关于算法:R语言基于递归神经网络RNN的温度时间序列预测

在本文中，咱们将介绍三种进步循环神经网络性能和泛化能力的高级技术。咱们演示无关温度预测问题的三个概念，咱们应用建筑物屋顶上的传感器的工夫数据序列。

在本文中，咱们将介绍三种进步循环神经网络性能和泛化能力的高级技术。在最初，您将理解无关将循环网络与 Keras 一起应用的大部分常识。您能够拜访来自建筑物屋顶上的传感器的工夫数据序列，例如温度，气压和湿度，这些数据点可用于预测最初一个数据点之后 24 小时的温度。这是一个相当具备挑战性的问题，它阐明了应用工夫序列时遇到的许多常见艰难。

咱们将介绍以下技术：

_删除_层 / 每层的单位数(模型) 如 L1 或 L2 正则化所述, 适度简单的模型更有可能适度_拟合_，能够应用删除来抵制反复图层的过拟合。
_重叠循环层_ —这减少了网络的示意能力（以更高的计算负荷为代价）。
_双向循环层_ —这些_层_以不同的形式向循环网络提供雷同的信息，从而进步准确性。

在本节的所有示例中，您将应用生物地球化学研究所的气象站记录的天气工夫序列数据集。

在此数据集中，几年中每 10 分钟记录 14 个不同的量（例如空气温度，大气压力，湿度，风向等）。原始数据可追溯到 2003 年，但此示例仅限于 2009-2016 年的数据。该数据集非常适合学习应用数字工夫序列。您将应用它来构建一个模型，该模型将最近的一些数据（几天的数据点）作为输出，并预测将来 24 小时的气温。

下载并解压缩数据，如下所示：

 unzip(
  "climate.csv.zip",
  exdir = "~/Downloads/climate"
)

咱们看一下数据。

library(tibble)
library(readr)

glimpse(data)

这是温度（摄氏度）随工夫变动的曲线图。在此图上，您能够分明地看到温度的年度周期。

 ggplot(data, aes(x = 1:nrow(data), y = `degC`)) + geom_line()

这是温度数据的前 10 天变动图。因为数据每 10 分钟记录一次，因而您每天可取得 144 个数据点。

ggplot(data[1:1440,], aes(y = `degC`)) + geom_line()

如果您依据过来几个月的数据来尝试预测下个月的平均温度，因为数据的年度周期性牢靠，因而问题很容易解决。然而从几天的数据来看，温度更加凌乱。这个工夫序列每天都能够预测吗？

问题的确切表白如下：给定的数据能够追溯到 lookback 工夫步长（一个工夫步长为 10 分钟）并在每个steps 工夫步短处进行采样，您能够预测该delay 工夫步长中的温度吗？应用以下参数值：

lookback = 1440 —察看将追溯到 10 天。
steps = 6 —观测将在每小时一个数据点进行采样。
delay = 144 —指标将是将来的 24 小时。

首先，您须要做两件事：

将数据预处理为神经网络能够应用格局。数据曾经是数字了，因而您无需进行任何向量化。然而数据中的每个工夫序列的度量尺度都不同（例如，温度通常在 -20 至 +30 之间，但以毫巴为单位的大气压约为 1,000）。您将独立地标准化每个工夫序列。
编写一个生成器函数，该函数将获取以后的浮点数据数组，并生成来自最近的过来以及未来的指标温度的成批数据。因为数据集中的样本是高度冗余的（样本 _N_ 和样本 _N_ + 1 将具备大多数雷同的工夫步长），因而显式调配每个样本会很节约。相同，您将应用原始数据即时生成样本。

生成器函数是一种非凡类型的函数，能够重复调用该函数以取得一系列值。

例如，sequence_generator() 上面的函数返回一个生成器函数，该函数产生有限的数字序列：

 gen <- sequence_generator(10)
gen()

[1] 10

gen()

[1] 11

生成器的以后状态value 是在函数内部定义的变量。superassignment（<<-）用于从函数外部更新此状态。

生成器函数能够通过返回值 NULL 来批示实现。

首先，将先前读取的 R 数据帧转换为浮点值矩阵（咱们抛弃蕴含文本工夫戳记的第一列）：

data <- data.matrix(data[,-1])

而后，您能够通过减去每个工夫序列的平均值并除以标准差来预处理数据。您将应用前 200,000 个工夫步作为训练数据，因而仅在这部分数据上计算均值和标准差以进行标准化。

train_data <- data[1:200000,]
data <- scale(data, center = mean, scale = std)

