时间序列预测 — LSTM实现多变量多步负荷预测(Tensorflow)：多输入多输出

1 数据处理

1.1 导入库文件

1.2 导入数据集

1.3 缺失值分析

2 构造训练数据

3 LSTM模型训练

4 LSTM模型预测

4.1 分量预测

4.2 可视化

1 数据处理

1.1 导入库文件

import time
import datetime
import pandas as pd 
import numpy as np 
import matplotlib.pyplot as plt  
from sampen import sampen2  # sampen库用于计算样本熵
from vmdpy import VMD  # VMD分解库
from itertools import cycle

import tensorflow as tf 
from sklearn.cluster import KMeans
from sklearn.metrics import r2_score, mean_squared_error, mean_absolute_error, mean_absolute_percentage_error 
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler
from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.layers import Dense, Activation, Dropout, LSTM, GRU, Reshape, BatchNormalization
from tensorflow.keras.callbacks import ReduceLROnPlateau, EarlyStopping, ModelCheckpoint
from tensorflow.keras.optimizers import Adam

# 忽略警告信息
import warnings
warnings.filterwarnings('ignore'))

plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']     # 显示中文
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 显示负号
plt.rcParams.update({'font.size':18})  #统一字体字号

1.2 导入数据集

实验数据集采用数据集6：澳大利亚电力负荷与价格预测数据（下载链接），包括数据集包括日期、小时、干球温度、露点温度、湿球温度、湿度、电价、电力负荷特征，时间间隔30min。

from itertools import cycle
# 可视化数据
def visualize_data(data, row, col):
    cycol = cycle('bgrcmk')
    cols = list(data.columns)
    fig, axes = plt.subplots(row, col, figsize=(16, 4))
    fig.tight_layout()
    if row == 1 and col == 1:  # 处理只有1行1列的情况
        axes = [axes]  # 转换为列表，方便统一处理
    for i, ax in enumerate(axes.flat):
        if i < len(cols):
            ax.plot(data.iloc[:,i], c=next(cycol))
            ax.set_title(cols[i])
        else:
            ax.axis('off')  # 如果数据列数小于子图数量，关闭多余的子图
    plt.subplots_adjust(hspace=0.6)
    plt.show()

visualize_data(data_raw.iloc[:,2:], 2, 3)

单独查看部分负荷数据，发现有较强的规律性。

1.3 缺失值分析

首先查看数据的信息，发现并没有缺失值

data_raw.info()

进一步统计缺失值

data_raw.isnull().sum()

2 构造训练数据

构造数据前先将数据变为数值类型

data_load = data_raw.iloc[:,2:].values

构造训练数据，也是真正预测未来的关键。首先设置预测的timesteps时间步、predict_steps预测的步长（预测的步长应该比总的预测步长小），length总的预测步长，参数可以根据需要更改。

timesteps = 48*7 #构造x，为72个数据,表示每次用前72个数据作为一段
predict_steps = 6 #构造y，为12个数据，表示用后12个数据作为一段
length = 48 #预测多步，预测96个数据，每次预测96个，想想要怎么构造预测才能满足96？
feature_num = 6 #特征个数

通过前timesteps行历史数据预测后面predict_steps个数据，需要对数据集进行滚动划分（也就是前timesteps行的数据和后predict_steps行的数据训练，后面预测时就可通过timesteps行数据预测未来的predict_steps行数据）。这里需要注意的是，因为是多变量预测多变量，特征就是标签（例如，前5行[干球温度、露点温度、湿球温度、电价、电力负荷]预测第6行[干球温度、露点温度、湿球温度、电价、电力负荷]，划分数据集时，就用前5行当做train_x，第6行作为train_y，此时的train_y有多列，而不是只有1列）。

# 构造数据集，用于真正预测未来数据
# 整体的思路也就是，前面通过前timesteps个数据训练后面的predict_steps个未来数据
# 预测时取出前timesteps个数据预测未来的predict_steps个未来数据。
def create_dataset(datasetx, datasety=None, timesteps=96*7, predict_size=12):
    datax = []  # 构造x
    datay = []  # 构造y
    for each in range(len(datasetx) - timesteps - predict_size):
        x = datasetx[each:each + timesteps]
        # 判断是否是单变量分解还是多变量分解
        if datasety is not None:
            y = datasety[each + timesteps:each + timesteps + predict_size]
        else:
            y = datasetx[each + timesteps:each + timesteps + predict_size]
        datax.append(x)
        datay.append(y)
    return datax, datay

