使用tensorflow的lstm网络进行时间序列预测

这篇文章将讲解如何使用lstm进行时间序列方面的预测，重点讲lstm的应用，原理部分可参考以下两篇文章：

Understanding LSTM Networks       LSTM学习笔记

编程环境：python3.5，tensorflow 1.0

本文所用的数据集来自于kesci平台，由云脑机器学习实战训练营提供：真实业界数据的时间序列预测挑战

数据集采用来自业界多组相关时间序列（约40组）与外部特征时间序列（约5组）。本文只使用其中一组数据进行建模。

加载常用的库：

#加载数据分析常用库import pandas as pdimport numpy as npimport tensorflow as tffrom sklearn.metrics import mean_absolute_error,mean_squared_errorfrom sklearn.preprocessing import MinMaxScalerimport matplotlib.pyplot as plt% matplotlib inlineimport warnings warnings.filterwarnings('ignore')

数据显示：

path = '../input/industry/industry_timeseries/timeseries_train_data/11.csv'data11 = pd.read_csv(path,names=['年','月','日','当日最高气温','当日最低气温','当日平均气温','当日平均湿度','输出'])data11.head()

 年月日当日最高气温当日最低气温当日平均气温当日平均湿度输出02015211.9-0.40.787575.000814.15580012015226.2-3.91.762577.250704.25111222015237.82.04.237572.750756.95897832015248.5-1.23.037565.875640.64540142015257.9-3.61.862555.375631.725130

加载数据：

##load data(本文以第一个表为例，其他表类似，不再赘述)f=open('../input/industry/industry_timeseries/timeseries_train_data/11.csv') df=pd.read_csv(f)     #读入数据data=df.iloc[:,3:8].values   #取第3-7列

定义常量并初始化权重：

#定义常量rnn_unit=10       #hidden layer unitsinput_size=4      output_size=1lr=0.0006         #学习率tf.reset_default_graph()#输入层、输出层权重、偏置weights={         'in':tf.Variable(tf.random_normal([input_size,rnn_unit])),         'out':tf.Variable(tf.random_normal([rnn_unit,1]))         }biases={        'in':tf.Variable(tf.constant(0.1,shape=[rnn_unit,])),        'out':tf.Variable(tf.constant(0.1,shape=[1,]))        }

分割数据集，将数据分为训练集和验证集（最后90天做验证，其他做训练）：

def get_data(batch_size=60,time_step=20,train_begin=0,train_end=487):    batch_index=[]            scaler_for_x=MinMaxScaler(feature_range=(0,1))  #按列做minmax缩放    scaler_for_y=MinMaxScaler(feature_range=(0,1))    scaled_x_data=scaler_for_x.fit_transform(data[:,:-1])    scaled_y_data=scaler_for_y.fit_transform(data[:,-1])        label_train = scaled_y_data[train_begin:train_end]    label_test = scaled_y_data[train_end:]    normalized_train_data = scaled_x_data[train_begin:train_end]    normalized_test_data = scaled_x_data[train_end:]        train_x,train_y=[],[]   #训练集x和y初定义    for i in range(len(normalized_train_data)-time_step):        if i % batch_size==0:            batch_index.append(i)        x=normalized_train_data[i:i+time_step,:4]        y=label_train[i:i+time_step,np.newaxis]        train_x.append(x.tolist())        train_y.append(y.tolist())    batch_index.append((len(normalized_train_data)-time_step))        size=(len(normalized_test_data)+time_step-1)//time_step  #有size个sample     test_x,test_y=[],[]      for i in range(size-1):        x=normalized_test_data[i*time_step:(i+1)*time_step,:4]        y=label_test[i*time_step:(i+1)*time_step]        test_x.append(x.tolist())        test_y.extend(y)    test_x.append((normalized_test_data[(i+1)*time_step:,:4]).tolist())    test_y.extend((label_test[(i+1)*time_step:]).tolist())            return batch_index,train_x,train_y,test_x,test_y,scaler_for_y