您将应用的数据生成器的代码如下。它产生一个 list (samples, targets)，其中 samples 是一批输出数据，并且 targets 是指标温度的对应数组。它采纳以下参数：

data —原始的浮点数据数组。
lookback —是_输出数据应该_包含多少个_工夫_步。
delay —指标应该在将来多少步。
min_index 和 max_index —data 数组中的索引，用于定义从中提取工夫步长。保留一部分数据用于验证和另一部分用于测试。
shuffle —随机整顿样本还是按工夫程序绘制样本。
batch_size —每批样品数。
step —采样数据的时间段（以工夫为单位）。您将其设置为 6，以便每小时绘制一个数据点。

当初，让咱们应用 abstract generator 函数实例化三个生成器：一个用于训练，一个用于验证以及一个用于测试。每个人都将查看原始数据的不同时间段：训练生成器查看前 200,000 个工夫步，验证生成器查看随后的 100,000 个工夫步，而测试生成器查看其余的工夫步。

lookback <- 1440
step <- 6


# 为了查看整个验证集，须要从 valu gen 中提取多少步骤
val_steps <- (300000 - 200001 - lookback) / batch_size

# 为了查看整个测试集，须要从 testu gen 中提取多少步骤
test_steps <- (nrow(data) - 300001 - lookback) / batch_size

在开始应用黑盒深度学习模型解决温度预测问题之前，让咱们尝试一种简略的常识性办法。它将用作健全性查看，并将建设一个基线，您必须超过它能力证实机器学习模型的有用性。当您要解决尚无已知解决方案的新问题时，此类常识性基准可能会很有用。一个经典的例子是不均衡的分类工作，其中某些类比其余类更为常见。如果您的数据集蕴含 90%的 A 类实例和 10%的 B 类实例，则分类工作的常识性办法是在提供新样本时始终预测“A”。此类分类器的总体准确度为 90%，因而，任何基于学习的办法都应超过 90%的分数，以证实其有用性。

在这种状况下，能够平安地假设温度工夫序列是间断的（今天的温度可能会靠近明天的温度）。因而，常识性的办法是始终预测从当初开始 24 小时的温度将等于当初的温度。咱们应用均匀绝对误差（MAE）指标评估这种办法：

mean(abs(preds - targets))

评估循环。

 for (step in 1:val_steps) {preds <- samples[,dim(samples)[[2]],2]
    mae <- mean(abs(preds - targets))
    batch_maes <- c(batch_maes, mae)
  }
  print(mean(batch_maes))

MAE 为 0.29。因为温度数据已标准化为以 0 为核心并且标准偏差为 1。它的均匀绝对误差为 0.29 x temperature_std 摄氏度：2.57˚C。

celsius_mae <- 0.29 * std[[2]]

那是一个相当大的均匀绝对误差。

就像在尝试机器学习办法之前建设常识性基准很有用一样，在钻研简单且计算量大的模型之前，尝试简略的机器学习模型也很有用。

上面的清单显示了一个全连贯的模型，该模型首先将数据展平，而后在两个密集层中运行它。请留神，最初一个致密层上短少激活函数，这对于回归问题是很典型的。您将 MAE 用作损失函数。因为您评估的数据与通常办法完全相同，而且度量规范完全相同，因而后果能够间接比拟。

model_sequential() %>% 
  layer_flatten(input_shape = c(lookback / step, dim(data)[-1])) %>% 

history <- model %>% fit_generator(
  train_gen,
  steps_per_epoch = 500,
  epochs = 20,
  validation_data = val_gen,
  validation_steps = val_steps
)

让咱们显示验证和训练的损失曲线。

某些验证损失靠近无学习基准，但不牢靠。这首先显示了具备此基准的长处：事实证明，要实现这一指标并不容易。您的常识蕴含很多机器学习模型无法访问的有价值的信息。

您可能想晓得，如果存在一个简略的，性能良好的模型，为什么您正在训练的模型找不到并对其进行改良？因为这种简略的解决方案不是您的训练设置所须要的。您要在其中寻找解决方案的模型的空间曾经相当简单。当您正在寻找具备两层网络空间的简单模型解决方案时，即便在技术上是假如简略，性能良好的基准模型也可能无奈学习。通常，这是机器学习的一个相当大的局限性：除非对学习算法进行硬编码来寻找特定类型的简略模型，

第一种全连贯的办法成果不好，但这并不意味着机器学习不适用于此问题。先前的办法首先使工夫序列平坦化，从而从输出数据中删除了工夫概念。咱们将尝试一个递归序列解决模型 - 它应该非常适合此类序列数据，因为与第一种办法不同，正是因为它利用了数据点的工夫程序。

