时间序列预测实战(十七)PyTorch实现LSTM-GRU模型长期预测并可视化结果（附代码+数据集+详细讲解）

一、本文介绍

本文给大家带来的实战内容是利用PyTorch实现LSTM-GRU模型，LSTM和GRU都分别是RNN中最常用Cell之一，也都是时间序列预测中最常见的结构单元之一，本文的内容将会从实战的角度带你分析LSTM和GRU的机制和效果，同时如果你是时间序列中的新手，这篇文章会带你了解整个时间序列的建模过程，同时本文的实战代码支持多元预测单元、单元预测单元、多元预测多元，本文的实战内容通过时间序列领域最经典的数据集——电力负荷数据集为例进行预测。

内容回顾->时间序列预测专栏——包含上百种时间序列模型带你从入门到精通时间序列预测

预测类型->单元预测、多元预测、长期预测

一、本文介绍

二、LSTM和GRU的机制原理

2.1LSTM的机制原理

2.2.1忘记门

2.2.2输入门

2.2.3输出门

2.2GRU的机制原理

2.2.1GRU的基本原理

2.2.1GRU的基本框架

2.3 融合思想

三、数据集介绍

四、参数讲解

五、模型实战

5.1 模型完整代码

5.2 模型训练

5.3 模型预测

5.4 结果分析

六、全文总结

二、LSTM和GRU的机制原理

2.1LSTM的机制原理

LSTM（长短期记忆，Long Short-Term Memory）是一种用于处理序列数据的深度学习模型，属于循环神经网络（RNN）的一种变体,其使用一种类似于搭桥术结构的RNN单元。相对于普通的RNN，LSTM引入了门控机制，能够更有效地处理长期依赖和短期记忆问题，是RNN网络中最常使用的Cell之一。

LSTM通过刻意的设计来实现学习序列关系的同时，又能够避免长期依赖的问题。它的结构示意图如下所示。

在LSTM的结构示意图中，每一条黑线传输着一整个向量，从一个节点的输出到其他节点的输入。其中“+”号代表着运算操作(如矢量的和)，而矩形代表着学习到的神经网络层。汇合在一起的线表示向量的连接，分叉的线表示内容被复制，然后分发到不同的位置。

如果上面的LSTM结构图你看着很难理解,但是其实LSTM的本质就是一个带有tanh激活函数的简单RNN，如下图所示。

LSTM这种结构的原理是引入一个称为细胞状态的连接。这个状态细胞用来存放想要的记忆的东西(对应简单LSTM结构中的h，只不过这里面不再只保存上一次状态了，而是通过网络学习存放那些有用的状态)，同时在加入三个门,分别是。

忘记门:决定什么时候将以前的状态忘记。

输入门：决定什么时候将新的状态加进来。

输出门：决定什么时候需要把状态和输入放在一起输出。

从字面上可以看出，由于三个门的操作，LSTM在状态的更新和状态是否要作为输入，全部交给了神经网络的训练机制来选择。

下面分别来介绍一下三个门的结构和作用。

2.2.1忘记门

下图所示为忘记门的操作，忘记门决定模型会从细胞状态中丢弃什么信息。

忘记门会读取前一序列模型的输出 $h_{t-1}$ 和当前模型的输入 $X_{t}$ 来控制细胞状态中的每个数是否保留。

例如:在一个语言模型的例子中，假设细胞状态会包含当前主语的性别，于是根据这个状态便可以选择正确的代词。当我们看到新的主语时，应该把新的主语在记忆中更新。忘记们的功能就是先去记忆中找到一千那个旧的主语(并没有真正执行忘记的操作，只是找到而已。

在上图的LSTM的忘记门中， $f_{t}$ 代表忘记门的输出， α代表激活函数， $W_{f}$ 代表忘记门的权重， $x_{t}$ 代表当前模型的输入， $h_{t-1}$ 代表前一个序列模型的输出， $b_{f}$ 代表忘记门的偏置。

2.2.2输入门

输入门可以分为两部分功能，一部分是找到那些需要更新的细胞状态。另一部分是把需要更新的信息更新到细胞状态里

在上面输入门的结构中， $I_{t}$ 代表要更新的细胞状态，α代表激活函数， $x_{t}$ 代表当前模型的输入， $h_{t-1}$ 代表前一个序列模型的输出， $W_{t}$ 代表计算 $I_{t}$ 的权重， $b_{t}$ 代表计算 $I_{t}$ 的偏置， $_{}$ $C_{t}$ 代表使用tanh所创建的新细胞状态， $W_{c}$ 代表计算 $C_{t}$ 的权重， $b_{c}$ 代表计算 $C_{t}$ 的偏置。