定义LSTM的网络结构：

#——————————————————定义神经网络变量——————————————————def lstm(X):      batch_size=tf.shape(X)[0]    time_step=tf.shape(X)[1]    w_in=weights['in']    b_in=biases['in']      input=tf.reshape(X,[-1,input_size])  #需要将tensor转成2维进行计算，计算后的结果作为隐藏层的输入    input_rnn=tf.matmul(input,w_in)+b_in    input_rnn=tf.reshape(input_rnn,[-1,time_step,rnn_unit])  #将tensor转成3维，作为lstm cell的输入    cell=tf.contrib.rnn.BasicLSTMCell(rnn_unit)    #cell=tf.contrib.rnn.core_rnn_cell.BasicLSTMCell(rnn_unit)    init_state=cell.zero_state(batch_size,dtype=tf.float32)    output_rnn,final_states=tf.nn.dynamic_rnn(cell, input_rnn,initial_state=init_state, dtype=tf.float32)  #output_rnn是记录lstm每个输出节点的结果，final_states是最后一个cell的结果    output=tf.reshape(output_rnn,[-1,rnn_unit]) #作为输出层的输入    w_out=weights['out']    b_out=biases['out']    pred=tf.matmul(output,w_out)+b_out    return pred,final_states

模型训练与预测：

#——————————————————训练模型——————————————————def train_lstm(batch_size=80,time_step=15,train_begin=0,train_end=487):    X=tf.placeholder(tf.float32, shape=[None,time_step,input_size])    Y=tf.placeholder(tf.float32, shape=[None,time_step,output_size])    batch_index,train_x,train_y,test_x,test_y,scaler_for_y = get_data(batch_size,time_step,train_begin,train_end)    pred,_=lstm(X)    #损失函数    loss=tf.reduce_mean(tf.square(tf.reshape(pred,[-1])-tf.reshape(Y, [-1])))    train_op=tf.train.AdamOptimizer(lr).minimize(loss)      with tf.Session() as sess:        sess.run(tf.global_variables_initializer())        #重复训练5000次        iter_time = 5000        for i in range(iter_time):            for step in range(len(batch_index)-1):                _,loss_=sess.run([train_op,loss],feed_dict={X:train_x[batch_index[step]:batch_index[step+1]],Y:train_y[batch_index[step]:batch_index[step+1]]})            if i % 100 == 0:                    print('iter:',i,'loss:',loss_)        ####predict####        test_predict=[]        for step in range(len(test_x)):            prob=sess.run(pred,feed_dict={X:[test_x[step]]})               predict=prob.reshape((-1))            test_predict.extend(predict)                    test_predict = scaler_for_y.inverse_transform(test_predict)        test_y = scaler_for_y.inverse_transform(test_y)        rmse=np.sqrt(mean_squared_error(test_predict,test_y))        mae = mean_absolute_error(y_pred=test_predict,y_true=test_y)        print ('mae:',mae,'   rmse:',rmse)    return test_predict

调用train_lstm()函数，完成模型训练与预测的过程，并统计验证误差（mae和rmse）:

test_predict = train_lstm(batch_size=80,time_step=15,train_begin=0,train_end=487)

迭代5000次后的结果：

iter: 3900 loss: 0.000505382iter: 4000 loss: 0.000502154iter: 4100 loss: 0.000503413iter: 4200 loss: 0.00140424iter: 4300 loss: 0.000500015iter: 4400 loss: 0.00050004iter: 4500 loss: 0.000498159iter: 4600 loss: 0.000500861iter: 4700 loss: 0.000519379iter: 4800 loss: 0.000499999iter: 4900 loss: 0.000501265mae: 121.183626208    rmse: 162.049017904

画图分析：

plt.figure(figsize=(24,8))plt.plot(data[:, -1])plt.plot([None for _ in range(487)] + [x for x in test_predict])plt.show()

结果如下：

可以看到，lstm模型基本能预测出序列的趋势。

为了简化流程，本文在特征工程及参数调优方面并没有下功夫，适合初学者探索lstm模型在时间序列问题上的应用。

ps:数据的归一化很重要，必须保证把训练集跟验证集规范在同一个空间内，否则得到的效果会很差。（我以前做天池的降雨量预测问题时一开始用的就是lstm，就是这一步没做好，导致最后得到的结果基本很相近，最后这个模型被我放弃了。我在做这个数据集的时候一开始也遇到这个问题，后来在归一化时把样本都设置在同个空间范畴，就解决问题了）。

数据集提供了大概45组数据，所以我们可以使用multi-task learning探索各组数据之间的关联性，这部分我还没具体了解，就不贻笑大方了。

本文建模的框架来自于：Tensorflow实例：利用LSTM预测股票每日最高价（二）