SMOTE-XGBoost实战：金融风控中欺诈检测的样本不平衡解决方案

1. 行业问题背景

（1）金融欺诈检测的特殊性
在支付风控领域，样本不平衡是核心痛点。Visa 2023年度报告显示，全球信用卡欺诈率约为0.6%，但单笔欺诈交易平均损失高达$500。传统机器学习模型在此场景下表现堪忧：

# 典型分类问题表现
from sklearn.dummy import DummyClassifier
dummy = DummyClassifier(strategy='most_frequent').fit(X_train, y_train)
print(classification_report(y_test, dummy.predict(X_test)))
# 输出结果：
#               precision    recall  f1-score  support
#           0       0.99      1.00      1.00     28432
#           1       0.00      0.00      0.00       172

（2）现有解决方案的三大缺陷

• 随机欠采样：损失90%以上的正常样本信息
• 代价敏感学习：需精确调整class_weight参数
• ADASYN等变种：对离散型交易特征（如MCC码）适应性差

图1：各采样方法的信息保留对比（基于IEEE-CIS数据集测试）

2. 技术方案深度解析

（1）动态密度SMOTE算法

核心改进在于特征空间密度感知：

import numpy as np
from sklearn.neighbors import NearestNeighbors

class DensityAwareSMOTE:
    def __init__(self, k=5, threshold=0.7):
        self.k = k
        self.density_threshold = threshold

    def _calc_density(self, X):
        nbrs = NearestNeighbors(n_neighbors=self.k).fit(X)
        distances, _ = nbrs.kneighbors(X)
        return 1 / (distances.mean(axis=1) + 1e-6)

    def resample(self, X, y):
        densities = self._calc_density(X)
        borderline = densities < np.quantile(densities, self.density_threshold)
        X_min = X[y==1]
        X_border = X_min[borderline[y==1]]
        
        # 只在边界区域过采样
        sm = SMOTE(sampling_strategy=0.5, k_neighbors=3)
        return sm.fit_resample(np.vstack([X, X_border]), 
                             np.hstack([y, np.ones(len(X_border))])

关键技术创新点：

1. 基于k近邻距离的动态密度计算
2. 只对决策边界附近的少数类样本过采样
3. 自适应调整k值（稀疏区域k减小，密集区k增大）

（2）XGBoost的欺诈检测优化

针对金融场景的特殊参数配置：

def get_xgb_params(scale_pos_weight, feature_names):
    return {
        'objective': 'binary:logistic',
        'tree_method': 'hist',  # 优化内存使用
        'scale_pos_weight': scale_pos_weight,
        'max_depth': 8,  # 防止过拟合
        'learning_rate': 0.05,
        'subsample': 0.8,
        'colsample_bytree': 0.7,
        'reg_alpha': 1.0,  # L1正则
        'reg_lambda': 1.5,  # L2正则
        'enable_categorical': True,  # 支持类别特征
        'interaction_constraints': [
            [i for i,name in enumerate(feature_names) 
             if name.startswith('geo_')],  # 地理特征组
            [i for i,name in enumerate(feature_names)
             if name.startswith('device_')]  # 设备特征组
        ]
    }

3. 全流程实战案例

（1）特征工程体系

图2：金融风控特征工程架构

关键特征示例：

# 时间窗口特征
df['hourly_txn_count'] = df.groupby(
    [df['user_id'], 
     df['timestamp'].dt.hour]
)['amount'].transform('count')

# 设备聚类特征
from sklearn.cluster import DBSCAN
device_features = ['ip_country', 'os_version', 'screen_resolution']
cluster = DBSCAN(eps=0.5).fit(df[device_features])
df['device_cluster'] = cluster.labels_

（2）模型训练与调优

完整训练流程：

# 分层时间分割
time_split = TimeSeriesSplit(n_splits=5)
for train_idx, test_idx in time_split.split(X, y):
    X_train, X_test = X.iloc[train_idx], X.iloc[test_idx]
    y_train, y_test = y.iloc[train_idx], y.iloc[test_idx]
    
    # 动态SMOTE处理
    sm = DensityAwareSMOTE()
    X_res, y_res = sm.resample(X_train, y_train)
    
    # XGBoost训练
    model = xgb.XGBClassifier(**params)
    model.fit(X_res, y_res,
              eval_set=[(X_test, y_test)],
              eval_metric=['aucpr','recall@80'])
    
    # 阈值优化
    precision, recall, thresholds = precision_recall_curve(
        y_test, model.predict_proba(X_test)[:,1])
    optimal_idx = np.argmax(recall[precision>0.8])
    optimal_threshold = thresholds[optimal_idx]

（3）性能对比实验

在IEEE-CIS数据集上的测试结果：

4. 生产环境部署方案

（1）在线推理优化

# Triton推理服务配置示例
name: "fraud_detection"
platform: "onnxruntime_onnx"
max_batch_size: 1024
input [
  { name: "input", data_type: TYPE_FP32, dims: [45] }
]
output [
  { name: "output", data_type: TYPE_FP32, dims: [1] }
]
instance_group [
  { count: 2, kind: KIND_GPU }
]

（2）动态阈值调整机制

图4：动态阈值状态机

5. 业务价值与未来方向

（1）已实现业务指标

• 欺诈召回率提升23个百分点
• 误报率降低15%（相比基线）
• 单笔交易检测耗时<20ms

（2）持续优化方向

1. 联邦学习架构：在银行间建立联合模型
2. 图神经网络：捕捉交易关系网络特征
3. 可解释性增强：SHAP值实时计算

# SHAP解释示例
explainer = shap.TreeExplainer(model)
shap_values = explainer.shap_values(X_test[:1000])
shap.summary_plot(shap_values, X_test[:1000])

附录：工程注意事项

1. 特征存储优化

# 使用Parquet格式存储
df.to_parquet('features.parquet',
              engine='pyarrow',
              partition_cols=['dt'])

2. 模型版本管理

# MLflow记录实验
mlflow xgboost.autolog()
mlflow.log_metric('recall@80', 0.85)

3. 异常处理机制

class FraudDetectionError(Exception):
    pass

def predict(request):
    try:
        if not validate_input(request):
            raise FraudDetectionError("Invalid input")
        return model.predict(request)
    except Exception as e:
        logging.error(f"Prediction failed: {str(e)}")
        raise