File size: 31,895 Bytes
0a6452f
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
59
60
61
62
63
64
65
66
67
68
69
70
71
72
73
74
75
76
77
78
79
80
81
82
83
84
85
86
87
88
89
90
91
92
93
94
95
96
97
98
99
100
101
102
103
104
105
106
107
108
109
110
111
112
113
114
115
116
117
118
119
120
121
122
123
124
125
126
127
128
129
130
131
132
133
134
135
136
137
138
139
140
141
142
143
144
145
146
147
148
149
150
151
152
153
154
155
156
157
158
159
160
161
162
163
164
165
166
167
168
169
170
171
172
173
174
175
176
177
178
179
180
181
182
183
184
185
186
187
188
189
190
191
192
193
194
195
196
197
198
199
200
201
202
203
204
205
206
207
208
209
210
211
212
213
214
215
216
217
218
219
220
221
222
223
224
225
226
227
228
229
230
231
232
233
234
235
236
237
238
239
240
241
242
243
244
245
246
247
248
249
250
251
252
253
254
255
256
257
258
259
260
261
262
263
264
265
266
267
268
269
270
271
272
273
274
275
276
277
278
279
280
281
282
283
284
285
286
287
288
289
290
291
292
293
294
295
296
297
298
299
300
301
302
303
304
305
306
307
308
309
310
311
312
313
314
315
316
317
318
319
320
321
322
323
324
325
326
327
328
329
330
331
332
333
334
335
336
337
338
339
340
341
342
343
344
345
346
347
348
349
350
351
352
353
354
355
356
357
358
359
360
361
362
363
364
365
366
367
368
369
370
371
372
373
374
375
376
377
378
379
380
381
382
383
384
385
386
387
388
389
390
391
392
393
394
395
396
397
398
399
400
401
402
403
404
405
406
407
408
409
410
411
412
413
414
415
416
417
418
419
420
421
422
423
424
425
426
427
428
429
430
431
432
433
434
435
436
437
438
439
440
441
442
443
444
445
446
447
448
449
450
451
452
453
454
455
456
457
458
459
460
461
462
463
464
465
466
467
468
469
470
471
472
473
474
475
476
477
478
479
480
481
482
483
484
485
486
487
488
489
490
491
492
493
494
495
496
497
498
499
500
501
502
503
504
505
506
507
508
509
510
511
512
513
514
515
516
517
518
519
520
521
522
523
524
525
526
527
528
529
530
531
532
533
534
535
536
537
538
539
540
541
542
543
544
545
546
547
548
549
550
551
552
553
554
555
556
557
558
559
560
561
562
563
564
565
566
567
568
569
570
571
572
573
574
575
576
577
578
579
580
581
582
583
584
585
586
587
588
589
590
591
592
593
594
595
596
597
598
599
600
601
602
603
604
605
606
607
608
609
610
611
612
613
614
615
616
617
618
619
620
621
622
623
624
625
626
627
628
629
630
631
632
633
634
635
636
637
638
639
640
641
642
643
644
645
646
647
648
649
650
651
652
653
654
655
656
657
658
659
660
661
662
663
664
665
666
667
668
669
670
671
672
673
674
675
676
677
678
679
680
681
682
683
684
685
686
687
688
689
690
691
692
693
694
695
696
697
698
699
700
701
702
703
704
705
706
707
708
709
710
711
712
713
714
715
716
717
718
719
720
721
722
723
724
725
726
727
728
729
730
731
732
733
734
735
736
737
738
739
740
741
742
743
744
745
746
747
748
749
750
751
752
753
754
755
756
757
758
759
760
761
762
763
764
765
766
767
768
769
770
771
772
773
774
775
776
777
778
779
780
781
782
783
784
785
786
787
788
789
790
791
792
793
794
795
796
797
798
799
800
801
802
803
804
805
806
807
808
809
810
811
812
813
814
815
816
817
818
819
820
821
822
823
824
825
826
827
828
829
830
831
832
833
834
835
836
837
838
839
840
841
842
843
844
845
846
847
848
849
850
851
852
853
854
855
856
857
858
859
860
861
862
863
864
865
866
867
868
869
870
871
872
873
874
875
876
877
878
879
880
881
882
883
884
885
886
887
888
889
890
891
892
893
894
895
896
897
898
899
900
901
902
903
904
905
906
907
908
909
910
911
912
913
914
915
916
917
918
919
920
921
922
923
924
925
926
927
928
929
930
931
932
933
934
935
936
937
938
939
940
941
942
943
944
945
946
947
948
949
950
951
952
953
954
955
956
957
958
959
960
961
962
963
964
965
966
967
968
969
970
971
972
973
974
975
976
977
978
979
980
981
982
983
984
985
986
987
988
989
990
991
992
993
994
995
996
997
998
999
1000
1001
1002
1003
1004
1005
1006
1007
1008
1009
1010
1011
1012
1013
1014
1015
1016
1017
1018
1019
1020
1021
1022
1023
1024
1025
1026
1027
1028
1029
1030
1031
# 系统架构文档

