基于keras的疫情预测模型的设计与实现

博主采用消融实验，通过LSTM，Seq2Seq+LSTM，LSTM+Attention，Seq2Seq+Attention+LSTM，CNN+BiLSTM+Attention五种模型框架对环境污染数据集进行实验，结果如下：

LSTM模型实现

结构图解

代码实现

 def generate_lstm_model(self,n_input, n_out, n_features):
        self.model = Sequential()
        self.model.add(LSTM(50, activation='relu',  input_shape=(n_input, n_features)))
        self.model.add(Dropout(0.3))
        self.model.add(Dense(n_out))
        self.model.summary()
        # 模型编译
        self.model.compile(optimizer='adam', loss='mse')
        return self.model

模型结构

实验结果

Test RMSE: 16.235

Seq2Seq模型实现

结构图解

首先我们需要了解一些基础概念，博主的大框架使用的是Seq2Seq：

实例介绍

使用Keras建立Seq2Seq模型的基本方法如下：

from tensorflow.keras.layers.recurrent import GRU
from tensorflow.keras.layers.wrappers import TimeDistributed
from tensorflow.keras.models import Sequential, model_from_json
from tensorflow.keras.layers.core import Dense, RepeatVector    
def build_model(input_size, seq_len, hidden_size):
    """建立一个 sequence to sequence 模型"""
    model = Sequential()
    model.add(GRU(input_dim=input_size, output_dim=hidden_size, return_sequences=False))
    model.add(Dense(hidden_size, activation="relu"))
    model.add(RepeatVector(seq_len))
    model.add(GRU(hidden_size, return_sequences=True))
    model.add(TimeDistributed(Dense(output_dim=input_size, activation="linear")))
    model.compile(loss="mse", optimizer='adam')
    return model

下面以时间序列为例来讲解各网络层，各参数的含义：

参数讲解

假设我们的输入有4个时间步，要预测未来的3个时间步，也就是每一个时间样本有4个时间切片，为了简单起见我们就以简单的单变量为例，每个时间步下1个特征也就是序列数据本身，然后标签也是时间样本，每个时间样本下3个时间切片，每个时间切片下也是一个特征，样本的构造大概长这个样子，以1个样本为例：
input
[[1]] [[2]] [[3]] [[4]]

output:
[[5]] [[6]] [[7]]
则代码如下：

 model = Sequential()
    model.add(GRU(input_dim=(4,1), output_dim=hidden_size, return_sequences=False))#输入序列格式为4步长，一变量，输出实为隐藏层个数
    model.add(Dense(hidden_size, activation="relu"))
    model.add(RepeatVector(3)) ## seq_len和我们预测未来多少个时间步有关，上面我们用历史的4个时间步长的数据来预测未来的3个时间步，则repeat 3次，即会将步长改为3
    model.add(GRU(hidden_size, return_sequences=True))
    model.add(TimeDistributed(Dense(output_dim=1, activation="linear")))
    #由于上面将步长改为3了，这里我们只需要设置输出变量数为一即可，单变量为1，多变量则改为相应值即可
    self.model.add(TimeDistributed(Dense(units=n_out, activation="linear")))
        self.model.add(Flatten())#扁平层将（None,1,8)变为（None,1*8)
        self.model.summary()
    model.compile(loss="mse", optimizer='adam')

TimeDistributed和Dense的使用

下面代码是keras里面给出的解释：

  # as the first layer in a model
        model = Sequential()
        model.add(TimeDistributed(Dense(8), input_shape=(10, 16)))
  # now model.output_shape == (None, 10, 8)

从上述代码中可以发现，TimeDistributed和Dense一起配合使用，主要应用于一对多，多对多的情况。
input_shape = (10,16)，表示步长是10，每一步的维度为16，（即：每一个数据的属性长度为16））
首先使用TimeDistributed（Dense（8），input_shape = (10,16)）把每一步的维度为16变成8，不改变步长的大小
若该层的批输入形状然后(50, 10, 16)，则这一层之后的输出为(50, 10, 8)

RepeatVector的使用

这个是keras官网给出的解释

model = Sequential()
model.add(Dense(32, input_dim=32))
# now: model.output_shape == (None, 32)
# note: `None` is the batch dimension
model.add(RepeatVector(3))
# now: model.output_shape == (None, 3, 32)

解释：如果输入的形状为（None,32），经过添加RepeatVector(3)层之后，输出变为（None,3,32）,RepeatVector会改变我们的步长，不改变我们的每一步的维数（即：属性长度）

