import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as sns
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler
from sklearn.metrics import r2_score
import tensorflow as tf
from tensorflow.keras import Sequential, layers, utils #新版使用.keras一定要用tensorflow.keras
import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')
dataset = pd.read_csv('DOM_hourly.csv')
# 将字段Datetime数据类型转换为日期类型
dataset['Datetime'] = pd.to_datetime(dataset['Datetime'], format="%Y-%m-%d %H:%M:%S")
# 将字段Datetime设置为索引列
# 目的:后续基于索引来进行数据集的切分
dataset.index = dataset.Datetime #会产生一列新的索引列
dataset.drop(columns=['Datetime'], axis=1, inplace=True) #把原来的日期列删去(使用'drop'),inplace=True保存新的dataset
# 可视化显示DOM_MW的数据分布情况-作出曲线图
dataset['DOM_MW'].plot(figsize=(16,8)) #把'DOM_MW'列做曲线图,figsize是尺寸
plt.show()
# 数据进行归一化
scaler = MinMaxScaler() #均值为0标准差为1的归一化
dataset['DOM_MW'] = scaler.fit_transform(dataset['DOM_MW'].values.reshape(-1, 1))
#注意:一定要定位到.values获取列的值。reshape(-1,1)中'-1'表示行,不知道行数,电脑自行计算,'1'表示1列
# 功能函数:构造特征数据集和标签集
def create_new_dataset(dataset, seq_len = 12):
'''基于原始数据集构造新的序列特征数据集
Params:
dataset : 原始数据集
seq_len : 序列长度(时间跨度)
Returns:
X, y
'''
X = [] # 初始特征数据集为空列表
y = [] # 初始标签数据集为空列表
start = 0 # 初始位置
end = dataset.shape[0] - seq_len # 截止位置
for i in range(start, end): # for循环构造特征数据集
sample = dataset[i : i+seq_len] # 基于时间跨度seq_len创建样本
label = dataset[i+seq_len] # 创建sample对应的标签
X.append(sample) # 保存sample
y.append(label) # 保存label
# 返回特征数据集和标签集
return np.array(X), np.array(y)
# 功能函数:基于新的特征的数据集和标签集,切分:X_train, X_test
def split_dataset(X, y, train_ratio=0.8):
'''基于X和y,切分为train和test
Params:
X : 特征数据集
y : 标签数据集
train_ratio : 训练集占X的比例
Returns:
X_train, X_test, y_train, y_test
'''
X_len = len(X) # 特征数据集X的样本数量
train_data_len = int(X_len * train_ratio) # 训练集的样本数量,用'int'做了数据类型转换
X_train = X[:train_data_len] # 训练集,取0到train_data_len
y_train = y[:train_data_len] # 训练标签集
X_test = X[train_data_len:] # 测试集,取train_data_len到结尾
y_test = y[train_data_len:] # 测试集标签集
# 返回值
return X_train, X_test, y_train, y_test
# 功能函数:基于新的X_train, X_test, y_train, y_test创建批数据(batch dataset)
def create_batch_data(X, y, batch_size=32, data_type=1):
'''基于训练集和测试集,创建批数据
Params:
X : 特征数据集
y : 标签数据集
batch_size : batch的大小,即一个数据块里面有几个样本
data_type : 数据集类型(测试集表示1,训练集表示2)
Returns:
train_batch_data 或 test_batch_data
'''
if data_type == 1: # 测试集
dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((tf.constant(X), tf.constant(y))) # 封装X和y,成为tensor类型
test_batch_data = dataset.batch(batch_size) # 构造批数据;'batch'是进行数据的封装
# 返回
return test_batch_data
else: # 训练集
dataset = tf.data.Dataset.from_tensor_slices((tf.constant(X), tf.constant(y))) # 封装X和y,成为tensor类型;这里用了tf.constant进行转换为不能改变的常数(不转换也可以)
train_batch_data = dataset.cache().shuffle(1000).batch(batch_size) # 构造批数据;'cache'将数据加载到内存中去,调用时不用通过本地调用,速度更快;'shuffle'在训练集中随机选择1000个然后打乱
# 返回
return train_batch_data
# ① 原始数据集
dataset_original = dataset
