LSTM时间序列预测中的一个常见错误以及如何修正

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简介: 在使用LSTM进行时间序列预测时,常见错误是混淆回归和预测问题。LSTM需将时间序列转化为回归问题,通常使用窗口或多步方法。然而,窗口方法中,模型在预测未来值时依赖已知的未来值,导致误差累积。为解决此问题,应采用迭代预测和替换输入值的方法,或者在多步骤方法中选择合适的样本数量和训练大小以保持时间结构。编码器/解码器模型能更好地处理时间数据。

当使用LSTM进行时间序列预测时,人们容易陷入一个常见的陷阱。为了解释这个问题,我们需要先回顾一下回归器和预测器是如何工作的。预测算法是这样处理时间序列的:

一个回归问题是这样的:

因为LSTM是一个回归量,我们需要把时间序列转换成一个回归问题。有许多方法可以做到这一点,一般使用窗口和多步的方法,但是在使用过程中会一个常见错误。

在窗口方法中,时间序列与每个时间步长的先前值相耦合,作为称为窗口的虚拟特征。这里我们有一个大小为3的窗口:

下面的函数从单个时间序列创建一个Window方法数据集。结果数据集将具有对角线重复,并且根据回看值,样本数量将发生变化:

 def window(sequences, look_back):
     X, y = [], []
     for i in range(len(sequences)-look_back-1):
         x = sequences[i:(i+look_back)]
         X.append(x)
         y.append(sequences[i + look_back])
     return np.array(X), np.array(y)

让我们来检查一下结果。模型训练完成后,在测试集上进行测试。让我们看看代码和结果是什么样子的:

 look_back = 3
 X, y = window(ts_data, look_back)

 # Train-test split
 train_ratio = 0.8
 train_size = int(train_ratio * len(ts_data))
 X_train, X_test = X[:train_size-look_back], X[train_size-look_back:]
 y_train, y_test = y[:train_size-look_back], y[train_size-look_back:]


 # Create and train LSTM model
 model = Sequential()
 model.add(LSTM(units=72, activation='tanh', input_shape=(look_back, 1)))
 model.add(Dense(1))
 model.compile(loss='mean_squared_error', optimizer='Adam', metrics=['mape'])

 model.fit(x=X_train, y=y_train, epochs=500, batch_size=18, verbose=2)

 # Make predictions
 forecasts = model.predict(X_test)
 lstm_fits = model.predict(X_train)

 # Calculate metrics
 mape = mean_absolute_percentage_error(y_test, forecasts)
 r2 = r2_score(y_train, lstm_fits)

 # Initialize dates
 date_range = pd.date_range(start='1990-01-01', end='2023-09-30', freq='M')

 # Add empty values in fits to match the original time series
 fits = np.full(train_size, np.nan)
 for i in range(train_size-look_back):
     fits[i+look_back] = lstm_fits[i]

 # Plot actual, fits, and forecasts
 plt.figure(figsize=(10, 6))
 plt.plot(date_range, ts_data, label='Actual', color='blue')
 plt.plot(date_range[:train_size], fits, label='Fitted', color='green')
 plt.plot(date_range[train_size:], forecasts, label='Forecast', color='red')
 plt.title('FSC - Short - Passengers\nOne Step Forward Forecast')
 plt.xlabel('Date')
 plt.ylabel('Passengers')
 plt.legend()
 plt.text(0.05, 0.05, f'R2 = {r2*100:.2f}%\nMAPE = {mape*100:.2f}%', transform=plt.gca().transAxes, fontsize=12)
 plt.grid(True)
 plt.show()

结果看起来很棒。但是看一下样本测试集,我们发现了一个奇怪的问题:

在生成y9时,y8在模型中被用作输入。但是实际上我们是不知道y8的值的,我们正在预测未来的时间步骤,将未来的值也纳入其中了。

所以用前一个实例的预测值替换输入值的迭代测试集将解决问题。但是在这种情况下,模型建立在自己的预测之上,就像传统的预测算法一样:

 # Iterative prediction and substitution
 for i in range(len(X_test)):
     forecasts[i] = model.predict(X_test[i].reshape(1, look_back, 1))
     if i != len(X_test)-1:
         X_test[i+1,look_back-1] = forecasts[i]
         for j in range(look_back-1):
             X_test[i+1,j] = X_test[i,j+1]

结果就变成了这样:

出现这种结果的一个主要原因是误差的放大,y8是预测的结果,本身就会产生误差,在误差的基础上预测y9就又会产生更大的误差,这样所得到的误差就会被一步一步的放大。

多步骤方法类似于窗口方法,但有更多的目标步骤。以下是两个步骤的示例:

对于这个方法,必须选择n_steps_in和n_steps_out。下面的代码将一个简单的时间序列转换成一个准备进行多步LSTM训练的数据集:

 # split a univariate sequence into samples with multi-steps
 def split_sequences(sequences, n_steps_in, n_steps_out):
  X, y = list(), list()
  for i in range(len(sequences)):
      # find the end of this pattern
      end_ix = i + n_steps_in
      out_end_ix = end_ix + n_steps_out
      # check if we are beyond the sequence
      if out_end_ix > len(sequences):
          break
      # gather input and output parts of the pattern
      seq_x, seq_y = sequences[i:end_ix], sequences[end_ix:out_end_ix]
      X.append(seq_x)
      y.append(seq_y)
  return np.array(X), np.array(y)

不仅特征和目标都有对角线重复,这意味着要与时间序列进行比较,我们要么取平均值,要么选择一个预测。在下面的代码中,生成了第一、最后和平均预测的结果,需要注意的是,这里的第一次预测是提前一个月预测,最后一次预测是提前12个月预测。

 n_steps_in = 12
 n_steps_out = 12

 X, y = split_sequences(ts_data, n_steps_in, n_steps_out)
 X = X.reshape(X.shape[0], X.shape[1], 1)
 y = y.reshape(y.shape[0], y.shape[1], 1)

 # Train-test split
 train_ratio = 0.8
 train_size = int(train_ratio * len(ts_data))
 X_train, X_test = X[:train_size-n_steps_in-n_steps_out+1], X[train_size-n_steps_in-n_steps_out+1:]
 y_train = y[:train_size-n_steps_in-n_steps_out+1]
 y_test = ts_data[train_size:]

 # Create and train LSTM model
 model = Sequential()
 model.add(LSTM(units=72, activation='tanh', input_shape=(n_steps_in, 1)))
 model.add(Dense(units=n_steps_out))
 model.compile(loss='mean_squared_error', optimizer='Adam', metrics=['mape'])

 model.fit(x=X_train, y=y_train, epochs=500, batch_size=18, verbose=2)


 # Make predictions
 lstm_predictions = model.predict(X_test)
 lstm_fitted = model.predict(X_train)

 forecasts = [np.diag(np.fliplr(lstm_predictions), i).mean() for i in range(0, -lstm_predictions.shape[0], -1)]
 fits = [np.diag(np.fliplr(lstm_fitted), i).mean() for i in range(lstm_fitted.shape[1]+n_steps_in - 1, -lstm_fitted.shape[0], -1)]
 forecasts1 = lstm_predictions[n_steps_out-1:,0]
 fits1 = model.predict(X)[:train_size-n_steps_in,0]
 forecasts12 = lstm_predictions[:,n_steps_out-1]
 fits12 = lstm_fitted[:,n_steps_out-1]

 # Metrics
 av_mape = mean_absolute_percentage_error(y_test, forecasts)
 av_r2 = r2_score(ts_data[n_steps_in:train_size], fits[n_steps_in:])
 one_mape = mean_absolute_percentage_error(y_test[:-n_steps_out+1], forecasts1)
 one_r2 = r2_score(ts_data[n_steps_in:train_size], fits1)
 twelve_mape = mean_absolute_percentage_error(y_test, forecasts12)
 twelve_r2 = r2_score(ts_data[n_steps_in+n_steps_out-1:train_size], fits12)

 date_range = pd.date_range(start='1990-01-01', end='2023-09-30', freq='M')

 # Plot actual, fits, and forecasts
 plt.figure(figsize=(10, 6))
 plt.plot(date_range, ts_data, label='Actual', color='blue')
 plt.plot(date_range[:train_size], fits, label='Fitted', color='green')
 plt.plot(date_range[train_size:], forecasts, label='Forecast', color='red')
 plt.title('FSC - Short - Passengers\n. LSTM 12 Month Average Forecast')
 plt.xlabel('Date')
 plt.ylabel('Passengers')
 plt.legend()
 plt.text(0.05, 0.05, f'R2 = {av_r2*100:.2f}%\nMAPE = {av_mape*100:.2f}%', transform=plt.gca().transAxes, fontsize=12)
 plt.grid(True)
 plt.show()


 plt.figure(figsize=(10, 6))
 plt.plot(date_range, ts_data, label='Actual', color='blue')
 plt.plot(date_range[n_steps_in:train_size], fits1, label='Fitted', color='green')
 plt.plot(date_range[train_size:-n_steps_out+1], forecasts1, label='Forecast', color='red')
 plt.title('FSC - Short - Passengers\n LSTM 1 Month in advance Forecast')
 plt.xlabel('Date')
 plt.ylabel('Passengers')
 plt.legend()
 plt.text(0.05, 0.05, f'R2 = {one_r2*100:.2f}%\nMAPE = {one_mape*100:.2f}%', transform=plt.gca().transAxes, fontsize=12)
 plt.grid(True)
 plt.show()