代码实现

 def generate_seq2seq_model(self,n_input, n_out, n_features):
        self.model = Sequential()
        self.model.add(LSTM(50,input_shape=(n_input, n_features)))
        self.model.add(Dense(10, activation="relu"))
        # 使用 "RepeatVector" 将 Encoder 的输出(最后一个 time step)复制 N 份作为 Decoder 的 N 次输入
        self.model.add(RepeatVector(1))#此为步长
        # Decoder(第二个 LSTM)
        self.model.add(LSTM(50,return_sequences=True))
        # TimeDistributed 是为了保证 Dense 和 Decoder 之间的一致
        self.model.add(TimeDistributed(Dense(units=n_out, activation="linear")))
        self.model.add(Flatten())#扁平层将（None,1,8)变为（None,1*8)
        self.model.summary()
        self.model.compile(loss="mse", optimizer='adam')
        return self.model

模型结构

实验结果

Test RMSE: 17.565

LSTM+Attention模型实现

代码实现

注意力模型的实现需要我们定义一个注意力块，其主要完成的是一个维度转换并进行求权重值的作用。

def attention_block(self,inputs,time_step):
    # batch_size, time_steps, lstm_units -> batch_size, lstm_units, time_steps
    a = Permute((2, 1))(inputs)
    # batch_size, lstm_units, time_steps -> batch_size, lstm_units, time_steps
    a = Dense(time_step, activation='softmax')(a)
    # batch_size, lstm_units, time_steps -> batch_size, time_steps, lstm_units
    a_probs = Permute((2, 1), name='attention_vec')(a)
    # 相当于获得每一个step中，每个特征的权重
    output_attention_mul = merge([inputs, a_probs], name='attention_mul', mode='mul')
    return output_attention_mul


def generate_attention_model(self, n_input, n_out, n_features):
    inputs = Input(shape=(n_input, n_features,))
    # (batch_size, time_steps, input_dim) -> (batch_size, input_dim, lstm_units)
    lstm_out = LSTM(50, return_sequences=True)(inputs)
    attention_mul = self.attention_block(lstm_out,n_input)
    # (batch_size, input_dim, lstm_units) -> (batch_size, input_dim*lstm_units)
    attention_mul = Flatten()(attention_mul)
    output = Dense(n_out, activation='sigmoid')(attention_mul)
    model = Model(inputs=[inputs], outputs=output)
    model.summary()
    model.compile(loss="mse", optimizer='adam')
    return model

模型结构

实验结果

迭代20次后效果不错：当然使用了注意力机制后，在获得了准确性的同时，也需要进行计算的消耗，时间复杂度提升，导致运行时间也加长。

最终的结果：Test RMSE: 13.438

Seq2Seq+Attention+LSTM模型构建

结构图解

该模型实际为Seq2Seq与Attention两者的结合体。

代码实现

def generate_seq2seq_attention_model(self, n_input, n_out, n_features):
    inputs = Input(shape=(n_input, n_features,))
    lstm_out1 = LSTM(50, return_sequences=True)(inputs)
    attention_mul = self.attention_block(lstm_out1, n_input)
    # (batch_size, input_dim, lstm_units) -> (batch_size, input_dim*lstm_units)
    attention_mul = Flatten()(attention_mul)
    output1 = Dense(n_out, activation='sigmoid')(attention_mul)
    repeatVector=RepeatVector(1)(output1)
    lstm_out2 = LSTM(50, return_sequences=True)(repeatVector)
    output2=TimeDistributed(Dense(n_out))(lstm_out2)
    flatten=Flatten()(output2)
    model = Model(inputs=[inputs], outputs=flatten)
    model.summary()
    model.compile(loss="mse", optimizer='adam')
    return model

网络模型结构

实验结果

Test RMSE: 20.571

CNN+LSTM+Attention模型实现

代码实现

注意力模块使用的是之前的

   def cnn_lstm_attention_model(self, n_input, n_out, n_features):
        inputs = Input(shape=(n_input, n_features))
        x = Conv1D(filters=64, kernel_size=1, activation='relu')(inputs)  # , padding = 'same'
        x = Dropout(0.3)(x)
        # lstm_out = Bidirectional(LSTM(lstm_units, activation='relu'), name='bilstm')(x)
        # 对于GPU可以使用CuDNNLSTM
        lstm_out = Bidirectional(LSTM(50, return_sequences=True))(x)
        lstm_out = Dropout(0.3)(lstm_out)
        attention_mul = self.attention_block(lstm_out, n_input)
        attention_mul = Flatten()(attention_mul)
        output = Dense(n_out, activation='sigmoid')(attention_mul)
        model = Model(inputs=[inputs], outputs=output)
        model.summary()
        model.compile(loss="mse", optimizer='adam')
        return model

模型结构

实验结果

Test RMSE: 15.296