# ② 构造特征数据集和标签集,seq_len序列长度为12小时
SEQ_LEN = 20 # 序列长度
X, y = create_new_dataset(dataset_original.values, seq_len = SEQ_LEN)
# ③ 数据集切分
X_train, X_test, y_train, y_test = split_dataset(X, y, train_ratio=0.9)
# ④ 基于新的X_train, X_test, y_train, y_test创建批数据(batch dataset)
test_batch_dataset = create_batch_data(X_test, y_test, batch_size=256, data_type=1) # 测试批数据
train_batch_dataset = create_batch_data(X_train, y_train, batch_size=256, data_type=2) # 训练批数据
√ 批数据batch和epoch的关系:epoch是整体模型运行的遍数,若数据有1000条,batch为5,则一共会有200个batch,数据按‘批’训练,epoch=2时,则需要运行400个batch,一共epoch是将模型全运行一遍。
√ 构建特征数据集:(116169,1)=>(116169,20,1) 其中’20’代表序列长度,'1’代表只有一个特征
√ 数据集切分:(116169,20,1)=>(104552,20,1)和(11617,20,1)
model = Sequential([
layers.LSTM(8, input_shape=(SEQ_LEN, 1)), #一层LSTM,需要设定input_shape
layers.Dense(1) #一层全连接层
])
'checkpoint’属于回调函数,就是在训练过程中会保存最好的一组训练模型
# 定义 checkpoint,保存权重文件
file_path = "./checkpoint/best_checkpoint.h5" #保存文件名可以为.h或.ckpt;例子本身保存为.hdf5,暂时不知道为什么运行失败了
checkpoint_callback = tf.keras.callbacks.ModelCheckpoint(filepath=file_path,
monitor='loss',
mode='min',
save_best_only=True,
save_weights_only=True)
#检测‘loss’另最小,并且保存最好的weights
# 模型编译
model.compile(optimizer='adam', loss="mae") #loss:mae/mse
# 模型训练
history = model.fit(train_batch_dataset,#训练数据
epochs=10,#训练10轮
validation_data=test_batch_dataset,#验证数据:测试集
callbacks=[checkpoint_callback])#回调函数
# 显示 train loss 和 val loss
plt.figure(figsize=(16,8))
plt.plot(history.history['loss'], label='train loss') #训练loss
plt.plot(history.history['val_loss'], label='val loss') #验证loss
plt.title("LOSS")
plt.xlabel("Epochs")
plt.ylabel("Loss")
plt.legend(loc='best')
plt.show()
# 模型验证
test_pred = model.predict(X_test, verbose=1) #做预测
score = r2_score(y_test, test_pred) #计算r2平方差
print("r^2 的值: ", score)
# 绘制模型验证结果,把预测值和实际值做曲线比较
plt.figure(figsize=(16,8))
plt.plot(y_test, label="True label")
plt.plot(test_pred, label="Pred label")
plt.title("True vs Pred")
plt.legend(loc='best')
plt.show()
# 绘制test中前100个点的真值与预测值
y_true = y_test[:100]
y_pred = test_pred[:100]
fig, axes = plt.subplots(2, 1, figsize=(16,8))
axes[0].plot(y_true, marker='o', color='red')
axes[1].plot(y_pred, marker='*', color='blue')
plt.show()
√ r^2值越靠近1,效果越好
① 预测1个样本
# 选择test中的最后一个样本
sample = X_test[-1]
sample = sample.reshape(1, sample.shape[0], 1)
# 模型预测
sample_pred = model.predict(sample)
② 预测后续20个点的值
ture_data = X_test[-1] # 真实test的最后20个数据点
list(ture_data[:,0])
def predict_next(model, sample, epoch=20):
temp1 = list(sample[:,0])
for i in range(epoch):
sample = sample.reshape(1, SEQ_LEN, 1)
pred = model.predict(sample)
value = pred.tolist()[0][0]
temp1.append(value)
sample = np.array(temp1[i+1 : i+SEQ_LEN+1])
return temp1
preds = predict_next(model, ture_data, 20)
#绘图
plt.figure(figsize=(12,6))
plt.plot(preds, color='yellow', label='Prediction')
plt.plot(ture_data, color='blue', label='Truth')
plt.xlabel("Epochs")
plt.ylabel("Value")
plt.legend(loc='best')
plt.show()