本文档详细描述了情绪与生理状态变化预测模型的系统架构、设计原则和实现细节。

## 目录

1. [系统概述](#系统概述)
2. [整体架构](#整体架构)
3. [模型架构](#模型架构)
4. [数据处理流程](#数据处理流程)
5. [训练流程](#训练流程)
6. [推理流程](#推理流程)
7. [模块设计](#模块设计)
8. [设计模式](#设计模式)
9. [性能优化](#性能优化)
10. [扩展性设计](#扩展性设计)

## 系统概述

### 设计目标

本系统旨在实现一个高效、可扩展、易维护的情绪与生理状态变化预测模型,主要设计目标包括:

1. **高性能**: 支持GPU加速,优化推理速度
2. **模块化**: 清晰的模块划分,便于维护和扩展
3. **可配置**: 灵活的配置系统,支持超参数调优
4. **易用性**: 完整的CLI工具和Python API
5. **可扩展**: 支持新的模型架构和损失函数
6. **可观测**: 完整的日志和监控系统

### 技术栈

- **深度学习框架**: PyTorch 1.12+
- **数据处理**: NumPy, Pandas, scikit-learn
- **配置管理**: PyYAML, OmegaConf
- **可视化**: Matplotlib, Seaborn, Plotly
- **命令行**: argparse, Click
- **日志系统**: Loguru
- **实验跟踪**: MLflow, Weights & Biases
- **性能分析**: py-spy, memory-profiler

## 整体架构

### 系统架构图

```
┌─────────────────────────────────────────────────────────────────┐
│                        用户接口层                                │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│  CLI工具  │  Python API  │  Web API  │  Jupyter Notebook       │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                        业务逻辑层                                │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│  训练管理器  │  推理引擎  │  评估器  │  配置管理器  │  日志管理器  │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                        核心模型层                                │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│  PAD预测器  │  损失函数  │  评估指标  │  模型工厂  │  优化器      │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                        数据处理层                                │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│  数据加载器  │  预处理器  │  数据增强器  │  合成数据生成器        │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│                        基础设施层                                │
├─────────────────────────────────────────────────────────────────┤
│  文件系统  │  GPU计算  │  内存管理  │  异常处理  │  工具函数      │
└─────────────────────────────────────────────────────────────────┘
```

### 模块依赖关系

```
CLI模块 → 业务逻辑层 → 核心模型层 → 数据处理层 → 基础设施层

配置管理器 → 所有模块

日志管理器 → 所有模块
```

## 模型架构

### 网络结构

PAD预测器采用多层感知机(MLP)架构:

```
输入层 (7维)

隐藏层1 (128神经元) + ReLU + Dropout(0.3)

隐藏层2 (64神经元) + ReLU + Dropout(0.3)

隐藏层3 (32神经元) + ReLU

输出层 (5神经元) + Linear激活
```

### 网络组件详解

#### 输入层
- **维度**: 7维特征向量
- **特征组成**:
  - User PAD: 3维 (Pleasure, Arousal, Dominance)
  - Vitality: 1维 (生理活力值)
  - Current PAD: 3维 (当前情绪状态)

#### 隐藏层设计原则
1. **逐层压缩**: 从128 → 64 → 32,逐层减少神经元数量
2. **激活函数**: 使用ReLU激活函数,避免梯度消失
3. **正则化**: 在前两层使用Dropout防止过拟合
4. **权重初始化**: 使用Xavier均匀初始化,适合ReLU激活

