【TensorFlow】使用RNN预测时间序列_international-airline-passengers.csv

现有一个时间序列international-airline-passengers.csv，怎么使用RNN来预测呢？本文就对其进行详细的阐述。

本时间序列一共144行，数据量很小，但是用其来学习RNN的使用已经足够了。

使用RNN预测时间序列的整体思路是：

1. 取时间序列的第二列（international-airline-passengers.csv的第一列数据为时间，未在本次程序中使用），由于第二列值差异较大，所以本文采用“(原值-平均值)/标准差”的方法对数据进行标准化处理，前80%的数据作为训练集train_x，后20%的数据作为测试集test_x。
2. 设置RNN的参数：input_dim=1、seq_size=5、hidden_dim=100
3. 训练集和测试集的标签分别记为train_y、test_y，train_x和train_y的值错开了一个单位，test_x和test_y的值也是错开一个单位，便于计算cost值
4. RNN模型的输出out为5个值的一维数组

实现程序

读CSV文件、数据标准化data_loader.py：

import csv
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
 
 
def load_series(filename, series_idx=1):
    try:
        with open(filename) as csvfile:
            csvreader = csv.reader(csvfile)
            data = [float(row[series_idx]) for row in csvreader if len(row) > 0]
            # 数据标准化，可以使数据的浮动差异不那么大，使预测结果更准确。np.mean求平均值，np.std求标准差。
            normalized_data = (data - np.mean(data)) / np.std(data)
            return normalized_data
    except IOError:
        return None
 
 
# 把数据切分成80%训练集、20%测试集
def split_data(data, percent_train=0.80):
    num_rows = len(data)
    train_data, test_data = [], []
    for idx, row in enumerate(data):
        if idx < num_rows * percent_train:
            train_data.append(row)
        else:
            test_data.append(row)
    return train_data, test_data
 
 
if __name__ == '__main__':
    timeseries = load_series('international-airline-passengers.csv')
    print(np.shape(timeseries))
 
    plt.figure()
    plt.plot(timeseries)
    plt.show()

144条数据的显示结果：

模型训练rnn_ts.py：

import numpy as np
import tensorflow as tf
from tensorflow.contrib import rnn
import data_loader
import matplotlib.pyplot as plt
 
 
class SeriesPredictor:
 
    def __init__(self, input_dim, seq_size, hidden_dim):
        # Hyperparameters
        self.input_dim = input_dim
        self.seq_size = seq_size
        self.hidden_dim = hidden_dim
 
        # Weight variables and input placeholders
        self.W_out = tf.Variable(tf.random_normal([hidden_dim, 1]), name='W_out')
        self.b_out = tf.Variable(tf.random_normal([1]), name='b_out')
        self.x = tf.placeholder(tf.float32, [None, seq_size, input_dim])
        # 5个小片段，有5个预测值
        self.y = tf.placeholder(tf.float32, [None, seq_size])
 
        # Cost optimizer
        self.cost = tf.reduce_mean(tf.square(self.model() - self.y))
        self.train_op = tf.train.AdamOptimizer(learning_rate=0.01).minimize(self.cost)
 
        # Auxiliary ops
        self.saver = tf.train.Saver()
 
    def model(self):
        """
        :param x: inputs of size [T, batch_size, input_size]
        :param W: matrix of fully-connected output layer weights
        :param b: vector of fully-connected output layer biases
        """
        cell = rnn.BasicLSTMCell(self.hidden_dim)
        outputs, states = tf.nn.dynamic_rnn(cell, self.x, dtype=tf.float32)
        num_examples = tf.shape(self.x)[0]
        W_repeated = tf.tile(tf.expand_dims(self.W_out, 0), [num_examples, 1, 1])
        out = tf.matmul(outputs, W_repeated) + self.b_out
        out = tf.squeeze(out)
        # 返回长度为5的一维数组
        return out
 
