使用PyTorch构建3层1D CNN LSTM Attention网络模型 ,实现风速预测

时间: 2023-05-27 16:03:21 浏览: 433
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Python-在PyTorch中使用LSTM进行风速预测

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以下示例给出了使用PyTorch构建3层1D CNN LSTM Attention网络模型以进行风速预测的一种方法: 首先,我们需要导入所需的库和数据集。例如,我们使用UCI机器学习库中的气象数据集。 ```python import torch import torch.nn as nn from torch.autograd import Variable from torch.utils.data import DataLoader, Dataset import pandas as pd import numpy as np # Load data cols = ['year', 'month', 'day', 'hour', 'PM2.5', 'DEWP', 'TEMP', 'PRES', 'cbwd', 'Iws', 'Is', 'Ir'] df = pd.read_csv('https://archive.ics.uci.edu/ml/machine-learning-databases/00381/PRSA_data_2010.1.1-2014.12.31.csv', header=0, names=cols).fillna(0) ``` 然后,我们需要对数据集进行适当的处理和变换。例如,我们将在此处为每个数据点定义一个时间序列,并将其随机分割成训练集和测试集。 ```python # Define time series df['time'] = pd.to_datetime(df[['year', 'month', 'day', 'hour']]) df = df.set_index('time') df = df.drop(['year', 'month', 'day', 'hour'], axis=1) # Set training and test data train_size = int(len(df) * 0.70) train_data, test_data = df.iloc[:train_size], df.iloc[train_size:] ``` 接下来,我们需要为模型创建一个数据集类。我们需要定义数据点的长度和要使用的特征。 ```python # Define Dataset class class WindDataset(Dataset): def __init__(self, data, window_size=24, features=['DEWP', 'TEMP', 'PRES', 'Iws', 'Is', 'Ir']): self.data = data[features].values self.targets = data['PM2.5'].values self.window_size = window_size def __len__(self): return len(self.data) - self.window_size def __getitem__(self, index): return { 'x': torch.tensor(self.data[index:index+self.window_size], dtype=torch.float32), 'y': torch.tensor(self.targets[index+self.window_size], dtype=torch.float32) } ``` 然后,我们需要为模型定义一个1D CNN层。我们将使用3个卷积核和ReLU激活函数。 ```python # Define 1D CNN layer class CNN1D(nn.Module): def __init__(self, in_channels, out_channels, kernel_size=3, stride=1): super(CNN1D, self).__init__() self.conv = nn.Conv1d(in_channels, out_channels, kernel_size=kernel_size, stride=stride) self.relu = nn.ReLU() def forward(self, x): x = self.conv(x) x = self.relu(x) return x ``` 接下来,我们需要为模型定义一个LSTM层。我们将使用2个隐藏层和一个输出层。每一层都有64个LSTM单元。在每个时间步长上,LSTM层的输出将作为1D CNN层的输入。 ```python # Define LSTM layer class LSTM(nn.Module): def __init__(self, input_dim, hidden_dim, batch_size, num_layers): super(LSTM, self).__init__() self.input_dim = input_dim self.hidden_dim = hidden_dim self.batch_size = batch_size self.num_layers = num_layers self.lstm = nn.LSTM(input_dim, hidden_dim, num_layers=num_layers) self.hidden = self.init_hidden() def init_hidden(self): hidden = (torch.zeros(self.num_layers, self.batch_size, self.hidden_dim), torch.zeros(self.num_layers, self.batch_size, self.hidden_dim)) return hidden def forward(self, x): lstm_out, self.hidden = self.lstm(x.view(len(x), self.batch_size, -1), self.hidden) return lstm_out[-1] # Define model class Net(nn.Module): def __init__(self, input_dim, cnn_channels, cnn_kernel_size, cnn_stride, lstm_hidden_dim, lstm_num_layers): super(Net, self).__init__() self.cnn = CNN1D(input_dim, cnn_channels, kernel_size=cnn_kernel_size, stride=cnn_stride) self.lstm = LSTM(cnn_channels, lstm_hidden_dim, batch_size=1, num_layers=lstm_num_layers) self.attention = nn.Linear(lstm_hidden_dim, 1) self.out = nn.Linear(lstm_hidden_dim, 1) def forward(self, x): cnn_out = self.cnn(x) lstm_out = self.lstm(cnn_out) attention_out = self.attention(lstm_out) attention_weights = torch.softmax(attention_out, dim=0) attention_applied = attention_weights * lstm_out out = self.out(attention_applied) return out.squeeze() ``` 最后,我们需要定义要使用的超参数。这些可以根据实际情况进行更改。 ```python # Define hyperparameters window_size = 24 input_dim = 6 cnn_channels = 64 cnn_kernel_size = 3 cnn_stride = 1 lstm_hidden_dim = 64 lstm_num_layers = 2 learning_rate = 0.001 num_epochs = 50 batch_size = 32 ``` 然后,我们可以训练模型并针对测试数据评估其性能。 ```python # Train model train_dataset = WindDataset(train_data, window_size=window_size) train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=batch_size, shuffle=True) net = Net(input_dim, cnn_channels, cnn_kernel_size, cnn_stride, lstm_hidden_dim, lstm_num_layers) criterion = nn.MSELoss() optimizer = torch.optim.Adam(net.parameters(), lr=learning_rate) for epoch in range(num_epochs): for batch in train_loader: x = batch['x'] y_true = batch['y'] optimizer.zero_grad() y_pred = net(x) loss = criterion(y_pred, y_true) loss.backward() optimizer.step() # Evaluate model test_dataset = WindDataset(test_data, window_size=window_size) test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=1, shuffle=False) y_pred_list = [] y_true_list = [] with torch.no_grad(): for batch in test_loader: x = batch['x'] y_true = batch['y'] y_pred = net(x) y_pred_list.append(y_pred.item()) y_true_list.append(y_true.item()) rmse = np.sqrt(np.mean((np.array(y_pred_list) - np.array(y_true_list))**2)) print(f'Epoch: {epoch}, RMSE: {rmse:.3f}') ``` 最后,我们可以使用该模型进行预测,例如: ```python # Make prediction test_point = np.array([[-9, 0.1, 1016, 23, 0, 0]]) net.eval() with torch.no_grad(): pred = net(torch.tensor(test_point, dtype=torch.float32)) print(f'Predicted wind speed: {pred.item():.3f} m/s') ```
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