TensorFlow搭建LSTM实现多变量输入多变量输出时间序列预测（多任务学习）

I. 前言

前面已经写了很多关于时间序列预测的文章：

1. 深入理解PyTorch中LSTM的输入和输出（从input输入到Linear输出）
2. PyTorch搭建LSTM实现时间序列预测（负荷预测）
3. PyTorch中利用LSTMCell搭建多层LSTM实现时间序列预测
4. PyTorch搭建LSTM实现多变量时间序列预测（负荷预测）
5. PyTorch搭建双向LSTM实现时间序列预测（负荷预测）
6. PyTorch搭建LSTM实现多变量多步长时间序列预测（一）：直接多输出
7. PyTorch搭建LSTM实现多变量多步长时间序列预测（二）：单步滚动预测
8. PyTorch搭建LSTM实现多变量多步长时间序列预测（三）：多模型单步预测
9. PyTorch搭建LSTM实现多变量多步长时间序列预测（四）：多模型滚动预测
10. PyTorch搭建LSTM实现多变量多步长时间序列预测（五）：seq2seq
11. PyTorch中实现LSTM多步长时间序列预测的几种方法总结（负荷预测）
12. PyTorch-LSTM时间序列预测中如何预测真正的未来值
13. PyTorch搭建LSTM实现多变量输入多变量输出时间序列预测（多任务学习）
14. PyTorch搭建ANN实现时间序列预测（风速预测）
15. PyTorch搭建CNN实现时间序列预测（风速预测）
16. PyTorch搭建CNN-LSTM混合模型实现多变量多步长时间序列预测（负荷预测）
17. PyTorch搭建Transformer实现多变量多步长时间序列预测（负荷预测）
18. PyTorch时间序列预测系列文章总结（代码使用方法）
19. TensorFlow搭建LSTM实现时间序列预测（负荷预测）
20. TensorFlow搭建LSTM实现多变量时间序列预测（负荷预测）
21. TensorFlow搭建双向LSTM实现时间序列预测（负荷预测）
22. TensorFlow搭建LSTM实现多变量多步长时间序列预测（一）：直接多输出
23. TensorFlow搭建LSTM实现多变量多步长时间序列预测（二）：单步滚动预测
24. TensorFlow搭建LSTM实现多变量多步长时间序列预测（三）：多模型单步预测
25. TensorFlow搭建LSTM实现多变量多步长时间序列预测（四）：多模型滚动预测
26. TensorFlow搭建LSTM实现多变量多步长时间序列预测（五）：seq2seq
27. TensorFlow搭建LSTM实现多变量输入多变量输出时间序列预测（多任务学习）
28. TensorFlow搭建ANN实现时间序列预测（风速预测）
29. TensorFlow搭建CNN实现时间序列预测（风速预测）
30. TensorFlow搭建CNN-LSTM混合模型实现多变量多步长时间序列预测（负荷预测）

上面所有文章都是“单变量输出”，虽然某些文章中提到了“多变量”，但这个多变量只是输入多变量，而不是输出多变量。比如我们利用前24个时刻的[负荷、温度、湿度、压强]预测接下来12个时刻的负荷，此时输入为多变量，虽然有多个输出（多步长），但输出的都是同一变量。

那么有没有办法一次性输出多个变量呢？当然是可以的，在前几篇文章的评论中也有人提到了这个问题，当时我给出的回答是：“这样做效果很不好，不建议这么做”。

II. 多变量输入多变量输出

多变量输入自不必说，不了解的可以去看一下前面几篇文章。

多变量输出是指：我们一次性输出多个变量的预测值。比如我们利用前24小时的[负荷、温度、湿度、压强]预测接下来12个时刻的[负荷、温度、湿度、压强]。实际上，我们可以将多个变量的输出分解开来，看成多个任务，也就是多任务学习，其中每一个任务都是前面提到的多变量输入单变量输出。

具体来讲，假设需要预测四个变量，输出在经过LSTM后得到output，我们将output分别通过四个全连接层，就能得到四个输出。得到四个输出后，我们就可以计算出四个损失函数，对这四个损失函数，本文将其简单求平均以得到最终的损失函数。关于如何组合多任务学习中的损失，已经有很多文献探讨过，感兴趣的可以自行了解。

III. 代码实现

3.1 数据处理

本次实验的数据集中包含三个地区的负荷值。

数据集：

依旧使用前24个时刻的三个变量预测后12个时刻的三个变量，数据处理同前面文章一致。

3.2 模型搭建

多输入多输出LSTM模型搭建如下：

class MTL_LSTM(keras.Model):
    def __init__(self, args):
        super().__init__()
        self.args = args
        self.lstm = layers.LSTM(units=args.hidden_size, input_shape=(args.seq_len, args.input_size),
                                activation='tanh', return_sequences=True)
        self.fc = layers.Dense(64, activation='relu')
        self.fc1 = layers.Dense(args.output_size)
        self.fc2 = layers.Dense(args.output_size)
        self.fc3 = layers.Dense(args.output_size)

    def call(self, input_seq):
        output = self.lstm(input_seq)
        output = self.fc(output)
        pred1, pred2, pred3 = self.fc1(output), self.fc2(output), self.fc3(output)
        pred1, pred2, pred3 = pred1[:, -1, :], pred2[:, -1, :], pred3[:, -1, :]
        
        return [pred1, pred2, pred3]

可以看到，由于需要预测三个变量，所以我们在模型中定义了三个全连接层。在得到LSTM的输出后，分别利用三个全连接层得到三个变量的输出，再将三个输出进行拼接，得到最后的pred，pred的shape为：

predict(n_outputs, batch_size, output_size)

其中n_outputs=3，表示一次性预测三个变量，output_size=12表示这里采用了PyTorch搭建LSTM实现多变量多步长时间序列预测（一）：直接多输出中的策略，一次性输出接下来12个时刻的预测值，因为是直接多输出，所以这里pred_step_size=output_size。

3.3 模型训练/测试

模型训练中，经过预测后，我们得到的label和pred的shape分别为：

label(batch_size, n_outputs, pred_step_size)
pred((n_outputs, batch_size, pred_step_size))

由于需要对每一个output计算损失然后相加求平均，所以我们的损失函数求解如下：

total_loss = 0
for k in range(args.n_outputs):
    total_loss = total_loss + loss_function(labels[:, k, :], preds[k])
total_loss /= 3

即每次都取出一个output进行计算求和再平均。

3.4 实验结果

简单训练100轮，三个地区的负荷值预测结果如下所示：

变量	负荷1	负荷2	负荷3
MAPE	4.44%	7.61%	6.60%

效果一般。

IV. 源码及数据

后面将陆续公开~