时间序列预测18：ConvLSTM 实现用电量/发电量预测

本文主要是介绍时间序列预测18：ConvLSTM 实现用电量/发电量预测，希望对大家解决编程问题提供一定的参考价值，需要的开发者们随着小编来一起学习吧！

【时间序列预测/分类】全系列60篇由浅入深的博文汇总：传送门

接上文，本文介绍了ConvLSTM模型实现用电量/发电量预测。

LSTM 处理用电量/发电量预测任务的文章：

【Part1】Encoder-Decoder LSTM 模型实现用电量/发电量预测
【Part2】CNN-LSTM 模型实现用电量/发电量预测
【Part3】本文

文章目录

1. ConvLSTM
- 1.1 CNN 模型
- 1.2 完整代码
扩展
总结

1. ConvLSTM

1.1 CNN 模型

CNN-LSTM方法的进一步扩展是执行CNN的卷积（例如CNN如何读取输入序列数据）作为LSTM的一部分用于每个时间步。这种组合称为ConvLSTM，与CNN-LSTM一样，它也用于时空数据。与直接读取数据以计算内部状态和状态转换的LSTM不同，与解释CNN模型输出的CNN-LSTM也不同，ConvLSTM直接使用卷积作为读取LSTM单元输入的一部分。Keras库提供了ConvLSTM2D类，该类支持二维数据的ConvLSTM模型。它可以配置为一维多变量时间序列预测。默认情况下，ConvLSTM2D类要求输入数据的形状为：[samples，timesteps，rows，cols，channels]。

其中数据的每个时间步均定义为（行×列）数据点的图像。我们正在处理总功耗的一维序列，如果我们假设我们使用两周的数据作为输入，则行为1，列为14。ConvLSTM将一次读取这些数据，即LSTM读取一个14天的时间步长，并在这些时间步长上进行卷积。

在我们的任务中，可以将14天分成两个子序列，每个子序列的长度为7天。然后，ConvLSTM可以读取两个时间步长，并对每个时间步长中的7天数据执行CNN处理。因此，对于此问题的选定框架，ConvLSTM2D的输入shape为：[n，2，1，7，1]。参数说明：

样本（samples）：n，表示训练数据集中的样本数。
时间步长（timesteps）：2，表示将一个窗口宽度为14天的采样数据分为两个子序列。
行（rows）：1，表示每个子序列的一维形状，即有多少行。
列（cols）：7，表示每个子序列，有多少列。
通道（channels）：1，在图像识别任务中的概念，通道数。在时间序列预测任务中其实就是特征数（features），这个概念在之前的文章中反复提及强调。因为本例的业务需求是通过日总功耗来预测下周的日总功耗，所以通道数（特征数）为1，即代表日总功耗。如果要添加其他的特征，这个尺寸要做相应改变。再看下数据集情况，就一目了然了。

还可以探索其他配置，例如使用前21天的总功耗作为输入，并将其分为3个子序列，和/或提供所有八个功能或通道作为输入。ConvLSTM2D的数据输入要求必须将训练数据集重塑为[样本，时间步长，行，列，通道]（[samples, timesteps, rows, cols, channels]）的结构。对比CNN-LSTM完整代码，需要在此基础上做如下修改：

1. 重塑训练样本的shape：

train_x = train_x.reshape((train_x.shape[0], n_steps, 1, n_length, n_features))

2. 设定ConvLSTM模型的输入尺寸参数：

model.add(ConvLSTM2D(filters=64, kernel_size=(1,3), activation='relu',input_shape=(sw_width, 1, n_length, n_features)))
model.add(Flatten())

3. 重塑测试样本的shape：

input_x = input_x.reshape((1, sw_width, 1, n_length, 1))

