pso-lstm python代码

时间: 2023-08-31 19:09:51 浏览: 72
以下是一个基于PSO优化的LSTM模型的Python代码示例: ``` import numpy as np import pandas as pd import math import random from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler from sklearn.metrics import mean_squared_error # 定义LSTM模型 class LSTM: def __init__(self, input_dim, hidden_dim, output_dim): # 初始化权重 self.input_dim = input_dim self.hidden_dim = hidden_dim self.output_dim = output_dim self.Wf = np.random.randn(input_dim, hidden_dim) / np.sqrt(input_dim) self.Wi = np.random.randn(input_dim, hidden_dim) / np.sqrt(input_dim) self.Wc = np.random.randn(input_dim, hidden_dim) / np.sqrt(input_dim) self.Wo = np.random.randn(input_dim, hidden_dim) / np.sqrt(input_dim) self.Uf = np.random.randn(hidden_dim, hidden_dim) / np.sqrt(hidden_dim) self.Ui = np.random.randn(hidden_dim, hidden_dim) / np.sqrt(hidden_dim) self.Uc = np.random.randn(hidden_dim, hidden_dim) / np.sqrt(hidden_dim) self.Uo = np.random.randn(hidden_dim, hidden_dim) / np.sqrt(hidden_dim) self.V = np.random.randn(hidden_dim, output_dim) / np.sqrt(hidden_dim) self.bf = np.zeros((1, hidden_dim)) self.bi = np.zeros((1, hidden_dim)) self.bc = np.zeros((1, hidden_dim)) self.bo = np.zeros((1, hidden_dim)) self.by = np.zeros((1, output_dim)) def sigmoid(self, x): return 1 / (1 + np.exp(-x)) def forward(self, X): self.T = len(X) self.h = np.zeros((self.T + 1, self.hidden_dim)) self.c = np.zeros((self.T + 1, self.hidden_dim)) self.f = np.zeros((self.T, self.hidden_dim)) self.i = np.zeros((self.T, self.hidden_dim)) self.o = np.zeros((self.T, self.hidden_dim)) self.ct = np.zeros((self.T, self.hidden_dim)) self.y = np.zeros((self.T, self.output_dim)) for t in range(self.T): self.f[t] = self.sigmoid(np.dot(X[t], self.Wf) + np.dot(self.h[t-1], self.Uf) + self.bf) self.i[t] = self.sigmoid(np.dot(X[t], self.Wi) + np.dot(self.h[t-1], self.Ui) + self.bi) self.ct[t] = np.tanh(np.dot(X[t], self.Wc) + np.dot(self.h[t-1], self.Uc) + self.bc) self.c[t] = self.f[t] * self.c[t-1] + self.i[t] * self.ct[t] self.o[t] = self.sigmoid(np.dot(X[t], self.Wo) + np.dot(self.h[t-1], self.Uo) + self.bo) self.h[t] = self.o[t] * np.tanh(self.c[t]) self.y[t] = np.dot(self.h[t], self.V) + self.by return self.y def predict(self, X): y_pred = self.forward(X) return y_pred[-1] def get_weights(self): weights = np.concatenate((self.Wf.flatten(), self.Wi.flatten(), self.Wc.flatten(), self.Wo.flatten(), self.Uf.flatten(), self.Ui.flatten(), self.Uc.flatten(), self.Uo.flatten(), self.V.flatten(), self.bf.flatten(), self.bi.flatten(), self.bc.flatten(), self.bo.flatten(), self.by.flatten())) return weights def set_weights(self, weights): start = 0 end = self.input_dim * self.hidden_dim self.Wf = np.reshape(weights[start:end], (self.input_dim, self.hidden_dim)) start = end end += self.input_dim * self.hidden_dim self.Wi = np.reshape(weights[start:end], (self.input_dim, self.hidden_dim)) start = end end += self.input_dim * self.hidden_dim self.Wc = np.reshape(weights[start:end], (self.input_dim, self.hidden_dim)) start = end end += self.input_dim * self.hidden_dim self.Wo = np.reshape(weights[start:end], (self.input_dim, self.hidden_dim)) start = end end += self.hidden_dim * self.hidden_dim self.Uf = np.reshape(weights[start:end], (self.hidden_dim, self.hidden_dim)) start = end end += self.hidden_dim * self.hidden_dim self.Ui = np.reshape(weights[start:end], (self.hidden_dim, self.hidden_dim)) start = end end += self.hidden_dim * self.hidden_dim self.Uc = np.reshape(weights[start:end], (self.hidden_dim, self.hidden_dim)) start = end end += self.hidden_dim * self.hidden_dim self.Uo = np.reshape(weights[start:end], (self.hidden_dim, self.hidden_dim)) start = end end += self.hidden_dim * self.output_dim self.V = np.reshape(weights[start:end], (self.hidden_dim, self.output_dim)) start = end end += self.hidden_dim self.bf = np.reshape(weights[start:end], (1, self.hidden_dim)) start = end end += self.hidden_dim self.bi = np.reshape(weights[start:end], (1, self.hidden_dim)) start = end end += self.hidden_dim self.bc = np.reshape(weights[start:end], (1, self.hidden_dim)) start = end end += self.hidden_dim self.bo = np.reshape(weights[start:end], (1, self.hidden_dim)) start = end end += self.output_dim self.by = np.reshape(weights[start:end], (1, self.output_dim)) # 定义PSO算法 class Particle: def __init__(self, input_dim, hidden_dim, output_dim): self.position = np.random.randn(1, input_dim * hidden_dim * 9 + hidden_dim * output_dim * 2 + hidden_dim * 5 + output_dim) self.velocity = np.zeros_like(self.position) self.best_position = self.position self.best_error = float('inf') def update_velocity(self, global_best_position, omega, phi_p, phi_g): self.velocity = omega * self.velocity + phi_p * random.random() * (self.best_position - self.position) + phi_g * random.random() * (global_best_position - self.position) def update_position(self): self.position += self.velocity def get_error(self, X_train, y_train, X_test, y_test, input_dim, hidden_dim, output_dim): lstm = LSTM(input_dim, hidden_dim, output_dim) lstm.set_weights(self.position) y_pred_train = lstm.forward(X_train) y_pred_test = lstm.forward(X_test) error_train = mean_squared_error(y_train, y_pred_train) error_test = mean_squared_error(y_test, y_pred_test) if error_test < self.best_error: self.best_position = self.position self.best_error = error_test return error_train, error_test class PSO: def __init__(self, n_particles, input_dim, hidden_dim, output_dim, X_train, y_train, X_test, y_test): self.n_particles = n_particles self.input_dim = input_dim self.hidden_dim = hidden_dim self.output_dim = output_dim self.X_train = X_train self.y_train = y_train self.X_test = X_test self.y_test = y_test self.particles = [Particle(input_dim, hidden_dim, output_dim) for _ in range(n_particles)] self.global_best_position = np.zeros((1, input_dim * hidden_dim * 9 + hidden_dim * output_dim * 2 + hidden_dim * 5 + output_dim)) self.global_best_error = float('inf') def optimize(self, omega, phi_p, phi_g, n_iterations): for i in range(n_iterations): for particle in self.particles: error_train, error_test = particle.get_error(self.X_train, self.y_train, self.X_test, self.y_test, self.input_dim, self.hidden_dim, self.output_dim) if error_test < self.global_best_error: self.global_best_position = particle.position self.global_best_error = error_test particle.update_velocity(self.global_best_position, omega, phi_p, phi_g) particle.update_position() print('Iteration {}, Best Error: {}'.format(i + 1, self.global_best_error)) lstm = LSTM(self.input_dim, self.hidden_dim, self.output_dim) lstm.set_weights(self.global_best_position) return lstm # 读取数据 df = pd.read_csv('data.csv') dataset = df['value'].values.reshape(-1, 1) scaler = MinMaxScaler(feature_range=(0, 1)) dataset = scaler.fit_transform(dataset) # 划分训练集和测试集 train_size = int(len(dataset) * 0.7) test_size = len(dataset) - train_size train, test = dataset[0:train_size, :], dataset[train_size:len(dataset), :] # 构造时间序列数据 def create_dataset(dataset, look_back=1): X, y = [], [] for i in range(len(dataset) - look_back): a = dataset[i:(i+look_back), 0] X.append(a) y.append(dataset[i + look_back, 0]) return np.array(X), np.array(y) look_back = 3 X_train, y_train = create_dataset(train, look_back) X_test, y_test = create_dataset(test, look_back) # 转换为LSTM模型的输入格式 X_train = np.reshape(X_train, (X_train.shape[0], X_train.shape[1], 1)) X_test = np.reshape(X_test, (X_test.shape[0], X_test.shape[1], 1)) # 定义PSO算法的参数 n_particles = 10 omega = 0.7 phi_p = 0.2 phi_g = 0.6 n_iterations = 50 # 运行PSO算法 pso = PSO(n_particles, look_back, 4, 1, X_train, y_train, X_test, y_test) lstm = pso.optimize(omega, phi_p, phi_g, n_iterations) # 预测 y_pred_train = [] for i in range(len(X_train)): y_pred_train.append(lstm.predict(X_train[i])) y_pred_test = [] for i in range(len(X_test)): y_pred_test.append(lstm.predict(X_test[i])) y_pred_train = scaler.inverse_transform(y_pred_train) y_pred_test = scaler.inverse_transform(y_pred_test) y_train = scaler.inverse_transform(y_train.reshape(-1, 1)) y_test = scaler.inverse_transform(y_test.reshape(-1, 1)) # 计算误差 train_error = math.sqrt(mean_squared_error(y_train, y_pred_train)) test_error = math.sqrt(mean_squared_error(y_test, y_pred_test)) print('Train RMSE: %.3f' % train_error) print('Test RMSE: %.3f' % test_error) ```

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