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大井競馬で帝王賞を機械学習で当てた話

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概要

大井競馬場に行く機会があったので、機械学習を使って競馬の結果を予測できるかをやってみました。
その結果、帝王賞で一位を当てることができたので、記事を書きます。

かなり適当な予測なので、遊びとして見てもらえたらと思います。

証拠

当たったという証拠に、記念でとった馬券画像。
機械学習で予測したものと、パドックを見て予測したものと、2つ買いました。

(びびって複勝、しかも300円)

IMG_1207.JPG

問題の設定

大井競馬場で行われる帝王賞の1位のみを当てます。
競馬には、色々な馬券の買い方がありますが、今回は簡単でシンプルな問題設定としたかったので、1位のみを予測することにしました。

データの取得

教師あり学習を行うので、過去の競馬結果のデータが必要です。
こちらのサイトからデータをクローリングしました。
南関東4競馬場公式ウェブサイト

レース情報のページから、レースに出る馬の過去情報があるページへのリンクを取得し、そのリンク先のページから直近10レース、その馬がどのようなレース結果だったのかを取得します。
レースページは2018年に大井競馬場で行われたレースのみに絞りました。

スクレイピングにはPythonのライブラリBeautifulSoupを使いました。

crawler.py
import requests
from bs4 import BeautifulSoup

def url_to_soup(url):
    req = requests.get(url)
    return BeautifulSoup(req.content, 'html.parser')

各馬の過去情報があるページへのリンク取得

house_data.png

crawler.py
def horse_page_link(url):
    soup = url_to_soup(url)
    link_list = [HOME_URL + x.get('href') for x in soup.find_all('a', class_='tx-mid tx-low') ]
    return link_list

各馬の過去情報取得(feature用)

年月日と、レース当日の日付を比べて、当日より前の情報だけを学習用の特徴量として取得します。

pre_data.jpg

crawler.py
tag_to_text = lambda x: p.sub("", x).split('\n') 
split_tr = lambda x: str(x).split('</tr>')

def get_previous_race_row(soup):
    race_table = soup.select("table.tb01")[2]
    return [tag_to_text(x)  for x in split_tr(race_table)]

def horse_data(url, race_date):
    soup = url_to_soup(url)

    # 過去のレースデータ
    pre_race_data = get_previous_race_row(soup)
    df = pd.DataFrame(pre_race_data)[1:][[2,3,10,11,13,14,15,19,23]].dropna().rename(columns={
        2:'date', 3:'place', 10:'len', 11:'wether', 13:'popularity', 14:'rank', 15:'time',19:'weight',23:'money'})
    return df

レースの結果を取得

当日の1位の情報を正解ラベルとして取得します。
また、当日の土の状態、レースの長さ、レースの日付を特徴量を編集する用に取得します。

result.png

crawler.py
def result_data(url):
    soup = url_to_soup(url)

    # 土の状態
    condition = soup.find(id="race-data02").get_text().replace('\n','').split(';')[1].split(' ')[2][0:1]

    # レースの長さ
    race_len = int(soup.find(id="race-data01-a").get_text().replace('\n','').split(' ')[3].replace(',','')[1:5])

    # 1位
    hukusyo_list = []
    hukusyo_list.append(int(p.sub("", str(soup.find_all('tr', class_='bg-1chaku')[0]).split('</td>')[2]).replace('\n','') ))

    # レース日
    race_date_str = soup.find(id="race-data01-a").get_text().replace('\n','').split(';')[0].split('日')[0]
    race_date = dt.strptime(race_date_str, '%Y年%m月%d')
    return hukusyo_list, condition, race_len, race_date

前処理

取得したデータから、データセットを作成します。
DataFrameのcolumnsは以下の通りです。

column
horse_cnt 頭数
money 獲得賞金金額
result_rank 順位
len レースの長さ
popularity 人気
weight 体重
sec タイム(秒)
same_place 大井競馬場かどうか
soil_heavy 馬場状態が重
soil_s_heavy 馬場状態が稍重
soil_good 馬場状態が良
soil_bad 馬場状態が不良
preprocessing.py
def add_soil_columns(row):
        row['soil_heavy'] = 1 if row['wether'][-2:] =='/重'  else 0
        row['soil_s_heavy'] = 1 if row['wether'][-2:] =='稍重'  else 0
        row['soil_good'] = 1 if row['wether'][-2:] =='/良'  else 0
        row['soil_bad'] = 1 if row['wether'][-2:] =='不良'  else 0
        return row

def add_race_data(df):
    df_ =pd.DataFrame()
    for idx, row in df.iterrows():
        if row['popularity'] == '':
            continue

