使用 dplyr 进行多步预测并执行
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【中文标题】使用 dplyr 进行多步预测并执行【英文标题】：Multi-steps forecasting with dplyr and do 【发布时间】：2015-09-17 06:09:21 【问题描述】：dplyr 中的 do-function 可以让您快速轻松地制作许多很酷的模型，但我正在努力使用这些模型来进行良好的滚动预测。
# Data illustration
require(dplyr)
require(forecast)
df <- data.frame(
Date = seq.POSIXt(from = as.POSIXct("2015-01-01 00:00:00"),
to = as.POSIXct("2015-06-30 00:00:00"), by = "hour"))
df <- df %>% mutate(Hour = as.numeric(format(Date, "%H")) + 1,
Wind = runif(4320, min = 1, max = 5000),
Temp = runif(4320, min = - 20, max = 25),
Price = runif(4320, min = -15, max = 45)
)
我的因子变量是Hour，我的外生变量是Wind和temp，我要预测的是Price。所以，基本上，我有 24 个模型可以用来进行滚动预测。
现在，我的数据框包含 180 天。我想回到 100 天，做一个 1 天的滚动预测，然后能够将其与实际的 Price 进行比较。
这种蛮力操作看起来像这样：
# First I fit the data frame to be exactly the right length
# 100 days to start with (2015-03-21 or so), then 99, then 98.., etc.
n <- 100 * 24
# Make the price <- NA so I can replace it with a forecast
df$Price[(nrow(df) - n): (nrow(df) - n + 24)] <- NA
# Now I make df just 81 days long, the estimation period + the first forecast
df <- df[1 : (nrow(df) - n + 24), ]
# The actual do & fit, later termed fx(df)
result <- df %>% group_by(Hour) %>% do (
historical <- .[!is.na(.$Price), ]
forecasted <- .[is.na(.$Price), c("Date", "Hour", "Wind", "Temp")]
fit <- Arima(historical$Price, xreg = historical[, 3:4], order = c(1, 1, 0))
data.frame(forecasted[],
Price = forecast.Arima(fit, xreg = forecasted[3:4])$mean )
)
result
现在我将 n 更改为 99 * 24。但是将它放在循环或应用中会很棒，但我根本不知道该怎么做，还要保存每个新的预测。
我试过这样的循环，但还没有运气：
# 100 days ago, forecast that day, then the next, etc.
for (n in 1:100)
nx <- n * 24 * 80 # Because I want to start after 80 days
df[nx:(nx + 23), 5] <- NA # Set prices to NA so I can forecast them
fx(df) # do the function
df.results[n] <- # Write the results into a vector / data frame to save them
# and now rinse and repeat for n + 1
broom-like 解决方案的真正精彩奖励积分 :)
【问题讨论】：
【参考方案1】：首先我会注意到您的 for 循环中存在错误。你可能指的是(n+80)*24，而不是n*24*80。如果您还想包含第 81 天的预测，循环中的计数器也应该从 0 到 99 而不是 1 到 100。
我将尝试在下面为您的问题提供一个优雅的解决方案。首先，我们以与您在帖子中所做的完全相同的方式定义我们的测试数据框：
set.seed(2)
df <- data.frame(
Date = seq.POSIXt(from = as.POSIXct("2015-01-01 00:00:00"),
to = as.POSIXct("2015-06-30 00:00:00"), by = "hour"))
df <- df %>% mutate(Hour = as.numeric(format(Date, "%H")) + 1,
Wind = runif(4320, min = 1, max = 5000),
Temp = runif(4320, min = - 20, max = 25),
Price = runif(4320, min = -15, max = 45)
)
接下来，我们定义一个函数来执行特定日期的预测。输入参数是正在考虑的数据框和训练集中应该包含的最少训练天数（在本例中 = 80）。 minTrainingDays+offSet+1 代表我们预测的实际日期。请注意，我们从 0 开始计算偏移量。
forecastOneDay <- function(theData,minTrainingDays,offset)
nrTrainingRows <- (minTrainingDays+offset)*24
theForecast <- theData %>%
filter(min_rank(Date) <= nrTrainingRows+24) %>% # Drop future data that we don't need
group_by(Hour) %>%
do (
trainingData <- head(.,-1) # For each group, drop the last entry from the dataframe
forecastData <- tail(.,1) %>% select(Date,Hour,Wind,Temp) # For each group, predict the last entry
fit <- Arima(trainingData$Price, xreg=trainingData[,3:4], order=c(1,1,0))
data.frame(forecastData, realPrice = tail(.,1)$Price, predictedPrice = forecast.Arima(fit,xreg=forecastData[3:4])$mean)
)
我们想要预测第 81-180 天。换句话说，我们的训练集中至少需要 80 天，并且想要计算偏移量0:99 的函数结果。这可以通过一个简单的lapply 调用来完成。最后，我们将所有结果合并到一个数据框中：
# Perform one day forecasts for days 81-180
resultList <- lapply(0:99, function(x) forecastOneDay(df,80,x))
# Merge all the results
mergedForecasts <- do.call("rbind",resultList)
编辑 在查看了您的帖子和同时发布的另一个答案后，我注意到我的答案存在两个潜在问题。首先，您需要一个包含 80 天训练数据的滚动窗口。但是，在我之前的代码中，所有可用的训练数据都用于拟合模型，而不是仅返回 80 天。其次，代码对 DST 更改不健壮。
