基于GA遗传优化的CNN-GRU的时间序列回归预测matlab仿真

本文涉及的产品
全球加速 GA,每月750个小时 15CU
简介: 摘要:使用MATLAB2022a,展示了一种基于遗传算法优化的CNN-GRU时间序列预测模型,融合遗传算法与深度学习,提升预测精度。遗传算法负责优化模型超参数,如学习率和神经元数量,以最小化均方误差。CNN负责特征提取,GRU处理序列数据中的长期依赖。流程包括初始化、评估、选择、交叉、变异和迭代,旨在找到最佳超参数组合。

1.算法运行效果图预览

1.jpeg
2.jpeg
3.jpeg

2.算法运行软件版本
MATLAB2022a

3.部分核心程序

plot(Error2,'linewidth',2);
grid on
xlabel('迭代次数');
ylabel('遗传算法优化过程');
legend('Average fitness');



[V,I] = min(JJ);
X     = phen1(I,:);

LR             = X(1);
numHiddenUnits1 = floor(X(2))+1;% 定义隐藏层中LSTM单元的数量
numHiddenUnits2 = floor(X(3))+1;% 定义隐藏层中LSTM单元的数量
%CNN-GRU
layers = func_model2(Dim,numHiddenUnits1,numHiddenUnits2);
%训练
[Net,INFO] = trainNetwork(Nsp_train2, NTsp_train, layers, options);
IT  =[1:length(INFO.TrainingLoss)];
Accuracy=INFO.TrainingRMSE;
figure;
plot(IT(1:1:end),Accuracy(1:1:end));
xlabel('epoch');
ylabel('RMSE');
%数据预测
Dpre1 = predict(Net, Nsp_train2);
Dpre2 = predict(Net, Nsp_test2);

%归一化还原
T_sim1=Dpre1*Vmax2;
T_sim2=Dpre2*Vmax2;


%网络结构
analyzeNetwork(Net)


figure
subplot(211);
plot(1: Num1, Tat_train,'-bs',...
    'LineWidth',1,...
    'MarkerSize',6,...
    'MarkerEdgeColor','k',...
    'MarkerFaceColor',[0.9,0.0,0.0]);
hold on
plot(1: Num1, T_sim1,'g',...
    'LineWidth',2,...
    'MarkerSize',6,...
    'MarkerEdgeColor','k',...
    'MarkerFaceColor',[0.9,0.9,0.0]);

legend('真实值', '预测值')
xlabel('预测样本')
ylabel('预测结果')
grid on

subplot(212);
plot(1: Num1, Tat_train-T_sim1','-bs',...
    'LineWidth',1,...
    'MarkerSize',6,...
    'MarkerEdgeColor','k',...
    'MarkerFaceColor',[0.9,0.0,0.0]);

xlabel('预测样本')
ylabel('预测误差')
grid on
ylim([-50,50]);
figure
subplot(211);
plot(1: Num2, Tat_test,'-bs',...
    'LineWidth',1,...
    'MarkerSize',6,...
    'MarkerEdgeColor','k',...
    'MarkerFaceColor',[0.9,0.0,0.0]);
hold on
plot(1: Num2, T_sim2,'g',...
    'LineWidth',2,...
    'MarkerSize',6,...
    'MarkerEdgeColor','k',...
    'MarkerFaceColor',[0.9,0.9,0.0]);
legend('真实值', '预测值')
xlabel('测试样本')
ylabel('测试结果')
grid on
subplot(212);
plot(1: Num2, Tat_test-T_sim2','-bs',...
    'LineWidth',1,...
    'MarkerSize',6,...
    'MarkerEdgeColor','k',...
    'MarkerFaceColor',[0.9,0.0,0.0]);

xlabel('预测样本')
ylabel('预测误差')
grid on
ylim([-50,50]);


save R2.mat Num2 Tat_test T_sim2 IT Accuracy Error2
141

4.算法理论概述
基于遗传算法(Genetic Algorithm, GA)优化的CNN-GRU(卷积神经网络-门控循环单元)时间序列回归预测模型,是融合了遗传算法的优化能力和深度学习模型的表达力的一种高级预测框架。该模型通过结合CNN在特征提取上的优势和GRU在处理序列数据中的高效记忆机制,实现了对时间序列数据的深入理解和未来值的精确预测。同时,利用遗传算法对模型超参数进行优化,能够进一步提升模型的预测性能。

   遗传算法是一种借鉴自然选择和遗传机制的启发式搜索算法,通过模拟生物进化过程中的“选择”、“交叉”(杂交)、“变异”等操作,来寻找问题的最优解。在CNN-GRU模型的超参数优化中,GA的目标是探索出能使模型预测性能(如均方误差最小化或准确率最大化)最佳的超参数组合,这些超参数可能包括学习率、网络层数、神经元数量、批次大小等。

4.1 CNN-GRU模型架构
image.png

GRU作为LSTM的简化版,同样用于捕获序列中的长期依赖,但具有更少的门控机制.

4.2 GA优化CNN-GRU流程
初始化:随机生成初始种群,每个个体代表一组超参数配置。
评估:应用每组超参数配置训练CNN-GRU模型,并在验证集上评估其性能。
选择:根据评估性能选择适应度较高的个体进入下一代,常用的有轮盘赌选择、锦标赛选择等。
交叉:对选定的个体执行交叉操作,交换它们的部分基因(即超参数),以产生新个体。
变异:按照一定概率对个体的某些基因进行小幅度修改,增加种群多样性。
迭代:重复上述过程直到达到预定的迭代次数或满足停止准则。

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