CNN-BiLSTM卷积双向长短期记忆神经网络时间序列预测（Matlab完整源码和数据）

预测效果

基本介绍

CNN-BiLSTM卷积双向长短期记忆神经网络时间序列预测

一、引言

1.1、研究背景和意义

时间序列预测是数据分析中的一个重要领域，它涉及对一系列按时间顺序排列的数据进行建模，以预测未来的值。这种技术在金融、医疗、交通、能源等多个行业有着广泛的应用，例如股票价格预测、疾病传播趋势分析、交通流量预测和电力负荷预测等。随着数据量的不断增长和复杂性的增加，传统的统计方法如ARIMA（自回归积分滑动平均模型）和线性回归模型在处理这些数据时显得力不从心。这些方法通常假设数据是线性的且具有稳定的统计特性，而在实际情况中，时间序列数据往往具有非线性、非平稳性以及复杂的依赖关系。

1.2、研究现状

近年来，深度学习技术由于其在处理复杂数据方面的卓越表现，已经成为时间序列预测研究的热点。特别是循环神经网络（RNN），尤其是长短期记忆网络（LSTM），由于其能够有效捕捉时间序列中的长期依赖关系已被广泛应用于各种预测任务中。尽管如此，LSTM在处理长序列时仍然面临梯度消失和计算资源消耗大的问题。为了解决这些问题，研究者们提出了多种改进模型，如门控循环单元（GRU）和双向LSTM（BiLSTM）等。

1.3、研究目的与内容

本文旨在提出一种新的时间序列预测模型——CNN-BiLSTM模型，该模型结合了卷积神经网络（CNN）和双向长短期记忆网络的优势，通过利用CNN提取时间序列的局部特征和BiLSTM捕捉长期依赖关系，以提高预测的准确性。具体而言，本文将详细介绍CNN-BiLSTM模型的架构设计、训练过程，并通过实验验证其在不同领域时间序列预测中的应用效果。

二、理论基础

2.1、时间序列预测概述

时间序列预测是根据历史数据对未来数据点进行预测的统计方法。时间序列数据具有时间上的顺序性和相关性，即每个数据点都与前一个或多个数据点相关。这种相关性使得时间序列预测成为可能，但也增加了预测的复杂性。时间序列预测的主要挑战包括处理数据的非线性和非平稳性、捕捉长期依赖关系以及应对数据中的噪声和异常值。

2.2、深度学习在时间序列预测中的应用

深度学习通过多层神经网络自动提取和学习数据中的复杂特征，已在图像识别、语音识别等领域取得了显著成功。在时间序列预测中，深度学习模型如LSTM和GRU能够通过门控机制有效捕捉数据中的长期依赖关系。CNN则通过卷积操作提取数据的局部特征，特别适用于捕捉时间序列中的短期模式和周期性变化。将CNN与LSTM结合，可以同时利用两者的优势，提高预测模型的性能。

三、CNN-BiLSTM模型设计

3.1、模型架构详解

CNN-BiLSTM模型由卷积神经网络（CNN）和双向长短期记忆网络（BiLSTM）组成。模型首先使用CNN层对输入的时间序列数据进行卷积操作，提取数据的局部特征。卷积层通过多个卷积核扫描输入数据，每个卷积核负责提取特定尺度的特征，如短期波动或长期趋势。卷积操作后的特征图经过池化层（如最大池化）降维，以减少计算量和增强模型的鲁棒性。

接着，提取的特征被送入BiLSTM层进行处理。BiLSTM由两个方向的LSTM组成，一个向前处理输入序列，另一个向后处理，从而同时捕捉时间序列中的过去和未来信息。这种双向的结构使得模型能够更全面地理解数据中的依赖关系，特别适用于需要考虑上下文信息的预测任务。BiLSTM层的输出随后被送入全连接层进行非线性变换，最后通过输出层生成预测值。

