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"""
模型工厂模块
Model Factory for PAD Predictor
该模块提供了从配置文件创建模型、损失函数和优化器的工厂函数,
支持不同的模型变体和配置。
"""
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
import yaml
import json
from typing import Dict, Any, Optional, Union, Tuple
from pathlib import Path
import logging
from .pad_predictor import PADPredictor
from .loss_functions import create_loss_function
from .metrics import create_metrics
class ModelFactory:
"""模型工厂类"""
def __init__(self):
self.logger = logging.getLogger(__name__)
# 注册可用的模型类型
self.model_registry = {
'pad_predictor': PADPredictor,
}
# 注册可用的优化器
self.optimizer_registry = {
'adam': optim.Adam,
'adamw': optim.AdamW,
'sgd': optim.SGD,
'rmsprop': optim.RMSprop,
'adagrad': optim.Adagrad,
}
# 注册可用的学习率调度器
self.scheduler_registry = {
'step': optim.lr_scheduler.StepLR,
'exponential': optim.lr_scheduler.ExponentialLR,
'cosine': optim.lr_scheduler.CosineAnnealingLR,
'plateau': optim.lr_scheduler.ReduceLROnPlateau,
'cyclic': optim.lr_scheduler.CyclicLR,
}
def create_model(self,
model_config: Union[str, Dict[str, Any]]) -> nn.Module:
"""
创建模型
Args:
model_config: 模型配置,可以是配置文件路径或配置字典
Returns:
模型实例
"""
# 加载配置
if isinstance(model_config, str):
config = self._load_config(model_config)
else:
config = model_config
# 获取模型类型
model_type = config.get('model_info', {}).get('type', 'pad_predictor')
if model_type not in self.model_registry:
raise ValueError(f"不支持的模型类型: {model_type}. 支持的类型: {list(self.model_registry.keys())}")
# 创建模型
model_class = self.model_registry[model_type]
if model_type == 'pad_predictor':
model = self._create_pad_predictor(config)
else:
# 通用模型创建
model = model_class(**config.get('model_params', {}))
self.logger.info(f"成功创建模型: {model_type}")
return model
def _create_pad_predictor(self, config: Dict[str, Any]) -> PADPredictor:
"""
创建PAD预测器
Args:
config: 配置字典
Returns:
PADPredictor实例
"""
dimensions = config.get('dimensions', {})
architecture = config.get('architecture', {})
initialization = config.get('initialization', {})
# 提取隐藏层配置
hidden_layers = architecture.get('hidden_layers', [])
hidden_dims = [layer['size'] for layer in hidden_layers]
# 如果没有隐藏层配置,使用默认值
if not hidden_dims:
hidden_dims = [128, 64, 32]
# 提取Dropout配置
dropout_rate = architecture.get('dropout_config', {}).get('rate', 0.3)
model = PADPredictor(
input_dim=dimensions.get('input_dim', 10), # 默认10维(7原始+3差异)
output_dim=dimensions.get('output_dim', 4), # 默认4维(移除confidence)
hidden_dims=hidden_dims,
dropout_rate=dropout_rate,
weight_init=initialization.get('weight_init', 'xavier_uniform'),
bias_init=initialization.get('bias_init', 'zeros')
)
return model
def create_loss_function(self,
loss_config: Union[str, Dict[str, Any]]) -> nn.Module:
"""
创建损失函数
Args:
loss_config: 损失函数配置,可以是配置文件路径或配置字典
Returns:
损失函数实例
"""
# 加载配置
if isinstance(loss_config, str):
config = self._load_config(loss_config)
else:
config = loss_config
# 获取损失函数类型
loss_type = config.get('type', 'wmse')
loss_params = config.get('params', {})
return create_loss_function(loss_type, **loss_params)
def create_optimizer(self,
model: nn.Module,
optimizer_config: Union[str, Dict[str, Any]]) -> optim.Optimizer:
"""
创建优化器
Args:
model: 模型
optimizer_config: 优化器配置
Returns:
优化器实例
"""
# 加载配置
if isinstance(optimizer_config, str):
config = self._load_config(optimizer_config)
else:
config = optimizer_config
# 获取优化器类型
optimizer_type = config.get('type', 'adamw')
optimizer_params = config.get('params', {})
if optimizer_type not in self.optimizer_registry:
raise ValueError(f"不支持的优化器类型: {optimizer_type}. 支持的类型: {list(self.optimizer_registry.keys())}")
# 设置默认参数
default_params = {
'lr': 1e-3,
'weight_decay': 1e-4,
}
default_params.update(optimizer_params)
optimizer_class = self.optimizer_registry[optimizer_type]
