面向高維數(shù)據(jù)的個人信貸風(fēng)險評估方法

廖文雄，曾 碧，梁天愷，徐雅蕓，趙俊峰

廣東工業(yè)大學(xué) 計算機(jī)學(xué)院，廣州510006

1 引言

隨著電子商務(wù)的不斷發(fā)展，基于互聯(lián)網(wǎng)平臺的消費信貸也迅速崛起，分期付款已經(jīng)成為吸引年輕人消費的一種必要手段[1]。2015年是互聯(lián)網(wǎng)金融發(fā)展的元年，國內(nèi)產(chǎn)業(yè)格局被互聯(lián)網(wǎng)產(chǎn)業(yè)逐漸改變，互聯(lián)網(wǎng)金融得到快速發(fā)展[2]。數(shù)據(jù)顯示，近年來中國消費信貸規(guī)模高速增長，2016年增速達(dá)32.2%，消費信貸規(guī)模達(dá)到25.0萬億元人民幣，2018年中國分期電商用戶有望增至1.7億人[3]。通過分期付款能夠加快商品的流通，為電商帶來更多的利潤；從長遠(yuǎn)的角度來看，分期付款還可以培養(yǎng)用戶借貸消費的習(xí)慣，為企業(yè)帶來更大的消費交易量。

然而，高收益往往是和風(fēng)險同時存在的，電商平臺想要永久生存必須謹(jǐn)慎經(jīng)營。一方面，由于我國征信體系不夠完備、互聯(lián)網(wǎng)金融平臺積累的歷史數(shù)據(jù)時間較短、覆蓋率不夠廣[4]；另一方面，互聯(lián)網(wǎng)金融平臺助長了超前消費，使得部分用戶在分期付款時并未考慮到其欠款長期積累的金額，這對用戶和電商平臺都是一種災(zāi)難[5]。本文提出一種可以對高維用戶信貸數(shù)據(jù)進(jìn)行深入挖掘，并對用戶信貸風(fēng)險進(jìn)行有效評估的方法，可以為電商平臺規(guī)避風(fēng)險提供參考。

2 相關(guān)工作

2.1 信貸評估發(fā)展歷程

信貸評估研究已經(jīng)有60多年歷史，從發(fā)展歷史來看，主要從最初的簡單線性模型到非線性模型，再到目前的集成學(xué)習(xí)。

2.1.1 線性模型

Orgler[6]于1970年對個人信用申請評分時創(chuàng)造性地使用了線性回歸模型。而Wiginto[7]于1980年首次通過Logistic模型對用戶信用進(jìn)行評估。盡管線性模型在最初的信用評估中起了比較好的作用，但是由于線性模型在表達(dá)能力上的局限性，無法對數(shù)據(jù)集進(jìn)行較好的擬合。

2.1.2 非線性模型

用戶信貸評估主要的非線性模型有支持向量機(jī)（Support Vector Machine，SVM）[8]和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。Schebesch等[9]利用SVM，在同一個數(shù)據(jù)集中研究不同特征子集和不同核函數(shù)對用戶信用評估模型的性能優(yōu)化。Harris[10]使用集群支持向量機(jī)（Clustered SVM，CSVM）開發(fā)信用積分卡，與其他的SVM技術(shù)比較，CSVM在保證分類性能的同時，又保證了高效的計算。盡管支持向量機(jī)在處理非線性問題上表現(xiàn)優(yōu)秀，但是SVM是借助二次規(guī)劃來求解支持向量的，當(dāng)樣本量很大時，計算時間會明顯增長，并且對缺失數(shù)據(jù)較為敏感[11]。Abdou等[12]于2008年對神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、判別分析、Logistic等傳統(tǒng)模型進(jìn)行預(yù)測效果比較，結(jié)果表明，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)相對于其他模型能夠取得更高的正確率。雖然神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的方法能夠較好地處理非線性問題，但是算法需要大量的參數(shù)，而且解釋能力差。

2.1.3 集成學(xué)習(xí)