3.2、模型训练与优化

模型的训练过程采用反向传播算法和Adam优化器进行。损失函数通常采用均方根误差（RMSE），以衡量预测值与实际值之间的差异。在训练过程中，为了防止过拟合，可以采用dropout正则化技术。此外，超参数的调整如学习率、批次大小、卷积核大小和数量等对模型性能有显著影响，通常通过网格搜索或随机搜索进行优化。

四、实验设计与结果分析

4.1、实验数据与预处理

为了验证CNN-BiLSTM模型的预测性能，本文选用了具有代表性的时间序列数据。数据预处理是提高模型预测性能的关键步骤，包括数据归一化和窗口划分等。

4.2、实验设置

实验模型的具体参数设置如下：卷积层包含卷积核，池化层采用最大池化；BiLSTM层；全连接层包含。优化器采用Adam，学习率，批次大小，训练轮数。

五、模型优化策略

5.1、参数优化方法

模型的性能很大程度上依赖于超参数的设置。为了找到最优的超参数组合，本文采用了网格搜索和随机搜索两种方法。网格搜索通过遍历预设的超参数组合来寻找最优解，而随机搜索则在超参数空间内随机采样，两者都能有效提高模型的预测性能。此外，使用学习率衰减策略可以在训练过程中动态调整学习率，从而加快模型的收敛速度并提高训练稳定性。

5.2、模型结构改进

为了进一步提升模型的性能，可以考虑对CNN-BiLSTM模型的结构进行改进。一种可能的改进是引入注意力机制，使得模型在处理时间序列数据时能够聚焦于重要的特征和时间步。注意力机制可以根据输入数据的重要性动态调整权重，从而提高模型对关键信息的捕捉能力。此外，可以探索将CNN-BiLSTM模型与其他深度学习模型如Transformer结合，以利用各自的优势，提高预测精度。

六、案例分析

6.1、金融市场预测

金融市场的时间序列数据通常具有高度的非线性和复杂性，包括股票价格、外汇汇率等。CNN-BiLSTM模型通过捕捉数据的短期波动和长期趋势，能够有效地预测股票价格的变动。实验结果表明，该模型在股票价格预测中表现出优异的性能，预测误差显著低于传统方法。这对于投资者来说具有重要意义，因为他们可以根据模型的预测结果做出更明智的投资决策。

6.2、气象预报

气象数据的时间序列预测对于农业、航空、能源等多个行业至关重要。CNN-BiLSTM模型通过提取气象数据中的局部特征和长期依赖关系，能够准确预测未来的温度、湿度、风速等气象要素。实验结果表明，该模型在气象预报中的应用效果显著优于传统方法，能够提供更准确和可靠的气象预测服务。

6.3、能源负荷预测

准确的能源负荷预测对于电力公司的运营和管理至关重要，可以帮助电力公司优化电力生产与分配，减少能源浪费。CNN-BiLSTM模型通过捕捉能源消耗数据中的周期性变化和趋势，能够有效预测未来的能源需求。实验结果表明，该模型在能源负荷预测中的应用效果显著优于传统方法，能够提供更准确和可靠的预测结果，从而帮助电力公司做出更明智的决策。

七、结论与展望

7.1、研究总结

本文提出了一种基于CNN-BiLSTM的时间序列预测模型，通过结合CNN和BiLSTM的优势，提高了预测的准确性。实验结果表明，该模型在金融市场、气象预报和能源负荷预测等不同领域的应用中均表现出优异的性能，显著优于传统预测方法。此外，通过参数优化和模型结构改进，进一步提升了模型的预测性能。

7.2、研究展望

尽管CNN-BiLSTM模型在时间序列预测中取得了显著成效，但仍有改进空间。未来的研究可以考虑引入更多先进的深度学习技术，如注意力机制和Transformer等，以进一步提升模型的性能。同时，探索模型在不同应用场景下的适用性和优化策略，也是未来研究的重要方向。

