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使用tensorflow的lstm网络进行时间序列预测_基于tensorflow引擎创建的预测算法 预测未来 半年 数据

基于tensorflow引擎创建的预测算法 预测未来 半年 数据

这篇文章将讲解如何使用lstm进行时间序列方面的预测,重点讲lstm的应用,原理部分可参考以下两篇文章:

Understanding LSTM Networks       LSTM学习笔记

编程环境:python3.5,tensorflow 1.0

本文所用的数据集来自于kesci平台,由云脑机器学习实战训练营提供:真实业界数据的时间序列预测挑战

数据集采用来自业界多组相关时间序列(约40组)与外部特征时间序列(约5组)。本文只使用其中一组数据进行建模。

加载常用的库:

  1. #加载数据分析常用库
  2. import pandas as pd
  3. import numpy as np
  4. import tensorflow as tf
  5. from sklearn.metrics import mean_absolute_error,mean_squared_error
  6. from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler
  7. import matplotlib.pyplot as plt
  8. % matplotlib inline
  9. import warnings
  10. warnings.filterwarnings('ignore')
数据显示:
  1. path = '../input/industry/industry_timeseries/timeseries_train_data/11.csv'
  2. data11 = pd.read_csv(path,names=['年','月','日','当日最高气温','当日最低气温','当日平均气温','当日平均湿度','输出'])
  3. data11.head()
  当日最高气温 当日最低气温 当日平均气温 当日平均湿度 输出
0 2015 2 1 1.9 -0.4 0.7875 75.000 814.155800
1 2015 2 2 6.2 -3.9 1.7625 77.250 704.251112
2 2015 2 3 7.8 2.0 4.2375 72.750 756.958978
3 2015 2 4 8.5 -1.2 3.0375 65.875 640.645401
4 2015 2 5 7.9 -3.6 1.8625 55.375 631.725130

加载数据:
  1. ##load data(本文以第一个表为例,其他表类似,不再赘述)
  2. f=open('../input/industry/industry_timeseries/timeseries_train_data/11.csv')
  3. df=pd.read_csv(f) #读入数据
  4. data=df.iloc[:,3:8].values #取第3-7列
定义常量并初始化权重:
  1. #定义常量
  2. rnn_unit=10 #hidden layer units
  3. input_size=4
  4. output_size=1
  5. lr=0.0006 #学习率
  6. tf.reset_default_graph()
  7. #输入层、输出层权重、偏置
  8. weights={
  9. 'in':tf.Variable(tf.random_normal([input_size,rnn_unit])),
  10. 'out':tf.Variable(tf.random_normal([rnn_unit,1]))
  11. }
  12. biases={
  13. 'in':tf.Variable(tf.constant(0.1,shape=[rnn_unit,])),
  14. 'out':tf.Variable(tf.constant(0.1,shape=[1,]))
  15. }
分割数据集,将数据分为训练集和验证集(最后90天做验证,其他做训练):
  1. def get_data(batch_size=60,time_step=20,train_begin=0,train_end=487):
  2. batch_index=[]
  3. scaler_for_x=MinMaxScaler(feature_range=(0,1)) #按列做minmax缩放
  4. scaler_for_y=MinMaxScaler(feature_range=(0,1))
  5. scaled_x_data=scaler_for_x.fit_transform(data[:,:-1])
  6. scaled_y_data=scaler_for_y.fit_transform(data[:,-1])
  7. label_train = scaled_y_data[train_begin:train_end]
  8. label_test = scaled_y_data[train_end:]
  9. normalized_train_data = scaled_x_data[train_begin:train_end]
  10. normalized_test_data = scaled_x_data[train_end:]
  11. train_x,train_y=[],[] #训练集x和y初定义
  12. for i in range(len(normalized_train_data)-time_step):
  13. if i % batch_size==0:
  14. batch_index.append(i)
  15. x=normalized_train_data[i:i+time_step,:4]
  16. y=label_train[i:i+time_step,np.newaxis]
  17. train_x.append(x.tolist())
  18. train_y.append(y.tolist())
  19. batch_index.append((len(normalized_train_data)-time_step))
  20. size=(len(normalized_test_data)+time_step-1)//time_step #有size个sample
  21. test_x,test_y=[],[]
  22. for i in range(size-1):
  23. x=normalized_test_data[i*time_step:(i+1)*time_step,:4]
  24. y=label_test[i*time_step:(i+1)*time_step]
  25. test_x.append(x.tolist())
  26. test_y.extend(y)
  27. test_x.append((normalized_test_data[(i+1)*time_step:,:4]).tolist())
  28. test_y.extend((label_test[(i+1)*time_step:]).tolist())
  29. return batch_index,train_x,train_y,test_x,test_y,scaler_for_y