这两个问题在下面的代码中得到修复。现在函数的输入也更加直观：训练天数和实际预测天数可以作为输入参数。请注意，POSIXlt 数据格式在对日期执行操作时可以正确处理 DST、闰年等内容。因为您的数据框中的日期是 POSIXct 类型，我们需要来回进行一次小的类型转换才能正确处理。
下面的新代码：
forecastOneDay <- function(theData,nrTrainingDays,predictDay) # predictDay should be greater than nrTrainingDays
initialDate <- as.POSIXlt(theData$Date[1]); # First day (midnight hour)
startDate <- initialDate # Beginning of training interval
endDate <- initialDate # End of test interval
startDate$mday <- initialDate$mday + (predictDay-nrTrainingDays-1) # Go back 80 days from predictday
endDate$mday <- startDate$mday + (nrTrainingDays+1) # +1 to include prediction day
theForecast <- theData %>%
filter(Date >= as.POSIXct(startDate),Date < as.POSIXct(endDate)) %>%
group_by(Hour) %>%
do (
trainingData <- head(.,-1) # For each group, drop the last entry from the dataframe
forecastData <- tail(.,1) %>% select(Date,Hour,Wind,Temp) # For each group, predict the last entry
fit <- Arima(trainingData$Price, xreg=trainingData[,3:4], order=c(1,1,0))
data.frame(forecastData, realPrice = tail(.,1)$Price, predictedPrice = forecast.Arima(fit,xreg=forecastData[3:4])$mean)
)
# Perform one day forecasts for days 81-180
resultList <- lapply(81:180, function(x) forecastOneDay(df,80,x))
# Merge all the results
mergedForecasts <- do.call("rbind",resultList)
结果如下所示：
> head(mergedForecasts)
Source: local data frame [6 x 6]
Groups: Hour
Date Hour Wind Temp realPrice predictedPrice
1 2015-03-22 00:00:00 1 1691.589 -8.722152 -11.207139 5.918541
2 2015-03-22 01:00:00 2 1790.928 18.098358 3.902686 37.885532
3 2015-03-22 02:00:00 3 1457.195 10.166422 22.193270 34.984164
4 2015-03-22 03:00:00 4 1414.502 4.993783 6.370435 12.037642
5 2015-03-22 04:00:00 5 3020.755 9.540715 25.440357 -1.030102
6 2015-03-22 05:00:00 6 4102.651 2.446729 33.528199 39.607848
> tail(mergedForecasts)
Source: local data frame [6 x 6]
Groups: Hour
Date Hour Wind Temp realPrice predictedPrice
1 2015-06-29 18:00:00 19 1521.9609 13.6414797 12.884175 -6.7789109
2 2015-06-29 19:00:00 20 555.1534 3.4758159 37.958768 -5.1193514
3 2015-06-29 20:00:00 21 4337.6605 4.7242352 -9.244882 33.6817379
4 2015-06-29 21:00:00 22 3140.1531 0.8127839 15.825230 -0.4625457
5 2015-06-29 22:00:00 23 1389.0330 20.4667234 -14.802268 15.6755880
6 2015-06-29 23:00:00 24 763.0704 9.1646139 23.407525 3.8214642
【讨论】：
很好的答案，正是我想要的！【参考方案2】：可以使用 dplyr 创建一个“滚动”的 data.frame，如下所示
library(dplyr)
library(lubridate)
WINDOW_SIZE_DAYS <- 80
df2 <- df %>%
mutate(Day = yday(Date)) %>%
replicate( n = WINDOW_SIZE_DAYS, simplify = FALSE ) %>%
bind_rows %>%
group_by(Date) %>%
mutate(Replica_Num = 1:n() ) %>%
mutate(Day_Group_id = Day + Replica_Num - 1 ) %>%
ungroup() %>%
group_by(Day_Group_id) %>%
filter( n() >= 24*WINDOW_SIZE_DAYS - 1 ) %>%
select( -Replica_Num ) %>%
arrange(Date) %>%
ungroup()
基本上，此代码会根据需要复制观察结果，并为每个 80 天的块分配相应的 Day_Group_id。
这样做是允许使用group_by(Day_Group_id) 以便在每个 80 天的块上单独运行模型。
随后，可以根据需要使用它。例如，只需从上面复制/粘贴 arima 代码，如下所示：
df3 <- df2 %>%
group_by(Day_Group_id, Hour) %>%
arrange(Date) %>%
do (
trainingData <- head(.,-1) # For each group, drop the last entry from the dataframe
forecastData <- tail(.,1) %>% select(Date,Hour,Wind,Temp) # For each group, predict the last entry
fit <- Arima(trainingData$Price, xreg=trainingData[,3:4], order=c(1,1,0))
data.frame(forecastData, realPrice = tail(.,1)$Price, predictedPrice = forecast.Arima(fit,xreg=forecastData[3:4])$mean)
)
请注意：
这里使用filter(n() >= 24*WINDOW_SIZE_DAYS - 1) 代替filter(n() == 24*WINDOW_SIZE_DAYS) 以选择完整的80 天窗口。这是由于 2015-03-08 的夏令时调整所致。数据集中不存在小时 2015-03-08 02:00:00，因为它从 2015-03-08 01:00:00 直接跳转到 2015-03-08 03:00:00。
【讨论】：
以上是关于使用 dplyr 进行多步预测并执行的主要内容，如果未能解决你的问题，请参考以下文章
使用 Keras LSTM 进行多步提前时间序列预测的多个输出