1 时间序列模型入门： LSTM

0 前言

        循环神经网络（Recurrent Neural Network，RNN）是一种用于处理序列数据的神经网络。相比一般的神经网络来说，他能够处理序列变化的数据。比如某个单词的意思会因为上文提到的内容不同而有不同的含义，RNN就能够很好地解决这类问题。本质是一个全连接网络，但是因为当前时刻受历史时刻的影响。

      传统的RNN结构可以看做是多个重复的神经元构成的“回路”，每个神经元都接受输入信息并产生输出，然后将输出再次作为下一个神经元的输入，依次传递下去。这种结构能够在序列数据上学习短时依赖关系，但是由于梯度消失和梯度爆炸问题（梯度反向求导链式法则导致），RNN在处理长序列时难以达到很好的性能。而LSTM通过引入记忆细胞、输入门、输出门和遗忘门的概念（加号的引入），能够有效地解决长序列问题。记忆细胞负责保存重要信息，输入门决定要不要将当前输入信息写入记忆细胞，遗忘门决定要不要遗忘记忆细胞中的信息，输出门决定要不要将记忆细胞的信息作为当前的输出。这些门的控制能够有效地捕捉序列中重要的长时间依赖性，并且能够解决梯度问题。

备注：

输入门：输入的数据有多大程度进入模型；

输出门：控制当前时刻的内部状态 c​有多少信息需要输出给外部状态； 

遗忘门：控制上一个时刻的内部状态， ct−1​需要遗忘多少信息；

nn.LSTM(input_size=embed_dim, hidden_size=hidden_size, num_layers=num_layers, batch_first=True)

embed_dim：每个输入元素的特征维度

hidden_size：隐状态的特征维度，根据工程经验可取 hidden_size = embed_dim * 2

num_layers： LSTM 的层数，一般设置为 1-4 层；

output, (hn, cn) = lstm(input) 

input shape = (batch_size, times_stamp, embed_dim) 

output = (batch_size, times_stamp, hidden_size)

output:表示隐藏层在各个 time step 上计算并输出的隐状态

hn 表示所有隐藏层的在最后一个 time step 隐状态,

cn 表示句子的最后一个单词的细胞状态;

 1 模块介绍

数据： 2023“SEED”第四届江苏大数据开发与应用大赛--新能源赛道的数据

MARS开发者生态社区

解题思路： 总共500个充电站状， 关联地理位置，然后提取18个特征；把这18个特征作为时步不长（记得是某个比赛的思路）然后特征长度为1 （类比词向量的size）.

y = LSTM(x,h0,c0)

import numpy as np
import pandas as pd
import torch
import torch.nn as nn
#import tushare as ts
from sklearn.preprocessing import StandardScaler, MinMaxScaler
from sklearn.model_selection import train_test_split
from torch.utils.data import TensorDataset
from tqdm import tqdm

import matplotlib.pyplot as plt
import tqdm
import sys
import os
import gc
import argparse
import warnings
 
warnings.filterwarnings('ignore')


# 读取数据
train_power_forecast_history = pd.read_csv('../data/data1/train/power_forecast_history.csv')
train_power = pd.read_csv('../data/data1/train/power.csv')
train_stub_info = pd.read_csv('../data/data1/train/stub_info.csv')
 
test_power_forecast_history = pd.read_csv('../data/data1/test/power_forecast_history.csv')
test_stub_info = pd.read_csv('../data/data1/test/stub_info.csv')
 
# 聚合数据
train_df = train_power_forecast_history.groupby(['id_encode','ds']).head(1)
del train_df['hour']
 
test_df = test_power_forecast_history.groupby(['id_encode','ds']).head(1)
del test_df['hour']
 
tmp_df = train_power.groupby(['id_encode','ds'])['power'].sum()
tmp_df.columns = ['id_encode','ds','power']
 
# 合并充电量数据
train_df = train_df.merge(tmp_df, on=['id_encode','ds'], how='left')
 
### 合并数据
train_df = train_df.merge(train_stub_info, on='id_encode', how='left')
test_df = test_df.merge(test_stub_info, on='id_encode', how='left')


h3_code = pd.read_csv("../data/h3_lon_lat.csv")
train_df = train_df.merge(h3_code,on='h3')
test_df = test_df.merge(h3_code,on='h3')

def kalman_filter(data, q=0.0001, r=0.01):
    # 后验初始值
    x0 = data[0]                              # 令第一个估计值，为当前值
    p0 = 1.0
    # 存结果的列表
    x = [x0]
    for z in data[1:]:                        # kalman 滤波实时计算，只要知道当前值z就能计算出估计值(后验值)x0
        # 先验值
        x1_minus = x0                         # X(k|k-1) = AX(k-1|k-1) + BU(k) + W(k), A=1,BU(k) = 0
        p1_minus = p0 + q                     # P(k|k-1) = AP(k-1|k-1)A' + Q(k), A=1
        # 更新K和后验值
        k1 = p1_minus / (p1_minus + r)        # Kg(k)=P(k|k-1)H'/[HP(k|k-1)H' + R], H=1
        x0 = x1_minus + k1 * (z - x1_minus)   # X(k|k) = X(k|k-1) + Kg(k)[Z(k) - HX(k|k-1)], H=1
        p0 = (1 - k1) * p1_minus              # P(k|k) = (1 - Kg(k)H)P(k|k-1), H=1
        x.append(x0)                          # 由输入的当前值z 得到估计值x0存入列表中，并开始循环到下一个值
    return x