忘记门找到了需要忘掉的信息 $f_{t}$ 后，在将它与旧状态相乘，丢弃确定需要丢弃的信息。(如果需要丢弃对应位置权重设置为0)，然后，将结果加上 $I_{t}$ * $C_{t}$ 使细胞状态获得新的信息。这样就完成了细胞状态的更新，如下图输入门的更新图所示。

再上图LSTM输入门的更新图中， $B_{t}$ 代表忘记门的输出结果， $f_{t}$ 代表忘记门的输出结果， $B_{t-1}$ 代表前一个序列模型的细胞状态， $I_{t}$ 代表要更新的细胞状态， $\widetilde{C_{t}}$ 代表使用tanh所创建的新细胞状态。

2.2.3输出门

如下图LSTM的输出门结构图所示，在输出门中，通过一个激活函数层(实际使用的是Sigmoid激活函数)来确定哪个部分的信息将输出，接着把细胞状态通过tanh进行处理(得到一个在-1~1的值)，并将它和Sigmoid门的输出相乘，得出最终想要输出的那个部分，例如，在语言模型中，假设已经输入了一个代词，便会计算出需要输出一个与该代词相关的信息(词向量)

在LSTM的输出门结构图中， $O_{t}$ 代表要输出的信息，α代表激活函数， $W_{o}$ 代表计算 $O_{t}$ 的权重， $b_{o}$ 代表计算 $O_{t}$ 的偏置， $B_{t}$ 代表更新后的细胞状态， $h_{t}$ 代表当前序列模型的输出结果。

2.2GRU的机制原理

2.2.1GRU的基本原理

GRU（门控循环单元）是一种循环神经网络（RNN）的变体，主要用于处理序列数据，它的基本原理可以概括如下：

门控机制：GRU的核心是门控机制，包括更新门（update gate）和重置门（reset gate）。这些门控制着信息的流动，即决定哪些信息应该被保留，哪些应该被遗忘。

更新门：更新门帮助模型决定过去的信息有多少需要保留到当前状态。它是通过当前输入和前一个隐状态计算得出的，用于调节隐状态的更新程度。

重置门：重置门决定了多少过去的信息需要被忘记。它同样依赖于当前输入和前一个隐状态的信息。当重置门接近0时，模型会“忘记”过去的隐状态，只依赖于当前输入。

当前隐状态的计算：利用更新门和重置门的输出，结合前一隐状态和当前输入，GRU计算出当前的隐状态。这个隐状态包含了序列到目前为止的重要信息。

输出：GRU的最终输出通常是在序列的每个时间步上产生的，或者在序列的最后一个时间步产生，取决于具体的应用场景。

总结：GRU相较于传统的RNN，其优势在于能够更有效地处理长序列数据，减轻了梯度消失的问题。同时，它通常比LSTM（长短期记忆网络）更简单，因为它有更少的参数。

2.2.1GRU的基本框架

上面的图片为一个GRU的基本结构图，解释如下->

更新门（z） 在决定是否用新的隐藏状态更新当前隐藏状态时扮演重要角色。
重置门（r） 决定是否忽略之前的隐藏状态。

这些部分是GRU的核心组成，它们共同决定了网络如何在序列数据中传递和更新信息，这对于时间序列分析至关重要。

2.3 融合思想

三、数据集介绍

我们本文用到的数据集是官方的ETTh1.csv ，该数据集是一个用于时间序列预测的电力负荷数据集，它是 ETTh 数据集系列中的一个。ETTh 数据集系列通常用于测试和评估时间序列预测模型。以下是 ETTh1.csv 数据集的一些内容：

