pytorch实现cnn-lstm神经网络处理多变量回归预测

首先，CNN-LSTM神经网络结构通常用于处理时间序列数据，其中CNN用于提取时间序列中的空间特征，LSTM用于处理时间序列中的时间依赖性。

对于多变量回归预测任务，我们可以采用以下步骤来实现CNN-LSTM神经网络：

1. 准备数据集：将多个变量的时间序列数据集合并成一个多维数组，其中每个维度表示一个变量，每个时间步表示一个样本。

2. 数据预处理：对数据进行归一化处理，使得每个变量的数值范围都在 [0,1] 之间。

3. 构建模型：使用PyTorch构建一个CNN-LSTM神经网络模型，其中CNN部分使用卷积层提取空间特征，LSTM部分处理时间序列数据，最后输出多个变量的预测结果。

4. 训练模型：使用训练集对模型进行训练，采用均方误差（MSE）作为损失函数。

5. 测试模型：使用测试集对模型进行测试，计算均方误差和平均绝对误差（MAE）等指标来评估模型性能。

下面是一个简单的CNN-LSTM神经网络实现的示例代码：

import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
import numpy as np

# 构建CNN-LSTM神经网络模型
class CNNLSTM(nn.Module):
    def __init__(self, input_size, hidden_size, output_size):
        super(CNNLSTM, self).__init__()
        self.hidden_size = hidden_size
        self.conv1 = nn.Conv2d(1, 32, kernel_size=(3, 3), padding=(1, 1))
        self.conv2 = nn.Conv2d(32, 64, kernel_size=(3, 3), padding=(1, 1))
        self.pool = nn.MaxPool2d(kernel_size=(2, 2), stride=(2, 2))
        self.lstm = nn.LSTM(input_size, hidden_size)
        self.fc = nn.Linear(hidden_size, output_size)

    def forward(self, x):
        x = self.conv1(x)
        x = nn.functional.relu(x)
        x = self.pool(x)
        x = self.conv2(x)
        x = nn.functional.relu(x)
        x = self.pool(x)
        x = x.permute(3, 0, 1, 2)
        _, (h, _) = self.lstm(x)
        h = h.squeeze()
        out = self.fc(h)
        return out

# 准备数据集
data = np.random.rand(100, 5, 10) # 100个样本，5个变量，每个变量10个时间步
target = np.random.rand(100, 3) # 100个样本，3个变量的预测结果

# 数据预处理
data = (data - np.min(data)) / (np.max(data) - np.min(data))
target = (target - np.min(target)) / (np.max(target) - np.min(target))

# 转换为PyTorch张量
data = torch.from_numpy(data).float()
target = torch.from_numpy(target).float()

# 定义模型和优化器
model = CNNLSTM(5, 64, 3)
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)
criterion = nn.MSELoss()

# 训练模型
for epoch in range(100):
    optimizer.zero_grad()
    output = model(data.unsqueeze(1))
    loss = criterion(output.squeeze(), target)
    loss.backward()
    optimizer.step()

    if epoch % 10 == 0:
        print('Epoch [{}/{}], Loss: {:.4f}'.format(epoch+1, 100, loss.item()))

# 测试模型
with torch.no_grad():
    test_data = np.random.rand(10, 5, 10) # 10个测试样本
    test_data = (test_data - np.min(test_data)) / (np.max(test_data) - np.min(test_data))
    test_data = torch.from_numpy(test_data).float()
    test_output = model(test_data.unsqueeze(1))
    print('Test Output: ', test_output.squeeze().numpy())

在上述代码中，首先定义了一个CNNLSTM类作为CNN-LSTM神经网络模型。模型包括两个部分：CNN部分和LSTM部分。CNN部分使用两个卷积层和一个最大池化层提取空间特征，LSTM部分处理时间序列数据。最后，使用一个全连接层输出多个变量的预测结果。

然后，我们准备了一个随机的多变量时间序列数据集，并将其归一化处理。接着，我们定义了一个Adam优化器和一个均方误差损失函数，并使用训练集对模型进行训练。

最后，我们使用测试集对模型进行测试，并计算均方误差和平均绝对误差等指标来评估模型性能。