针对单条数据的推理时间为0.03s。针对特殊处理出来的测试集上准确率达到91.21%，最高准确率可达92.99%。上图是其中一次训练结果的展示结果，该结果有力地验证了本模型的有效性。

上述方案我们规划并实现了一个简单的淡水养殖水质溯源系统，同时采用了Intel ® Modin 、Intel ® Extension for Scikit-learn、 Intel daal4py、Intel ® XGBoost、Intel ® Extension for PyTorch、Tesla T4加速等多种手段，大大提高了推理速度和系统鲁棒性，验证了我们提出模型的有效性、高效性、可行性。