optimizer = optimizer_class(model.parameters(), **default_params)
self.logger.info(f"成功创建优化器: {optimizer_type}")
return optimizer
def create_scheduler(self,
optimizer: optim.Optimizer,
scheduler_config: Union[str, Dict[str, Any]]) -> Optional[optim.lr_scheduler._LRScheduler]:
"""
创建学习率调度器
Args:
optimizer: 优化器
scheduler_config: 调度器配置
Returns:
学习率调度器实例,如果配置为空则返回None
"""
if not scheduler_config:
return None
# 加载配置
if isinstance(scheduler_config, str):
config = self._load_config(scheduler_config)
else:
config = scheduler_config
# 获取调度器类型
scheduler_type = config.get('type', 'step')
scheduler_params = config.get('params', {})
if scheduler_type not in self.scheduler_registry:
raise ValueError(f"不支持的调度器类型: {scheduler_type}. 支持的类型: {list(self.scheduler_registry.keys())}")
# 设置默认参数
default_params = {}
if scheduler_type == 'step':
default_params = {'step_size': 10, 'gamma': 0.1}
elif scheduler_type == 'exponential':
default_params = {'gamma': 0.95}
elif scheduler_type == 'cosine':
default_params = {'T_max': 100}
elif scheduler_type == 'plateau':
default_params = {'mode': 'min', 'patience': 10, 'factor': 0.5}
default_params.update(scheduler_params)
scheduler_class = self.scheduler_registry[scheduler_type]
scheduler = scheduler_class(optimizer, **default_params)
self.logger.info(f"成功创建学习率调度器: {scheduler_type}")
return scheduler
def create_metrics(self,
metrics_config: Union[str, Dict[str, Any]]) -> Any:
"""
创建评估指标
Args:
metrics_config: 指标配置
Returns:
指标实例
"""
# 加载配置
if isinstance(metrics_config, str):
config = self._load_config(metrics_config)
else:
config = metrics_config
metric_type = config.get('type', 'pad')
metric_params = config.get('params', {})
return create_metrics(metric_type, **metric_params)
def create_training_components(self,
config: Union[str, Dict[str, Any]]) -> Tuple[nn.Module, nn.Module, optim.Optimizer, Optional[optim.lr_scheduler._LRScheduler]]:
"""
创建训练所需的所有组件
Args:
config: 完整配置
Returns:
(模型, 损失函数, 优化器, 学习率调度器)
"""
# 加载配置
if isinstance(config, str):
full_config = self._load_config(config)
else:
full_config = config
# 创建模型
model = self.create_model(full_config)
# 创建损失函数
loss_config = full_config.get('loss', {'type': 'wmse'})
loss_function = self.create_loss_function(loss_config)
# 创建优化器
optimizer_config = full_config.get('optimizer', {'type': 'adamw'})
optimizer = self.create_optimizer(model, optimizer_config)
# 创建学习率调度器
scheduler_config = full_config.get('scheduler', {})
scheduler = self.create_scheduler(optimizer, scheduler_config)
return model, loss_function, optimizer, scheduler
def _load_config(self, config_path: str) -> Dict[str, Any]:
"""
加载配置文件
Args:
config_path: 配置文件路径
Returns:
配置字典
"""
config_path = Path(config_path)
if not config_path.exists():
raise FileNotFoundError(f"配置文件不存在: {config_path}")
with open(config_path, 'r', encoding='utf-8') as f:
if config_path.suffix.lower() in ['.yaml', '.yml']:
config = yaml.safe_load(f)
elif config_path.suffix.lower() == '.json':
config = json.load(f)
else:
raise ValueError(f"不支持的配置文件格式: {config_path.suffix}")
self.logger.info(f"成功加载配置文件: {config_path}")
return config
def register_model(self, name: str, model_class: type):
"""
注册新的模型类型
Args:
name: 模型名称
model_class: 模型类
"""
self.model_registry[name] = model_class
self.logger.info(f"注册新模型类型: {name}")
def register_optimizer(self, name: str, optimizer_class: type):
"""
注册新的优化器类型
Args:
name: 优化器名称
optimizer_class: 优化器类
"""
self.optimizer_registry[name] = optimizer_class
self.logger.info(f"注册新优化器类型: {name}")
def get_available_models(self) -> list:
"""获取可用的模型类型"""
return list(self.model_registry.keys())
def get_available_optimizers(self) -> list:
"""获取可用的优化器类型"""
return list(self.optimizer_registry.keys())
def get_available_schedulers(self) -> list:
"""获取可用的调度器类型"""
return list(self.scheduler_registry.keys())
