用 LSTM 做时间序列预测的一个小例子

Posted 2021-05-02 人工智能LeadAI

北京 | 深度学习与人工智能研修

12月23-24日

再设经典课程 重温深度学习

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正文共3867个字，3张图，预计阅读时间10分钟。

问题：航班乘客预测

数据：1949 到 1960 一共 12 年，每年 12 个月的数据，一共 144 个数据，单位是 1000

目标：预测国际航班未来 1 个月的乘客数

import numpy

import matplotlib.pyplot as plt

from pandas import read_csv

import math

from keras.models import Sequential

from keras.layers import Dense

from keras.layers import LSTM

from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler

from sklearn.metrics import mean_squared_error

%matplotlib inline

导入数据：

# load the dataset

dataframe = read_csv('international-airline-passengers.csv', usecols=[1], engine='python', skipfooter=3) dataset = dataframe.values# 将整型变为floatdataset = dataset.astype('float32') plt.plot(dataset) plt.show()

从这 12 年的数据可以看到上升的趋势，每一年内的 12 个月里又有周期性季节性的规律。

需要把数据做一下转化:

将一列变成两列，第一列是 t 月的乘客数，第二列是 t+1 列的乘客数。

look_back 就是预测下一步所需要的 time steps：

timesteps 就是 LSTM 认为每个输入数据与前多少个陆续输入的数据有联系。例如具有这样用段序列数据 “…ABCDBCEDF…”，当 timesteps 为 3 时，在模型预测中如果输入数据为“D”，那么之前接收的数据如果为“B”和“C”则此时的预测输出为 B 的概率更大，之前接收的数据如果为“C”和“E”，则此时的预测输出为 F 的概率更大。

# X is the number of passengers at a given time (t) and Y is the number of passengers at the next time (t + 1). # convert an array of values into a dataset matrix def create_dataset(dataset, look_back=1):    dataX, dataY = [], []     for i in range(len(dataset)-look_back-1):        a = dataset[i:(i+look_back), 0]        dataX.append(a)        dataY.append(dataset[i + look_back, 0])     return numpy.array(dataX), numpy.array(dataY) # fix random seed for reproducibility numpy.random.seed(7)

当激活函数为 sigmoid 或者 tanh 时，要把数据正则话，此时 LSTM 比较敏感。

设定 67% 是训练数据，余下的是测试数据。

# normalize the datasetscaler = MinMaxScaler(feature_range=(0, 1)) dataset = scaler.fit_transform(dataset)# split into train and test setstrain_size = int(len(dataset) * 0.67) test_size = len(dataset) - train_size train, test = dataset[0:train_size,:], dataset[train_size:len(dataset),:]

X=t and Y=t+1 时的数据，并且此时的维度为 [samples, features]

# use this function to prepare the train and test datasets for modeling
look_back = 1
trainX, trainY = create_dataset(train, look_back)
testX, testY = create_dataset(test, look_back)

投入到 LSTM 的 X 需要有这样的结构： [samples, time steps, features]，所以做一下变换：

# reshape input to be [samples, time steps, features]trainX = numpy.reshape(trainX, (trainX.shape[0], 1, trainX.shape[1])) testX = numpy.reshape(testX, (testX.shape[0], 1, testX.shape[1]))

建立 LSTM 模型：

输入层有 1 个input，隐藏层有 4 个神经元，输出层就是预测一个值，激活函数用 sigmoid，迭代 100 次，batch size 为 1

# create and fit the LSTM networkmodel = Sequential() model.add(LSTM(4, input_shape=(1, look_back))) model.add(Dense(1)) model.compile(loss='mean_squared_error', optimizer='adam') model.fit(trainX, trainY, epochs=100, batch_size=1,verbose=2)

Epoch 100/100
1s - loss: 0.0020

预测：

# make predictionstrainPredict = model.predict(trainX) testPredict = model.predict(testX)

计算误差之前要先把预测数据转换成同一单位

# invert predictionstrainPredict = scaler.inverse_transform(trainPredict) trainY = scaler.inverse_transform([trainY]) testPredict = scaler.inverse_transform(testPredict) testY = scaler.inverse_transform([testY])

计算 mean squared error

trainScore = math.sqrt(mean_squared_error(trainY[0], trainPredict[:,0]))
print('Train Score: %.2f RMSE' % (trainScore))
testScore = math.sqrt(mean_squared_error(testY[0], testPredict[:,0]))
print('Test Score: %.2f RMSE' % (testScore))

Train Score: 22.92 RMSE
Test Score: 47.53 RMSE

画出结果：蓝色为原数据，绿色为训练集的预测值，红色为测试集的预测值

# shift train predictions for plottingtrainPredictPlot = numpy.empty_like(dataset) trainPredictPlot[:, :] = numpy.nan trainPredictPlot[look_back:len(trainPredict)+look_back, :] = trainPredict# shift test predictions for plottingtestPredictPlot = numpy.empty_like(dataset) testPredictPlot[:, :] = numpy.nan testPredictPlot[len(trainPredict)+(look_back*2)+1:len(dataset)-1, :] = testPredict# plot baseline and predictionsplt.plot(scaler.inverse_transform(dataset)) plt.plot(trainPredictPlot) plt.plot(testPredictPlot) plt.show()

上面的结果并不是最佳的，只是举一个例子来看 LSTM 是如何做时间序列的预测的。

可以改进的地方，最直接的 隐藏层的神经元个数是不是变为 128 更好呢，隐藏层数是不是可以变成 2 或者更多呢，time steps 如果变成 3 会不会好一点。

另外感兴趣的筒子可以想想，RNN 做时间序列的预测到底好不好呢

参考资料

http://machinelearningmastery.com/time-series-prediction-lstm-recurrent-neural-networks-python-keras/

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