#### 输出层设计
- **维度**: 3维输出向量
- **输出组成**:
  - ΔPAD: 3维 (情绪变化量:ΔPleasure, ΔArousal, ΔDominance)
  - ΔPressure: 通过 PAD 变化动态计算(公式:1.0×(-ΔP) + 0.8×(ΔA) + 0.6×(-ΔD))
- **激活函数**: 线性激活,适用于回归任务

### 模型配置系统

```python
# 默认架构配置
DEFAULT_ARCHITECTURE = {
    'input_dim': 7,
    'output_dim': 3,
    'hidden_dims': [512, 256, 128],
    'dropout_rate': 0.3,
    'activation': 'relu',
    'weight_init': 'xavier_uniform',
    'bias_init': 'zeros'
}

# 可配置参数
CONFIGURABLE_PARAMS = {
    'hidden_dims': {
        'type': list,
        'default': [128, 64, 32],
        'constraints': [
            lambda x: len(x) >= 1,
            lambda x: all(isinstance(n, int) and n > 0 for n in x),
            lambda x: x == sorted(x, reverse=True)  # 递减序列
        ]
    },
    'dropout_rate': {
        'type': float,
        'default': 0.3,
        'range': [0.0, 0.9]
    },
    'activation': {
        'type': str,
        'default': 'relu',
        'choices': ['relu', 'tanh', 'sigmoid', 'leaky_relu']
    }
}
```

## 数据处理流程

### 数据流水线

```
原始数据 → 数据验证 → 特征提取 → 数据预处理 → 数据增强 → 批次生成

模型训练/推理
```

### 数据预处理流程

#### 1. 数据验证
```python
class DataValidator:
    """数据验证器,确保数据质量"""
    
    def validate_input_shape(self, data: np.ndarray) -> bool:
        """验证输入数据形状"""
        return data.shape[1] == 7
    
    def validate_value_ranges(self, data: np.ndarray) -> Dict[str, bool]:
        """验证数值范围"""
        return {
            'pad_features_valid': np.all(data[:, :6] >= -1) and np.all(data[:, :6] <= 1),
            'vitality_valid': np.all(data[:, 3] >= 0) and np.all(data[:, 3] <= 100)
        }
    
    def check_missing_values(self, data: np.ndarray) -> Dict[str, Any]:
        """检查缺失值"""
        return {
            'has_missing': np.isnan(data).any(),
            'missing_count': np.isnan(data).sum(),
            'missing_ratio': np.isnan(data).mean()
        }
```

#### 2. 特征工程
```python
class FeatureEngineer:
    """特征工程器"""
    
    def extract_pad_features(self, data: np.ndarray) -> np.ndarray:
        """提取PAD特征"""
        user_pad = data[:, :3]
        current_pad = data[:, 4:7]
        return np.hstack([user_pad, current_pad])
    
    def compute_pad_differences(self, data: np.ndarray) -> np.ndarray:
        """计算PAD差异"""
        user_pad = data[:, :3]
        current_pad = data[:, 4:7]
        return user_pad - current_pad
    
    def create_interaction_features(self, data: np.ndarray) -> np.ndarray:
        """创建交互特征"""
        user_pad = data[:, :3]
        current_pad = data[:, 4:7]
        
        # PAD内积
        pad_interaction = np.sum(user_pad * current_pad, axis=1, keepdims=True)
        
        # PAD欧氏距离
        pad_distance = np.linalg.norm(user_pad - current_pad, axis=1, keepdims=True)
        
        return np.hstack([data, pad_interaction, pad_distance])
```

#### 3. 数据标准化
```python
class DataNormalizer:
    """数据标准化器"""
    
    def __init__(self, method: str = 'standard'):
        self.method = method
        self.scalers = {}
    
    def fit_pad_features(self, features: np.ndarray):
        """拟合PAD特征标准化器"""
        if self.method == 'standard':
            self.scalers['pad'] = StandardScaler()
        elif self.method == 'minmax':
            self.scalers['pad'] = MinMaxScaler(feature_range=(-1, 1))
        
        self.scalers['pad'].fit(features)
    
    def fit_vitality_feature(self, features: np.ndarray):
        """拟合活力值标准化器"""
        if self.method == 'standard':
            self.scalers['vitality'] = StandardScaler()
        elif self.method == 'minmax':
            self.scalers['vitality'] = MinMaxScaler(feature_range=(0, 1))
        
        self.scalers['vitality'].fit(features.reshape(-1, 1))
```