1.2 完整代码

import numpy as np
import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt# 设置中文显示
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['Microsoft JhengHei']
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = Falseimport math
import sklearn.metrics as skm
from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.layers import LSTM, Dense
from tensorflow.keras.layers import RepeatVector, TimeDistributed
from tensorflow.keras.layers import ConvLSTM2Ddef split_dataset(data):'''该函数实现以周为单位切分训练数据和测试数据'''# data为按天的耗电量统计数据，shape为(1442, 8)# 测试集取最后一年的46周（322天）数据，剩下的159周（1113天）数据为训练集，以下的切片实现此功能。train, test = data[1:-328], data[-328:-6]train = np.array(np.split(train, len(train)/7)) # 将数据划分为按周为单位的数据test = np.array(np.split(test, len(test)/7))return train, testdef evaluate_forecasts(actual, predicted):'''该函数实现根据预期值评估一个或多个周预测损失思路：统计所有单日预测的 RMSE'''scores = list()for i in range(actual.shape[1]):mse = skm.mean_squared_error(actual[:, i], predicted[:, i])rmse = math.sqrt(mse)scores.append(rmse)s = 0 # 计算总的 RMSEfor row in range(actual.shape[0]):for col in range(actual.shape[1]):s += (actual[row, col] - predicted[row, col]) ** 2score = math.sqrt(s / (actual.shape[0] * actual.shape[1]))print('actual.shape[0]:{}, actual.shape[1]:{}'.format(actual.shape[0], actual.shape[1]))return score, scoresdef summarize_scores(name, score, scores):s_scores = ', '.join(['%.1f' % s for s in scores])print('%s: [%.3f] %s\n' % (name, score, s_scores))def sliding_window(train, sw_width=7, n_out=7, in_start=0):'''该函数实现窗口宽度为7、滑动步长为1的滑动窗口截取序列数据'''data = train.reshape((train.shape[0] * train.shape[1], train.shape[2])) # 将以周为单位的样本展平为以天为单位的序列X, y = [], []for _ in range(len(data)):in_end = in_start + sw_widthout_end = in_end + n_out# 保证截取样本完整，最大元素索引不超过原序列索引，则截取数据；否则丢弃该样本if out_end < len(data):# 训练数据以滑动步长1截取train_seq = data[in_start:in_end, 0]train_seq = train_seq.reshape((len(train_seq), 1))X.append(train_seq)y.append(data[in_end:out_end, 0])in_start += 1return np.array(X), np.array(y)def conv_lstm_model(train, sw_width, n_steps, n_length, in_start=0, verbose_set=0, epochs_num=20, batch_size_set=4):'''该函数定义 Encoder-Decoder LSTM 模型'''train_x, train_y = sliding_window(train, sw_width, in_start=0)n_timesteps, n_features, n_outputs = train_x.shape[1], train_x.shape[2], train_y.shape[1]train_x = train_x.reshape((train_x.shape[0], n_steps, 1, n_length, n_features))train_y = train_y.reshape((train_y.shape[0], train_y.shape[1], 1))model = Sequential()model.add(ConvLSTM2D(filters=64, kernel_size=(1,3), activation='relu',input_shape=(n_steps, 1, n_length, n_features)))model.add(Flatten())model.add(RepeatVector(n_outputs))model.add(LSTM(200, activation='relu', return_sequences=True))model.add(TimeDistributed(Dense(100, activation='relu')))model.add(TimeDistributed(Dense(1)))model.compile(loss='mse', optimizer='adam', metrics=['accuracy'])print(model.summary())model.fit(train_x, train_y,epochs=epochs_num, batch_size=batch_size_set, verbose=verbose_set)return modeldef forecast(model, pred_seq, sw_width, n_length, n_steps):'''该函数实现对输入数据的预测'''data = np.array(pred_seq)data = data.reshape((data.shape[0]*data.shape[1], data.shape[2]))input_x = data[-sw_width:, 0] # 获取输入数据的最后一周的数据input_x = input_x.reshape((1, n_steps, 1, n_length, 1))yhat = model.predict(input_x, verbose=0) # 预测下周数据yhat = yhat[0] # 获取预测向量return yhatdef evaluate_model(model, train, test, sd_width, n_length, n_steps):'''该函数实现模型评估'''history_fore = [x for x in train]predictions = list() # 用于保存每周的前向验证结果；for i in range(len(test)):yhat_sequence = forecast(model, history_fore, sd_width, n_length, n_steps) # 预测下周的数据predictions.append(yhat_sequence) # 保存预测结果history_fore.append(test[i, :]) # 得到真实的观察结果并添加到历史中以预测下周predictions = np.array(predictions) # 评估一周中每天的预测结果score, scores = evaluate_forecasts(test[:, :, 0], predictions)return score, scoresdef model_plot(score, scores, days, name):'''该函数实现绘制RMSE曲线图'''plt.figure(figsize=(8,6), dpi=150)plt.plot(days, scores, marker='o', label=name)plt.grid(linestyle='--', alpha=0.5)plt.ylabel(r'$RMSE$', size=15)plt.title('Conv-LSTM 模型预测结果',  size=18)plt.legend()plt.show()def main_run(dataset, sw_width, days, name, in_start, verbose, epochs, batch_size, n_steps, n_length):'''主函数：数据处理、模型训练流程'''# 划分训练集和测试集train, test = split_dataset(dataset.values)# 训练模型model = conv_lstm_model(train, sw_width,  n_steps, n_length, in_start, verbose_set=0, epochs_num=20, batch_size_set=4)# 计算RMSEscore, scores = evaluate_model(model, train, test, sw_width, n_length, n_steps)# 打印分数summarize_scores(name, score, scores)# 绘图model_plot(score, scores, days, name)if __name__ == '__main__':dataset = pd.read_csv('household_power_consumption_days.csv', header=0, infer_datetime_format=True, engine='c',parse_dates=['datetime'], index_col=['datetime'])days = ['sun', 'mon', 'tue', 'wed', 'thr', 'fri', 'sat']name = 'Conv-LSTM'# 定义序列的数量和长度'''n_steps：子序列划分的数量，本例为2，将14天的数据划分为两个7的子序列；n_length：子序列每行的元素数，即列数。'''n_steps, n_length = 2, 7sliding_window_width= n_length * n_stepsinput_sequence_start=0epochs_num=20batch_size_set=16verbose_set=0main_run(dataset, sliding_window_width, days, name, input_sequence_start,verbose_set, epochs_num, batch_size_set, n_steps, n_length)

输出：

Model: "sequential_12"
_________________________________________________________________
Layer (type)                 Output Shape              Param #   
=================================================================
conv_lst_m2d_2 (ConvLSTM2D)  (None, 1, 5, 64)          50176     
_________________________________________________________________
flatten_3 (Flatten)          (None, 320)               0         
_________________________________________________________________
repeat_vector_8 (RepeatVecto (None, 7, 320)            0         
_________________________________________________________________
lstm_16 (LSTM)               (None, 7, 200)            416800    
_________________________________________________________________
time_distributed_16 (TimeDis (None, 7, 100)            20100     
_________________________________________________________________
time_distributed_17 (TimeDis (None, 7, 1)              101       
=================================================================
Total params: 487,177
Trainable params: 487,177
Non-trainable params: 0
_________________________________________________________________
None
actual.shape[0]:46, actual.shape[1]:7
Conv-LSTM: [382.156] 391.3, 386.4, 340.5, 388.9, 364.4, 309.1, 473.6

运行示例总结测试集的性能。实验表明，使用两个卷积层使模型比仅使用单个层更稳定。可以看到，在这种情况下，该模型表现较好，总体RMSE得分约为382千瓦。