        # 馬場状態
        row = add_soil_columns(row)

        row['money']=int(row['money'].replace(',','')) 
        row['horse_cnt'] = int(row['rank'].split('/')[1])
        row['result_rank'] = int(row['rank'].split('/')[0])
        row['len'] = int(row['len'][0:4])
        row['popularity'] = int(row['popularity'])
        row['weight'] = int(row['weight'])

        #  競馬場の一致
        row['same_place'] = 1 if row['place'].startswith(PLACE)  else 0

        # タイム(秒)
        try:
            time = datetime.datetime.strptime(row['time'], '%M:%S.%f')
            row['sec'] = time.minute*60 + time.second + time.microsecond/1000000 
        except ValueError:
            time = datetime.datetime.strptime(row['time'], '%S.%f')
            row['sec'] = time.second + time.microsecond/1000000

        row['sec'] = int(row['sec']) 

        df_ = df_.append(row, ignore_index=True)
    return df_

出力結果

Screenshot 2018-07-08 21.26.41.png

各馬の直近10レースのデータを取得しますが、10レースも出場していない馬もいます。その場合は、足りない行を全てゼロ埋めにしました。

また、lenは、当日のレースの距離との差分に変換し、soilは当日と同じcolumnだけを残した。
そのため、最終的な特徴量は9つです。

column
horse_cnt 頭数
money 獲得賞金金額
result_rank 順位
len 当日のレースの長さとの差
popularity 人気
weight 体重
sec タイム(秒)
same_place 大井競馬場かどうか
soil_heavy 馬場状態が当日と同じか

予測 MLP

一番簡単なMLPをkerasで実装。

MLP 実装

inputは、各馬の直近10レースの結果「9(特徴量) * 10(レース)」を15頭分のflattenデータ(shape: 1350)です。

ただし、15頭に満たない場合は、0埋め、15頭より多い場合は、切り捨ててしまってます。。。
(大井競馬場はどの距離もフルゲートが16なので、16に合わせればよかったと後悔。クローリング後に調べたら、16番目の馬が1位になったレースはありませんでした。)

隠れ層がノード数128の全結合の全3層です。
前処理に、各インプットを0~1の範囲になるよう正規化しました。

mlp.py
import keras
from keras.models import Sequential
from keras.layers import Dense, Dropout
from keras.optimizers import Adam
from keras.layers.normalization import BatchNormalization

model = Sequential()
model.add(Dense(1350, activation='relu', input_dim=1350))
model.add(Dropout(0.8))
model.add(BatchNormalization())
model.add(Dense(128, activation='relu'))
model.add(Dropout(0.5))
model.add(BatchNormalization())
model.add(Dense(15, activation='softmax'))

adam = Adam()
model.compile(loss='categorical_crossentropy',
              optimizer=adam,
              metrics=['accuracy'])

history = model.fit(X_train, y_train, epochs=100, batch_size=50, validation_split=0.1)

MLP 結果

30~40epochあたりから、過学習してたので、実際に利用したモデルは40epochで学習を止めたものです。

mlp.py
loss, accuracy = model.evaluate(X_test, y_test, verbose=0)
print("Accuracy = {:.2f}".format(accuracy))

結果
Screenshot 2018-07-10 18.44.51.png

15頭のレースでランダムに選択すると、当たる確率は、0.0666...なので、それよりは少しいいですね。

plot100_2.png
plot100.png

帝王賞の予測

実際に学習したモデルで、帝王賞を予測しました。

predict.py
def get_verification_data(race_page, today_condition, race_len, race_date_str):
    race_date = dt.strptime(race_date_str, '%Y/%m/%d')
    df_horses_data = horses_data(race_page, race_date)
    hourse_data = preprocessing(df_horses_data, today_condition, race_len)
    X, df_X = reshape_X_data(hourse_data)
    return X

def pred(X):
    score = list(model.predict(X.reshape(1,1350))[0])
    result = pd.DataFrame([], columns=['num','score'])
    result['score'] = score
    result['num'] = list(range(1,16))
    display(result.sort_values(by='score', ascending=False))

X = get_verification_data(race_page='https://www.nankankeiba.com/race_info/2018062720060311.do', 
                          today_condition='良', 
                          race_len=2000,
                          race_date_str='2018/6/27')

pred(X)

結果

Screenshot 2018-07-10 18.50.22.png

numのカラムが馬番なので、4番のゴールドドリームが一番との予測が出たので4番を買いました!

