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基于机器学习的贷款欺诈预测研究和应用

范文

姚玲洁

摘要：针对贷款欺诈问题，该文使用随机森林对真实信用卡贷款数据进行特征排序，采用逻辑斯特回归构建信用卡反欺诈预测模型，训练获得的模型正确率较高，可应用于贷款欺诈预测系统中。

关键词：贷款交易欺诈;机器学习;随机森林;逻辑斯特回归;反欺诈

中图分类号：TP181 文献标识码：A

文章编号：1009-3044（2020）14-0260-03

1引言

随着国家不断增强对自主创业的支持力度，贷款已经成为一种非常重要的支付手段。然而，犯罪分子也关注到这种便利方法，使用各种虚假信息欺诈银行或者金融机构。因此构建一个可行性高、便利的交易欺诈预测模型对于维护正常的经济秩序是必不可少的。

近年，随着机器学习的深入发展及计算机硬件的处理数据能力不断提升，不少学者逐渐将关注点聚集在机器学习应用上。关于交易欺诈预测研究，文献[1]利用模糊神经网络、并行处理可快速产生欺诈规律信息。文献[2]利用决策树、布尔逻辑函数、聚类分析判定欺诈行为。文献[3]改进Apfiori算法挖掘欺诈交易的规律。文献[4]将BP神经网络应用在信用卡反欺诈研究中。文献[5]提出了一种基于大数据技术的三层反欺诈模型，支持日终批量检测信用卡的交易异常行为。文献[6]依赖于专家规则模型进行欺诈交易识别，过度依赖专家制定的规则。文献[7]先对数据进行数据预处理、再训练出可实施的五层DBN交易欺诈评分模型。文献[8]建立了一个基于SVM的反欺诈模型，先将kaggle中的银行卡消费数据进行预处理、缩放选择特征，再采用smote算法处理数据集的分布不均问题，调整参数形成最佳的训练模型后后，准确率达到97.00%。文献[9]提出了结合规则引擎、数据挖掘模型、人工校验方法，建立了一套互助互补、更加高效的信用卡反欺诈模式。本文采用机器学习里的随机森林、逻辑斯特回归算法应用于贷款交易欺诈判定中。

2贷款欺诈检测原理

信用卡反欺诈是利用信用卡的历史交易数据，构建信用卡反欺诈预测模型，提前发现客户信用卡被盗刷的事件。

3构建机器学习模型

3.1数据预处理

本文使用公开库kaggle的部分交易数据来训练及验证机器学习模型，并将欺诈行为和正常交易行为做出相应的标记。因公开库的数据量庞大，因此本文随机抽取284707条数据来做验证。正常交易信息是284315条，贷款欺诈信息为492条。

如图1的（a）（b）所示：数据严重不平衡，负样本f欺诈时的值为1的样本）的数量太少，如果不进行处理，直接用这样的数据来进行训练建模，会使得到的模型效果不佳。

因此需进行样本数据处理，主要有两种思路。

（1）下采样

对于数据集中出现的数量严重不等的两类数据，从数量比较多的那类样本中，随机选出和数量比较少的那类样本数量相同的样本，最终组成正负样本数量相同的样本集进行训练建模。

（2）过采样

本文使用过采样的方法把数据扩充到相匹配的程度，去除一些负样本，使得正负样本数目接近，从而处理样本不平衡问题，最后进行训练学习。由于随机过采样采取简单复制样本的策略来增加少数类样本，容易产生模型过拟合的问题，使得模型学习到的信息过于特别而不够泛化。

本文采用的是随机过采样算法的改进方案SMOTE。具体过程是先分离数据中的特征和标签，再将数据分成训练数据和测试数据，其比例为7：3，最后利用SMOTE来处理训练样本，得到均衡的训练样本。

