【时间序列预测】基于PyTorch实现CNN_BiLSTM算法

  本文将详细介绍如何使用Pytorch实现一个结合卷积神经网络（CNN）和双向长短期记忆网络（BiLSTM）的混合模型—CNN_BiLSTM。这种网络架构结合了CNN在提取局部特征方面的优势和BiLSTM在建模序列数据时的长期依赖关系的能力，特别适用于时序数据的预测任务，如时间序列分析、风速预测、股票预测等。

1. CNN与BiLSTM

• CNN主要通过卷积操作对输入数据进行特征提取，适合于处理局部结构化的特征（如图像数据、时间序列数据中的局部模式）。
• BiLSTM则是基于LSTM的变种，它通过双向遍历序列，可以同时捕捉过去和未来的信息，使其在处理时间序列数据时非常有效。
• 在本例中，CNN负责提取时间序列数据的局部特征，而BiLSTM则进一步捕捉数据中的时序依赖关系，最终通过全连接层输出预测结果。

2. 完整代码实现

"""
CNN_BiLSTM Network
"""
from torch import nn

class CNN_BiLSTM(nn.Module):
    r"""CNN_BiLSTM
    Args:
        cnn_in_channels : CNN输入通道数, if in.shape=[64,7,18] value=7
        bilstm_input_size : bilstm输入大小, if in.shape=[64,7,18] value=18
        output_size :  期望网络输出大小
        
        cnn_out_channels:  CNN层输出通道数
        cnn_kernal_size :  CNN层卷积核大小
        maxpool_kernal_size:  MaxPool Layer kernal_size
        bilstm_hidden_size: BiLSTM Layer hidden_dim
        bilstm_num_layers: BiLSTM Layer num_layers
        dropout:  dropout防止过拟合, 取值(0,1)
        bilstm_proj_size: BiLSTM Layer proj_size
    
    Example:
        >>> import torch
        >>> input = torch.randn([64,7,18])
        >>> model = CNN_BiLSTM(7, 18,18)
        >>> out = model(input)
    """
    def __init__(self,
            cnn_in_channels,
            bilstm_input_size,
            output_size,
            
            cnn_out_channels=32,
            cnn_kernal_size=3,
            maxpool_kernal_size=3,
            bilstm_hidden_size=128,
            bilstm_num_layers=4,
            dropout = 0.05,
            bilstm_proj_size = 0
        ):
        super().__init__()
        
        # CNN Layer
        self.conv1d = nn.Conv1d(in_channels=cnn_in_channels, out_channels=cnn_out_channels, kernel_size=cnn_kernal_size, padding="same")
        self.relu = nn.ReLU()
        self.maxpool = nn.MaxPool1d(kernel_size= maxpool_kernal_size)
        
        # BiLSTM Layer
        self.bilstm = nn.LSTM(
            input_size = int(bilstm_input_size/maxpool_kernal_size),
            hidden_size = bilstm_hidden_size,
            num_layers = bilstm_num_layers,
            batch_first = True,
            dropout = dropout,
            bidirectional = True,
            proj_size = bilstm_proj_size
        )
        
        # output Layer
        self.fc = nn.Linear(bilstm_hidden_size*2,output_size)
    
    def forward(self, x):
        x = self.conv1d(x)
        x = self.relu(x)
        x = self.maxpool(x)
        bilstm_out,_ = self.bilstm(x)
        x = self.fc(bilstm_out[:, -1, :])
        return x      

3. 代码结构解读

3.1 CNN Layer

卷积层（Conv1d）用于提取局部特征，通常用于处理时间序列数据中的局部模式。它的输入是具有多个特征（例如风速、气压、湿度等）的时序数据。

相关代码：

# CNN Layer
self.conv1d = nn.Conv1d(
		in_channels=cnn_in_channels, 
		out_channels=cnn_out_channels, 
		kernel_size=cnn_kernal_size, 
		padding="same"
	)
self.relu = nn.ReLU()
self.maxpool = nn.MaxPool1d(kernel_size= maxpool_kernal_size)

• cnn_in_channels : 表示输入通道数
• cnn_out_channels : 表示卷积层的输出通道数
• cnn_kernal_size : 为卷积核大小
• padding : "same"表示特征输入大小和输出大小一致
• maxpool_kernal_size : 为池化操作的核大小

3.2 BiLSTM Layer

双向长短期记忆网络（BiLSTM）用于捕捉时序数据中的长程依赖关系。

相关代码：

# BiLSTM Layer
self.bilstm = nn.LSTM(
    input_size = int(bilstm_input_size/maxpool_kernal_size),
    hidden_size = bilstm_hidden_size,
    num_layers = bilstm_num_layers,
    batch_first = True,
    dropout = dropout,
    bidirectional = True,
    proj_size = bilstm_proj_size
)

• bilstm_input_size : 表示输入的特征维度
• bilstm_hidden_size : 表示LSTM隐藏状态的维度
• bilstm_num_layers : 是LSTM的层数
• dropout : 用于防止过拟合
• bilstm_proj_size : 是LSTM的投影层大小（如果需要）

3.3 Output Layer

全连接层（fc）将BiLSTM的输出映射到最终的预测结果。输出的维度为output_size，通常是我们需要预测的目标维度（例如未来的功率值）。

相关代码：

# output Layer
self.fc = nn.Linear(bilstm_hidden_size*2, output_size)

output_size : 输出维度大小

3.4 forward Layer

相关代码：

def forward(self, x):
     x = self.conv1d(x)
     x = self.relu(x)
     x = self.maxpool(x)
     bilstm_out,_ = self.bilstm(x)
     x = self.fc(bilstm_out[:, -1, :])
     return x      

• 输入： 是一个三维张量，形状为 [batch_size, input_channels, seq_len]，其中input_channels是输入数据的特征数（例如风速、湿度等），seq_len是时间步数（即输入序列的长度）。
• CNN部分：首先通过卷积层提取局部特征，然后应用ReLU激活函数引入非线性，最后通过最大池化（MaxPool1d）对特征进行降维，减少计算量。
• BiLSTM部分： 接着，将经过CNN处理后的特征传递给BiLSTM，捕捉时间序列中的长期依赖关系。BiLSTM的双向性使得模型能够同时考虑过去和未来的上下文信息。
• 输出： 最终，模型通过全连接层（fc）将BiLSTM的最后一个时间步的输出映射为期望的输出大小。

4. 应用场景

  这个模型适合用于处理时间序列数据的预测任务，特别是在风力发电预测、气象预测、股市预测等领域。CNN用于从输入数据中提取局部特征，而BiLSTM则能够捕捉输入数据的长期时序依赖关系。因此，模型既能有效地处理局部特征，又能关注到长时间范围内的依赖关系，从而提高预测的准确性。

5. 总结

  本文详细介绍了如何使用Pytorch实现一个基于CNN和BiLSTM的混合模型（CNN_BiLSTM）。该模型结合了CNN在局部特征提取上的优势和BiLSTM在序列建模上的长程依赖能力，适用于时序数据的预测任务。在实际应用中，可以根据任务的不同调整CNN和LSTM的层数、通道数和隐藏状态维度等超参数，以提高模型的预测精度。