使用 LSTM 进行多变量时间序列预测

是 否 +2 论坛币

k人 参与回答

经管之家送您一份

应届毕业生专属福利!

求职就业群

赵安豆老师微信：zhaoandou666

经管之家联合CDA

送您一个全额奖学金名额~ !

立即领取

感谢您参与论坛问题回答

经管之家送您两个论坛币！

+2 论坛币

使用 LSTM 进行多变量时间序列预测作者：Sksujanislam，来源：DeepHub IMBA



时间序列分析：时间序列表示基于时间顺序的一系列数据。它可以是秒、分钟、小时、天、周、月、年。未来的数据将取决于它以前的值。
在现实世界的案例中，我们主要有两种类型的时间序列分析：

• 单变量时间序列
• 多元时间序列
  

对于单变量时间序列数据，我们将使用单列进行预测。

正如我们所见，只有一列，因此即将到来的未来值将仅取决于它之前的值。

但是在多元时间序列数据的情况下，将有不同类型的特征值并且目标数据将依赖于这些特征。

正如在图片中看到的，在多元变量中将有多个列来对目标值进行预测。（上图中“count”为目标值）

在上面的数据中，count不仅取决于它以前的值，还取决于其他特征。因此，要预测即将到来的count值，我们必须考虑包括目标列在内的所有列来对目标值进行预测。
在执行多元时间序列分析时必须记住一件事，我们需要使用多个特征预测当前的目标，让我们通过一个例子来理解：
在训练时，如果我们使用 5 列 [feature1, feature2, feature3, feature4, target] 来训练模型，我们需要为即将到来的预测日提供 4 列 [feature1, feature2, feature3, feature4]。
LSTM
本文中不打算详细讨论LSTM。所以只提供一些简单的描述，如果你对LSTM没有太多的了解，可以参考我们以前发布的文章。
LSTM基本上是一个循环神经网络，能够处理长期依赖关系。
假设你在看一部电影。所以当电影中发生任何情况时，你都已经知道之前发生了什么，并且可以理解因为过去发生的事情所以才会有新的情况发生。RNN也是以同样的方式工作，它们记住过去的信息并使用它来处理当前的输入。RNN的问题是，由于渐变消失，它们不能记住长期依赖关系。因此为了避免长期依赖问题设计了lstm。
现在我们讨论了时间序列预测和LSTM理论部分。让我们开始编码。
让我们首先导入进行预测所需的库：

• 
  

import numpy as npimport pandas as pdfrom matplotlib import pyplot as pltfrom tensorflow.keras.models import Sequentialfrom tensorflow.keras.layers import LSTMfrom tensorflow.keras.layers import Dense, Dropoutfrom sklearn.preprocessing import MinMaxScalerfrom keras.wrappers.scikit_learn import KerasRegressorfrom sklearn.model_selection import GridSearchCV
加载数据，并检查输出：

• 
  

df=pd.read_csv("train.csv",parse_dates=["Date"],index_col=[0])df.head()

• 
  

df.tail()

现在让我们花点时间看看数据：csv文件中包含了谷歌从2001-01-25到2021-09-29的股票数据，数据是按照天数频率的。

[如果您愿意，您可以将频率转换为“B”[工作日]或“D”，因为我们不会使用日期，我只是保持它的现状。]
这里我们试图预测“Open”列的未来值，因此“Open”是这里的目标列。
让我们看一下数据的形状：

• 
  

df.shape(5203,5)
现在让我们进行训练测试拆分。这里我们不能打乱数据，因为在时间序列中必须是顺序的。

• 
  

test_split=round(len(df)*0.20)df_for_training=df[:-1041]df_for_testing=df[-1041:]print(df_for_training.shape)print(df_for_testing.shape)
(4162, 5)(1041, 5)
可以注意到数据范围非常大，并且它们没有在相同的范围内缩放，因此为了避免预测错误，让我们先使用MinMaxScaler缩放数据。(也可以使用StandardScaler)

• 
  

scaler = MinMaxScaler(feature_range=(0,1))df_for_training_scaled = scaler.fit_transform(df_for_training)df_for_testing_scaled=scaler.transform(df_for_testing)df_for_training_scaled

将数据拆分为X和Y，这是最重要的部分，正确阅读每一个步骤。

• 
  

def createXY(dataset,n_past):  dataX = []  dataY = []  for i in range(n_past, len(dataset)):          dataX.append(dataset[i - n_past:i, 0:dataset.shape[1]])          dataY.append(dataset[i,0])  return np.array(dataX),np.array(dataY)
trainX,trainY=createXY(df_for_training_scaled,30)testX,testY=createXY(df_for_testing_scaled,30)
让我们看看上面的代码中做了什么：
N_past是我们在预测下一个目标值时将在过去查看的步骤数。
这里使用30，意味着将使用过去的30个值(包括目标列在内的所有特性)来预测第31个目标值。
因此，在trainX中我们会有所有的特征值，而在trainY中我们只有目标值。
让我们分解for循环的每一部分：
对于训练，dataset = df_for_training_scaled, n_past=30当i= 30：