以上的線性模型和非線性模型都是基于單一模型的，由于單一分類器的局限性，使得用戶信貸評估已經(jīng)遇到瓶頸，即單一分類器已經(jīng)無法很好地提升效果。現(xiàn)在主流的思想是集成學(xué)習(xí)，即通過將多個單一的弱分類器集成為一個強(qiáng)大的分類器，這一過程被證實能有效提升模型的分類性能與泛化能力。Marques等[13]于2012年將多種分類模型應(yīng)用于集成學(xué)習(xí)，實驗結(jié)果表明以C4.5決策樹為基分類器的集成模型取得最佳的效果，而以樸素貝葉斯作為基分類器的集成模型取得的效果最差。另外，Abellan等[14]于2017年以Bagging方案將不同的基學(xué)習(xí)器應(yīng)用于信用評分，結(jié)果表明以決策樹作為基學(xué)習(xí)器的集成模型取得了最好的信用評分效果。

2.2 特征工程

雖然集成學(xué)習(xí)能提升信貸預(yù)測性能，但是隨著現(xiàn)代信息量的不斷增長，信貸數(shù)據(jù)的特征維度也不斷提升，如何對高維度的信貸數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘和風(fēng)險評估是研究的一個難點。為解決此問題，國內(nèi)外學(xué)者利用特征工程對高維度的信貸數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取，以降低信貸數(shù)據(jù)的維度和算法的計算代價，進(jìn)一步提升信貸評估算法的性能。

特征工程是指從原始的數(shù)據(jù)集所包含的全部特征中選擇評估指標(biāo)達(dá)到最優(yōu)的特征子集，使得該特征子集所構(gòu)造的分類或回歸模型達(dá)到與全部特征近似甚至更好的效果。根據(jù)特征選擇評估方法與后續(xù)的分類算法是否獨立，將特征選擇算法分為基于Filter的特征選擇算法、基于Wrapper的特征選擇算法、基于Embedded的特征選擇算法[15]。Filter思想中特征選擇與后續(xù)的分類算法是獨立的，先對每個特征進(jìn)行統(tǒng)計學(xué)習(xí)計量，并且給每個特征進(jìn)行評分，最后按照分?jǐn)?shù)排序輸出。Wrapper思想中特征選擇與后續(xù)的分類算法相結(jié)合，需要訓(xùn)練一個分類器，并且根據(jù)分類器的性能對特征子集進(jìn)行評價，選擇若干特征或排除若干特性。Embedded思想將特征選擇直接嵌入到分類算法中，是Filter和Wrapper方法的結(jié)合，通過分類算法得到各個特征的權(quán)值系數(shù)，根據(jù)系數(shù)從大到小選擇特征。Filter方法的評價標(biāo)準(zhǔn)與分類算法無關(guān)，因此在分類性能上表現(xiàn)不佳；Wrapper方法的特征選擇會驗證所有的特征組合，因此計算速度會比Filter方法慢；Embedded方法具有Filter與Wrapper的優(yōu)點，將Filter和Wrapper分別運(yùn)用于特征選擇中的不同階段[16]。

之前的信貸風(fēng)險評價研究中，都是基于較低維度的數(shù)據(jù)，而且沒有提出較為有效的數(shù)據(jù)降維方法。但是在面對高維數(shù)據(jù)時，如果不進(jìn)行降維處理，容易發(fā)生維度災(zāi)難，導(dǎo)致計算量急劇上升；再者大量的冗余或者無關(guān)屬性會掩蓋重要屬性，導(dǎo)致最終的分類性能難以提升。為解決上述問題，提高處理高維數(shù)據(jù)的能力，本文提出一種基于Embedded思想的XGBoost特征選擇方法XGBFS（XGBoost Feature Selection）。

3 面向高維數(shù)據(jù)的個人信貸評估

面向高維數(shù)據(jù)的個人信貸風(fēng)險評估方法主要包括以下過程：首先將訓(xùn)練數(shù)據(jù)集進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗、缺失值處理和數(shù)據(jù)歸一化等預(yù)處理；再基于XGBFS對數(shù)據(jù)進(jìn)行降維：最后通過XGBoost對降維后的數(shù)據(jù)進(jìn)行用戶信貸評估建模。具體流程如圖1所示。