数据内容：该数据集通常包含有关电力系统的多种变量，如电力负荷、价格、天气情况等。这些变量可以用于预测未来的电力需求或价格。

时间范围和分辨率：数据通常按小时或天记录，涵盖了数月或数年的时间跨度。具体的时间范围和分辨率可能会根据数据集的版本而异。

以下是该数据集的部分截图->

四、参数讲解

下面的代码是我定义的所有参数，目前只有这些，这个框架我会进行补充，后期也会在这里进行更新。

    parser = argparse.ArgumentParser(description='Time Series forecast')
    parser.add_argument('-model', type=str, default='LSTM-GRU', help="模型持续更新")
    parser.add_argument('-window_size', type=int, default=48, help="时间窗口大小, window_size > pre_len")
    parser.add_argument('-pre_len', type=int, default=24, help="预测未来数据长度")
    # data
    parser.add_argument('-shuffle', action='store_true', default=True, help="是否打乱数据加载器中的数据顺序")
    parser.add_argument('-data_path', type=str, default='ETTh1.csv', help="你的数据数据地址")
    parser.add_argument('-target', type=str, default='OT', help='你需要预测的特征列，这个值会最后保存在csv文件里')
    parser.add_argument('-input_size', type=int, default=7, help='你的特征个数不算时间那一列')
    parser.add_argument('-feature', type=str, default='MS', help='[M, S, MS],多元预测多元,单元预测单元,多元预测单元')
    # learning
    parser.add_argument('-lr', type=float, default=0.001, help="学习率")
    parser.add_argument('-drop_out', type=float, default=0.05, help="随机丢弃概率,防止过拟合")
    parser.add_argument('-epochs', type=int, default=15, help="训练轮次")
    parser.add_argument('-batch_size', type=int, default=128, help="批次大小")
    parser.add_argument('-save_path', type=str, default='models')

    # model
    parser.add_argument('-hidden-size', type=int, default=64, help="隐藏层单元数")
    parser.add_argument('-kernel-sizes', type=str, default='3')
    # device
    parser.add_argument('-use_gpu', type=bool, default=False)
    parser.add_argument('-device', type=int, default=0, help="只设置最多支持单个gpu训练")

    # option
    parser.add_argument('-train', type=bool, default=True)
    parser.add_argument('-predict', type=bool, default=True)
    parser.add_argument('-test', action='store_true', default=False)
    parser.add_argument('-lr-scheduler', type=bool, default=True)
    args = parser.parse_args()

参数的详细讲解->

	参数名称	参数类型	参数讲解
1	model	str	模型名称
2	window_size	int	时间窗口大小大小需要注意window_size需要大于pre_len
3	pre_len	int	预测未来数据的长度
4	shuffle	bool	是否打乱dataloader中的数据
5	data_path	str	你的数据地址
6	target	str	你需要预测的特征列，这个值最后会保存在csv的文件里
7	input_size	int	你的特征列个数不算时间那一列
8	feature	str	[M, S, MS],多元预测多元,单元预测单元,多元预测单元
9	lr	float	学习率大小，
10	drop_out	float	随机丢弃概率，不要太大
11	epochs	int	训练轮次，小于30一般比较合理
12	batch_size	int	一个批次的大小
13	svae_path	str	模型的保存的路径
14	hidden_size	int	隐藏层的单元个数
15	kernel_sizes	int	卷积核大小
16	use_gpu	bool	是否使用GPU
17	device	int	GPU的编号
18	train	bool	是否进行训练
19	predict	bool	是否进行预测
20	lr_scheduler	bool	是否使用学习率计划。

五、模型实战

5.1 模型完整代码

下面是模型的暂时代码，后期会持续更新内容，以后的实战也会基于这个版本的框架下进行。

我们将下面的代码创建一个py文件复制进去即可运行。

import argparse
import time
import numpy as np
import pandas as pd
import torch
import torch.nn as nn
from matplotlib import pyplot as plt
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler
from torch.utils.data import DataLoader
import torch
from torch.utils.data import Dataset
import torch.nn.functional as F
# 随机数种子
np.random.seed(0)

class TimeSeriesDataset(Dataset):
    def __init__(self, sequences):
        self.sequences = sequences

    def __len__(self):
        return len(self.sequences)

    def __getitem__(self, index):
        sequence, label = self.sequences[index]
        return torch.Tensor(sequence), torch.Tensor(label)


def create_inout_sequences(input_data, tw, pre_len):
    # 创建时间序列数据专用的数据分割器
    inout_seq = []
    L = len(input_data)
    for i in range(L - tw):
        train_seq = input_data[i:i + tw]
        if (i + tw + pre_len) > len(input_data):
            break
        train_label = input_data[i + tw:i + tw + pre_len]
        inout_seq.append((train_seq, train_label))
    return inout_seq


def calculate_mae(y_true, y_pred):
    # 平均绝对误差
    mae = np.mean(np.abs(y_true - y_pred))
    return mae


def create_dataloader(config, device):
    print(">>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>创建数据加载器<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<")
    df = pd.read_csv(config.data_path)  # 填你自己的数据地址,自动选取你最后一列数据为特征列 # 添加你想要预测的特征列
    pre_len = config.pre_len  # 预测未来数据的长度
    train_window = config.window_size  # 观测窗口