3.2特征工程

特征工程是指自变量x对因变量v有明显影响作用的特征，特征工程可分为三个方面：特征构建、特征提取、特征选择。

特征构建是指从原始数据中人工的找出一些具有物理意义的特征。特征提取有多种常用的方法，如主成分分析法、LDA线性判别分析法、ICA独立成分分析法等。特征选择是最重要的步骤，是为了剔除不相关或者冗余的特征，減少有效特征的个数，减少模型训练的时间，提高模型的精确度。本文采用随机森林算法获取数据的显著特征。具体实现过程如下：

首先将目标变量进行可视化，显示的结果。其次进行特征衍生，特征Time的单位是秒，转化为以小时为单位对应每天的时间。再进行查看信用卡正常用户和异常用户之间的区别。从图2中可以看出，在贷款欺诈的事件中，部分变量之间的相关性更明显。其中变量v1、V2、v3、V4、V5、V6、v7、V9、v10、v11、V12、V14、V16、V17和V18以及V19之间的变化在信用卡被盗刷的样本中呈性一定的规律。另外，诈骗交易、交易金额和交易次数存在如图3所示关系。

查看数据的维度后，特征从28个缩减到了18个，其中不包含目标变量。最后对特征的重要性进行排序，具体过程为先构建x变量和Y变量，利用随机森林的feature impo～ance对特征的重要性进行排序，排序结果如图4所示。

3.3模型训练

3.3.1样本不平衡处理

构建自变量和因变量处理样本不平衡，样本个数共284807个，正样本占99.83%，负样本占0.17%。特征维数为18。

3.3.2构建分类器进行训练

构建逻辑回归分类器进行训练，产生测试集的预测精度分值结果为0.99992。生成混淆矩阵（如图5）后，测试数据集中的召回度量为0.955284552846，阈值默认值为0.5，绘制ROC曲线。

3.4模型评估与优化

上一个步骤中的模型训练和测试都在同一个数据集上进行，会导致模型产生过拟合。一般来说，将数据集划分为训练集和测试集有3种处理方法：留出法、交叉验证法、自助法。

本文采用交叉验证法划分数据集，将数据划分为3部分：训练集、验证集和测试集。让模型在训练集进行学习，在验证集上进行参数调优，最后使用测试集数据评估模型的性能。模型调优采用网格搜索调优参数，通过构建参数候选集合，网格搜索穷举各种参数组合，再根据设定评定的评分机制找到最好的那一组设置。最后结合cross-validation和gird search，具体采用scikit learn模块modd_sdecfion中的GridSearchCV方法。

precision和recall是一组矛盾的变量。从上面混淆矩阵和PRC曲线可以看到，阈值越小，recall值越大，模型能找出信用卡被盗刷的数量也就更多，但换来的代价是误判的数量也较大。随着阈值的提高，recall值逐渐降低，precision值也逐渐提高，误判的数量也随之减少。通过调整模型阈值，控制模型反信用卡欺诈的力度，若想找出更多的信用卡被盗刷就设置较小的阈值，反之，则设置较大的阈值。

实际业务中，阈值的选择取决于公司业务边际利润和边际成本的比较;当模型阈值设置较小的值，确实能找出更多的信用卡被盗刷的持卡人，但随着误判数量增加，不仅加大了贷后团队的工作量，也会降低误判为信用卡被盗刷客户的消费体验，从而导致客户满意度下降，如果某个模型阈值能让业务的边际利润和边际成本达到平衡时，则该模型的阈值为最优值。当然也有例外的情况，发生金融危机，往往伴随着贷款违约或信用卡被盗刷的概率会增大，而金融机构会更愿意不惜一切代价守住风险的底线。

4实验数据测试

将random_state设置为0，每次切分的数据都一样，构建参数组合。确定模型Logistic和参数组合param_grid，cv指定10折，使用训练集学习算法得到测试集的精确度为0.99916。

5总结

本文首先介绍了贷款欺诈的背景，其次讲述了近年来学者们应用方法的优缺点，最后描述了如何利用真实的信用卡历史交易数据，使用机器学习构建信用卡的反欺诈预测模型，从而提前判定信用卡被盗刷的非法行为。从这个模型的测试结果来看，将机器学习可应用于贷款欺诈系统的建立中，能够降低误判率，效果良好。

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