【数值预测案例】(5) LSTM 时间序列气温数据预测，附TensorFlow完整代码

大家好，今天和各位分享一下如何使用循环神经网络 LSTM 完成有多个特征的气温预测。上一节中我介绍了 LSTM 的单个特征的预测，感兴趣的可以看一下：https://blog.csdn.net/dgvv4/article/details/124349963

1. 导入工具包
我使用GPU加速计算，没有GPU的朋友可以把调用GPU的代码段去掉。
import tensorflow as tf
from tensorflow import keras
from tensorflow.keras import layers
import pandas as pd
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt

# 调用GPU加速
gpus = tf.config.experimental.list_physical_devices(device_type='GPU')
for gpu in gpus:
tf.config.experimental.set_memory_growth(gpu, True)

2. 读取数据集
数据集地址：https://pan.baidu.com/s/1E5h-imMwdIyPv1Zc7FfC9Q   提取码：9cb5 
该数据集10分钟记录一次，有42w行数据，14列特征，选取除时间列以外的前10列特征用于本模型。使用pandas的绘图方法绘制特征随时间的变化曲线。
#（1）读取数据集
filepath = 'D:/deeplearning/test/神经网络/循环神经网络/climate.csv'
data = pd.read_csv(filepath)
print(data.head()) # 数据是10min记录一次的

#（2）特征选择
# 选择从第1列开始往后的所有行的数据
feat = data.iloc[:, 1:11] # 最后4个特征列不要
date = data.iloc[:, 0] # 获取时间信息

#（3）利用pandas绘图展示每个特征点分布情况
feat.plot(subplots=True, figsize=(80,10), # 为每一列单独开辟子图，设置画板大小
layout=(5,2), title='climate features') # 14张图的排序方式，设置标题

数据集信息如下

绘制除时间特征DateTime列以外的后10列的特征数据的随时间变化的曲线

3. 数据预处理
由于数据量较大，全部用于训练可能会导致内存占用不足的报错，这里就取前2w个数据用于训练。求训练集中，每个特征列的均值和标准差，对整个数据集使用训练集的均值和标准差进行标准化预处理。以标准化后的气温数据作为标签。
#（4）特征数据预处理
train_num = 20000 # 取前2w组数据用于训练
val_num = 23000 # 取2w-2.3w的数据用于验证
# 2.3w-2.5w的数据用于验证用于测试

# 求训练集的每个特征列的均值和标准差
feat_mean = feat[:train_num].mean(axis=0)
feat_std = feat[:train_num].std(axis=0)

# 对整个数据集计算标准差
feat = (feat – feat_mean) / feat_std

# 保存所有的气温数据，即标签数据
targets = feat.iloc[:,1] # 取标准化之后的气温数据作为标签值

4. 时间序列函数提取特征和标签
通过一个滑动窗口在数据集上移动，例如使用当前10个特征的20行数据预测未来某一时间点/段的气温。任务要求使用连续5天的数据预测下一个时间点的气温值，数据是10min记录一次的。
对某一时间点的预测：五天一共有5*24*6=720个数据，窗口每次滑动一步，第一次滑动窗口范围 range(0, 720, 1)，预测第720个气温。第二次滑动窗口范围 range(1,721,1)，预测第721个气温。range()取值顾头不顾尾
对某一时间段的预测：由于数据集是10min记录一次的，两两数据行之间的差别很小，可以设置一个步长每隔60min取一次特征数据，第一次滑动窗口范围 range(0, 720, 6)，预测下一整天的每个小时的气温数据，即 range(720, 720+24*6, 6)。第二次滑动窗口范围 range(1,721,6)，预测下一天的小时气温 range(721, 721+24*6, 6)
这里就预测某一时间点的数据，参数如下，可以自行修改
'''
dataset 代表特征数据
start_index 代表从数据的第几个索引值开始取
history_size 滑动窗口大小
end_index 代表数据取到哪个索引就结束
target_size 代表预测未来某一时间点还是时间段的气温。例如target_size=0代表用前20个特征预测第21个的气温
step 代表在滑动窗口中每隔多少步取一组特征
point_time 布尔类型，用来表示预测未来某一时间点的气温，还是时间段的气温
true 原始气温数据的所有标签值
'''

def TimeSeries(dataset, start_index, history_size, end_index, step,
target_size, point_time, true):

data = [] # 保存特征数据
labels = [] # 保存特征数据对应的标签值

start_index = start_index + history_size # 第一次的取值范围[0:start_index]