### 数据增强策略

```python
class DataAugmenter:
    """数据增强器"""
    
    def __init__(self, noise_std: float = 0.01, mixup_alpha: float = 0.2):
        self.noise_std = noise_std
        self.mixup_alpha = mixup_alpha
    
    def add_gaussian_noise(self, features: np.ndarray) -> np.ndarray:
        """添加高斯噪声"""
        noise = np.random.normal(0, self.noise_std, features.shape)
        return features + noise
    
    def mixup_augmentation(self, features: np.ndarray, labels: np.ndarray) -> tuple:
        """Mixup数据增强"""
        batch_size = features.shape[0]
        lam = np.random.beta(self.mixup_alpha, self.mixup_alpha)
        
        # 随机打乱索引
        index = np.random.permutation(batch_size)
        
        # 混合特征和标签
        mixed_features = lam * features + (1 - lam) * features[index]
        mixed_labels = lam * labels + (1 - lam) * labels[index]
        
        return mixed_features, mixed_labels
```

## 训练流程

### 训练架构

```
配置加载 → 数据准备 → 模型初始化 → 训练循环 → 模型保存 → 结果评估
```

### 训练管理器设计

```python
class ModelTrainer:
    """模型训练管理器"""
    
    def __init__(self, model, preprocessor=None, device='auto'):
        self.model = model
        self.preprocessor = preprocessor
        self.device = self._setup_device(device)
        self.logger = logging.getLogger(__name__)
        
        # 训练状态
        self.training_state = {
            'epoch': 0,
            'best_loss': float('inf'),
            'patience_counter': 0,
            'training_history': []
        }
    
    def setup_training(self, config: Dict[str, Any]):
        """设置训练环境"""
        # 优化器设置
        self.optimizer = self._create_optimizer(config['optimizer'])
        
        # 学习率调度器
        self.scheduler = self._create_scheduler(config['scheduler'])
        
        # 损失函数
        self.criterion = self._create_criterion(config['loss'])
        
        # 早停机制
        self.early_stopping = self._setup_early_stopping(config['early_stopping'])
        
        # 检查点管理
        self.checkpoint_manager = CheckpointManager(config['checkpointing'])
    
    def train_epoch(self, train_loader: DataLoader) -> Dict[str, float]:
        """训练一个epoch"""
        self.model.train()
        epoch_loss = 0.0
        num_batches = len(train_loader)
        
        for batch_idx, (features, labels) in enumerate(train_loader):
            features = features.to(self.device)
            labels = labels.to(self.device)
            
            # 前向传播
            self.optimizer.zero_grad()
            outputs = self.model(features)
            loss = self.criterion(outputs, labels)
            
            # 反向传播
            loss.backward()
            
            # 梯度裁剪
            torch.nn.utils.clip_grad_norm_(self.model.parameters(), max_norm=1.0)
            
            # 参数更新
            self.optimizer.step()
            
            epoch_loss += loss.item()
            
            # 日志记录
            if batch_idx % 100 == 0:
                self.logger.debug(f'Batch {batch_idx}/{num_batches}, Loss: {loss.item():.6f}')
        
        return {'train_loss': epoch_loss / num_batches}
    
    def validate_epoch(self, val_loader: DataLoader) -> Dict[str, float]:
        """验证一个epoch"""
        self.model.eval()
        val_loss = 0.0
        num_batches = len(val_loader)
        
        with torch.no_grad():
            for features, labels in val_loader:
                features = features.to(self.device)
                labels = labels.to(self.device)
                
                outputs = self.model(features)
                loss = self.criterion(outputs, labels)
                
                val_loss += loss.item()
        
        return {'val_loss': val_loss / num_batches}
```