    # 将特征列移到末尾
    target_data = df[[config.target]]
    df = df.drop(config.target, axis=1)
    df = pd.concat((df, target_data), axis=1)

    cols_data = df.columns[1:]
    df_data = df[cols_data]

    # 这里加一些数据的预处理, 最后需要的格式是pd.series
    true_data = df_data.values

    # 定义标准化优化器
    scaler_train = MinMaxScaler(feature_range=(0, 1))
    scaler_valid = MinMaxScaler(feature_range=(0, 1))
    scaler_test = MinMaxScaler(feature_range=(0, 1))

    # 训练集、验证集、测试集划分
    train_data = true_data[:int(0.75 * len(true_data))]
    valid_data = true_data[int(0.75 * len(true_data)):int(0.80 * len(true_data))]
    test_data = true_data[int(0.80 * len(true_data)):]
    print("训练集尺寸:", len(train_data), "测试集尺寸:", len(test_data), "验证集尺寸:", len(valid_data))

    # 进行标准化处理
    train_data_normalized = scaler_train.fit_transform(train_data)
    test_data_normalized = scaler_test.fit_transform(test_data)
    valid_data_normalized = scaler_valid.fit_transform(valid_data)

    # 转化为深度学习模型需要的类型Tensor
    train_data_normalized = torch.FloatTensor(train_data_normalized).to(device)
    test_data_normalized = torch.FloatTensor(test_data_normalized).to(device)
    valid_data_normalized = torch.FloatTensor(valid_data_normalized).to(device)

    # 定义训练器的的输入
    train_inout_seq = create_inout_sequences(train_data_normalized, train_window, pre_len)
    test_inout_seq = create_inout_sequences(test_data_normalized, train_window, pre_len)
    valid_inout_seq = create_inout_sequences(valid_data_normalized, train_window, pre_len)

    # 创建数据集
    train_dataset = TimeSeriesDataset(train_inout_seq)
    test_dataset = TimeSeriesDataset(test_inout_seq)
    valid_dataset = TimeSeriesDataset(valid_inout_seq)

    # 创建 DataLoader
    train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=args.batch_size, shuffle=True, drop_last=True)
    test_loader = DataLoader(test_dataset, batch_size=args.batch_size, shuffle=False, drop_last=True)
    valid_loader = DataLoader(valid_dataset, batch_size=args.batch_size, shuffle=False, drop_last=True)

    print("通过滑动窗口共有训练集数据：", len(train_loader))
    print("通过滑动窗口共有测试集数据：", len(test_loader))
    print("通过滑动窗口共有验证集数据：", len(test_loader))
    print(">>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>创建数据加载器完成<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<")
    return train_loader, test_loader, valid_loader, scaler_test


class LSTM_GRU(nn.Module):
    def __init__(self, args, device):
        super(LSTM_GRU, self).__init__()
        self.args = args
        self.device = device
        self.dropout = nn.Dropout(args.drop_out)

        self.lstm = nn.LSTM(args.input_size, args.hidden_size , batch_first=True)
        self.gru = nn.GRU(input_size=args.hidden_size , hidden_size=args.hidden_size, num_layers=1, batch_first=True)
        self.linearOut = nn.Linear(args.hidden_size, args.input_size)


    def forward(self, x):

        hidden = ((torch.zeros(1, x.size(0), self.args.hidden_size ).to(self.device)),
                  (torch.zeros(1, x.size(0), self.args.hidden_size ).to(self.device)))
        x, lstm_h = self.lstm(x, hidden)
        x = self.dropout(x)
        x = F.tanh(torch.transpose(x, 1, 2))
        x = x.permute(0, 2, 1)
        x, gru_ = self.gru(x)
        x = self.dropout(x)
        x = F.tanh(torch.transpose(x, 1, 2))
        x = x.permute(0, 2, 1)
        x = self.linearOut(x)
        x = x[:, -args.pre_len:, :]

        return x


def train(model, args, device, scaler):
    losss = []
    lstm_model = model
    loss_function = nn.MSELoss()
    optimizer = torch.optim.Adam(lstm_model.parameters(), lr=0.005)
    epochs = args.epochs
    lstm_model.train()  # 训练模式
    for i in range(epochs):
        start_time = time.time()  # 计算起始时间
        for seq, labels in train_loader:
            lstm_model.train()

