【Python时序预测系列】麻雀算法（SSA）优化LSTM实现单变量时间序列预测（源码）_麻雀搜索优化lstm单变量时间序列预测

这是我的第269篇原创文章。

一、引言

      麻雀算法（Sparrow Search Algorithm，SSA）是一种基于麻雀群体行为的算法，它可以用来优化深度学习模型中的参数。在优化LSTM模型时，可以通过麻雀算法来调整LSTM的参数，以提高模型的性能和收敛速度。通过麻雀算法优化LSTM模型参数，可以帮助改善模型的性能和泛化能力，加快模型收敛速度，提高预测准确率。同时，麻雀算法还可以帮助发现更优的参数组合，有效地搜索参数空间，提高模型的泛化性能。下面是一个简单的步骤示例，演示如何使用SSA来优化LSTM的超参数。

二、实现过程

2.1 读取数据集

# 读取数据集
data = pd.read_csv('data.csv')
# 将日期列转换为日期时间类型
data['Month'] = pd.to_datetime(data['Month'])
# 将日期列设置为索引
data.set_index('Month', inplace=True)

data：

2.2 划分数据集

# 拆分数据集为训练集和测试集
train_size = int(len(data) * 0.8)
train_data = data[:train_size]
test_data = data[train_size:]
 
# 绘制训练集和测试集的折线图
plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(train_data, label='Training Data')
plt.plot(test_data, label='Testing Data')
plt.xlabel('Year')
plt.ylabel('Passenger Count')
plt.title('International Airline Passengers - Training and Testing Data')
plt.legend()
plt.show()

共144条数据，8:2划分：训练集115，测试集29。

训练集和测试集：

2.3 归一化

# 将数据归一化到 0~1 范围
scaler = MinMaxScaler()
train_data_scaler = scaler.fit_transform(train_data.values.reshape(-1, 1))
test_data_scaler = scaler.transform(test_data.values.reshape(-1, 1))

2.4 构造数据集

# 定义滑动窗口函数
def create_sliding_windows(data, window_size):
    X, Y = [], []
    for i in range(len(data) - window_size):
        X.append(data[i:i + window_size, 0:data.shape[1]])
        Y.append(data[i + window_size, 0])
    return np.array(X), np.array(Y)
    
# 定义滑动窗口大小
window_size = 1
# 创建滑动窗口数据集
X_train, Y_train = create_sliding_windows(train_data_scaler, window_size)
X_test, Y_test = create_sliding_windows(test_data_scaler, window_size)
# 将数据集转换为 LSTM 模型所需的形状（样本数，时间步长，特征数）
X_train = np.reshape(X_train, (X_train.shape[0], window_size, 1))
X_test = np.reshape(X_test, (X_test.shape[0], window_size, 1))

2.5 建立模型进行预测

class SSA():
    pass
 
def build_model(X_train, neurons1, neurons2, dropout):
    nb_features = X_train.shape[2]
    input1 = X_train.shape[1]
    model1 = Sequential()
    model1.add(LSTM(
        input_shape=(input1, nb_features),
        units=neurons1,
        return_sequences=True))
    model1.add(Dropout(dropout))
 
    model1.add(LSTM(
        units=neurons2,
        return_sequences=False))
    model1.add(Dropout(dropout))
 
    model1.add(Dense(units=1))
    model1.add(Activation("linear"))
    model1.compile(loss='mse', optimizer='Adam', metrics=['mae'])
    return model1
    
UP = [51, 6, 0.055, 9]
DOWN = [50, 5, 0.05, 8]
 
# 开始优化
ssa = SSA(training, n_dim=4, pop_size=22, max_iter=1, lb=DOWN, ub=UP)
ssa.run()
print('best_params is ', ssa.gbest_x)
print('best_precision is', 1 - ssa.gbest_y)
 
# 训练模型  使用ssa找到的最好的神经元个数
neurons1 = int(ssa.gbest_x[0])
neurons2 = int(ssa.gbest_x[1])
dropout = ssa.gbest_x[2]
batch_size = int(ssa.gbest_x[3])
 
model = build_model(X_train, neurons1, neurons2, dropout)
history1 = model.fit(X_train, y_train, epochs=150, batch_size=batch_size, validation_split=0.2, verbose=1,
                     callbacks=[EarlyStopping(monitor='val_loss', patience=9, restore_best_weights=True)])
 
# 使用 LSTM 模型进行预测
train_predictions = model.predict(X_train)
test_predictions = model.predict(X_test)
# 反归一化预测结果
train_predictions = scaler.inverse_transform(train_predictions)
test_predictions = scaler.inverse_transform(test_predictions)

best_params：

test_predictions：

2.6 预测效果展示

# 绘制测试集预测结果的折线图
plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(test_data, label='Actual')
plt.plot(list(test_data.index)[-len(test_predictions):], test_predictions, label='Predicted')
plt.xlabel('Month')
plt.ylabel('Passengers')
plt.title('Actual vs Predicted')
plt.legend()
plt.show()

测试集真实值与预测值：

# 绘制原始数据、训练集预测结果和测试集预测结果的折线图
plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(data, label='Actual')
plt.plot(list(train_data.index)[look_back:train_size], train_predictions, label='Training Predictions')
plt.plot(list(test_data.index)[-(len(test_data)-look_back):], test_predictions, label='Testing Predictions')
plt.xlabel('Year')
plt.ylabel('Passenger Count')
plt.title('International Airline Passengers - Actual vs Predicted')
plt.legend()
plt.show()

原始数据、训练集预测结果和测试集预测结果：

作者简介：

读研期间发表6篇SCI数据挖掘相关论文，现在某研究院从事数据算法相关科研工作，结合自身科研实践经历不定期分享关于Python、机器学习、深度学习、人工智能系列基础知识与应用案例。致力于只做原创，以最简单的方式理解和学习，关注我一起交流成长。需要数据集和源码的小伙伴可以关注底部公众号添加作者微信。