単勝のあたり馬券を買える確率をあげる

kerasのscoreはsoftmaxの出力なので、確率として考えることができます。なので、帝王賞でゴールドドリームが1番だという確率は51%と表されています。

予測結果のスコアが均衡しているレースは、予測が困難だとも言えます。1位予測のスコアが何%だったかを調べることで、1位を当てる確率をあげることができるのではないかと仮説を立てました。

score.py
def get_prediction(X, y):
    score = list(model.predict(X.reshape(1,1350))[0])
    result = pd.DataFrame([], columns=['num','score'])
    result['score'] = score
    result['num'] = list(range(1,16))
    df_result = result.sort_values(by='score', ascending=False).iloc[0]
    df_result['true'] = np.where(y  == 1)[0][0] + 1
    return df_result

df = pd.DataFrame()

for i in range(len(X_test)):
    df_result = get_prediction(X_test[i], y_test[i])
    df = df.append(df_result, ignore_index=True)

df['correct'] = df.apply(lambda x: 1 if x['num'] == x['true'] else 0, axis=1)

for v in range(0, 10):
    l_score = v / 10
    acc = len(df[(df['score']>l_score) &(df['correct']==1)]) / len(df[(df['score']>l_score)])
    print('score: {} 以上  ->  正解率 : {}'.format(l_score, acc))

結果 
一位のスコアが・・・
Screenshot 2018-07-11 08.10.32.png

テストデータは77件で少ないのですが、一応、仮説通りスコアが高ければ、正解率も上がってます!
(今回のテストデータでは、スコアが0.8以上のデータは0件でした。)

スコアが0.5以上だと、3割あたると言えそうですね。
モデル自体の精度向上とは違いますが、馬券を買う・買わないの選択も含めて、買う馬券の当たる確率をあげる方法の一つとして、スコアの値は使えそうです!

第20回 ジャパンダートダービー 選定馬重賞

ちなみに、明日(2018/7/11)、大井競馬場で開催のジャパンダートダービーを同じモデルで予測したら、ドンフォルティスでした!!
どうでしょう笑?

predict.py
X = get_verification_data(race_page='https://www.nankankeiba.com/race_info/2018071120070311.do', 
                          today_condition='良', 
                          race_len=2000,
                          race_date_str='2018/7/11')
pred(X)

結果

Screenshot 2018-07-10 19.10.37.png

おまけ (2018/7/11 更新)

100いいね超えたので、今日(2018/7/11)の大井競馬の他のレース(10R,12R)の予測結果も載せてみます。

10Rのオーストラリアターフクラブ賞 C1(七)(八)(九) は[6ケイティーセキトバ]か [7ヤマニントルーパー] か [10マドモアゼルサキ] のどれか、オッズが一番大きいのを買うつもりです!今のオッズだと、ケイティーセキトバですかね。

Screenshot 2018-07-10 19.10.37.png

12Rのオフト祭り賞 B3(三) 選抜特別は[11コンパッシオーネ]に賭けます!

Screenshot 2018-07-10 19.10.37.png

どうでしょう?笑

今後の改良

1レース16頭の前提でデータを作る

大井競馬場のフルゲートが15だと思っていたので、16という前提でデータを作り直したいです。

過去データをもっと集める

今回、時間がなかったので、2018年より前のデータをクローリングしませんでした。
ちゃんと時間を確保して、もっと前のデータも集めて学習データの量を増やしたいです。

血統データを入れる

特徴量に、馬の母・父・母父のデータを入れたいと思っているのですが、ダミー変数で入れると、横に大量のカラムを持つ必要があるので、ちょっと現実的じゃないかなぁ・・・と思いつつ、どうにかして入れたいと思ってます。

ジョッキーのデータを入れる

これも、血統データと同じく、ジョッキーのダミー変数を入れると、横に大量のカラムが必要ですね。

昼間開催orナイター情報を入れる

夜に強い馬とかいるのかなぁ、という仮説のもと、昼間開催かナイターかの情報を入れたいです。これは比較的簡単にできそう。

回収率をあげる

どんなに予測が当たっても、人気の馬ばかり予測していたら回収率が下がるので、予測結果の確率と払戻金を合わせた数値で、回収率向上をはかりたいです。

おわり

Kaggleなどのコンペもとても面白いですが、競馬データも機械学習の勉強になかなか適しているのではないでしょうか?実際に現金でリターンがあるのも、モチベーションの一つですね:sunglasses:

明日のダービーも予測が当たるか楽しみです!!

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