【数值预测案例】(7) CNN-LSTM 混合神经网络气温预测，附TensorFlow完整代码

大家好，今天和各位分享一下如何使用 Tensorflow 构建 CNN卷积神经网络和 LSTM 循环神经网络相结合的混合神经网络模型，完成对多特征的时间序列预测。

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本文预测模型的主要结构由 CNN 和 LSTM 神经网络构成。气温的特征数据具有空间依赖性。本文选择通过在模型前端使用CNN卷积神经网络提取特征之间的空间关系。同时，气温数据又具有明显的时间依赖性，因此在卷积神经网络后添加 LSTM 长短时记忆模型进行时序处理。

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1. 获取数据集

数据集自取：https://download.csdn.net/download/dgvv4/49801464

本文使用GPU加速计算，没有GPU的朋友把下面调用GPU的那段代码删了就行。

数据集中后5项特征是气温数据，前三项是时间，选择'actual'列为标签。任务要求，根据连续10天的气温数据，预测5天后的actual气温值

import tensorflow as tf
from tensorflow import keras
from tensorflow.keras import layers
import pandas as pd

# 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)

# --------------------------------------- #
#（1）获取数据集
# --------------------------------------- #
filepath = 'temps.csv'  # 数据集位置
data = pd.read_csv(filepath)
print(data.head())  # 查看前五行数据

数据集信息如下：

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2. 处理时间数据

如上图所示，列表前三列是时间信息，需要将年月日信息组合在一起，从字符串类型转为datetime类型。在选择特征时，时间特征用不上，先把它处理了。

import datetime  # 将时间信息组合成datetime类型的数据

# 获取数据中的年月日信息
years = data['year']
months = data['month']
days = data['day']

dates = []  # 存放组合后的时间信息

# 遍历一一对应的年月日信息
for year, month, day in zip(years, months, days):
    # 年月日之间使用字符串拼接
    date = str(year) + '-' + str(month) + '-' + str(day)
    # 将每个时间(字符串类型)保存
    dates.append(date)

# 字符串类型的时间转为datetime类型的时间
times = []

# 遍历所有的字符串类型的时间
for date in dates:
    # 转为datetime类型
    time = datetime.datetime.strptime(date, '%Y-%m-%d')
    # 逐一保存转变类型后的时间数据
    times.append(time)

# 查看转换后的时间数据
print(times[:5])

处理后的时间特征如下

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3. 特征数据可视化

把每个特征的分布曲线绘制出来，对数据有直观的体会

import matplotlib.pyplot as plt
# 指定绘图风格
plt.style.use('fivethirtyeight')
# 设置画布，2行2列的画图窗口，第一行画ax1和ax2，第二行画ax3和ax4
fig, ((ax1,ax2), (ax3,ax4)) = plt.subplots(2, 2, figsize=(20, 10))
 
# ==1== actual特征列
ax1.plot(times, data['actual'])
# 设置x轴y轴标签和title标题
ax1.set_xlabel(''); ax1.set_ylabel('Temperature'); ax1.set_title('actual temp')
# ==2== 前一天的温度
ax2.plot(times, data['temp_1'])
# 设置x轴y轴标签和title标题
ax2.set_xlabel(''); ax2.set_ylabel('Temperature'); ax2.set_title('temp_1')
# ==3== 前2天的温度
ax3.plot(times, data['temp_2'])
# 设置x轴y轴标签和title标题
ax3.set_xlabel('Date'); ax3.set_ylabel('Temperature'); ax3.set_title('temp_2')
# ==4== friend
ax4.plot(times, data['friend'])
# 设置x轴y轴标签和title标题
ax4.set_xlabel('Date'); ax4.set_ylabel('Temperature'); ax4.set_title('friend')
# 轻量化布局调整绘图
plt.tight_layout(pad=2)
plt.show()

简单绘制一下四个特征随时间的分布情况

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4. 数据预处理

首先数据中有一列是分类数据，星期几，需要对这种数据进行one-hot编码，给每一个分类添加一个特征列，如果这一行数据是星期一，那么对应的星期一这列的数值就是1，其他列的数值为0。

然后要选择标签值，预测5天后的气温。标签数据取特征数据中的 'label' 列，并且将这一列集体向上移动5行，那么此时，标签数据中最后的5行会出现空缺值nan。最后5行的特征数据没有对应的标签值，因此需要把最后5行从特征数据和标签数据中删除。

接下来就是对所有的气温数据进行标准化预处理，不要对onehot编码后的星期数据进行标准化。

# 选择特征, 共6列特征
feats = data.iloc[:,3:]
# 对离散的星期几的数据进行onehot编码
feats = pd.get_dummies(feats)
# 特征列增加到12项
print(feats.shape)  # (348, 12)

# 选择标签数据，一组时间序列预测5天后的真实气温
pre_days = 5
# 选择特征数据中的真实气温'actual'具体向上移动5天的气温信息
targets = feats['actual'].shift(-pre_days)
# 查看标签信息
print(targets.shape)  #(348,)

