使用pytorch搭建 transformer时间序列预测

时间: 2023-10-09 20:11:05 浏览: 72
Transformer模型可以用于时间序列预测,可以通过输入之前的时间步骤的值来预测未来的值。以下是使用PyTorch搭建Transformer模型进行时间序列预测的示例代码: 首先导入必要的库: ```python import torch import torch.nn as nn import torch.optim as optim import numpy as np import matplotlib.pyplot as plt ``` 接下来,定义Transformer模型: ```python class TransformerModel(nn.Module): def __init__(self, input_dim, output_dim, d_model, nhead, num_layers): super(TransformerModel, self).__init__() self.d_model = d_model self.nhead = nhead self.num_layers = num_layers # Encoder layers self.encoder_layer = nn.TransformerEncoderLayer(d_model=d_model, nhead=nhead) self.encoder = nn.TransformerEncoder(self.encoder_layer, num_layers=num_layers) # Decoder layers self.decoder_layer = nn.TransformerDecoderLayer(d_model=d_model, nhead=nhead) self.decoder = nn.TransformerDecoder(self.decoder_layer, num_layers=num_layers) # Input and output embedding layers self.input_embedding = nn.Linear(input_dim, d_model) self.output_embedding = nn.Linear(d_model, output_dim) def forward(self, src, tgt): src = self.input_embedding(src.transpose(0, 1)) tgt = self.input_embedding(tgt.transpose(0, 1)) # Encoder memory = self.encoder(src) # Decoder output = self.decoder(tgt, memory) output = self.output_embedding(output.transpose(0, 1)) return output ``` 在此模型中,我们使用TransformerEncoder和TransformerDecoder来构建Transformer模型。输入和输出都通过一个线性层进行嵌入。在正向传递期间,我们首先将输入和输出嵌入传递给Encoder和Decoder,然后将Encoder输出传递给Decoder,最后将Decoder输出进行解嵌入以获得最终的预测输出。 接下来,我们定义模型的训练和测试函数: ```python def train(model, train_loader, optimizer, criterion, device): model.train() train_loss = 0 for src, tgt in train_loader: src = src.to(device) tgt = tgt.to(device) optimizer.zero_grad() output = model(src, tgt) loss = criterion(output[:, -1, :], tgt[:, -1, :]) loss.backward() optimizer.step() train_loss += loss.item() return train_loss / len(train_loader) def test(model, test_loader, criterion, device): model.eval() test_loss = 0 with torch.no_grad(): for src, tgt in test_loader: src = src.to(device) tgt = tgt.to(device) output = model(src, tgt) loss = criterion(output[:, -1, :], tgt[:, -1, :]) test_loss += loss.item() return test_loss / len(test_loader) ``` 在训练函数中,我们首先将模型设置为训练模式,然后迭代数据集,并对每个数据点进行正向传递和反向传递。在测试函数中,我们使用相同的方式对数据集进行迭代,但是不进行反向传递。 最后,我们可以加载数据并训练模型: ```python # Load data data = np.sin(np.arange(0, 1000, 0.1)) train_data = data[:8000] test_data = data[8000:] # Create train and test loaders train_loader = torch.utils.data.DataLoader(train_data, batch_size=64, shuffle=True) test_loader = torch.utils.data.DataLoader(test_data, batch_size=64, shuffle=False) # Define hyperparameters input_dim = 1 output_dim = 1 d_model = 64 nhead = 2 num_layers = 2 lr = 0.001 num_epochs = 50 # Initialize model, optimizer, and loss function model = TransformerModel(input_dim, output_dim, d_model, nhead, num_layers) optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=lr) criterion = nn.MSELoss() # Move model to device device = torch.device('cuda' if torch.cuda.is_available() else 'cpu') model.to(device) # Train model train_losses = [] test_losses = [] for epoch in range(num_epochs): train_loss = train(model, train_loader, optimizer, criterion, device) test_loss = test(model, test_loader, criterion, device) print(f'Epoch {epoch+1}/{num_epochs}, Train Loss: {train_loss:.4f}, Test Loss: {test_loss:.4f}') train_losses.append(train_loss) test_losses.append(test_loss) # Plot loss curves plt.plot(train_losses, label='Train Loss') plt.plot(test_losses, label='Test Loss') plt.legend() plt.show() ``` 在此代码中,我们首先生成了一个正弦波作为时间序列数据,然后创建了一个训练和测试数据加载器。接下来,我们定义了超参数,并初始化了模型、优化器和损失函数。最后,我们将模型移动到设备上并训练模型。我们还绘制了训练和测试损失曲线以进行可视化。

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