#kalman_filter()
train_df['new_label'] = 0
for i in range(500):
    #print(i)
    label = i
    #train_df[train_df['id_encode']==labe]['power'].values
    train_df.loc[train_df['id_encode']==label, 'new_label'] = kalman_filter(data=train_df[train_df['id_encode']==label]['power'].values)

### 数据预处理
train_df['flag'] = train_df['flag'].map({'A':0,'B':1})
test_df['flag'] = test_df['flag'].map({'A':0,'B':1})
 
def get_time_feature(df, col):
 
    df_copy = df.copy()
    prefix = col + "_"
    df_copy['new_'+col] = df_copy[col].astype(str)
 
    col = 'new_'+col
    df_copy[col] = pd.to_datetime(df_copy[col], format='%Y%m%d')
    #df_copy[prefix + 'year'] = df_copy[col].dt.year
    df_copy[prefix + 'month'] = df_copy[col].dt.month
    df_copy[prefix + 'day'] = df_copy[col].dt.day
    # df_copy[prefix + 'weekofyear'] = df_copy[col].dt.weekofyear
    df_copy[prefix + 'dayofweek'] = df_copy[col].dt.dayofweek
    # df_copy[prefix + 'is_wknd'] = df_copy[col].dt.dayofweek // 6
    df_copy[prefix + 'quarter'] = df_copy[col].dt.quarter
    # df_copy[prefix + 'is_month_start'] = df_copy[col].dt.is_month_start.astype(int)
    # df_copy[prefix + 'is_month_end'] = df_copy[col].dt.is_month_end.astype(int)
    del df_copy[col]
 
    return df_copy
 
train_df = get_time_feature(train_df, 'ds')
test_df = get_time_feature(test_df, 'ds')

train_df = train_df.fillna(999)
test_df = test_df.fillna(999)

cols = [f for f in train_df.columns if f not in ['ds','power','h3','new_label']]

# 是否进行归一化
scaler = MinMaxScaler(feature_range=(0,1))
scalar_falg = False
if scalar_falg == True:
    df_for_training_scaled = scaler.fit_transform(train_df[cols])
    df_for_testing_scaled= scaler.transform(test_df[cols])
else:
    df_for_training_scaled = train_df[cols]
    df_for_testing_scaled = test_df[cols]
#df_for_training_scaled
# scaler_label = MinMaxScaler(feature_range=(0,1))
# label_for_training_scaled = scaler_label.fit_transform(train_df['new_label']..values)
# label_for_testing_scaled= scaler_label.transform(train_df['new_label'].values)
# #df_for_training_scaled


class Config():
    data_path = '../data/data1/train/power.csv'
    timestep = 18  # 时间步长，就是利用多少时间窗口
    batch_size = 32  # 批次大小
    feature_size = 1  # 每个步长对应的特征数量，这里只使用1维，每天的风速
    hidden_size = 256  # 隐层大小
    output_size = 1  # 由于是单输出任务，最终输出层大小为1，预测未来1天风速
    num_layers = 2  # lstm的层数
    epochs = 10 # 迭代轮数
    best_loss = 0 # 记录损失
    learning_rate = 0.00003 # 学习率
    model_name = 'lstm' # 模型名称
    save_path = './{}.pth'.format(model_name) # 最优模型保存路径
    
config = Config()
x_train, x_test, y_train, y_test = train_test_split(df_for_training_scaled.values, train_df['new_label'].values,shuffle=False, test_size=0.2)

# 将数据转为tensor
x_train_tensor = torch.from_numpy(x_train.reshape(-1,config.timestep,1)).to(torch.float32)
y_train_tensor = torch.from_numpy(y_train.reshape(-1,1)).to(torch.float32)
x_test_tensor = torch.from_numpy(x_test.reshape(-1,config.timestep,1)).to(torch.float32)
y_test_tensor = torch.from_numpy(y_test.reshape(-1,1)).to(torch.float32)

# 5.形成训练数据集
train_data = TensorDataset(x_train_tensor, y_train_tensor)
test_data = TensorDataset(x_test_tensor, y_test_tensor)