### 训练策略

#### 1. 学习率调度
```python
class LearningRateScheduler:
    """学习率调度策略"""
    
    @staticmethod
    def cosine_annealing_scheduler(optimizer, T_max, eta_min=1e-6):
        """余弦退火调度器"""
        return torch.optim.lr_scheduler.CosineAnnealingLR(
            optimizer, T_max=T_max, eta_min=eta_min
        )
    
    @staticmethod
    def reduce_on_plateau_scheduler(optimizer, patience=5, factor=0.5):
        """平台衰减调度器"""
        return torch.optim.lr_scheduler.ReduceLROnPlateau(
            optimizer, mode='min', patience=patience, factor=factor
        )
    
    @staticmethod
    def warmup_cosine_scheduler(optimizer, warmup_epochs, total_epochs):
        """预热余弦调度器"""
        def lr_lambda(epoch):
            if epoch < warmup_epochs:
                return epoch / warmup_epochs
            else:
                progress = (epoch - warmup_epochs) / (total_epochs - warmup_epochs)
                return 0.5 * (1 + math.cos(math.pi * progress))
        
        return torch.optim.lr_scheduler.LambdaLR(optimizer, lr_lambda)
```

#### 2. 早停机制
```python
class EarlyStopping:
    """早停机制"""
    
    def __init__(self, patience=10, min_delta=1e-4, mode='min'):
        self.patience = patience
        self.min_delta = min_delta
        self.mode = mode
        self.counter = 0
        self.best_score = None
        
        if mode == 'min':
            self.is_better = lambda x, y: x < y - min_delta
        else:
            self.is_better = lambda x, y: x > y + min_delta
    
    def __call__(self, score):
        if self.best_score is None:
            self.best_score = score
            return False
        
        if self.is_better(score, self.best_score):
            self.best_score = score
            self.counter = 0
            return False
        else:
            self.counter += 1
            return self.counter >= self.patience
```

## 推理流程

### 推理架构

```
模型加载 → 输入验证 → 数据预处理 → 模型推理 → 结果后处理 → 输出格式化
```

### 推理引擎设计

```python
class InferenceEngine:
    """高性能推理引擎"""
    
    def __init__(self, model, preprocessor=None, device='auto'):
        self.model = model
        self.preprocessor = preprocessor
        self.device = self._setup_device(device)
        self.model.to(self.device)
        self.model.eval()
        
        # 性能优化
        self._optimize_model()
        
        # 预热
        self._warmup_model()
    
    def _optimize_model(self):
        """模型性能优化"""
        # TorchScript优化
        try:
            self.model = torch.jit.script(self.model)
            self.logger.info("模型已优化为TorchScript格式")
        except Exception as e:
            self.logger.warning(f"TorchScript优化失败: {e}")
        
        # 混合精度
        if self.device.type == 'cuda':
            self.scaler = torch.cuda.amp.GradScaler()
    
    def _warmup_model(self, num_warmup=5):
        """模型预热"""
        dummy_input = torch.randn(1, 7).to(self.device)
        
        with torch.no_grad():
            for _ in range(num_warmup):
                _ = self.model(dummy_input)
        
        self.logger.info(f"模型预热完成,预热次数: {num_warmup}")
    
    def predict_single(self, input_data: Union[List, np.ndarray]) -> Dict[str, Any]:
        """单样本推理"""
        # 输入验证
        validated_input = self._validate_input(input_data)
        
        # 数据预处理
        processed_input = self._preprocess_input(validated_input)
        
        # 模型推理
        with torch.no_grad():
            if self.device.type == 'cuda':
                with torch.cuda.amp.autocast():
                    output = self.model(processed_input)
            else:
                output = self.model(processed_input)
        
        # 结果后处理
        result = self._postprocess_output(output)
        
        return result
    
    def predict_batch(self, input_batch: Union[List, np.ndarray]) -> List[Dict[str, Any]]:
        """批量推理"""
        # 输入验证和预处理
        validated_batch = self._validate_batch(input_batch)
        processed_batch = self._preprocess_batch(validated_batch)
        
        # 分批推理
        batch_size = min(32, len(processed_batch))
        results = []
        
        for i in range(0, len(processed_batch), batch_size):
            batch_input = processed_batch[i:i+batch_size]
            
            with torch.no_grad():
                if self.device.type == 'cuda':
                    with torch.cuda.amp.autocast():
                        batch_output = self.model(batch_input)
                else:
                    batch_output = self.model(batch_input)
            
            # 后处理
            batch_results = self._postprocess_batch(batch_output)
            results.extend(batch_results)
        
        return results
```

