時(shí)序預(yù)測 | MATLAB實(shí)現(xiàn)LSTM-SVR(長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-支持向量機(jī))時(shí)間序列預(yù)測

效果一覽

基本介紹

本次運(yùn)行測試環(huán)境MATLAB2018b；
MATLAB實(shí)現(xiàn)LSTM-SVR(長短期記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)-支持向量機(jī))時(shí)間序列預(yù)測；主要研究問題不限于交通預(yù)測、負(fù)荷預(yù)測、氣象預(yù)測、經(jīng)濟(jì)預(yù)測等。LSTM和SVR組合預(yù)測，結(jié)合LSTM序列提取優(yōu)勢和SVR非線性提取優(yōu)勢，組合預(yù)測具體介紹如下。

模型介紹

提出了一種基于長短時(shí)記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法的支持向量機(jī)（LSTM-SVR）的預(yù)測方法，為了保證支持向量機(jī)預(yù)測結(jié)果的準(zhǔn)確性，選用網(wǎng)格搜索法對支持向量機(jī)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化處理。為了減小在預(yù)測算法中，由于誤差的傳遞導(dǎo)致最終預(yù)測結(jié)果與實(shí)際結(jié)果產(chǎn)生較大偏離，在預(yù)測運(yùn)算過程中對采用長短時(shí)記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)組合預(yù)測，對預(yù)測結(jié)果進(jìn)行組合。

LSTM模型

• LSTM 屬于循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)( recurrent neural network，ＲNN) 的一種，其特殊之處在于ＲNN 僅具有記憶暫存的功能，LSTM 兼具長短期記憶功能，LSTM 解決了ＲNN 的長期依賴問題，其特點(diǎn)是在ＲNN 各層結(jié)構(gòu)單元中添加了輸入門、遺忘門和輸出門等閘門。通過“門”控制記憶狀態(tài)、存儲任意時(shí)間和距離的信息，解決了ＲNN 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)只有短期記
  憶、沒有長期記憶的問題。
  
• LSTM 在t 時(shí)刻的輸入為xt，輸出為yt，神經(jīng)元記憶狀態(tài)為st，其輸出門it、遺忘門ft、輸出門ot；
• 構(gòu)建基于長短期記憶網(wǎng)絡(luò)負(fù)荷預(yù)測模型，包括數(shù)據(jù)處理、計(jì)算激活函數(shù)、調(diào)整參數(shù)、訓(xùn)練模型、評價(jià)結(jié)果等。

• 數(shù)據(jù)預(yù)處理，分別對沖擊性負(fù)荷影響因素、穩(wěn)定性負(fù)荷影響因素進(jìn)行數(shù)據(jù)歸一化處理，使其數(shù)值為［0,1］；
• 按照網(wǎng)絡(luò)各層之間的權(quán)重參數(shù)，網(wǎng)絡(luò)的第t層，其權(quán)重參數(shù)( wt
  ，bt) 由上一層的數(shù)據(jù)決定。
• 將上一層輸入輸出作為LSTM 網(wǎng)絡(luò)模型的輸入和輸出進(jìn)行訓(xùn)練，調(diào)整模型參數(shù)，代價(jià)函數(shù)為平方重構(gòu)誤差。
• 完成訓(xùn)練過程后，利用負(fù)荷數(shù)據(jù)，通過LSTM 模型輸出結(jié)果，將得到的負(fù)荷預(yù)測結(jié)果進(jìn)行反歸一化處理，得到負(fù)荷真實(shí)預(yù)測值。
• 將得到的負(fù)荷預(yù)測值與實(shí)際負(fù)荷進(jìn)行對比，采用相對誤差作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，衡量LSTM網(wǎng)絡(luò)模型的預(yù)測準(zhǔn)確性。

SVR模型

• SVM 算法是一種基于最小化結(jié)構(gòu)風(fēng)險(xiǎn)的機(jī)器統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)理論，通過間隔最大化的學(xué)習(xí)策略，最終轉(zhuǎn)化為一個(gè)凸二次規(guī)劃問題的求解。
• SVM 在預(yù)分析中具有適應(yīng)小樣本學(xué)習(xí)和強(qiáng)魯棒性的特點(diǎn)，能補(bǔ)充基于長短期記憶網(wǎng)絡(luò)算法對大量樣本的需求。
• SVR是SVM用于回歸的任務(wù)。
• 通過直接法或間接法構(gòu)造合適的回歸任務(wù)，將某時(shí)刻下的影響因素
  視為回歸的依據(jù)，而該時(shí)刻負(fù)荷的預(yù)測值視為最終回歸結(jié)果的標(biāo)簽。主要的預(yù)測過程如下。