# 如果没有指定滑动窗口取到哪个结束，那就取到最后
if end_index is None:
# 数据集最后一块是用来作为标签值的，特征不能取到底
end_index = len(dataset) – target_size

# 滑动窗口的起始位置到终止位置每次移动一步
for i in range(start_index, end_index):

# 滑窗中的值不全部取出来用，每隔60min取一次
index = range(i-history_size, i, step) # 第一次相当于range(0, start_index, 6)

# 根据索引取出所有的特征数据的指定行
data.append(dataset.iloc[index])

# 用这些特征来预测某一个时间点的值还是未来某一时间段的值
if point_time is True: # 预测某一个时间点
# 预测未来哪个时间点的数据，例如[0:20]的特征数据（20取不到），来预测第20个的标签值
labels.append(true[i+target_size])

else: # 预测未来某一时间区间
# 例如[0:20]的特征数据（20取不到），来预测[20,20+target_size]数据区间的标签值
labels.append(true[i:i+target_size])

# 返回划分好了的时间序列特征及其对应的标签值
return np.array(data), np.array(labels)

5. 划分数据集
使用上面的时间序列函数获取训练所需的特征值和标签值。这里以预测下一个时间点的气温值为例，history_size 指定时间序列窗口的大小，即用多少行数据来预测一个时间点的气温值；target_size 代表未来哪个时间点的值，为0代表，如range(0，720，1）的特征用来预测第720+0个时间点的气温值。point_time=False时代表预测某一时间段。
#（6）划分数据集
history_size = 5*24*6 # 每个滑窗取5天的数据量=720
target_size = 0 # 预测未来下一个时间点的气温值
step = 1 # 步长为1取所有的行

# 构造训练集
x_train, y_train = TimeSeries(dataset=feat, start_index=0, history_size=history_size, end_index=train_num,
step=step, target_size=target_size, point_time=True, true=targets)

# 构造验证集
x_val, y_val = TimeSeries(dataset=feat, start_index=train_num, history_size=history_size, end_index=val_num,
step=step, target_size=target_size, point_time=True, true=targets)

# 构造测试集
x_test, y_test = TimeSeries(dataset=feat, start_index=val_num, history_size=history_size, end_index=25000,
step=step, target_size=target_size, point_time=True, true=targets)

# 查看数据集信息
print('x_train_shape:', x_train.shape) # (19280, 720, 10)
print('y_train_shape:', y_train.shape) # (19280,)

6. 构造数据集
将划分好了的特征值和标签值转为tensor类型，对训练集的特征行随机打乱shuffle()，并且每次迭代时每个step训练batchsize=128组数据。设置迭代器 iter()，从数据集中取出一个batch的数据 next()。标签值y_train代表滑动窗口的每720行特征数据对应1个标签气温值。
#（7）构造数据集
train_ds = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train)) # 训练集
train_ds = train_ds.batch(128).shuffle(10000) # 随机打乱、每个step处理128组数据

val_ds = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_val, y_val)) # 验证集
val_ds = val_ds.batch(128)

test_ds = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_test, y_test)) # 测试集
test_ds = test_ds.batch(128)

# 查看数据集信息
sample = next(iter(train_ds)) # 取出一个batch的数据
print('x_train.shape:', sample[0].shape) # [128, 720, 10]
print('y_train.shape:', sample[1].shape) # [128, ]

7. 模型构建
接下来就是自定义LSTM网络，这个无所谓想怎么搭都行，要注意的时 layers.LSTM() 层中有一个参数 return_sequences，代表返回输出序列中的最后一个值，还是所有值。默认False。一般是下一层还是 LSTM 的时候才用 return_sequences=True
#（8）模型构建
inputs_shape = sample[0].shape[1:] # [120,10] 不需要写batch的维度大小
inputs = keras.Input(shape=inputs_shape) # 输入层