# 6.将数据加载成迭代器
train_loader = torch.utils.data.DataLoader(train_data,
                                           config.batch_size,
                                           False)

test_loader = torch.utils.data.DataLoader(test_data,
                                          config.batch_size,
                                          False)


#train_df[cols]
# 7.定义LSTM网络
class LSTM(nn.Module):
    def __init__(self, feature_size, hidden_size, num_layers, output_size):
        super(LSTM, self).__init__()
        self.hidden_size = hidden_size  # 隐层大小
        self.num_layers = num_layers  # lstm层数
        # feature_size为特征维度，就是每个时间点对应的特征数量，这里为1
        self.lstm = nn.LSTM(feature_size, hidden_size, num_layers, batch_first=True)
        self.fc = nn.Linear(hidden_size, output_size)

    def forward(self, x, hidden=None):
        #print(x.shape)
        batch_size = x.shape[0] # 获取批次大小 batch, time_stamp , feat_size
        
        # 初始化隐层状态
        if hidden is None:
            h_0 = x.data.new(self.num_layers, batch_size, self.hidden_size).fill_(0).float()
            c_0 = x.data.new(self.num_layers, batch_size, self.hidden_size).fill_(0).float()
        else:
            h_0, c_0 = hidden
            
        # LSTM运算
        output, (h_0, c_0) = self.lstm(x, (h_0, c_0))
        
        # 全连接层
        output = self.fc(output)  # 形状为batch_size * timestep, 1
        
        # 我们只需要返回最后一个时间片的数据即可
        return output[:, -1, :]
model = LSTM(config.feature_size, config.hidden_size, config.num_layers, config.output_size)  # 定义LSTM网络

loss_function = nn.L1Loss()  # 定义损失函数
optimizer = torch.optim.AdamW(model.parameters(), lr=config.learning_rate)  # 定义优化器


# 8.模型训练
for epoch in range(config.epochs):
    model.train()
    running_loss = 0
    train_bar = tqdm(train_loader)  # 形成进度条
    for data in train_bar:
        x_train, y_train = data  # 解包迭代器中的X和Y
        optimizer.zero_grad()
        y_train_pred = model(x_train)
        loss = loss_function(y_train_pred, y_train.reshape(-1, 1))
        loss.backward()
        optimizer.step()

        running_loss += loss.item()
        train_bar.desc = "train epoch[{}/{}] loss:{:.3f}".format(epoch + 1,
                                                                 config.epochs,
                                                                 loss)

    # 模型验证
    model.eval()
    test_loss = 0
    with torch.no_grad():
        test_bar = tqdm(test_loader)
        for data in test_bar:
            x_test, y_test = data
            y_test_pred = model(x_test)
            test_loss = loss_function(y_test_pred, y_test.reshape(-1, 1))

    if test_loss < config.best_loss:
        config.best_loss = test_loss
        torch.save(model.state_dict(), save_path)

print('Finished Training')

train epoch[1/10] loss:293.638: 100%|███████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████| 3727/3727 [01:41<00:00, 36.84it/s]
100%|█████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████| 932/932 [00:12<00:00, 73.96it/s]
train epoch[2/10] loss:272.386: 100%|███████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████| 3727/3727 [01:49<00:00, 33.90it/s]
100%|█████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████| 932/932 [00:12<00:00, 77.56it/s]
train epoch[3/10] loss:252.972: 100%|███████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████| 3727/3727 [01:43<00:00, 35.91it/s]
100%|█████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████| 932/932 [00:13<00:00, 70.65it/s]
train epoch[4/10] loss:235.282: 100%|███████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████| 3727/3727 [01:45<00:00, 35.27it/s]
100%|█████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████| 932/932 [00:09<00:00, 93.71it/s]
train epoch[5/10] loss:219.069: 100%|███████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████| 3727/3727 [01:34<00:00, 39.57it/s]
100%|████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████| 932/932 [00:08<00:00, 103.92it/s]
train epoch[6/10] loss:203.969: 100%|███████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████| 3727/3727 [01:30<00:00, 41.22it/s]
100%|█████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████| 932/932 [00:09<00:00, 95.62it/s]
train epoch[7/10] loss:189.877: 100%|███████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████| 3727/3727 [01:35<00:00, 39.19it/s]
100%|█████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████| 932/932 [00:12<00:00, 77.61it/s]
train epoch[8/10] loss:176.701: 100%|███████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████| 3727/3727 [01:52<00:00, 33.12it/s]
100%|█████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████| 932/932 [00:11<00:00, 81.34it/s]
train epoch[9/10] loss:164.382: 100%|███████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████| 3727/3727 [01:41<00:00, 36.64it/s]
100%|████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████| 932/932 [00:08<00:00, 112.27it/s]
train epoch[10/10] loss:152.841: 100%|██████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████| 3727/3727 [01:25<00:00, 43.40it/s]
100%|█████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████████| 932/932 [00:09<00:00, 94.54it/s]