Python基于TensorFlow实现双向长短时记忆循环神经网络加注意力机制回归模型(BiLSTM-Attention回归算法)项目实战

说明：这是一个机器学习实战项目（附带数据+代码+文档+视频讲解），如需数据+代码+文档+视频讲解可以直接到文章最后关注获取。

1.项目背景

随着人工智能技术的不断进步，深度学习在处理序列数据方面展现了极大的潜力。特别是在需要理解和预测随时间演变的数据集时，诸如金融时间序列分析、自然语言处理、医疗信号处理等应用场景，传统的统计模型和机器学习方法往往难以满足需求。这是因为这些数据通常包含了复杂的长短期依赖关系，而这些关系对于准确预测未来趋势至关重要。

为了解决这些问题，研究人员提出了长短时记忆网络（LSTM），它是一种循环神经网络（RNN）的变体，专门设计用来捕捉长时间依赖性。然而，在一些情况下，单向LSTM可能无法完全利用序列数据的全部信息，特别是在需要同时考虑过去和未来信息的情境下。为了解决这个问题，双向LSTM（BiLSTM）被引入，它通过同时从前向和后向两个方向上处理序列数据，从而提高了模型的信息捕捉能力。

尽管BiLSTM已经在多个领域展示出优越的表现，但对于某些任务来说，模型不仅需要捕捉序列的整体模式，还需要能够关注到序列中最具影响力的片段。这就是注意力机制（Attention Mechanism）的作用所在。注意力机制使得模型能够自动地学习到输入序列中哪些部分最重要，并将更多的处理资源集中在这些部分上，从而进一步提高了模型的表达能力和预测精度。

本项目旨在开发一种结合了BiLSTM和注意力机制的回归模型。我们将使用TensorFlow框架来实现这一模型，并应用于具体的回归任务中，例如股市走势预测、天气预报等。通过整合BiLSTM的长期依赖捕捉能力和注意力机制的选择性聚焦能力，我们期望能够构建出一个更为精准且鲁棒性强的回归模型。此外，项目还将探讨不同超参数设置对模型性能的影响，并尝试优化模型结构以达到更好的预测效果。

本项目通过Python基于TensorFlow实现双向长短时记忆循环神经网络加注意力机制回归模型(BiLSTM-Attention回归算法)项目实战。     

2.数据获取

本次建模数据来源于网络(本项目撰写人整理而成)，数据项统计如下：

数据详情如下(部分展示)：

3.数据预处理

3.1 用Pandas工具查看数据

使用Pandas工具的head()方法查看前五行数据：

关键代码：

3.2数据缺失查看

使用Pandas工具的info()方法查看数据信息：

从上图可以看到，总共有11个变量，数据中无缺失值，共2000条数据。

关键代码： 

3.3数据描述性统计

通过Pandas工具的describe()方法来查看数据的平均值、标准差、最小值、分位数、最大值。

关键代码如下：  

4.探索性数据分析

4.1 y变量分布直方图

用Matplotlib工具的hist()方法绘制直方图：

4.2 相关性分析

从上图中可以看到，数值越大相关性越强，正值是正相关、负值是负相关。  

5.特征工程

5.1 建立特征数据和标签数据

关键代码如下：

5.2 数据集拆分

通过train_test_split()方法按照80%训练集、20%测试集进行划分，关键代码如下：

5.3 数据样本增维

数据样本增加维度后的数据形状：

6.构建双向长短时记忆循环神经网络加注意力机制回归模型  

主要使用BiLSTM-Attention回归算法，用于目标回归。     

6.1 构建模型  

6.2 模型摘要信息 

6.3 模型网络结构

6.4 模型训练集测试集损失曲线图

7.模型评估

7.1评估指标及结果  

评估指标主要包括R方、均方误差、解释性方差、绝对误差等等。

从上表可以看出，R方分值为0.9801，说明模型效果比较好。 

关键代码如下：    

7.2 真实值与预测值对比图

从上图可以看出真实值和预测值波动基本一致，模型效果良好。    

8.结论与展望

综上所述，本文采用了BiLSTM-Attention回归算法来构建回归模型，最终证明了我们提出的模型效果良好。此模型可用于日常产品的预测。