• 
  

data_X.addend (df_for_training_scaled[i - n_past:i, 0:df_for_training.shape[1]])
从n_past开始的范围是30，所以第一次数据范围将是-[30 - 30,30,0:5] 相当于 [0:30,0:5]
因此在dataX列表中，df_for_training_scaled[0:30,0:5]数组将第一次出现。
现在, dataY.append(df_for_training_scaled[i,0])
i = 30，所以它将只取第30行开始的open(因为在预测中，我们只需要open列，所以列范围仅为0，表示open列)。
第一次在dataY列表中存储df_for_training_scaled[30,0]值。
所以包含5列的前30行存储在dataX中，只有open列的第31行存储在dataY中。然后我们将dataX和dataY列表转换为数组，它们以数组格式在LSTM中进行训练。
我们来看看形状。

• 
  

print("trainX Shape-- ",trainX.shape)print("trainY Shape-- ",trainY.shape)
(4132, 30, 5)(4132,)
print("testX Shape-- ",testX.shape)print("testY Shape-- ",testY.shape)
(1011, 30, 5)(1011,)
4132 是 trainX 中可用的数组总数，每个数组共有 30 行和 5 列， 在每个数组的 trainY 中，我们都有下一个目标值来训练模型。
让我们看一下包含来自 trainX 的 (30,5) 数据的数组之一 和 trainX 数组的 trainY 值：

• 
  

print("trainX[0]-- \n",trainX[0])print("trainY[0]-- ",trainY[0])

如果查看 trainX[1] 值，会发现到它与 trainX[0] 中的数据相同（第一列除外），因为我们将看到前 30 个来预测第 31 列，在第一次预测之后它会自动移动 到第 2 列并取下一个 30 值来预测下一个目标值。

让我们用一种简单的格式来解释这一切：

• 
  

trainX — — →trainY
[0 : 30,0:5] → [30,0]
[1:31, 0:5] → [31,0]
[2:32,0:5] →[32,0]
像这样，每个数据都将保存在 trainX 和 trainY 中。
现在让我们训练模型，我使用 girdsearchCV 进行一些超参数调整以找到基础模型。

• 
  

def build_model(optimizer):  grid_model = Sequential()  grid_model.add(LSTM(50,return_sequences=True,input_shape=(30,5)))  grid_model.add(LSTM(50))  grid_model.add(Dropout(0.2))  grid_model.add(Dense(1))
grid_model.compile(loss = 'mse',optimizer = optimizer)  return grid_modelgrid_model = KerasRegressor(build_fn=build_model,verbose=1,validation_data=(testX,testY))
parameters = {'batch_size' : [16,20],            'epochs' : [8,10],            'optimizer' : ['adam','Adadelta'] }
grid_search = GridSearchCV(estimator = grid_model,                          param_grid = parameters,                          cv = 2)
如果你想为你的模型做更多的超参数调整，也可以添加更多的层。但是如果数据集非常大建议增加 LSTM 模型中的时期和单位。
在第一个 LSTM 层中看到输入形状为 (30,5)。它来自 trainX 形状。

• 
  

(trainX.shape[1],trainX.shape[2]) → (30,5)
现在让我们将模型拟合到 trainX 和 trainY 数据中。

• 
  

grid_search = grid_search.fit(trainX,trainY)
由于进行了超参数搜索，所以这将需要一些时间来运行。
你可以看到损失会像这样减少：

现在让我们检查模型的最佳参数。

• 
  

grid_search.best_params_
{‘batch_size’: 20, ‘epochs’: 10, ‘optimizer’: ‘adam’}
将最佳模型保存在 my_model 变量中。

• 
  

my_model=grid_search.best_estimator_.model
现在可以用测试数据集测试模型。

• 
  

prediction=my_model.predict(testX)print("prediction\n", prediction)print("\nPrediction Shape-",prediction.shape)
testY 和 prediction 的长度是一样的。现在可以将 testY 与预测进行比较。

但是我们一开始就对数据进行了缩放，所以首先我们必须做一些逆缩放过程。

• 
  

scaler.inverse_transform(prediction)
报错了，这是因为在缩放数据时，我们每行有 5 列，现在我们只有 1 列是目标列。

所以我们必须改变形状来使用 inverse_transform：

• 
  

prediction_copies_array = np.repeat(prediction,5, axis=-1)

5 列值是相似的，它只是将单个预测列复制了 4 次。所以现在我们有 5 列相同的值 。

• 
  

prediction_copies_array.shape(1011,5)
这样就可以使用 inverse_transform 函数。

• 
  

pred=scaler.inverse_transform(np.reshape(prediction_copies_array,(len(prediction),5)))[:,0]但是逆变换后的第一列是我们需要的，所以我们在最后使用了 → [:,0]。
现在将这个 pred 值与 testY 进行比较，但是 testY 也是按比例缩放的，也需要使用与上述相同的代码进行逆变换。

• 
  

original_copies_array = np.repeat(testY,5, axis=-1)original=scaler.inverse_transform(np.reshape(original_copies_array,(len(testY),5)))[:,0]
现在让我们看一下预测值和原始值：

• 
  

print("Pred Values-- " ,pred)print("\nOriginal Values-- " ,original)

最后绘制一个图来对比我们的 pred 和原始数据。

• 
  

plt.plot(original, color = 'red', label = 'Real Stock Price')plt.plot(pred, color = 'blue', label = 'Predicted Stock Price')plt.title('Stock Price Prediction')plt.xlabel('Time')plt.ylabel('Google Stock Price')plt.legend()plt.show()

扫码加我 拉你入群

请注明：姓名-公司-职位

以便审核进群资格，未注明则拒绝

分享0 收藏0 回帖

关键词：时间序列预测 时间序列 STM 多变量 Prediction