圖1 面向高維數(shù)據(jù)的個人信貸風(fēng)險評估算法

3.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

現(xiàn)代信貸用戶信息中除了屬性高維外，還會存在多種類別的屬性，如離散型、連續(xù)型、文本型等。如何對各種類別的屬性進(jìn)行科學(xué)的預(yù)處理是信貸風(fēng)險評估的首要前提。針對不同類型的數(shù)據(jù)應(yīng)當(dāng)采取不同的處理方法：對于連續(xù)型屬性，直接進(jìn)行歸一化處理。對于類別型屬性，先進(jìn)行類別編碼，再進(jìn)行歸一化處理。對于離散型屬性，先進(jìn)行分段處理再進(jìn)行歸一化處理。對于文本型屬性，先進(jìn)行TF-IDF（Term Frequency-Inverse Document Frequency）提取特征，再通過LSA（Latent Semantic Analysis）[17]進(jìn)行語義分析，將分析結(jié)果進(jìn)行歸一化處理。數(shù)據(jù)預(yù)處理的流程如圖2所示。

圖2 數(shù)據(jù)預(yù)處理流程

3.1.1 類別型屬性

對于類別型屬性，先對各個類別進(jìn)行編碼，再用編碼值取代原有值。

具體如下：對于存在n個類別的類別型屬性X，對于待處理的屬性值x則有：

3.1.2 離散型屬性

為了提升模型的穩(wěn)定性，降低過擬合風(fēng)險，對于離散型屬性，先將離散值進(jìn)行分段處理，再把各段的索引值作為該屬性的特征值取代原有的離散值。

具體如下：對于離散值屬性X，要分成n段，設(shè)屬性X的最大值為Xn，最小值為X0，則需指定參數(shù)X1～Xn-1，其中X0＜X1＜…＜Xn。對于待處理的屬性值x，取t滿足Xt≤x＜Xt+1為該值對應(yīng)的索引值，并將其索引值t作為該屬性的值。

3.1.3 文本型屬性

用戶信息中含有較多的屬于文本類型的屬性，本文通過TF-IDF處理后再用LSA算法進(jìn)行潛在語義分析，并且將分析結(jié)果作為該文本屬性的特征值。

TF-IDF是通過統(tǒng)計的方法衡量一個詞在語料庫的其中一份文件中的重要性。其中TF是某個詞語在該文檔中出現(xiàn)的頻率；IDF是某個詞語普遍重要性的度量，可由文檔總數(shù)除以包含該詞語的文檔數(shù)量，再對商取對數(shù)得到。

LSA的出發(fā)點是文檔中的各個詞之間存在著某種關(guān)系，并稱這種關(guān)系為潛在的語義結(jié)構(gòu)。由于語義結(jié)構(gòu)隱含在文檔的上下文使用模式中，可以通過對大量的文本進(jìn)行統(tǒng)計計算，找到這種潛在的語義結(jié)構(gòu)。LSA就是通過統(tǒng)計方法，提取并量化這些潛在的語義結(jié)構(gòu)，從而消除同義詞、多義詞的影響，提高文本表示的準(zhǔn)確性[18]。而且LSA僅依賴于上下文中詞與詞的聯(lián)系，因此不需要確定的語義編碼，通過語義結(jié)構(gòu)來表示詞和文本，便可以達(dá)到消除詞之間的相關(guān)性、簡化文本的目的[19]。

目前典型的LSA空間的構(gòu)造方法是基于奇異值分解（Singular Value Decomposition，SVD）的空間構(gòu)造方法。如圖3所示，通過對文檔集的單詞-文檔矩陣的奇異值分解，可以提取出H個最大的奇異值和對應(yīng)的左右奇異矩陣，并還原出和原來相似的單詞-文檔矩陣。

圖3 SVD對單詞-文檔進(jìn)行分解的過程

3.1.4 缺失值處理

由于用戶的信貸信息屬性一般比較多，并且存在大量的缺失值。對于缺失值比例大于40%的屬性，本文采取刪除該屬性的方法。對于存在少量（缺失比例小于或等于40%）缺失值的屬性，本文采用眾數(shù)或者均值填充。

3.2 XGBFS

本文提出的XGBFS是基于XGBoost[20]特性的一種Embedded特征選擇方法。XGBoost是Boosting算法的一個實現(xiàn)，是一種改進(jìn)的GBDT（Gradient Boosting Decision Tree）算法。與傳統(tǒng)的GBDT算法比較，XGBoost對代價函數(shù)進(jìn)行了二階泰勒展開，同時用到了一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)，而傳統(tǒng)的GBDT算法只用了一階導(dǎo)數(shù)；并且XGBoost代價函數(shù)中加入了正則項，用以控制模型復(fù)雜度，防止過擬合。

