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Datawhale 2024 年 AI 夏令营||尝试使用深度学习方案

Datawhale 2024 年 AI 夏令营||尝试使用深度学习方案

1.电力需求预测挑战赛

       参赛者将获得多个房屋的历史电力消耗数据,任务是根据这些数据构建模型,准确预测未来电力消耗。这不仅考验参赛者的数据分析能力,也考验其对电力系统运作规律的理解和应用.

2.此次学习的任务

  • 尝试构建深度学习模型来解决赛题
  • 如何进行时间序列的进阶特征提取与分析
  • 如何构建深度学习方案

3.时间序列预测特征提取和分析方法

时间序列分析中特征提取极为重要,影响模型性能。关键特征提取和分析方式包括:

  • - 将包含的日期或时间信息,细分为不同尺度并转换为数值型特征。
  • - 识别数据的周期性,如一天中的小时、一周中的天数、一年中的月份等,以助模型捕捉内在规律。
  • - 用移动平均或线性回归等方法提取趋势性,作为特征输入模型。
  • - 计算与特定日期(如产品发布日、重要事件日)的时间差,了解数据点相对位置。
  • - 组合不同时间单位(如年和周、月和日)提供丰富时间上下文信息。
  • - 识别特殊日期或事件(如节假日、促销活动)作为特征解释数据波动。
  • - 正确处理异常点以提高预测精度。
  • - 利用时序相关特征,如历史平移(用过去值预测未来值)和滑窗统计(时间窗口内的统计数据)。
  • - 识别与目标变量强相关的特征构建预测模型。 

        时间序列特征包括强相关性特征、趋势性特征、周期性特征、异常点特征、特殊事件特征、上下时段信息、存在峰值与峰值距离、时间尺度特征。

  • - 强相关性特征:与目标变量有明显关系,包括滞后特征(用过去值预测)、滚动统计特征(计算滚动窗口内统计量)。
  • - 趋势性特征:反映长期变化方向或速率,构建方法有时间戳转换、移动平均、多项式拟合。
  • - 周期性特征:在固定间隔重复出现模式,构建方法有时间戳的周期性转换、季节性分解、使用周期性函数。
  • - 异常点特征:与正常数据模式不同,处理方法有简单标注、剔除、修正。
  • - 特殊事件特征:如“双十一”等产生显著峰值,构建方法有事件指示器、事件前后时间窗口。
  • - 上下时段信息:通过创建特征表示数据点与特定时段距离。
  • - 存在峰值与峰值距离:识别峰值点并计算其他点与之距离作为特征。
  • - 时间尺度特征:根据预测时间尺度创建滞后和滚动统计特征。
  • 结合这些特征可构建强大预测模型,实际应用中要根据具体问题和数据特性选择调整特征工程策略,并与模型选择调优相结合实现最佳预测性能。 

4.优化方案详解

  • 本文主要介绍了在数据挖掘比赛中的提分优化方案,包括特征优化和模型融合。
  • 特征优化方面:
  •  - 合并训练和测试数据,对数据进行排序。
  •  - 构建历史平移特征以获取上个阶段信息。
  •  - 构建差分特征获取相邻阶段的增长差异。
  •  - 构建窗口统计特征反映最近阶段数据变化情况,包括均值、最大值、最小值、中位数、方差等。
  • 模型融合方面:
  •  - 介绍了加权平均融合,通过 catboost、xgboost 和 lightgbm 三个模型分别输出结果后取平均。
  •  - 提到 stacking 融合,这是一种分层模型集成框架,第一层由多个基学习器组成,其输出作为第二层模型的特征进行再训练。
  • 还详细说明了 cv_model 函数,内部可选择使用 lightgbm、xgboost 和 catboost 模型,并采用 K 折交叉验证进行离线评估,最后将多个模型的预测结果进行取平均融合。 

5.总结

时间序列预测是一个不断发展的领域,随着技术的进步,我们可以期待更多的优化方法和模型的出现。深度学习模型,特别是LSTM和其变体,已经在许多时间序列预测任务中显示出了优越的性能。未来的研究可能会集中在以下几个方面:

  • 更复杂的模型结构:如引入注意力机制的LSTM模型,以更好地捕捉时间序列中的长期依赖关系。

  • 多模态数据融合:结合时间序列数据和其他类型的数据,如文本或图像,以提供更全面的分析。

  • 模型解释性:提高模型的可解释性,以便更好地理解预测结果。

  • 自动化特征工程:开发自动化的特征工程工具,以减少手动特征提取的工作量。

  • 实时预测:提高模型在实时数据流上的预测能力。

  • 模型鲁棒性:提高模型对异常值和噪声的鲁棒性。

随着技术的不断发展,我们可以期待时间序列预测在准确性、效率和应用范围上都会有显著的提升。

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