### 性能优化策略

#### 1. 内存优化
```python
class MemoryOptimizer:
    """内存优化器"""
    
    @staticmethod
    def optimize_memory_usage():
        """优化内存使用"""
        # 清理GPU缓存
        if torch.cuda.is_available():
            torch.cuda.empty_cache()
        
        # 设置内存分配策略
        if torch.cuda.is_available():
            torch.cuda.set_per_process_memory_fraction(0.9)
    
    @staticmethod
    def monitor_memory_usage():
        """监控内存使用"""
        if torch.cuda.is_available():
            allocated = torch.cuda.memory_allocated() / 1024**3  # GB
            cached = torch.cuda.memory_reserved() / 1024**3  # GB
            return {'allocated': allocated, 'cached': cached}
        return {'allocated': 0, 'cached': 0}
```

#### 2. 计算优化
```python
class ComputeOptimizer:
    """计算优化器"""
    
    @staticmethod
    def enable_tf32():
        """启用TF32加速(Ampere架构GPU)"""
        if torch.cuda.is_available():
            torch.backends.cuda.matmul.allow_tf32 = True
            torch.backends.cudnn.allow_tf32 = True
    
    @staticmethod
    def optimize_dataloader(dataloader, num_workers=4, pin_memory=True):
        """优化数据加载器"""
        return DataLoader(
            dataloader.dataset,
            batch_size=dataloader.batch_size,
            shuffle=dataloader.shuffle,
            num_workers=num_workers,
            pin_memory=pin_memory and torch.cuda.is_available(),
            persistent_workers=True if num_workers > 0 else False
        )
```

## 模块设计

### 核心模块

#### 1. 模型模块 (`src.models/`)
```python
# 模型模块结构
src/models/
├── __init__.py
├── pad_predictor.py      # 核心预测器
├── loss_functions.py     # 损失函数
├── metrics.py           # 评估指标
├── model_factory.py     # 模型工厂
└── base_model.py        # 基础模型类
```

**设计原则**:
- 单一职责:每个类只负责一个特定功能
- 开闭原则:对扩展开放,对修改封闭
- 依赖倒置:依赖抽象而非具体实现

#### 2. 数据模块 (`src.data/`)
```python
# 数据模块结构
src/data/
├── __init__.py
├── dataset.py           # 数据集类
├── data_loader.py       # 数据加载器
├── preprocessor.py      # 数据预处理器
├── synthetic_generator.py # 合成数据生成器
└── data_validator.py    # 数据验证器
```

**设计模式**:
- 策略模式:不同的数据预处理策略
- 工厂模式:数据生成器工厂
- 观察者模式:数据质量监控

#### 3. 工具模块 (`src.utils/`)
```python
# 工具模块结构
src/utils/
├── __init__.py
├── inference_engine.py  # 推理引擎
├── trainer.py          # 训练器
├── logger.py           # 日志工具
├── config.py           # 配置管理
└── exceptions.py       # 自定义异常
```

**功能特性**:
- 高性能推理引擎
- 灵活的训练管理
- 结构化日志系统
- 统一的配置管理

## 设计模式

### 1. 工厂模式 (Factory Pattern)

```python
class ModelFactory:
    """模型工厂类"""
    
    _models = {
        'pad_predictor': PADPredictor,
        'advanced_predictor': AdvancedPADPredictor,
        'ensemble_predictor': EnsemblePredictor
    }
    
    @classmethod
    def create_model(cls, model_type: str, config: Dict[str, Any]):
        """创建模型实例"""
        if model_type not in cls._models:
            raise ValueError(f"不支持的模型类型: {model_type}")
        
        model_class = cls._models[model_type]
        return model_class(**config)
    
    @classmethod
    def register_model(cls, name: str, model_class):
        """注册新的模型类型"""
        cls._models[name] = model_class
```

