大家好，今天和各位分享一下如何使用循环神经网络LSTM 完成有多个特征的气温预测。上一节中我介绍了 LSTM 的单个特征的预测，感兴趣的可以看一下：https://blog.csdn.net/dgvv4/article/details/124349963

1. 导入工具包

我使用GPU加速计算，没有GPU的朋友可以把调用GPU的代码段去掉。

import tensorflow as tffrom tensorflow import kerasfrom tensorflow.keras import layersimport pandas as pdimport numpy as npimport matplotlib.pyplot as plt# 调用GPU加速gpus = tf.config.experimental.list_physical_devices(device_type='GPU')for gpu in gpus:tf.config.experimental.set_memory_growth(gpu, True)

2. 读取数据集

数据集地址：https://pan.baidu.com/s/1E5h-imMwdIyPv1Zc7FfC9Q 提取码：9cb5

该数据集10分钟记录一次，有42w行数据，14列特征，选取除时间列以外的前10列特征用于本模型。使用pandas的绘图方法绘制特征随时间的变化曲线。

#（1）读取数据集filepath = 'D:/deeplearning/test/神经网络/循环神经网络/climate.csv'data = pd.read_csv(filepath)print(data.head())# 数据是10min记录一次的#（2）特征选择# 选择从第1列开始往后的所有行的数据feat = data.iloc[:, 1:11]# 最后4个特征列不要date = data.iloc[:, 0] # 获取时间信息#（3）利用pandas绘图展示每个特征点分布情况feat.plot(subplots=True, figsize=(80,10),# 为每一列单独开辟子图，设置画板大小layout=(5,2), title='climate features')# 14张图的排序方式，设置标题

数据集信息如下

绘制除时间特征DateTime列以外的后10列的特征数据的随时间变化的曲线

3. 数据预处理

由于数据量较大，全部用于训练可能会导致内存占用不足的报错，这里就取前2w个数据用于训练。求训练集中，每个特征列的均值和标准差，对整个数据集使用训练集的均值和标准差进行标准化预处理。以标准化后的气温数据作为标签。

#（4）特征数据预处理train_num = 20000# 取前2w组数据用于训练val_num = 23000# 取2w-2.3w的数据用于验证# 2.3w-2.5w的数据用于验证用于测试# 求训练集的每个特征列的均值和标准差feat_mean = feat[:train_num].mean(axis=0)feat_std = feat[:train_num].std(axis=0)# 对整个数据集计算标准差feat = (feat - feat_mean) / feat_std# 保存所有的气温数据，即标签数据targets = feat.iloc[:,1] # 取标准化之后的气温数据作为标签值

4. 时间序列函数提取特征和标签

通过一个滑动窗口在数据集上移动，例如使用当前10个特征的20行数据预测未来某一时间点/段的气温。任务要求使用连续5天的数据预测下一个时间点的气温值，数据是10min记录一次的。

对某一时间点的预测：五天一共有5*24*6=720个数据，窗口每次滑动一步，第一次滑动窗口范围 range(0, 720, 1)，预测第720个气温。第二次滑动窗口范围 range(1,721,1)，预测第721个气温。range()取值顾头不顾尾

对某一时间段的预测：由于数据集是10min记录一次的，两两数据行之间的差别很小，可以设置一个步长每隔60min取一次特征数据，第一次滑动窗口范围 range(0, 720, 6)，预测下一整天的每个小时的气温数据，即 range(720, 720+24*6, 6)。第二次滑动窗口范围 range(1,721,6)，预测下一天的小时气温range(721, 721+24*6, 6)