数据处理前，需要对数据进行归一化，按照上面的方法划分数据，这里返回划分的数据和归一化模型（变量和多变量的归一化不同，多变量归一化需要将X和Y分开归一化，不然会出现信息泄露的问题），此时的归一化相当于是单变量归一化，函数的定义如下：

# 数据归一化操作
def data_scaler(datax, datay=None, timesteps=36, predict_steps=6):
    # 数据归一化操作
    scaler1 = MinMaxScaler(feature_range=(0, 1))   
    datax = scaler1.fit_transform(datax)
    # 用前面的数据进行训练，留最后的数据进行预测
    # 判断是否是单变量分解还是多变量分解
    if datay is not None:
        scaler2 = MinMaxScaler(feature_range=(0, 1))
        datay = scaler2.fit_transform(datay)
        trainx, trainy = create_dataset(datax, datay, timesteps, predict_steps)
        trainx = np.array(trainx)
        trainy = np.array(trainy)
        return trainx, trainy, scaler1, scaler2
    else:
        trainx, trainy = create_dataset(datax, timesteps=timesteps, predict_size=predict_steps)
        trainx = np.array(trainx)
        trainy = np.array(trainy)
        return trainx, trainy, scaler1, None

然后分解的数据进行划分和归一化。通过前7天的48*7行数据预测后1天的数据48个，需要对数据集进行滚动划分（也就是前48*7行的数据和后6行的数据训练，后面预测时就可通过48*7行数据测未来的6行标签，然后将6行预测值添加到历史数据中，历史数据变为48*7+6个，再取出后48*7行数据进行预测，得到6行预测值，滚动进行预测直到预测完成，注意此时的预测值是行而不是个）

trainx, trainy, scalerx, scalery = data_scaler(data_load, timesteps=timesteps, predict_steps=predict_steps)

3 LSTM模型训练

首先划分训练集、测试集、验证数据：

train_x = trainx[:int(trainx.shape[0] * 0.8)]
train_y = trainy[:int(trainy.shape[0] * 0.8)]
test_x = trainx[int(trainx.shape[0] * 0.8):]
test_y = trainy[int(trainy.shape[0] * 0.8):]
test_x.shape, test_y.shape, train_x.shape, train_y.shape

首先搭建模型的常规操作，然后使用训练数据trainx和trainy进行训练，进行50个epochs的训练，每个batch包含64个样本（建议使用GPU进行训练）。

# 搭建LSTM训练函数
def LSTM_model_train(trainx, trainy, valx, valy, timesteps, predict_steps):
    # 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)

    # 搭建LSTM模型
    start_time = datetime.datetime.now()
    model = Sequential()
    model.add(LSTM(128, input_shape=(timesteps, trainx.shape[2]), return_sequences=True))
    model.add(BatchNormalization())  # 添加BatchNormalization层
    model.add(Dropout(0.2))
    model.add(LSTM(64, return_sequences=False))
    model.add(Dense(predict_steps * trainy.shape[2]))
    model.add(Reshape((predict_steps, trainy.shape[2])))

    # 使用自定义的Adam优化器
    opt = Adam(learning_rate=0.001)
    model.compile(loss="mean_squared_error", optimizer=opt)
    
    # 添加早停和模型保存的回调函数
    es = EarlyStopping(monitor='val_loss', mode='min', verbose=1, patience=10)
    mc = ModelCheckpoint('best_model.h5', monitor='val_loss', mode='min', save_best_only=True)

    # 训练模型，这里我假设你有一个验证集(valx, valy)
    history = model.fit(trainx, trainy, validation_data=(valx, valy), epochs=50, batch_size=64, callbacks=[es, mc])