定义LSTM的网络结构:
  1. #——————————————————定义神经网络变量——————————————————
  2. def lstm(X):
  3. batch_size=tf.shape(X)[0]
  4. time_step=tf.shape(X)[1]
  5. w_in=weights['in']
  6. b_in=biases['in']
  7. input=tf.reshape(X,[-1,input_size]) #需要将tensor转成2维进行计算,计算后的结果作为隐藏层的输入
  8. input_rnn=tf.matmul(input,w_in)+b_in
  9. input_rnn=tf.reshape(input_rnn,[-1,time_step,rnn_unit]) #将tensor转成3维,作为lstm cell的输入
  10. cell=tf.contrib.rnn.BasicLSTMCell(rnn_unit)
  11. #cell=tf.contrib.rnn.core_rnn_cell.BasicLSTMCell(rnn_unit)
  12. init_state=cell.zero_state(batch_size,dtype=tf.float32)
  13. output_rnn,final_states=tf.nn.dynamic_rnn(cell, input_rnn,initial_state=init_state, dtype=tf.float32) #output_rnn是记录lstm每个输出节点的结果,final_states是最后一个cell的结果
  14. output=tf.reshape(output_rnn,[-1,rnn_unit]) #作为输出层的输入
  15. w_out=weights['out']
  16. b_out=biases['out']
  17. pred=tf.matmul(output,w_out)+b_out
  18. return pred,final_states

模型训练与预测:
  1. #——————————————————训练模型——————————————————
  2. def train_lstm(batch_size=80,time_step=15,train_begin=0,train_end=487):
  3. X=tf.placeholder(tf.float32, shape=[None,time_step,input_size])
  4. Y=tf.placeholder(tf.float32, shape=[None,time_step,output_size])
  5. batch_index,train_x,train_y,test_x,test_y,scaler_for_y = get_data(batch_size,time_step,train_begin,train_end)
  6. pred,_=lstm(X)
  7. #损失函数
  8. loss=tf.reduce_mean(tf.square(tf.reshape(pred,[-1])-tf.reshape(Y, [-1])))
  9. train_op=tf.train.AdamOptimizer(lr).minimize(loss)
  10. with tf.Session() as sess:
  11. sess.run(tf.global_variables_initializer())
  12. #重复训练5000次
  13. iter_time = 5000
  14. for i in range(iter_time):
  15. for step in range(len(batch_index)-1):
  16. _,loss_=sess.run([train_op,loss],feed_dict={X:train_x[batch_index[step]:batch_index[step+1]],Y:train_y[batch_index[step]:batch_index[step+1]]})
  17. if i % 100 == 0:
  18. print('iter:',i,'loss:',loss_)
  19. ####predict####
  20. test_predict=[]
  21. for step in range(len(test_x)):
  22. prob=sess.run(pred,feed_dict={X:[test_x[step]]})
  23. predict=prob.reshape((-1))
  24. test_predict.extend(predict)
  25. test_predict = scaler_for_y.inverse_transform(test_predict)
  26. test_y = scaler_for_y.inverse_transform(test_y)
  27. rmse=np.sqrt(mean_squared_error(test_predict,test_y))
  28. mae = mean_absolute_error(y_pred=test_predict,y_true=test_y)
  29. print ('mae:',mae,' rmse:',rmse)
  30. return test_predict

调用train_lstm()函数,完成模型训练与预测的过程,并统计验证误差(mae和rmse):
test_predict = train_lstm(batch_size=80,time_step=15,train_begin=0,train_end=487)
迭代5000次后的结果:
  1. iter: 3900 loss: 0.000505382
  2. iter: 4000 loss: 0.000502154
  3. iter: 4100 loss: 0.000503413
  4. iter: 4200 loss: 0.00140424
  5. iter: 4300 loss: 0.000500015
  6. iter: 4400 loss: 0.00050004
  7. iter: 4500 loss: 0.000498159
  8. iter: 4600 loss: 0.000500861
  9. iter: 4700 loss: 0.000519379
  10. iter: 4800 loss: 0.000499999
  11. iter: 4900 loss: 0.000501265
  12. mae: 121.183626208 rmse: 162.049017904

画图分析:

  1. plt.figure(figsize=(24,8))
  2. plt.plot(data[:, -1])
  3. plt.plot([None for _ in range(487)] + [x for x in test_predict])
  4. plt.show()

结果如下:


可以看到,lstm模型基本能预测出序列的趋势。
为了简化流程,本文在特征工程及参数调优方面并没有下功夫,适合初学者探索lstm模型在时间序列问题上的应用。
ps:数据的归一化很重要,必须保证把训练集跟验证集规范在同一个空间内,否则得到的效果会很差。(我以前做天池的降雨量预测问题时一开始用的就是lstm,就是这一步没做好,导致最后得到的结果基本很相近,最后这个模型被我放弃了。我在做这个数据集的时候一开始也遇到这个问题,后来在归一化时把样本都设置在同个空间范畴,就解决问题了)。
数据集提供了大概45组数据,所以我们可以使用multi-task learning探索各组数据之间的关联性,这部分我还没具体了解,就不贻笑大方了。

 
 

                
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