### 2. 策略模式 (Strategy Pattern)

```python
class LossStrategy(ABC):
    """损失策略抽象基类"""
    
    @abstractmethod
    def compute_loss(self, predictions, targets):
        pass

class WeightedMSELoss(LossStrategy):
    """加权均方误差损失"""
    
    def compute_loss(self, predictions, targets):
        # 实现加权MSE
        pass

class HuberLoss(LossStrategy):
    """Huber损失"""
    
    def compute_loss(self, predictions, targets):
        # 实现Huber损失
        pass

class LossContext:
    """损失上下文"""
    
    def __init__(self, strategy: LossStrategy):
        self._strategy = strategy
    
    def set_strategy(self, strategy: LossStrategy):
        self._strategy = strategy
    
    def compute_loss(self, predictions, targets):
        return self._strategy.compute_loss(predictions, targets)
```

### 3. 观察者模式 (Observer Pattern)

```python
class TrainingObserver(ABC):
    """训练观察者抽象基类"""
    
    @abstractmethod
    def on_epoch_start(self, epoch, metrics):
        pass
    
    @abstractmethod
    def on_epoch_end(self, epoch, metrics):
        pass

class LoggingObserver(TrainingObserver):
    """日志观察者"""
    
    def on_epoch_end(self, epoch, metrics):
        self.logger.info(f"Epoch {epoch}: {metrics}")

class CheckpointObserver(TrainingObserver):
    """检查点观察者"""
    
    def on_epoch_end(self, epoch, metrics):
        if self.should_save_checkpoint(metrics):
            self.save_checkpoint(epoch, metrics)

class TrainingSubject:
    """训练主题"""
    
    def __init__(self):
        self._observers = []
    
    def attach(self, observer: TrainingObserver):
        self._observers.append(observer)
    
    def detach(self, observer: TrainingObserver):
        self._observers.remove(observer)
    
    def notify_epoch_end(self, epoch, metrics):
        for observer in self._observers:
            observer.on_epoch_end(epoch, metrics)
```

### 4. 建造者模式 (Builder Pattern)

```python
class ModelBuilder:
    """模型建造者"""
    
    def __init__(self):
        self.input_dim = 7
        self.output_dim = 3
        self.hidden_dims = [128, 64, 32]
        self.dropout_rate = 0.3
        self.activation = 'relu'
    
    def with_dimensions(self, input_dim, output_dim):
        self.input_dim = input_dim
        self.output_dim = output_dim
        return self
    
    def with_hidden_layers(self, hidden_dims):
        self.hidden_dims = hidden_dims
        return self
    
    def with_dropout(self, dropout_rate):
        self.dropout_rate = dropout_rate
        return self
    
    def with_activation(self, activation):
        self.activation = activation
        return self
    
    def build(self):
        return PADPredictor(
            input_dim=self.input_dim,
            output_dim=self.output_dim,
            hidden_dims=self.hidden_dims,
            dropout_rate=self.dropout_rate
        )

# 使用示例
model = (ModelBuilder()
         .with_dimensions(7, 5)
         .with_hidden_layers([256, 128, 64])
         .with_dropout(0.3)
         .build())
```

## 性能优化

### 1. 模型优化

#### 量化
```python
class ModelQuantizer:
    """模型量化器"""
    
    @staticmethod
    def quantize_model(model, calibration_data):
        """动态量化模型"""
        model.eval()
        
        # 动态量化
        quantized_model = torch.quantization.quantize_dynamic(
            model, {nn.Linear}, dtype=torch.qint8
        )
        
        return quantized_model
    
    @staticmethod
    def quantize_aware_training(model, train_loader):
        """量化感知训练"""
        model.eval()
        model.qconfig = torch.quantization.get_default_qat_qconfig('fbgemm')
        torch.quantization.prepare_qat(model, inplace=True)
        
        # 量化感知训练
        for epoch in range(num_epochs):
            for batch in train_loader:
                # 训练步骤
                pass
        
        # 转换为量化模型
        quantized_model = torch.quantization.convert(model.eval(), inplace=False)
        return quantized_model
```

#### 模型剪枝
```python
class ModelPruner:
    """模型剪枝器"""
    
    @staticmethod
    def prune_model(model, pruning_ratio=0.2):
        """结构化剪枝"""
        import torch.nn.utils.prune as prune
        
        # 剪枝所有线性层
        for name, module in model.named_modules():
            if isinstance(module, nn.Linear):
                prune.l1_unstructured(module, name='weight', amount=pruning_ratio)
        
        return model
    
    @staticmethod
    def remove_pruning(model):
        """移除剪枝重参数化"""
        import torch.nn.utils.prune as prune
        
        for name, module in model.named_modules():
            if isinstance(module, nn.Linear):
                prune.remove(module, 'weight')
        
        return model
```