# 由于特征值最后5行对应的标签是空值nan，将最后5行特征及标签删除
feats = feats[:-pre_days]
targets = targets[:-pre_days]
# 查看数据信息
print('feats.shape:', feats.shape, 'targets.shape:', targets.shape)  # (343, 12) (343,)


# 特征数据标准化处理
from sklearn.preprocessing import StandardScaler  
# 接收标准化方法
scaler = StandardScaler()
# 对特征数据中所有的数值类型的数据进行标准化
feats.iloc[:,:5] = scaler.fit_transform(feats.iloc[:,:5])
# 查看标准化后的信息
print(feats)

预处理后的数据如下：

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5. 时间序列滑窗

这里使用到队列deque，先进先出。指定队列最大长度为10，即时间序列窗口长度为10，根据10天的特征数据预测5天后的气温。如果队列的长度超过10，那么队列会自动将头部的元素删除，将新元素追加到队列的尾部，组成一个新的序列。

对于标签数据，例如range(0,10)天的特征预测第15天的气温，而之前已经将标签值集体向上移动5行，那么第15的度气温标签值对应索引9，即 [max_series_days-1]

import numpy as np
from collections import deque  # 队列，可在两端增删元素

# 将特征数据从df类型转为numpy类型
feats = np.array(feats)

# 定义时间序列窗口是连续10天的特征数据
max_series_days = 10  
# 创建一个队列，队列的最大长度固定为10
deq = deque(maxlen=max_series_days)  # 如果长度超出了10，先从队列头部开始删除

# 创建一个列表，保存处理后的特征序列
x = []
# 遍历每一行数据，包含12项特征
for i in feats:
    # 将每一行数据存入队列中, numpy类型转为list类型
    deq.append(list(i))
    # 如果队列长度等于指定的序列长度，就保存这个序列
    # 如果队列长度大于序列长度，队列会自动删除头端元素，在尾端追加新元素
    if len(deq) == max_series_days:
        # 保存每一组时间序列, 队列类型转为list类型
        x.append(list(deq))

# 保存与特征对应的标签值
y = targets[max_series_days-1:].values

# 保证序列长度和标签长度相同
print(len(x))   # 334
print(len(y))  # 334

# 将list类型转为numpy类型
x, y = np.array(x), np.array(y)

左图x是一个时间序列滑窗包含的10行特征数据，右图标签y是每一个时间序列滑窗对应一个气温标签值。

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6. 划分数据集

从划分好了的序列中取前80的数据用于训练，剩下20%分别用来验证和测试。对训练数据随机打乱 shuffle() 避免偶然性。构造一个迭代器 iter()，结合 next() 函数从训练集中取出一个batch，查看数据集信息。

total_num = len(x)  # 一共有多少组序列
train_num = int(total_num*0.8)  # 前80%的数据用来训练
val_num = int(total_num*0.9)  # 前80%-90%的数据用来训练验证
# 剩余数据用来测试

x_train, y_train = x[:train_num], y[:train_num]  # 训练集
x_val, y_val = x[train_num: val_num], y[train_num: val_num]  # 验证集
x_test, y_test = x[val_num:], y[val_num:]  # 测试集

# 构造数据集
batch_size = 128  # 每次迭代处理128个序列
# 训练集
train_ds = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_train, y_train))
train_ds = train_ds.batch(batch_size).shuffle(10000)
# 验证集
val_ds = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_val, y_val))
val_ds = val_ds.batch(batch_size)
# 测试集
test_ds = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((x_test, y_test))
test_ds = test_ds.batch(batch_size)

# 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, 10, 12)
print('y_train.shape:', sample[1].shape)  # (128,)

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7. 网络构建

输入层的shape为 [None, 10, 12]，其中None代表Batch_Size不用写出来，10代表时间序列窗口的大小，12代表数据中的特征个数。

由于这里我使用二维卷积Conv2D，需要在输入数据集中添加通道维度，shape变为 [None, 10, 12, 1] ，和图像处理时类似，使用3*3卷积，步长为1，提取特征

使用池化层下采样，当然也可以使用步长为2的卷积层下采样。下采样时，我选择的池化核大小是[1,2]，即只在特征维度上下采样，序列窗口保持不变，下采样方式具体问题具体分析。

在把特征数据从CNN输入至LSTM之前需要调整通道数，融合通道信息，将通道数降为1，然后把通道维挤压掉，shape从四维变为三维，[None,10,6,1]变成[None,10,6]

接下来就是通过LSTM处理数据的时间序列信息，最后经过一个全连接层输出预测结果。全连接层的神经元个数要和标签值的预测个数相同，这里只预测未来某个时间点，神经元个数就是1

# 输入层要和x_train的shape一致，但注意不要batch维度
input_shape = sample[0].shape[1:]  # [10,12]

# 构造输入层
inputs = keras.Input(shape=(input_shape))  # [None, 10, 12]

# 调整维度 [None,10,12]==>[None,10,12,1]
x = layers.Reshape(target_shape=(inputs.shape[1], inputs.shape[2], 1))(inputs)

# 卷积+BN+Relu  [None,10,12,1]==>[None,10,12,8]
x = layers.Conv2D(8, kernel_size=(3,3), strides=1, padding='same', use_bias=False,
                  kernel_regularizer=keras.regularizers.l2(0.01))(x)

x = layers.BatchNormalization()(x)  # 批标准化
x = layers.Activation('relu')(x)  # relu激活函数