    def train(self, train_x, train_y, test_x, test_y):
        with tf.Session() as sess:
            tf.get_variable_scope().reuse_variables()
            sess.run(tf.global_variables_initializer())
            max_patience = 3
            patience = max_patience
            # 最小err指定为无限
            min_test_err = float('inf')
            step = 0
            # test_err出现3次浮动停下
            while patience > 0:
                _, train_err = sess.run([self.train_op, self.cost], feed_dict={self.x: train_x, self.y: train_y})
                if step % 100 == 0:
                    test_err = sess.run(self.cost, feed_dict={self.x: test_x, self.y: test_y})
                    print('step:{}\t\ttrain err：{}\t\ttest err：{}'.format(step, train_err, test_err))
                    if test_err < min_test_err:
                        min_test_err = test_err
                        patience = max_patience
                    else:
                        patience -= 1
                step += 1
            save_path = self.saver.save(sess, './model/')
            print('Model saved to {}'.format(save_path))
 
    def test(self, sess, test_x):
        tf.get_variable_scope().reuse_variables()
        self.saver.restore(sess, './model/')
        output = sess.run(self.model(), feed_dict={self.x: test_x})
        return output
 
 
def plot_results(train_x, predictions, actual, filename):
    plt.figure()
    num_train = len(train_x)
    # 训练集。plt.plot(x,y,format_string,**kwargs) x轴数据，y轴数据
    plt.plot(list(range(num_train)), train_x, color='b', label='training data')
    # 预测集
    plt.plot(list(range(num_train, num_train + len(predictions))), predictions, color='r', label='predicted')
    # 真实值
    plt.plot(list(range(num_train, num_train + len(actual))), actual, color='g', label='test_data')
    # 加图例
    plt.legend()
    if filename is not None:
        plt.savefig(filename)
    else:
        plt.show()
 
 
if __name__ == '__main__':
    # 序列长度，基于一个小片段去预测下一个值
    seq_size = 5
    predictor = SeriesPredictor(input_dim=1, seq_size=seq_size, hidden_dim=100)
    data = data_loader.load_series('international-airline-passengers.csv')
    # 数据切分成训练集，测试集
    train_data, actual_vals = data_loader.split_data(data)
 
    train_x, train_y = [], []
    for i in range(len(train_data) - seq_size - 1):
        # 训练数据和标签错开了1个单位
        train_x.append(np.expand_dims(train_data[i:i + seq_size], axis=1).tolist())
        train_y.append(train_data[i + 1: i + seq_size + 1])
 
    test_x, test_y = [], []
    for i in range(len(actual_vals) - seq_size - 1):
        test_x.append(np.expand_dims(actual_vals[i:i + seq_size], axis=1).tolist())
        test_y.append(actual_vals[i + 1: i + seq_size + 1])
 
    predictor.train(train_x, train_y, test_x, test_y)
 
    with tf.Session() as sess:
        # [:, 0]为什么是0呢？不应该是-1么？
        # 1、用训练好的模型'./model/'预测，所以第一个值也是基于前面序列预测到的。
        # 2、画图时使预测值和真实值具有对照性。
        predicted_vals = predictor.test(sess, test_x)[:, 0]
        print('predicted_vals', np.shape(predicted_vals))
        plot_results(train_data, predicted_vals, actual_vals, 'predictions.png')
 
        # 拿出训练集最后5个数据
        prev_seq = train_x[-1]
        predicted_vals = []
        for i in range(20):
            next_seq = predictor.test(sess, [prev_seq])
            # 把预测的结果当做当前的结果值，继续预测。
            predicted_vals.append(next_seq[-1])
            # np.vstack:按垂直方向（行顺序）堆叠数组构成一个新的数组；np.hstack:按水平方向（列顺序）堆叠数组构成一个新的数组
            # prev_seq[1:]取第二至第五个数据，一共4个数据
            prev_seq = np.vstack((prev_seq[1:], next_seq[-1]))
        plot_results(train_data, predicted_vals, actual_vals, 'hallucinations.png')

运行结果：

step:0		train err：1.8898743391036987		test err：2.7799108028411865
step:100		train err：0.04205527901649475		test err：0.2253977209329605
step:200		train err：0.039602071046829224		test err：0.28264862298965454
step:300		train err：0.03779347985982895		test err：0.2434949427843094
step:400		train err：0.03636837378144264		test err：0.2533899247646332
Model saved to ./model/
predicted_vals (22,)

predictions.png：

hallucinations.png：

停止迭代方法大概有三种：

1. 精度大于某个阈值停下来。例：acc>=0.98停下来;
2. 测试err出现几次浮动停下来;
3. 迭代次数达到XXX次停下来。

本文采用的是第二种方法。