• 數(shù)據(jù)處理與歸一化，輸入數(shù)據(jù)與2．1 節(jié)中相同，采用相同的預(yù)處理方式。
• 利用試驗(yàn)查找方法，得到最佳懲罰參數(shù)C、核函數(shù)和不敏感損失函數(shù)ε。
• 仿真測試，輸入?yún)?shù)，進(jìn)行仿真測試。
• 數(shù)據(jù)反歸一化，得到數(shù)據(jù)預(yù)測值。
• 將得到的負(fù)荷預(yù)測值與實(shí)際負(fù)荷進(jìn)行對比，采用相對誤差作為衡量標(biāo)準(zhǔn)，衡量SVM 模型的預(yù)測準(zhǔn)確性。

LSTM-SVR模型

• LSTM 算法時(shí)序性強(qiáng)，能夠充分挖掘歷史數(shù)據(jù)的規(guī)律，其缺點(diǎn)是要求樣本的數(shù)量多; SVM 算法具有非線性映射和小樣本學(xué)習(xí)的優(yōu)勢，但時(shí)序性差。
• 為充分融合二者的優(yōu)勢提出融合LSTM 和SVM 算法的鋼鐵電力短期負(fù)荷預(yù)測，權(quán)重分配采用最小二乘算法。

程序設(shè)計(jì)

• 完整程序和數(shù)據(jù)下載：私信博主。
• 主程序

nwhole=length(data);   
%計(jì)算數(shù)據(jù)長度
train_ratio=0.90;
ntrain=round(nwhole*train_ratio);
%% CDM
options = optimset;
[W_train,E_train] = fmincon(@(W)ObjectFunction(W,R_train,LSTM_train,SVM_train),W0,LPA,LPB,Aeq,Beq,LB,UB,NONLCON,options);
[W_test,E_test]   = fmincon(@(W)ObjectFunction(W,R_test,LSTM_test,SVM_test),W0,LPA,LPB,Aeq,Beq,LB,UB,NONLCON,options);
fprintf('W_LSTM_test=%f,W_SVM_test=%f',W_test(1),W_test(2))
C_test =W_test(1)*LSTM_test  +W_test(2)*SVM_test;
fprintf('\n\n');
%% 數(shù)據(jù)輸出
%-------------------------------------------------------------------------------------
disp("——————組合模型預(yù)測結(jié)果——————————")
disp("組合模型預(yù)測值   真實(shí)值  組合模型誤差 組合模型相對誤差 ")
disp([C_test  R_test C_error_test C_pererror_test])
disp('預(yù)測絕對平均誤差MAE');
disp('LSTM  SVM 組合模型');
disp([LSTM_MAE  SVM_MAE  C_MAE]); 
disp('預(yù)測平均絕對誤差百分比MAPE');
disp('LSTM  SVM 組合模型');
disp([LSTM_MAPE  SVM_MAPE  C_MAPE]); 
disp('預(yù)測均方誤差MSE')
disp('LSTM  SVM 組合模型');
disp([LSTM_MSE  SVM_MSE  C_MSE]); 
disp('預(yù)測均方根誤差RMSE')
disp('LSTM  SVM 組合模型');
disp([LSTM_RMSE  SVM_RMSE  C_RMSE]); 

W_LSTM_train=0.780212,W_SVM_train=0.219788
——————組合模型預(yù)測結(jié)果——————————
預(yù)測絕對平均誤差MAE
LSTM SVM 組合模型
9.7268 10.3683 9.1884
預(yù)測平均絕對誤差百分比MAPE
LSTM SVM 組合模型
0.0052 0.0056 0.0049
預(yù)測均方誤差MSE
LSTM SVM 組合模型
1.0e+04 *
1.1857 1.3478 1.0736
預(yù)測均方根誤差RMSE
LSTM SVM 組合模型
108.8883 116.0951 103.6134

參考資料

[1] https://blog.csdn.net/kjm13182345320/article/details/120621147?spm=1001.2014.3001.5501
[2] https://blog.csdn.net/kjm13182345320/article/details/120406657?spm=1001.2014.3001.5502

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