# 池化下采样 [None,10,12,8]==>[None,10,6,8]
x = layers.MaxPool2D(pool_size=(1,2))(x)

# 1*1卷积调整通道数 [None,10,6,8]==>[None,10,6,1]
x = layers.Conv2D(1, kernel_size=(3,3), strides=1, padding='same', use_bias=False,
                  kernel_regularizer=keras.regularizers.l2(0.01))(x)

# 把最后一个维度挤压掉 [None,10,6,1]==>[None,10,6]
x = tf.squeeze(x, axis=-1)

# [None,10,6] ==> [None,10,16]
# 第一个LSTM层, 如果下一层还是LSTM层就需要return_sequences=True, 否则就是False
x = layers.LSTM(16, activation='relu', kernel_regularizer=keras.regularizers.l2(0.01))(x)
x = layers.Dropout(0.2)(x)  # 随机杀死神经元防止过拟合

# 输出层 [None,16]==>[None,1]
outputs = layers.Dense(1)(x)

# 构建模型
model = keras.Model(inputs, outputs)

# 查看模型架构
model.summary()

网络架构如下：

Model: "model_12"
_________________________________________________________________
Layer (type)                 Output Shape              Param #   
=================================================================
input_13 (InputLayer)        [(None, 10, 12)]          0         
_________________________________________________________________
reshape_12 (Reshape)         (None, 10, 12, 1)         0         
_________________________________________________________________
conv2d_25 (Conv2D)           (None, 10, 12, 8)         72        
_________________________________________________________________
batch_normalization_13 (Batc (None, 10, 12, 8)         32        
_________________________________________________________________
activation_13 (Activation)   (None, 10, 12, 8)         0         
_________________________________________________________________
max_pooling2d_13 (MaxPooling (None, 10, 6, 8)          0         
_________________________________________________________________
conv2d_26 (Conv2D)           (None, 10, 6, 1)          72        
_________________________________________________________________
tf.compat.v1.squeeze_12 (TFO (None, 10, 6)             0         
_________________________________________________________________
lstm_11 (LSTM)               (None, 16)                1472      
_________________________________________________________________
dropout_14 (Dropout)         (None, 16)                0         
_________________________________________________________________
dense_13 (Dense)             (None, 1)                 17        
=================================================================
Total params: 1,665
Trainable params: 1,649
Non-trainable params: 16
_________________________________________________________________

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8. 模型训练

使用回归计算的预测值和真实值之间的平均绝对误差作为损失函数，使用预测值和真实值之间的对数均方误差作为训练时的监控指标

# 网络编译
model.compile(optimizer = keras.optimizers.Adam(0.001),  # adam优化器学习率0.001
              loss = tf.keras.losses.MeanAbsoluteError(),  # 标签和预测之间绝对差异的平均值
              metrics = tf.keras.losses.MeanSquaredLogarithmicError())  # 计算标签和预测之间的对数误差均方值。

epochs = 300  # 迭代300次

# 网络训练, history保存训练时的信息
history = model.fit(train_ds, epochs=epochs, validation_data=val_ds)

由于history中记录了网络训练时，每次迭代包含的损失信息和指标信息，将它们可视化出来

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
train_msle = history_dict['mean_squared_logarithmic_error']  # 训练集的百分比误差
val_msle = history_dict['val_mean_squared_logarithmic_error']  # 验证集的百分比误差
 
#（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()
 
#（12）绘制训练百分比误差和验证百分比误差
plt.figure()
plt.plot(range(epochs), train_msle, label='train_msle')  # 训练集指标
plt.plot(range(epochs), val_msle, label='val_msle')  # 验证集指标
plt.legend()  # 显示标签
plt.xlabel('epochs')
plt.ylabel('msle')
plt.show()

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9. 预测阶段

首先使用 evaluate() 对整个测试集计算损失和监控指标，使用 predict() 函数通过测试集的特征值计算预测气温。然后绘制预测值和真实值的对比曲线。

# 对整个测试集评估
model.evaluate(test_ds)

# 预测
y_pred = model.predict(x_test)

# 获取标签值对应的时间
df_time = times[-len(y_test):]

# 绘制对比曲线
fig = plt.figure(figsize=(10,5))  # 画板大小
ax = fig.add_subplot(111)  # 画板上添加一张图
# 绘制真实值曲线
ax.plot(df_time, y_test, 'b-', label='actual')
# 绘制预测值曲线
ax.plot(df_time, y_pred, 'r--', label='predict')
# 设置x轴刻度
ax.set_xticks(df_time[::7])

# 设置xy轴标签和title标题
ax.set_xlabel('Date')
ax.set_ylabel('Temperature'); 
ax.set_title('result')
plt.legend()
plt.show()

预测曲线和真实曲线对比如下