### 2. 推理优化

#### 批量推理优化
```python
class BatchInferenceOptimizer:
    """批量推理优化器"""
    
    def __init__(self, model, device):
        self.model = model
        self.device = device
        self.optimal_batch_size = self._find_optimal_batch_size()
    
    def _find_optimal_batch_size(self):
        """寻找最优批次大小"""
        batch_sizes = [1, 2, 4, 8, 16, 32, 64, 128]
        best_batch_size = 1
        best_throughput = 0
        
        dummy_input = torch.randn(1, 7).to(self.device)
        
        for batch_size in batch_sizes:
            try:
                # 测试批次大小
                batch_input = dummy_input.repeat(batch_size, 1)
                
                start_time = time.time()
                with torch.no_grad():
                    for _ in range(10):
                        _ = self.model(batch_input)
                end_time = time.time()
                
                throughput = (batch_size * 10) / (end_time - start_time)
                
                if throughput > best_throughput:
                    best_throughput = throughput
                    best_batch_size = batch_size
                    
            except RuntimeError:
                break  # 内存不足
        
        return best_batch_size
```

## 扩展性设计

### 1. 插件系统

```python
class PluginManager:
    """插件管理器"""
    
    def __init__(self):
        self.plugins = {}
        self.hooks = defaultdict(list)
    
    def register_plugin(self, name: str, plugin):
        """注册插件"""
        self.plugins[name] = plugin
        
        # 注册插件钩子
        if hasattr(plugin, 'get_hooks'):
            for hook_name, hook_func in plugin.get_hooks().items():
                self.hooks[hook_name].append(hook_func)
    
    def execute_hooks(self, hook_name: str, *args, **kwargs):
        """执行钩子"""
        for hook_func in self.hooks[hook_name]:
            hook_func(*args, **kwargs)

class PluginBase(ABC):
    """插件基类"""
    
    @abstractmethod
    def initialize(self, config):
        pass
    
    @abstractmethod
    def cleanup(self):
        pass
    
    def get_hooks(self):
        return {}
```

### 2. 配置扩展

```python
class ConfigManager:
    """配置管理器"""
    
    def __init__(self):
        self.config_schemas = {}
        self.config_validators = {}
    
    def register_config_schema(self, name: str, schema: Dict):
        """注册配置模式"""
        self.config_schemas[name] = schema
    
    def register_validator(self, name: str, validator: callable):
        """注册配置验证器"""
        self.config_validators[name] = validator
    
    def validate_config(self, config: Dict[str, Any]) -> bool:
        """验证配置"""
        for name, validator in self.config_validators.items():
            if name in config:
                if not validator(config[name]):
                    raise ValueError(f"配置验证失败: {name}")
        return True
```

### 3. 模型注册系统

```python
class ModelRegistry:
    """模型注册系统"""
    
    _models = {}
    _model_metadata = {}
    
    @classmethod
    def register(cls, name: str, metadata: Dict = None):
        """模型注册装饰器"""
        def decorator(model_class):
            cls._models[name] = model_class
            cls._model_metadata[name] = metadata or {}
            return model_class
        return decorator
    
    @classmethod
    def create_model(cls, name: str, **kwargs):
        """创建模型"""
        if name not in cls._models:
            raise ValueError(f"未注册的模型: {name}")
        
        model_class = cls._models[name]
        return model_class(**kwargs)
    
    @classmethod
    def list_models(cls):
        """列出所有注册的模型"""
        return list(cls._models.keys())

# 使用示例
@ModelRegistry.register("advanced_pad", 
                       {"description": "高级PAD预测器", "version": "2.0"})
class AdvancedPADPredictor(nn.Module):
    def __init__(self, **kwargs):
        super().__init__()
        # 模型实现
        pass
```

---

本架构文档描述了系统的整体设计和实现细节。随着项目的发展,架构会持续优化和扩展。如有建议或问题,请通过GitHub Issues反馈。