# LSTM层，设置l2正则化
x = layers.LSTM(units=8, dropout=0.5, return_sequences=True, kernel_regularizer=tf.keras.regularizers.l2(0.01))(inputs)
x = layers.LeakyReLU()(x)
x = layers.LSTM(units=16, dropout=0.5, return_sequences=True, kernel_regularizer=tf.keras.regularizers.l2(0.01))(inputs)
x = layers.LeakyReLU()(x)
x = layers.LSTM(units=32, dropout=0.5, kernel_regularizer=tf.keras.regularizers.l2(0.01))(x)
x = layers.LeakyReLU()(x)
# 全连接层，随即正态分布的权重初始化，l2正则化
x = layers.Dense(64,kernel_initializer='random_normal',kernel_regularizer=tf.keras.regularizers.l2(0.01))(x)
x = layers.Dropout(0.5)(x)
# 输出层返回回归计算后的未来某一时间点的气温值
outputs = layers.Dense(1)(x) # 标签shape要和网络shape一样

# 构建模型
model = keras.Model(inputs, outputs)

# 查看网络结构
model.summary()
网络结构如下
_________________________________________________________________
Layer (type) Output Shape Param #
=================================================================
input_3 (InputLayer) [(None, 720, 10)] 0
_________________________________________________________________
lstm_7 (LSTM) (None, 720, 16) 1728
_________________________________________________________________
leaky_re_lu_7 (LeakyReLU) (None, 720, 16) 0
_________________________________________________________________
lstm_8 (LSTM) (None, 32) 6272
_________________________________________________________________
leaky_re_lu_8 (LeakyReLU) (None, 32) 0
_________________________________________________________________
dense_4 (Dense) (None, 64) 2112
_________________________________________________________________
dropout_2 (Dropout) (None, 64) 0
_________________________________________________________________
dense_5 (Dense) (None, 1) 65
=================================================================
Total params: 10,177
Trainable params: 10,177
Non-trainable params: 0
_________________________________________________________________

8.网络训练
使用平均绝对误差作为回归损失函数，训练完成后对整个测试集评估.evaluate()，计算整个测试集的损失。
# 网络编译
model.compile(optimizer = keras.optimizers.Adam(0.001), # adam优化器学习率0.001
loss = tf.keras.losses.MeanAbsoluteError()) # 计算标签和预测之间绝对差异的平均值

epochs = 15 # 网络迭代次数

# 网络训练
history = model.fit(train_ds, epochs=epochs, validation_data=val_ds)

# 测试集评价
model.evaluate(test_ds) # loss: 0.1212
训练过程如下：
Epoch 1/15
151/151 [==============================] – 11s 60ms/step – loss: 0.8529 – val_loss: 0.4423
Epoch 2/15
151/151 [==============================] – 9s 56ms/step – loss: 0.3999 – val_loss: 0.2660
——————————————
——————————————
Epoch 14/15
151/151 [==============================] – 9s 56ms/step – loss: 0.1879 – val_loss: 0.1442
Epoch 15/15
151/151 [==============================] – 9s 56ms/step – loss: 0.1831 – val_loss: 0.1254

9. 训练过程可视化
history 中保存了网络训练过程的所有指标，这里只使用了平均绝对误差损失，将损失指标随着每次迭代的变化曲线绘制出来。
#（10）查看训练信息
history_dict = history.history # 获取训练的数据字典
train_loss = history_dict['loss'] # 训练集损失
val_loss = history_dict['val_loss'] # 验证集损失

#（11）绘制训练损失和验证损失
plt.figure()
plt.plot(range(epochs), train_loss, label='train_loss') # 训练集损失
plt.plot(range(epochs), val_loss, label='val_loss') # 验证集损失
plt.legend() # 显示标签
plt.xlabel('epochs')
plt.ylabel('loss')
plt.show()

10. 预测阶段
为了绘图清晰，只对测试集的前200组特征（每一组有720行10列，720代表一个滑窗大小，10代表特征列个数）进行预测，使用.predict()函数 得到每组对应下一时刻的气温预测值。
#（12）预测阶段
# x_test[0].shape = (720,10)
x_predict = x_test[:200] # 用测试集的前200组特征数据来预测
y_true = y_test[:200] # 每组特征对应的标签值

y_predict = model.predict(x_predict) # 对测试集的特征预测

# 绘制标准化后的气温曲线图
fig = plt.figure(figsize=(10,5)) # 画板大小
axes = fig.add_subplot(111) # 画板上添加一张图
# 真实值, date_test是对应的时间
axes.plot(y_true, 'bo', label='actual')
# 预测值，红色散点
axes.plot(y_predict, 'ro', label='predict')

plt.legend() # 注释
plt.grid() # 网格
plt.show()

预测值和真实值的对比如下来源：立Sir