使用TensorFlow和深度混合学习进行时间序列预测

2021-01-12 14:45:52 浏览数 (1)

在本文中，我们将看到深度混合学习如何应用于时间序列数据，以及它是否与图像数据一样有效。

在这篇文章中，我将使用Kaggle的太阳黑子数据。如上所述，数据可以很容易地从GitHub项目TimeSeries-Using-TensorFlow下载。我鼓励大家使用谷歌协作笔记本，因为所需的模块已经安装好了，基础设施也准备好了。现在，让我们开始吧!

下载并加载数据

数据下载使用只需要一个简单的命令-

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!wget — no-check-certificate https://raw.githubusercontent.com/adib0073/TimeSeries-Using-TensorFlow/main/Data/Sunspots.csv -O /tmp/sunspots.csv

下载完成后，我们可以使用pandas将数据加载到数据帧中。

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# Loading the data as a pandas dataframe 
df = pd.read_csv(‘/tmp/sunspots.csv’, index_col=0) 
df.head()

我们可以浏览一下数据，如下图所示:

现在，我们应该做广泛的探索性数据分析(EDA)来了解数据的趋势和季节性。但在本例中，为了简单起见，我们将对数据进行目视检查。

准备数据

在这一步中，我们需要对加载的数据进行转换和处理，以便将其作为输入传递给深度混合学习模型，然后我们可以开始训练过程。我们可以把时间序列预测看作是一个有序的机器学习回归问题，把时间序列数据转换成一组特征值和相应的真值或目标值。由于回归是一个监督学习问题，我们需要目标值，目标值中滞后的时间序列数据变成这样的特征值:

我们将采用窗口或缓冲区方法，其中我们必须考虑适当的窗口大小。然后我们将序列或序列数据的窗口从左到右移动。我们将把窗口框右边的值作为目标值或真值。因此，每一次时间步，我们都会移动或移动窗口，以获得新的一行特征值和目标值对。这样我们就形成了训练数据和训练标签。以类似的方式，我们形成了测试和验证数据集，这是机器学习预测模型通常需要的。另外，请记住，对于一个预测模型来说，拥有更宽的观察窗口和更窄的预测窗口可以得到更好的结果。接下来，对于训练测试验证的分割比率，我们必须根据数据的大小计算出来。对于本例，我使用了0.8的分割比率，并且基于数据的季节性，我们将窗口大小设置为60。但是这些变量都是超参数，需要进行一些调整以获得可能的最佳结果。

代码如下:

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# Convert the data values to numpy for better and faster processing 
time_index = np.array(df['Date']) 
data = np.array(df['Monthly Mean Total Sunspot Number'])   
# Certain Hyper-parameters to tune 
SPLIT_RATIO = 0.8 
WINDOW_SIZE = 60 
BATCH_SIZE = 32 
SHUFFLE_BUFFER = 1000  
# Dividing into train-test 
split split_index = int(SPLIT_RATIO * data.shape[0])   
# Train-Test Split 
train_data = data[:split_index] 
train_time = time_index[:split_index]  
test_data = data[split_index:] 
test_time = time_index[split_index:]

接下来，我们将准备一个为我们准备训练和测试数据的数据生成器。

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def ts_data_generator(data, window_size, batch_size, shuffle_buffer):
  '''
  Utility function for time series data generation in batches
  '''
  ts_data = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(data)
  ts_data = ts_data.window(window_size   1, shift=1, drop_remainder=True)
  ts_data = ts_data.flat_map(lambda window: window.batch(window_size   1))
  ts_data = ts_data.shuffle(shuffle_buffer).map(lambda window: (window[:-1], window[-1]))
  ts_data = ts_data.batch(batch_size).prefetch(1)
  return ts_data
# Expanding data into tensors
tensor_train_data = tf.expand_dims(train_data, axis=-1)
tensor_test_data = tf.expand_dims(test_data, axis=-1)

tensor_train_dataset = ts_data_generator(tensor_train_data, WINDOW_SIZE, BATCH_SIZE, SHUFFLE_BUFFER)
tensor_test_dataset = ts_data_generator(tensor_test_data, WINDOW_SIZE, BATCH_SIZE, SHUFFLE_BUFFER)

现在，我们已经准备好将处理后的数据输入到模型中。

建立DHL模型和训练

我们将使用一个简单版本的深度混合学习架构来解决这个问题。如前所述，我们将使用带有后期融合技术的深度学习变体。模型架构是这样的:

这里我们使用一维CNN的组合模型提取初始序列特征，然后结合2个LSTM层进行特征提取部分，最后将其传递到传统DNN全连接层，产生最终输出。

模型架构的代码如下所示:

