基于深度学习的时间序列预测

打开生活的脚本

这个例子展示了如何使用长短期记忆(LSTM)网络预测时间序列数据。

为了预测序列未来时间步长的值，可以训练一个序列到序列回归LSTM网络，其中的响应是值移动一个时间步长的训练序列。即在输入序列的每一个时间步长，LSTM网络学习预测下一个时间步长的值。

要预测未来多个时间步长的值，使用predictAndUpdateState函数一次预测一个时间步骤，并在每次预测时更新网络状态。

本例使用数据集chickenpox_dataset．该实例训练了一个LSTM网络，根据前几个月的病例数预测水痘病例数。

加载序列数据

加载示例数据。chickenpox_dataset包含单个时间序列，时间步长对应月份，值对应案例数。输出是一个单元格数组，其中每个元素都是一个时间步骤。将数据重塑为行向量。

数据= chickenpox_dataset;数据=({}):数据;图绘制(数据)包含(“月”) ylabel (“案例”)标题(“每月水痘病例”）

对训练和测试数据进行分区。训练序列的前90%，测试序列的后10%。

地板numTimeStepsTrain =(0.9 *元素个数(数据);dataTrain =数据(1:numTimeStepsTrain + 1);人数(=数据(numTimeStepsTrain + 1:结束);

标准化数据

为了更好的拟合和防止训练发散，将训练数据标准化，使其均值和单位方差均为零。在预测时，必须使用与训练数据相同的参数对测试数据进行标准化。

μ=意味着(dataTrain);sig =性病(dataTrain);datatrain标准化= (datatrainmu) / sig;

准备预测因素和反应

为了预测序列未来时间步长的值，将响应指定为平移一个时间步长的训练序列。即在输入序列的每一个时间步长，LSTM网络学习预测下一个时间步长的值。预测器是没有最后时间步长的训练序列。

XTrain = dataTrainStandardized (1: end-1);YTrain = dataTrainStandardized(2:结束);

定义LSTM网络架构

创建一个LSTM回归网络。指定LSTM层有200个隐藏单元。

numFeatures = 1;numResponses = 1;numHiddenUnits = 200;层= [．．.sequenceInputLayer(numFeatures) lstmLayer(numHiddenUnits) fulllyconnectedlayer (numResponses) regressionLayer];

指定培训选项。将解算器设置为“亚当”训练250个时代。为了防止渐变发生爆炸，设置渐变阈值为1。指定初始学习率为0.005，并将125个纪元后的学习率乘以0.2。

选择= trainingOptions (“亚当”，．．.“MaxEpochs”, 250,．．.“GradientThreshold”, 1．．.“InitialLearnRate”, 0.005,．．.“LearnRateSchedule”，“分段”，．．.“LearnRateDropPeriod”, 125,．．.“LearnRateDropFactor”, 0.2,．．.“详细”，0，．．.“阴谋”，“训练进步”）;

火车LSTM网络

使用指定的训练选项来训练LSTM网络trainNetwork．

网= trainNetwork (XTrain、YTrain层,选择);

预测未来时间步骤

要预测未来多个时间步长的值，使用predictAndUpdateState函数一次预测一个时间步骤，并在每次预测时更新网络状态。对于每个预测，使用之前的预测作为函数的输入。

使用与训练数据相同的参数对测试数据进行标准化。

datatest标准化= (dataTest - mu) / sig;XTest = dataTestStandardized (1: end-1);

要初始化网络状态，首先对训练数据进行预测XTrain．接下来，使用训练反应的最后一个时间步骤进行第一次预测YTrain(结束)．循环剩余的预测并输入之前的预测predictAndUpdateState．

对于大量数据、长序列或大型网络，GPU上的预测通常比CPU上的预测更快。否则，对CPU的预测通常计算得更快。对于单时间步长预测，使用CPU。要使用CPU进行预测，请设置“ExecutionEnvironment”选择predictAndUpdateState来“cpu”．

网= predictAndUpdateState(净,XTrain);[净,YPred] = predictAndUpdateState(净,YTrain(结束));numTimeStepsTest =元素个数(XTest);为i = 2:numTimeStepsTest [net,YPred(:，i)] = predictAndUpdateState(net,YPred(:，i))，“ExecutionEnvironment”，“cpu”）;结束

使用前面计算的参数使预测不标准化。

YPred = sig*YPred + mu;

训练进度图报告从标准化数据计算的均方根误差(RMSE)。从非标准化预测计算RMSE。

欧美=人数((2:结束);rmse =√意味着(YPred-YTest)。^ 2))

rmse =单248.5531

用预测值绘制训练时间序列。

图绘制(dataTrain (1: end-1))在idx = numTimeStepsTrain:(numTimeStepsTrain + numTimeStepsTest);情节(idx (numTimeStepsTrain) YPred][数据,“。”)举行从包含(“月”) ylabel (“案例”)标题(“预测”)传说([“观察”“预测”]）

将预测值与试验数据进行比较。

figure subplot(2,1,1) plot(YTest) hold在情节(YPred“。”)举行从传奇([“观察”“预测”]) ylabel (“案例”)标题(“预测”) subplot(2,1,2) stem(YPred - YTest) xlabel(“月”) ylabel (“错误”)标题(" RMSE = "+ rmse)

用观测值更新网络状态

如果您可以访问预测之间的实际时间步长的值，那么您可以使用观测值而不是预测值更新网络状态。

首先，初始化网络状态。要对新序列进行预测，请使用resetState．重置网络状态可以防止先前的预测影响对新数据的预测。重置网络状态，然后通过对训练数据的预测来初始化网络状态。

网= resetState(净);网= predictAndUpdateState(净,XTrain);

预测每一个时间步骤。对于每一个预测，使用前一个时间步长的观测值来预测下一个时间步长。设置“ExecutionEnvironment”选择predictAndUpdateState来“cpu”．

YPred = [];numTimeStepsTest =元素个数(XTest);为i = 1:numTimeStepsTest [net,YPred(:，i)] = predictAndUpdateState(net,XTest(:，i))，“ExecutionEnvironment”，“cpu”）;结束

使用前面计算的参数使预测不标准化。

YPred = sig*YPred + mu;

计算均方根误差(RMSE)。

rmse =√意味着(YPred-YTest)。^ 2))

rmse = 158.0959

将预测值与试验数据进行比较。

figure subplot(2,1,1) plot(YTest) hold在情节(YPred“。”)举行从传奇([“观察”“预测”]) ylabel (“案例”)标题(“与更新预测”) subplot(2,1,2) stem(YPred - YTest) xlabel(“月”) ylabel (“错误”)标题(" RMSE = "+ rmse)