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          時序預測的深度學習算法介紹(1)

          發(fā)布人:數(shù)據(jù)派THU 時間:2023-07-25 來源:工程師 發(fā)布文章
          1 概述

          深度學習方法是一種利用神經(jīng)網(wǎng)絡模型進行高級模式識別和自動特征提取的機器學習方法,近年來在時序預測領域取得了很好的成果。常用的深度學習模型包括循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(RNN)、長短時記憶網(wǎng)絡(LSTM)、門控循環(huán)單元(GRU)、卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(CNN)、注意力機制(Attention)和混合模型(Mix )等,與機器學習需要經(jīng)過復雜的特征工程相比,這些模型通常只需要經(jīng)數(shù)據(jù)預處理、網(wǎng)絡結構設計和超參數(shù)調整等,即可端到端輸出時序預測結果。

          深度學習算法能夠自動學習時間序列數(shù)據(jù)中的模式和趨勢,神經(jīng)網(wǎng)絡涉及隱藏層數(shù)、神經(jīng)元數(shù)、學習率和激活函數(shù)等重要參數(shù),對于復雜的非線性模式,深度學習模型有很好的表達能力。在應用深度學習方法進行時序預測時,需要考慮數(shù)據(jù)的平穩(wěn)性和周期性,選擇合適的模型和參數(shù),進行訓練和測試,并進行模型的調優(yōu)和驗證。

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          2 算法展示


          2.1 RNN類

          在RNN中,每個時刻的輸入和之前時刻的狀態(tài)被映射到隱藏狀態(tài)中,同時根據(jù)當前的輸入和之前的狀態(tài),預測下一個時刻的輸出。RNN的一個重要特性是可以處理變長的序列數(shù)據(jù),因此非常適用于時序預測中的時間序列數(shù)據(jù)。另外,RNN還可以通過增加LSTM、GRU、SRU等門控機制來提高模型的表達能力和記憶能力。

          2.1.1 RNN(1990)

          Paper:Finding Structure in Time

          RNN(循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡)是一種強大的深度學習模型,經(jīng)常被用于時間序列預測。RNN通過在時間上展開神經(jīng)網(wǎng)絡,將歷史信息傳遞到未來,從而能夠處理時間序列數(shù)據(jù)中的時序依賴性和動態(tài)變化。在RNN模型的構建中,LSTM和GRU模型常被使用,因為它們可以處理長序列,并具有記憶單元和門控機制,能夠有效地捕捉時間序列中的時序依賴性。

          # RNNmodel = RNNModel(    model="RNN",    hidden_dim=60,    dropout=0,    batch_size=100,    n_epochs=200,    optimizer_kwargs={"lr": 1e-3},    # model_name="Air_RNN",    log_tensorboard=True,    random_state=42,    training_length=20,    input_chunk_length=60,    # force_reset=True,    # save_checkpoints=True,)

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          2.1.2 LSTM(1997)

          Paper:Long Short-Term Memory

          LSTM(長短期記憶)是一種常用的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡模型,經(jīng)常被用于時間序列預測。相對于基本的RNN模型,LSTM具有更強的記憶和長期依賴能力,可以更好地處理時間序列數(shù)據(jù)中的時序依賴性和動態(tài)變化。在LSTM模型的構建中,關鍵的是對LSTM單元的設計和參數(shù)調整。LSTM單元的設計可以影響模型的記憶能力和長期依賴能力,參數(shù)的調整可以影響模型的預測準確性和魯棒性。

          # LSTMmodel = RNNModel(    model="LSTM",    hidden_dim=60,    dropout=0,    batch_size=100,    n_epochs=200,    optimizer_kwargs={"lr": 1e-3},    # model_name="Air_RNN",    log_tensorboard=True,    random_state=42,    training_length=20,    input_chunk_length=60,    # force_reset=True,    # save_checkpoints=True,)
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          2.1.3 GRU(2014)

          Paper:Learning Phrase Representations using RNN Encoder–Decoder for Statistical Machine Translation

          GRU(門控循環(huán)單元)是一種常用的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡模型,與LSTM模型類似,也是專門用于處理時間序列數(shù)據(jù)的模型。GRU模型相對于LSTM模型來說,參數(shù)更少,運算速度也更快,但是仍然能夠處理時間序列數(shù)據(jù)中的時序依賴性和動態(tài)變化。在GRU模型的構建中,關鍵的是對GRU單元的設計和參數(shù)調整。GRU單元的設計可以影響模型的記憶能力和長期依賴能力,參數(shù)的調整可以影響模型的預測準確性和魯棒性。

          # GRUmodel = RNNModel(    model="GRU",    hidden_dim=60,    dropout=0,    batch_size=100,    n_epochs=200,    optimizer_kwargs={"lr": 1e-3},    # model_name="Air_RNN",    log_tensorboard=True,    random_state=42,    training_length=20,    input_chunk_length=60,    # force_reset=True,    # save_checkpoints=True,)

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          2.1.4 SRU(2018)

          Paper:Simple Recurrent Units for Highly Parallelizable Recurrence

          SRU(隨機矩陣單元)是一種基于矩陣計算的循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡模型,也是專門用于處理時間序列數(shù)據(jù)的模型。SRU模型相對于傳統(tǒng)的LSTM和GRU模型來說,具有更少的參數(shù)和更快的運算速度,同時能夠處理時間序列數(shù)據(jù)中的時序依賴性和動態(tài)變化。在SRU模型的構建中,關鍵的是對SRU單元的設計和參數(shù)調整。SRU單元的設計可以影響模型的記憶能力和長期依賴能力,參數(shù)的調整可以影響模型的預測準確性和魯棒性。


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          關鍵詞: AI

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