            optimizer.zero_grad()

            y_pred = lstm_model(seq)

            single_loss = loss_function(y_pred, labels)

            single_loss.backward()

            optimizer.step()
            print(f'epoch: {i:3} loss: {single_loss.item():10.8f}')
        losss.append(single_loss.detach().numpy())
    torch.save(lstm_model.state_dict(), 'save_model.pth')
    print(f"模型已保存,用时:{(time.time() - start_time) / 60:.4f} min")

    test(model, args, scaler)
    # valid()

def test(model, args, scaler):
    lstm_model = model
    # 加载模型进行预测
    lstm_model.load_state_dict(torch.load('save_model.pth'))
    lstm_model.eval()  # 评估模式
    results = []
    reals = []
    losss = []

    for seq, labels in test_loader:
        pred = lstm_model(seq)
        mae = calculate_mae(pred.detach().numpy(), np.array(labels.detach()))  # MAE误差计算绝对值(预测值  - 真实值)
        losss.append(mae)
        for j in range(args.batch_size):
            for i in range(args.pre_len):
                reals.append(labels[j][i].detach().numpy())
                results.append(pred[j][i].detach().numpy())

    reals = scaler.inverse_transform(np.array(reals))
    results = scaler.inverse_transform(np.array(results))
    print("测试集预测结果：", results)
    print("测试集误差MAE:", losss)

    plt.figure()
    plt.style.use('ggplot')
    # 创建折线图
    plt.plot(reals[:, -1], label='real', color='blue')  # 实际值
    plt.plot(results[:, -1], label='forecast', color='red', linestyle='--')  # 预测值

    # 增强视觉效果
    plt.grid(True)
    plt.title('real vs forecast')
    plt.xlabel('time')
    plt.ylabel('value')
    plt.legend()
    plt.savefig('test——results.png')


def pre_dict():
    # 后期补充预测功能
    pass

if __name__ == '__main__':
    parser = argparse.ArgumentParser(description='Time Series forecast')
    parser.add_argument('-model', type=str, default='LSTM-GRU', help="模型持续更新")
    parser.add_argument('-window_size', type=int, default=48, help="时间窗口大小, window_size > pre_len")
    parser.add_argument('-pre_len', type=int, default=24, help="预测未来数据长度")
    # data
    parser.add_argument('-shuffle', action='store_true', default=True, help="是否打乱数据加载器中的数据顺序")
    parser.add_argument('-data_path', type=str, default='ETTh1.csv', help="你的数据数据地址")
    parser.add_argument('-target', type=str, default='OT', help='你需要预测的特征列，这个值会最后保存在csv文件里')
    parser.add_argument('-input_size', type=int, default=7, help='你的特征个数不算时间那一列')
    parser.add_argument('-feature', type=str, default='MS', help='[M, S, MS],多元预测多元,单元预测单元,多元预测单元')
    # learning
    parser.add_argument('-lr', type=float, default=0.001, help="学习率")
    parser.add_argument('-drop_out', type=float, default=0.05, help="随机丢弃概率,防止过拟合")
    parser.add_argument('-epochs', type=int, default=15, help="训练轮次")
    parser.add_argument('-batch_size', type=int, default=128, help="批次大小")
    parser.add_argument('-save_path', type=str, default='models')

    # model
    parser.add_argument('-hidden-size', type=int, default=64, help="隐藏层单元数")
    parser.add_argument('-kernel-sizes', type=str, default='3')
    # device
    parser.add_argument('-use_gpu', type=bool, default=False)
    parser.add_argument('-device', type=int, default=0, help="只设置最多支持单个gpu训练")

    # option
    parser.add_argument('-train', type=bool, default=True)
    parser.add_argument('-predict', type=bool, default=True)
    parser.add_argument('-lr-scheduler', type=bool, default=True)
    args = parser.parse_args()

    if isinstance(args.device, int) and args.use_gpu:
        device = torch.device("cuda:" + f'{args.device}')
    else:
        device = torch.device("cpu")

    # 读取数据地址,创建数据加载器
    train_loader, test_loader, valid_loader, scaler = create_dataloader(args, device)

    # 实例化模型
    model = LSTM_GRU(args, device).to(device)

    # 训练模型
    if args.train:
        print(f">>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>开始{args.model}模型训练<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<")
        train(model, args, device, scaler)
    if args.predict:
        print(f">>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>>预测未来{args.pre_len}条数据<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<<")
        pre_dict()