程序设计

• CNN-BiLSTM卷积双向长短期记忆神经网络时间序列预测（Matlab完整源码和数据）
  1.Matlab实现CNN-BiLSTM卷积双向长短期记忆神经网络时间序列预测（Matlab完整源码和数据）。
  2.输出MAE 、 MAPE、MSE、RMSE、R2多指标评价，运行环境Matlab2023及以上。
  3.代码特点：参数化编程、参数可方便更改、代码编程思路清晰、注释明细。

历时 12.001924 秒。
…………训练集误差指标…………
1.均方差(MSE)：13.2365
2.根均方差(RMSE)：3.6382
3.平均绝对误差（MAE）：1.8183
4.平均相对百分误差（MAPE）：15.5692%
5.R2：94.161%

…………测试集误差指标…………
1.均方差(MSE)：10.0106
2.根均方差(RMSE)：3.164
3.平均绝对误差（MAE）：1.6718
4.平均相对百分误差（MAPE）：15.7819%
5.R2：95.2569%

%%  清空环境变量
layers0 = [ ...
    % 输入特征
    sequenceInputLayer([numFeatures,1,1],'name','input')   %输入层设置
    sequenceFoldingLayer('name','fold')         %使用序列折叠层对图像序列的时间步长进行独立的卷积运算。
    % CNN特征提取
    convolution2dLayer([2,1],4,'Stride',[1,1],'name','conv1')  %添加卷积层，64，1表示过滤器大小，10过滤器个数，Stride是垂直和水平过滤的步长
    batchNormalizationLayer('name','batchnorm1')  % BN层，用于加速训练过程，防止梯度消失或梯度爆炸
    reluLayer('name','relu1')       % ReLU激活层，用于保持输出的非线性性及修正梯度的问题
      % 池化层
    maxPooling2dLayer([2,1],'Stride',2,'Padding','same','name','maxpool')   % 第一层池化层，包括3x3大小的池化窗口，步长为1，same填充方式
    % 展开层
    sequenceUnfoldingLayer('name','unfold')       %独立的卷积运行结束后，要将序列恢复
    %平滑层
    flattenLayer('name','flatten')
    
  bilstmLayer(25,'Outputmode','last','name','hidden1') 
    dropoutLayer(0.2,'name','dropout_1')        % Dropout层，以概率为0.2丢弃输入

    fullyConnectedLayer(1,'name','fullconnect')   % 全连接层设置（影响输出维度）（cell层出来的输出层） %
    regressionLayer('Name','output')    ];
    
lgraph0 = layerGraph(layers0);
lgraph0 = connectLayers(lgraph0,'fold/miniBatchSize','unfold/miniBatchSize');


%% Set the hyper parameters for unet training
options0 = trainingOptions('adam', ...                 % 优化算法Adam
    'MaxEpochs', 150, ...                            % 最大训练次数
    'GradientThreshold', 1, ...                       % 梯度阈值
    'InitialLearnRate', 0.01, ...         % 初始学习率
    'LearnRateSchedule', 'piecewise', ...             % 学习率调整
    'LearnRateDropPeriod',70, ...                   % 训练100次后开始调整学习率
    'LearnRateDropFactor',0.01, ...                    % 学习率调整因子
    'L2Regularization', 0.001, ...         % 正则化参数
    'ExecutionEnvironment', 'cpu',...                 % 训练环境
    'Verbose', 1, ...                                 % 关闭优化过程
    'Plots', 'none');                    % 画出曲线
% % start training
%  训练
tic
net = trainNetwork(trainD,targetD',lgraph0,options0);
toc
%analyzeNetwork(net);% 查看网络结构
%  预测
t_sim1 = predict(net, trainD); 
t_sim2 = predict(net, testD); 

参考资料

[1] https://blog.csdn.net/kjm13182345320/article/details/127626816
[2] https://blog.csdn.net/kjm13182345320/article/details/127179100