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# DHL Fusion model of 1D CNN and LSTM 
model = tf.keras.models.Sequential([
tf.keras.layers.Conv1D(filters=32, kernel_size=5,strides=1, padding="causal",activation="relu",input_shape=[None, 1]),
tf.keras.layers.LSTM(64, return_sequences=True),   
tf.keras.layers.LSTM(64, return_sequences=True),   
tf.keras.layers.Dense(30, activation="relu"),  
tf.keras.layers.Dense(10, activation="relu"),  
tf.keras.layers.Dense(1)
])

接下来，我们需要选择其他超参数，如学习速率、优化器和损失函数。为了简单起见，我在这篇文章中不涉及选择这些值的问题。

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optimizer = tf.keras.optimizers.SGD(lr=1e-4, momentum=0.9)
model.compile(loss=tf.keras.losses.Huber(),
              optimizer=optimizer,
              metrics=["mae"])
history = model.fit(tensor_train_dataset, epochs=200, validation_data=tensor_test_dataset)

模型评估

接下来我们将看到如何评估我们的模型。但首先，在训练过程之后，绘制模型损失曲线来看看模型是否真的在学习。

从模型损失曲线，我们确实看到过拟合的明显存在。在本文的最后，我将给出一些如何处理这个问题的提示，以使模型更好，但我们可以看到，随着训练时间的增加，模型损失在减少，这是一个很好的迹象，表明模型正在学习。

现在，对于模型评估，我们需要选择一个度量标准。在以后的一篇文章中，我将包括时间序列数据的各种模型评估指标。但在这种情况下，我们将使用MAE作为度量标准。

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def model_forecast(model, data, window_size):
    ds = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(data)
    ds = ds.window(window_size, shift=1, drop_remainder=True)
    ds = ds.flat_map(lambda w: w.batch(window_size))
    ds = ds.batch(32).prefetch(1)
    forecast = model.predict(ds)
    return forecastrnn_forecast = model_forecast(model, data[..., np.newaxis], WINDOW_SIZE) rnn_forecast = rnn_forecast[split_index - WINDOW_SIZE:-1, -1, 0]# Overall Error
error = tf.keras.metrics.mean_absolute_error(test_data, rnn_forecast).numpy()
print(error)

我们得到的MAE值大约是40。这还不错，但对这个案子来说有点高了。模型误差更大的原因是我们看到的初始过拟合。

模型结果可视化

作为最后一步，让我们将通过测试数据得到的结果可视化，并检查模型是否接近，以预测良好的结果。

从第一张图可以看出，预测值与实际值的季节变化规律和趋势是相似的，但峰值没有实际值高。同时，由于时间序列预测应该是区间预测而不是单点估计，我们将使用错误率来形成置信区间或置信带。我们可以看到误差带很宽，这意味着模型的置信度不高，可能会有一些预测误差。

可视化的代码如下:

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plt.figure(figsize=(15, 6))  
plt.plot(list(range(split_index,len(data))), test_data, label = 'Test Data') 
plt.plot(list(range(split_index,len(data))), rnn_forecast, label = 'Predictions') 
plt.legend() 
plt.show()  plt.figure(figsize=(15, 6)) 
# Plotting with Confidence Intervals 
plt.plot(list(range(split_index,len(data))), rnn_forecast, label = 'Predictions', color = 'k', linestyle = '--')
plt.fill_between(range(split_index,len(data)), rnn_forecast - error, rnn_forecast   error, alpha = 0.5, color = 'orange') 
plt.legend() 
plt.show()

我们有一个用于时间序列预测的深度混合学习模型，我们使用TensorFlow来形成模型并实现流。

但如果你想知道如何提高结果，我有以下建议:

  1. 更改窗口大小(增加或减少)
  2. 使用更多的训练数据(以解决过拟合问题)
  3. 使用更多的模型层或隐藏的单元
  4. 使用不同的损失函数和学习速率
  5. 我们看到损失曲线不是平滑的。如果批处理规模很小，通常会发生这种情况，所以尝试使用更大的批处理规模。

有时，更简单的模型可能会得到更好的结果。在我使用TensorFlow的深度学习进行后期时间序列预测时，我只使用了一个简单的深度神经网络就得到了更好的结果。现在，不同于图像数据，我们看到，在时间序列数据中，深度混合学习并不比传统的深度学习、机器学习或统计方法好多少。但是，在做了彻底的超参数调优之后，我确信结果会更好!

作者：Aditya Bhattacharya

源代码地址：https://github.com/adib0073/TimeSeries-Using-TensorFlow/blob/main/Time_Series_Forecasting_with_DNN.ipynb

原文地址：https://towardsdatascience.com/time-series-forecasting-using-tensorflow-and-deep-hybrid-learning-5088ad76dd55

deephub翻译组

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