3.2.1 XGBoost原理

XGBoost集成模型可用以下式子表示：

其中，logistic為logistic函數(shù)；x為待分類數(shù)據(jù)的屬性；K指的是子樹數(shù)量；f代表具體某棵子樹；F表示所有子樹。圖4為具有兩棵子樹f1、f2的F。

根據(jù)XGBoost算法思想，可將信貸風(fēng)險評估模型的目標(biāo)函數(shù)定為：

圖4 信貸風(fēng)險評估模型

其中，yi表示樣本的真實標(biāo)簽，表示模型的預(yù)測標(biāo)簽，表示損失函數(shù)，Ω(f)表示決策樹復(fù)雜度：

T為決策樹葉子節(jié)點的數(shù)量。‖ w‖2為L2正則化。

XGBoost采用分步優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的方法，求取目標(biāo)函數(shù)的最優(yōu)值。首先優(yōu)化第一棵樹，再優(yōu)化第二棵樹，直至優(yōu)化完第K棵樹。訓(xùn)練過程可用以下式子表示：

因此風(fēng)險評估模型的目標(biāo)函數(shù)可表示為：

其中，c是前t-1棵樹的復(fù)雜度。

根據(jù)二階泰勒展開公式：

令：

將式（4）、（7）、（8）代入式（6），可求得風(fēng)險評估模型的目標(biāo)函數(shù)為：

對式（9）求最小值，可得各葉子節(jié)點的最佳值：

對應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)值為：

對于每棵決策樹，通常使用精確貪心算法來尋找最優(yōu)的樹結(jié)構(gòu)。

3.2.2 XGBFS原理

根據(jù)XGBoost原理可知，對訓(xùn)練集數(shù)據(jù)進(jìn)行建模后可得到含有K棵子樹的F，即fk∈F。通過統(tǒng)計各個屬性在F各子樹分裂節(jié)點出現(xiàn)的次數(shù)之和，便可得到各個屬性對XGBoost建模的重要性，最后根據(jù)重要性排名，選擇含有N個最重要屬性的屬性子集。具體算法流程如下所示。

算法1 XGBFS

輸入：含有M個屬性的訓(xùn)練集TS。

輸出：含有N個屬性的最佳屬性子集。

1.通過XGBoost訓(xùn)練分類器得到F

2.聲明一個含M個元素的0值數(shù)組m count

3.for f in F：

4. for node in f：

5. 根據(jù)node在m count對應(yīng)位置+1

6. End for

7.End for

8.return m count前N個最大元素對應(yīng)的屬性

4 實驗與分析

4.1 實驗環(huán)境

本文驗證實驗的運(yùn)行環(huán)境是一臺具有16 GB內(nèi)存且配有i7-7770HQ CPU的個人計算機(jī)，該計算機(jī)運(yùn)行操作系統(tǒng)為Windows 10家庭中文版。本文的所有算法都采用Python語言編寫。

4.2 數(shù)據(jù)集選取

本實驗采用lending club公開的2016—2017年數(shù)據(jù)集，根據(jù)貸款狀態(tài)（loan_status）將Fully Paid標(biāo)記為履約樣本（負(fù)樣本），將Charged Off標(biāo)記為違約樣本（正樣本），其中負(fù)樣本記錄有249 462條，正樣本記錄有60 737條。除了還款狀態(tài)外，每條記錄還包含145個屬性。

4.3 實驗過程

將lending club數(shù)據(jù)加載后先進(jìn)行數(shù)據(jù)清洗，把拖欠貸款后才會產(chǎn)生的屬性、嚴(yán)重缺失的屬性、無關(guān)的屬性去除。數(shù)據(jù)清洗后還剩下35個有效屬性，各屬性如表1所示。

由于信貸的數(shù)據(jù)存在正負(fù)樣本數(shù)量嚴(yán)重失衡的問題，本文采用的是負(fù)樣本自助欠采樣的方法，如表2所示，最終正負(fù)樣本的比例為1∶1。