这里就预测某一时间点的数据，参数如下，可以自行修改

'''dataset 代表特征数据start_index 代表从数据的第几个索引值开始取history_size 滑动窗口大小end_index 代表数据取到哪个索引就结束target_size 代表预测未来某一时间点还是时间段的气温。例如target_size=0代表用前20个特征预测第21个的气温step 代表在滑动窗口中每隔多少步取一组特征point_time 布尔类型，用来表示预测未来某一时间点的气温，还是时间段的气温true 原始气温数据的所有标签值'''def TimeSeries(dataset, start_index, history_size, end_index, step, target_size, point_time, true):data = []# 保存特征数据labels = []# 保存特征数据对应的标签值start_index = start_index + history_size# 第一次的取值范围[0:start_index]# 如果没有指定滑动窗口取到哪个结束，那就取到最后if end_index is None:# 数据集最后一块是用来作为标签值的，特征不能取到底end_index = len(dataset) - target_size# 滑动窗口的起始位置到终止位置每次移动一步for i in range(start_index, end_index):# 滑窗中的值不全部取出来用，每隔60min取一次index = range(i-history_size, i, step)# 第一次相当于range(0, start_index, 6)# 根据索引取出所有的特征数据的指定行data.append(dataset.iloc[index])# 用这些特征来预测某一个时间点的值还是未来某一时间段的值if point_time is True:# 预测某一个时间点# 预测未来哪个时间点的数据，例如[0:20]的特征数据（20取不到），来预测第20个的标签值labels.append(true[i+target_size])else:# 预测未来某一时间区间# 例如[0:20]的特征数据（20取不到），来预测[20,20+target_size]数据区间的标签值labels.append(true[i:i+target_size])# 返回划分好了的时间序列特征及其对应的标签值return np.array(data), np.array(labels)

5. 划分数据集

使用上面的时间序列函数获取训练所需的特征值和标签值。这里以预测下一个时间点的气温值为例，history_size 指定时间序列窗口的大小，即用多少行数据来预测一个时间点的气温值；target_size 代表未来哪个时间点的值，为0代表，如range(0，720，1）的特征用来预测第720+0个时间点的气温值。point_time=False时代表预测某一时间段。

#（6）划分数据集history_size = 5*24*6# 每个滑窗取5天的数据量=720target_size =0# 预测未来下一个时间点的气温值step = 1# 步长为1取所有的行# 构造训练集x_train, y_train = TimeSeries(dataset=feat, start_index=0, history_size=history_size, end_index=train_num,step=step, target_size=target_size, point_time=True, true=targets)# 构造验证集x_val, y_val = TimeSeries(dataset=feat, start_index=train_num, history_size=history_size, end_index=val_num,step=step, target_size=target_size, point_time=True, true=targets)# 构造测试集x_test, y_test =TimeSeries(dataset=feat, start_index=val_num, history_size=history_size, end_index=25000,step=step, target_size=target_size, point_time=True, true=targets)# 查看数据集信息print('x_train_shape:', x_train.shape)# (19280, 720, 10)print('y_train_shape:', y_train.shape)# (19280,)

6. 构造数据集

将划分好了的特征值和标签值转为tensor类型，对训练集的特征行随机打乱shuffle()，并且每次迭代时每个step训练batchsize=128组数据。设置迭代器 iter()，从数据集中取出一个batch的数据 next()。标签值y_train代表滑动窗口的每720行特征数据对应1个标签气温值。

#（7）构造数据集train_ds = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train))# 训练集train_ds = train_ds.batch(128).shuffle(10000)# 随机打乱、每个step处理128组数据val_ds = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_val, y_val))# 验证集val_ds = val_ds.batch(128)test_ds = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_test, y_test))# 测试集test_ds = test_ds.batch(128)# 查看数据集信息sample = next(iter(train_ds))# 取出一个batch的数据print('x_train.shape:', sample[0].shape)# [128, 720, 10]print('y_train.shape:', sample[1].shape)# [128, ]

7. 模型构建

接下来就是自定义LSTM网络，这个无所谓想怎么搭都行，要注意的时 layers.LSTM() 层中有一个参数 return_sequences，代表返回输出序列中的最后一个值，还是所有值。默认False。一般是下一层还是 LSTM 的时候才用 return_sequences=True