 plt.figure(figsize=(10, 6))
 plt.plot(date_range, ts_data, label='Actual', color='blue')
 plt.plot(date_range[n_steps_in+n_steps_out-1:train_size], fits12, label='Fitted', color='green')
 plt.plot(date_range[train_size:], forecasts12, label='Forecast', color='red')
 plt.title('FSC - Short - Passengers\n LSTM 12 Months in advance Forecast')
 plt.xlabel('Date')
 plt.ylabel('Passengers')
 plt.legend()
 plt.text(0.05, 0.05, f'R2 = {twelve_r2*100:.2f}%\nMAPE = {twelve_mape*100:.2f}%', transform=plt.gca().transAxes, fontsize=12)
 plt.grid(True)
 plt.show()

同样的问题仍然存在这里:

那么上面的问题如何解决呢?

我们可以采用与在Window Method中所做的类似的方法。但是选择另一个方向,选择n_step_out与test_size相同。通过这种方式,测试集缩小到只有一个:

下面的函数就是这样做的。它需要时间序列、训练大小和样本数量。我把它称作可比性,因为这个版本实际上可以与其他预测算法进行比较:

 def split_sequences_comparable(sequences, n_samples, train_size):
  # Steps
  n_steps_out = len(sequences) - train_size
  n_steps_in = train_size - n_steps_out - n_samples + 1
  # End sets
  X_test = sequences[n_samples + n_steps_out - 1:train_size]
  X_forecast = sequences[-n_steps_in:]
  X, y = list(), list()
  for i in range(n_samples):
      # find the end of this pattern
      end_ix = i + n_steps_in
      out_end_ix = end_ix + n_steps_out
      # gather input and output parts of the pattern
      seq_x, seq_y = sequences[i:end_ix], sequences[end_ix:out_end_ix]
      X.append(seq_x)
      y.append(seq_y)
  return np.array(X), np.array(y), np.array(X_test), np.array(X_forecast), n_steps_in, n_steps_out

上面的这个函数,n_steps_out是固定的,所以可以由参数来选择样本的数量和训练的大小,它会计算最大可能的n_steps_in。下面是执行的代码和结果:

 n_samples = 12
 train_size = 321
 X, y, X_test, X_forecast, n_steps_in, n_steps_out = split_sequences_comparable(ts_data, n_samples, train_size)
 y_test = ts_data[train_size:]

 # Reshaping
 X = X.reshape(X.shape[0], X.shape[1], 1)
 X_test = X_test.reshape(X_test.shape[1], X_test.shape[0], 1)
 y = y.reshape(y.shape[0], y.shape[1])
 y_test = y_test.reshape(y_test.shape[1], y_test.shape[0], 1)

 # Create and train LSTM model
 model = Sequential()
 model.add(LSTM(units=154, activation='tanh', input_shape=(n_steps_in, 1)))
 model.add(Dense(units=n_steps_out))
 model.compile(loss='mean_squared_error', optimizer='Adam', metrics=['mape'])

 model.fit(x=X, y=y, epochs=500, batch_size=18, verbose=2)

 # Make predictions
 lstm_predictions = model.predict(X_test)
 predictions = lstm_predictions.reshape(lstm_predictions.shape[1])
 lstm_fitted = model.predict(X)
 fits = [np.diag(np.fliplr(lstm_fitted), i).mean() for i in range(lstm_fitted.shape[1]+n_steps_in - 1, -lstm_fitted.shape[0], -1)]

 # Metrics
 mape = mean_absolute_percentage_error(y_test, predictions)
 r2 = r2_score(ts_data[n_steps_in:train_size], fits[n_steps_in:])

 # Plot actual, fits, and forecasts
 plt.figure(figsize=(10, 6))
 plt.plot(date_range, ts_data, label='Actual', color='blue')
 plt.plot(date_range[:train_size], fits, label='Fitted', color='green')
 plt.plot(date_range[train_size:], predictions, label='Forecast', color='red')
 plt.title('FSC - Short - Passengers\n12 Sample Comparable LSTM Forecast')
 plt.xlabel('Date')
 plt.ylabel('Passengers')
 plt.legend()
 plt.text(0.05, 0.05, f'R2 = {r2*100:.2f}%\nMAPE = {mape*100:.2f}%\', transform=plt.gca().transAxes, fontsize=12)
 plt.grid(True)
 plt.show()

结果虽然不是很满意,但是我们看到了代码已经预测了一些上升的趋势,要比前面的一条直线好一些,但是这里LSTM将所有时间步长聚合到特征中,所有这些方法都会丢失时间数据,所以在后面将介绍(编码器/解码器方法)来维护输入的时间结构,解决这一问题。

https://avoid.overfit.cn/post/77d4c12d7c8a480b95fcf9392b772946

作者:Seyed Mousavi

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