4.4 對比實驗與結(jié)果分析

本實驗實現(xiàn)了以下四種算法之間的比較：

表1 樣本屬性

表2 樣本分布

（1）CSFS_Logistic：基于Filter思想的卡方檢驗特征選擇方法（Chi Square Test Feature Selection，CSFS），并用Logistic作為分類算法；

（2）SVMFS_SVM：基于Embedded思想的支持向量機(jī)特征選擇方法（Support Vector Machine Feature Selection，SVMFS），并用SVM作為分類算法；

（3）RFFS_RF：基于Wrapper思想的隨機(jī)森林特征選擇方法（Random Forest Feature Selection，RFFS）[21]，并用隨機(jī)森林（Random Forest，RF）[22]作為分類算法；

（4）XGBFS_XGBoost：本文的XGBFS并用XGBoost作為分類算法。

以上各算法將預(yù)處理后的信貸數(shù)據(jù)從35維降至10維，根據(jù)分類器的性能進(jìn)行比較。

4.4.1 交叉驗證與評價指標(biāo)

本實驗采用10折交叉驗證方法，并將recall、precision、F2、AUC（Area under Roc Curve）作為模型評價指標(biāo)。

4.4.2 結(jié)果分析

從表3和圖5給出的本次實驗結(jié)果來看，CSFS_Logistic性能較差但耗時最短，SVMFS_SVM比CSFS_Logistic性能有所提升但是耗時特別長。RFFS_RF性能比CSFS_Logistic和SVMFS_SVM有很大的提升，并且與SVMFS_SVM相比耗時大幅度縮短。而XGBFS_XGBoost性能比RFFS_RF提升不少，但是耗時比RFFS_RF長。

表3 各算法性能對比

圖5 各算法性能對比

對比實驗中CSFS_Logistic性能較差的原因是，CSFS是基于Filter思想的特征選擇方法，與后續(xù)的Logistic分類算法獨立，而且Logistic只是線性的分類方法，表達(dá)能力有限，但是耗時最短。而SVMFS_SVM是借助二次規(guī)劃來求解支持向量，當(dāng)樣本量很大時，SVMFS_SVM計算時間會明顯增長。相對于CSFS_Logistic和SVMFS_SVM，RFFS_RF是基于集成思想的算法，并且分類模型也是隨機(jī)森林，因此能比較大幅度地提升性能。XGBFS_XGBoost模型是基于Boosting集成算法，在訓(xùn)練時各棵子樹是“串行”訓(xùn)練的，因此耗時比RFFS_RF要長，但從其他性能指標(biāo)來看，XGBFS_XGBoost比RFFS_RF性能要好。

從實驗結(jié)果可以看出，本文所提出的XBGFS與XGBoost相結(jié)合的面向高維數(shù)據(jù)的個人信貸風(fēng)險評估方法，在處理高維數(shù)據(jù)時能夠進(jìn)行有效的降維，選擇出有利于提升分類器性能的屬性，并且分類器的性能表現(xiàn)優(yōu)于其他算法。

5 結(jié)束語

本文提出了一種面向高維數(shù)據(jù)的個人信貸風(fēng)險評估方法。本文方法包括從數(shù)據(jù)預(yù)處理、數(shù)據(jù)降維處理、信貸評估建模的一系列過程。通過對lending club公開的高維信貸數(shù)據(jù)集進(jìn)行實驗，并與傳統(tǒng)的方法進(jìn)行對比，證明了本文方法相對于傳統(tǒng)數(shù)據(jù)降維方法和信貸風(fēng)險建模算法的優(yōu)越性，可以實現(xiàn)更高的召回率和穩(wěn)定性，能夠?qū)π刨J風(fēng)險進(jìn)行相對精準(zhǔn)的評估。盡管本文在信貸數(shù)據(jù)降維中所用的XGBFS與XGBoost建模相結(jié)合的方法比傳統(tǒng)降維方法在性能上有所提升，但是所用到的XGBoost算法是基于“同質(zhì)”基學(xué)習(xí)器的集成算法，在未來的研究中，將探索“異質(zhì)”的基學(xué)習(xí)器組合，以選出更加合理的特征，從而進(jìn)一步提升性能。