#（8）模型构建inputs_shape = sample[0].shape[1:]# [120,10]不需要写batch的维度大小inputs = keras.Input(shape=inputs_shape)# 输入层# LSTM层，设置l2正则化x = layers.LSTM(units=8, dropout=0.5, return_sequences=True, kernel_regularizer=tf.keras.regularizers.l2(0.01))(inputs)x = layers.LeakyReLU()(x)x = layers.LSTM(units=16, dropout=0.5, return_sequences=True, kernel_regularizer=tf.keras.regularizers.l2(0.01))(inputs)x = layers.LeakyReLU()(x)x = layers.LSTM(units=32, dropout=0.5, kernel_regularizer=tf.keras.regularizers.l2(0.01))(x)x = layers.LeakyReLU()(x)# 全连接层，随即正态分布的权重初始化，l2正则化x = layers.Dense(64,kernel_initializer='random_normal',kernel_regularizer=tf.keras.regularizers.l2(0.01))(x)x = layers.Dropout(0.5)(x)# 输出层返回回归计算后的未来某一时间点的气温值outputs = layers.Dense(1)(x)# 标签shape要和网络shape一样# 构建模型model = keras.Model(inputs, outputs)# 查看网络结构model.summary()

网络结构如下

_________________________________________________________________Layer (type) Output ShapeParam # =================================================================input_3 (InputLayer) [(None, 720, 10)] 0 _________________________________________________________________lstm_7 (LSTM)(None, 720, 16) 1728_________________________________________________________________leaky_re_lu_7 (LeakyReLU)(None, 720, 16) 0 _________________________________________________________________lstm_8 (LSTM)(None, 32)6272_________________________________________________________________leaky_re_lu_8 (LeakyReLU)(None, 32)0 _________________________________________________________________dense_4 (Dense)(None, 64)2112_________________________________________________________________dropout_2 (Dropout)(None, 64)0 _________________________________________________________________dense_5 (Dense)(None, 1) 65=================================================================Total params: 10,177Trainable params: 10,177Non-trainable params: 0_________________________________________________________________

8.网络训练

使用平均绝对误差作为回归损失函数，训练完成后对整个测试集评估.evaluate()，计算整个测试集的损失。

# 网络编译model.compile(optimizer = keras.optimizers.Adam(0.001),# adam优化器学习率0.001loss = tf.keras.losses.MeanAbsoluteError())# 计算标签和预测之间绝对差异的平均值epochs = 15# 网络迭代次数# 网络训练history = model.fit(train_ds, epochs=epochs, validation_data=val_ds)# 测试集评价model.evaluate(test_ds)# loss: 0.1212

训练过程如下：

Epoch 1/15151/151 [==============================] - 11s 60ms/step - loss: 0.8529 - val_loss: 0.4423Epoch 2/15151/151 [==============================] - 9s 56ms/step - loss: 0.3999 - val_loss: 0.2660------------------------------------------------------------------------------------Epoch 14/15151/151 [==============================] - 9s 56ms/step - loss: 0.1879 - val_loss: 0.1442Epoch 15/15151/151 [==============================] - 9s 56ms/step - loss: 0.1831 - val_loss: 0.1254

9. 训练过程可视化

history 中保存了网络训练过程的所有指标，这里只使用了平均绝对误差损失，将损失指标随着每次迭代的变化曲线绘制出来。

#（10）查看训练信息history_dict = history.history# 获取训练的数据字典train_loss = history_dict['loss']# 训练集损失val_loss = history_dict['val_loss']# 验证集损失#（11）绘制训练损失和验证损失plt.figure()plt.plot(range(epochs), train_loss, label='train_loss')# 训练集损失plt.plot(range(epochs), val_loss, label='val_loss')# 验证集损失plt.legend()# 显示标签plt.xlabel('epochs')plt.ylabel('loss')plt.show()

10. 预测阶段

为了绘图清晰，只对测试集的前200组特征（每一组有720行10列，720代表一个滑窗大小，10代表特征列个数）进行预测，使用.predict()函数 得到每组对应下一时刻的气温预测值。

#（12）预测阶段# x_test[0].shape = (720,10)x_predict = x_test[:200]# 用测试集的前200组特征数据来预测 y_true = y_test[:200]# 每组特征对应的标签值y_predict = model.predict(x_predict)# 对测试集的特征预测# 绘制标准化后的气温曲线图fig = plt.figure(figsize=(10,5))# 画板大小axes = fig.add_subplot(111)# 画板上添加一张图# 真实值, date_test是对应的时间axes.plot(y_true, 'bo', label='actual')# 预测值，红色散点axes.plot(y_predict, 'ro', label='predict') plt.legend()# 注释plt.grid()# 网格plt.show()

预测值和真实值的对比如下