# 全局模型工厂实例
model_factory = ModelFactory()
def create_model_from_config(config_path: str) -> nn.Module:
"""
从配置文件创建模型的便捷函数
Args:
config_path: 配置文件路径
Returns:
模型实例
"""
return model_factory.create_model(config_path)
def create_training_setup(config_path: str) -> Tuple[nn.Module, nn.Module, optim.Optimizer, Optional[optim.lr_scheduler._LRScheduler]]:
"""
从配置文件创建完整训练设置的便捷函数
Args:
config_path: 配置文件路径
Returns:
(模型, 损失函数, 优化器, 学习率调度器)
"""
return model_factory.create_training_components(config_path)
def save_model_config(model: nn.Module, config_path: str, additional_info: Dict[str, Any] = None):
"""
保存模型配置
Args:
model: 模型实例
config_path: 配置文件保存路径
additional_info: 额外信息
"""
config = {
'model_info': {
'type': model.__class__.__name__,
'version': '1.0'
}
}
# 如果是PADPredictor,提取配置信息
if isinstance(model, PADPredictor):
config.update({
'dimensions': {
'input_dim': model.input_dim,
'output_dim': model.output_dim
},
'architecture': {
'hidden_layers': [
{'size': dim, 'activation': 'ReLU', 'dropout': model.dropout_rate}
for dim in model.hidden_dims[:-1]
] + [
{'size': model.hidden_dims[-1], 'activation': 'ReLU', 'dropout': 0.0}
],
'output_layer': {'activation': 'Linear'}
},
'initialization': {
'weight_init': model.weight_init,
'bias_init': model.bias_init
}
})
# 添加额外信息
if additional_info:
config['additional_info'] = additional_info
# 保存配置
config_path = Path(config_path)
config_path.parent.mkdir(parents=True, exist_ok=True)
with open(config_path, 'w', encoding='utf-8') as f:
if config_path.suffix.lower() in ['.yaml', '.yml']:
yaml.dump(config, f, default_flow_style=False, allow_unicode=True)
elif config_path.suffix.lower() == '.json':
json.dump(config, f, indent=2, ensure_ascii=False)
else:
raise ValueError(f"不支持的配置文件格式: {config_path.suffix}")
logging.info(f"模型配置已保存到: {config_path}")
if __name__ == "__main__":
# 测试代码
import tempfile
import os
print("测试模型工厂:")
# 创建临时配置文件
config = {
'model_info': {
'name': 'Test_PAD_Predictor',
'type': 'pad_predictor',
'version': '1.0'
},
'dimensions': {
'input_dim': 10, # 10维输入(7原始+3差异)
'output_dim': 4 # 4维输出(ΔPAD 3维 + ΔPressure 1维)
},
'architecture': {
'hidden_layers': [
{'size': 128, 'activation': 'ReLU', 'dropout': 0.3},
{'size': 64, 'activation': 'ReLU', 'dropout': 0.3},
{'size': 32, 'activation': 'ReLU', 'dropout': 0.0}
],
'output_layer': {'activation': 'Linear'}
},
'initialization': {
'weight_init': 'xavier_uniform',
'bias_init': 'zeros'
},
'loss': {
'type': 'wmse',
'params': {
'delta_pad_weight': 1.0,
'delta_pressure_weight': 1.0,
'confidence_weight': 0.5
}
},
'optimizer': {
'type': 'adamw',
'params': {
'lr': 0.001,
'weight_decay': 0.0001
}
},
'scheduler': {
'type': 'step',
'params': {
'step_size': 10,
'gamma': 0.1
}
}
}
# 保存配置到临时文件
with tempfile.NamedTemporaryFile(mode='w', suffix='.yaml', delete=False) as f:
yaml.dump(config, f)
temp_config_path = f.name
try:
# 测试创建模型
model = model_factory.create_model(temp_config_path)
print(f"成功创建模型: {model.__class__.__name__}")
# 测试创建损失函数
loss_fn = model_factory.create_loss_function(config['loss'])
print(f"成功创建损失函数: {loss_fn.__class__.__name__}")
# 测试创建优化器
optimizer = model_factory.create_optimizer(model, config['optimizer'])
print(f"成功创建优化器: {optimizer.__class__.__name__}")
# 测试创建调度器
scheduler = model_factory.create_scheduler(optimizer, config['scheduler'])
if scheduler:
print(f"成功创建学习率调度器: {scheduler.__class__.__name__}")
# 测试创建完整训练设置
model, loss_fn, optimizer, scheduler = model_factory.create_training_components(temp_config_path)
print(f"成功创建完整训练设置")
# 打印可用类型
print(f"\n可用模型类型: {model_factory.get_available_models()}")
print(f"可用优化器类型: {model_factory.get_available_optimizers()}")
print(f"可用调度器类型: {model_factory.get_available_schedulers()}")
finally:
# 清理临时文件
os.unlink(temp_config_path)
print("\n模型工厂测试完成!") |