Python中利用LSTM模型进行时间序列预测分析 - 预测爱尔兰的电力消耗

Posted 2021-12-04 tecdat

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篇首语：本文由小常识网(cha138.com)小编为大家整理，主要介绍了Python中利用LSTM模型进行时间序列预测分析 - 预测爱尔兰的电力消耗相关的知识，希望对你有一定的参考价值。

此示例中，神经网络用于使用2011年4月至2013年2月期间的数据预测都柏林市议会公民办公室的能源消耗。

每日数据是通过总计每天提供的15分钟间隔的消耗量来创建的。

LSTM简介

LSTM（或长期短期存储器网络）允许分析具有长期依赖性的顺序或有序数据。当涉及到这项任务时，传统的神经网络不足，在这方面，LSTM将用于预测这种情况下的电力消耗模式。

与ARIMA等模型相比，LSTM的一个特殊优势是数据不一定需要是固定的（常数均值，方差和自相关），以便LSTM对其进行分析 - 即使这样做可能会导致性能提升。

自相关图，Dickey-Fuller测试和对数变换

为了确定我们的模型中是否存在平稳性：

生成自相关和部分自相关图
进行Dickey-Fuller测试
对时间序列进行对数变换，并再次运行上述两个过程，以确定平稳性的变化（如果有的话）

首先，这是时间序列图：

据观察，波动性（或消费从一天到下一天的变化）非常高。在这方面，对数变换可以用于尝试稍微平滑该数据。在此之前，生成ACF和PACF图，并进行Dickey-Fuller测试。

自相关图

部分自相关图

自相关和部分自相关图都表现出显着的波动性，这意味着时间序列中的几个区间存在相关性。

运行Dickey-Fuller测试时，会产生以下结果：

 当p值高于0.05时，不能拒绝非平稳性的零假设。

变异系数（或平均值除以标准差）为0.236，表明该系列具有显着的波动性。

现在，数据被转换为对数格式。

 虽然时间序列仍然不稳定，但当以对数格式表示时，偏差的大小略有下降：

此外，变异系数已显着下降至0.0319，这意味着与平均值相关的趋势的可变性显着低于先前。

STD2 = np.std（数据集）
mean2 = np.mean（数据集）
cv2 = std2 / mean2 #Cafficient of Variation

std2
 0.26462445

mean2
 8.272395

cv2
 0.031988855

同样，在对数数据上生成ACF和PACF图，并再次进行Dickey-Fuller测试。

自相关图

部分自相关图

Dickey-Fuller测试

... print（‘\ t％s：％。3f‘％（键，值））
1％：-3.440
5％： -  2.866
10％： -  2.569

Dickey-Fuller检验的p值降至0.0576。虽然这在技术上没有输入拒绝零假设所需的5％显着性阈值，但对数时间序列已显示基于CV度量的较低波动率，因此该时间序列用于LSTM的预测目的。

LSTM的时间序列分析

现在，LSTM模型本身用于预测目的。

数据处理

首先，导入相关库并执行数据处理：

LSTM生成和预测

模型训练超过100个时期，并生成预测。

＃生成LSTM网络
model = Sequential（）
model.add（LSTM（4，input_shape =（1，previous）））
 model.fit（X_train，Y_train，epochs = 100，batch_size = 1，verbose = 2）

＃生成预测
trainpred = model.predict（X_train）
testpred = model.predict（X_test）

＃将预测转换回正常值
trainpred = scaler.inverse_transform（trainpred）
Y_train = scaler.inverse_transform（[Y_train]）
testpred = scaler.inverse_transform（testpred）
Y_test = scaler.inverse_transform（[Y_test]）

＃calculate RMSE
trainScore = math.sqrt（mean_squared_error（Y_train [0]，trainpred [：，0]））
 testScore = math.sqrt（mean_squared_error（Y_test [0]，testpred [：，0]））
 
＃训练预测
trainpredPlot = np.empty_like（dataset）
trainpredPlot [：，：] = np.nan
 
＃测试预测
testpredPlot = np.empty_like（dataset）
testpredPlot [：，：] = np.nan
testpredPlot [len（trainpred）+（previous * 2）+1：len（dataset）-1，：] = testpred

＃绘制所有预测
inversetransform，= plt.plot（scaler.inverse_transform（dataset））
trainpred，= plt.plot（trainpredPlot）
testpred，= plt.plot（testpredPlot）
 plt.show（）

准确性

该模型显示训练数据集的均方根误差为0.24，测试数据集的均方根误差为0.23。平均千瓦消耗量（以对数格式表示）为8.27，这意味着0.23的误差小于平均消耗量的3％。

以下是预测消费与实际消费量的关系图：

有趣的是，当在原始数据上生成预测（未转换为对数格式）时，会产生以下训练和测试错误：

 在每天平均消耗4043千瓦的情况下，测试分数的均方误差占总日均消耗量的近20％，并且与对数数据产生的相比非常高。

也就是说，重要的是要记住，使用1天的先前数据进行预测，即Y表示时间t的消耗，而X表示时间t-1的消耗，由代码中的前一个变量设置先前。让我们来看看这增加到个究竟10和50天。

10天

＃

50天

我们可以看到测试误差在10天和50天期间显着降低，并且考虑到LSTM模型在预测时考虑了更多的历史数据，消耗的波动性得到了更好的捕获。

鉴于数据是对数格式，现在可以通过获得数据的指数来获得预测的真实值。

例如，testpred变量用（1，-1）重新整形：

testpred.reshape（1，-1）
 array（[[7.7722197,8.277015,8.458941,8.455311,8.447589,8.445035，
 ......
8.425287,8.404881,8.457063,8.423954,7.98714,7.9003944，
8.240862,8.41654,8.423854,8.437414,8.397851,7.9047146]]，
dtype = float32）