    # 记录训练损失
    loss_history = history.history['loss']

    end_time = datetime.datetime.now()
    running_time = end_time - start_time

    return model, loss_history, running_time

然后进行训练，将训练的模型、损失和训练时间保存。

#模型训练
model, loss_history, running_time = LSTM_model_train(train_x, train_y, test_x, test_y, timesteps, predict_steps)
# 将模型保存为文件
model.save('lstm_model.h5')

训练损失可视化

plt.figure(dpi=100, figsize=(14, 5))
plt.plot(loss_history, markevery=5)

4 LSTM模型预测

4.1 分量预测

下面介绍文章中最重要，也是真正没有未来特征的情况下预测未来标签的方法。整体的思路也就是取出预测前48*7行数据预测未来的6行数据，然后见6行数据添加进历史数据，再预测6行数据，滚动预测。因为每次只能预测6行数据，但是我要预测48个数据，所以采用的就是循环预测的思路。每次预测的6行数据，添加到数据集中充当预测x，然后在预测新的6行y，再添加到预测x列表中，如此往复，最终预测出48行。（注意多变量预测多变量预测的是多列，预测单变量只有一列）

# #滚动predict
# #因为每次只能预测6个数据，但是我要预测6个数据，所以采用的就是循环预测的思路。
# #每次预测的6个数据，添加到数据集中充当预测x，然后在预测新的6个y，再添加到预测x列表中，如此往复,最终预测出48个点。
def predict_using_LSTM(model, data, timesteps, predict_steps, feature_num, length, scaler):
    predict_xlist = np.array(data).reshape(1, timesteps, feature_num) 
    predict_y = np.array([]).reshape(0, feature_num)  # 初始化为空的二维数组
    print('predict_xlist', predict_xlist.shape)
    
    while len(predict_y) < length:
        # 从最新的predict_xlist取出timesteps个数据，预测新的predict_steps个数据
        predictx = predict_xlist[:,-timesteps:,:]
        # 变换格式，适应LSTM模型
        predictx = np.reshape(predictx, (1, timesteps, feature_num)) 
        print('predictx.shape', predictx.shape)
        
        # 预测新值
        lstm_predict = model.predict(predictx)
        print('lstm_predict.shape', lstm_predict.shape)
        
        # 滚动预测
        # 将新预测出来的predict_steps个数据，加入predict_xlist列表，用于下次预测
        print('predict_xlist.shape', predict_xlist.shape)
        predict_xlist = np.concatenate((predict_xlist, lstm_predict), axis=1)
        print('predict_xlist.shape', predict_xlist.shape)
        
        # 预测的结果y，每次预测的6行数据，添加进去，直到预测length个为止
        lstm_predict = scaler.inverse_transform(lstm_predict.reshape(predict_steps, feature_num))
        predict_y = np.concatenate((predict_y, lstm_predict), axis=0)
        print('predict_y', predict_y.shape)
        
    return predict_y

然后对数据进行预测，得到预测结果。

from tensorflow.keras.models import load_model
model = load_model('best_model.h5')
pre_x = scalerx.fit_transform(data_load[-48*8:-48])
pre_y = data_load[-48:,-1]
y_predict = predict_using_LSTM(model, pre_x, timesteps, predict_steps, feature_num, length, scalerx)

4.2 可视化

对预测的结果进行可视化并计算误差。

# 预测并计算误差和可视化
def error_and_plot(y_true,y_predict):
    # 计算误差
    r2 = r2_score(y_true, y_predict)
    rmse = mean_squared_error(y_true, y_predict, squared=False)
    mae = mean_absolute_error(y_true, y_predict)
    mape = mean_absolute_percentage_error(y_true, y_predict)
    print("r2: %.2f\nrmse: %.2f\nmae: %.2f\nmape: %.2f" % (r2, rmse, mae, mape))
    
    # 预测结果可视化
    cycol = cycle('bgrcmk')
    plt.figure(dpi=100, figsize=(14, 5))
    plt.plot(y_true, c=next(cycol), markevery=5)
    plt.plot(y_predict, c=next(cycol), markevery=5)
    plt.legend(['y_true', 'y_predict'])
    plt.xlabel('时间')
    plt.ylabel('功率(kW)')
    plt.show()   
    
    return 0