您将应用 Chung 等人开发的 GRU 层。在 2014 年。GRU 层应用与 LSTM 雷同的原理工作，然而它们有所简化，因而运行起来更高效。在机器学习中到处都能够看到计算复杂度和效率之间的折衷。

model_sequential() %>% 
  layer_gru(units = 32, input_shape = list(NULL, dim(data)[[-1]])) %>% 
  layer_dense(units = 1)

 model %>% fit_generator(
  train_gen,
  steps_per_epoch = 500,
  epochs = 20,

后果如下图所示。您能够超过基线模型，证实了机器学习的价值以及循环网络的优越性。

验证 MAE 转化为非标准化后的均匀绝对误差为 2.35˚C。

从训练和验证曲线能够显著看出该模型是过拟合的：训练和验证损失在通过几个期间后开始呈现较大差别。您曾经相熟了应答这种景象的经典技术：抛弃（dropout），它随机将图层的输出单元清零，以便突破该图层所裸露的训练数据中的偶尔相关性。然而，如何在循环网络中正确利用 dropout 并不是一个简略的问题。道在递归层之前利用 dropout 会妨碍学习，而不是帮忙进行正则化。2015 年，Yarin Gal 作为其博士学位论文的一部分在贝叶斯深度学习中，确定了应用递归网络进行 dropout 的正确办法：应在每个工夫步上利用雷同的 dropout 模式，而不是随工夫步长随机变动的 dropout 模式。

Yarin Gal 应用 Keras 进行了钻研，并帮忙将这种模型间接构建到 Keras 循环层中。Keras 中的每个循环图层都有两个与 dropout 相干的参数：dropout，一个浮点数，用于指定图层输出单元的 dropout 率；以及 recurrent_dropout，用于指定循环单元的 dropout 率。因为应用失落 dropout 进行正则化的网络始终须要更长的工夫能力齐全收敛，因而您须要两倍的工夫训练网络。

model_sequential() %>% 
  layer_gru(units = 32, dropout = 0.2, recurrent_dropout = 0.2,

下图显示了后果。在前 20 个期间中，您不再适度拟合。然而，只管您的评估分数较为稳固，但您的最佳分数并没有比以前低很多。

因为您不再须要思考适度拟合的问题，而是仿佛遇到了性能瓶颈，所以您应该思考减少网络的容量。回忆一下通用机器学习工作流程的形容：在过拟合成为次要阻碍之前，最好减少网络容量，这通常是个好主见（假如您曾经采取了根本步骤来加重过拟合的状况，例如应用抛弃）。只有您的拟合度不会太差，就很可能会呈现容量有余的状况。

通常，通过减少层中的单元数或增加更多层来减少网络容量。递归层重叠是构建性能更弱小的递归网络的经典办法：例如，以后为 Google Translate 算法提供能源的是七个大型 LSTM 层的重叠。

为了在 Keras 中将递归层重叠在一起，所有中间层都应返回其残缺的输入序列（3D 张量），而不是最初一个工夫步的输入。

model_sequential() %>% 
  layer_gru(units = 32, 
            dropout = 0.1, 
            recurrent_dropout = 0.5,
            return_sequences = TRUE,
            input_shape = list(NULL, dim(data)[[-1]])) %>% 
  layer_gru(units = 64, activation = "relu",
            dropout = 0.1,
            recurrent_dropout = 0.5) %>%

下图显示了后果。您能够看到，增加的图层的确改善了后果，只管成果不显著。您能够得出两个论断：

因为不须要适度拟合的问题，所以能够平安地减少图层大小以寻求验证损失的改善。然而，这具备不可疏忽的计算成本。
增加层并没有很大的帮忙，因而此时您可能会看到网络容量减少带来的收益递加。

本节介绍的最初一种技术称为 _双向 RNN_。双向 RNN 是常见的 RNN 变体，在某些工作上能够提供比惯例 RNN 更高的性能。它在自然语言解决中常常应用 - 您能够将其称为用于深度语言解决的深度学习“瑞士军刀”。

RNN 特地依赖于程序或工夫的：它们按程序解决输出序列的工夫步长，重新排列工夫步长能够齐全扭转 RNN 从序列中提取的示意模式。这正是它们在序列问题（例如温度预测问题）上体现良好的起因。双向 RNN 利用 RNN 的序列敏感性：它蕴含应用两个惯例 RNN（例如 layer_gru 和 layer_lstm），每个 RNN 都沿一个方向（按工夫程序）解决输出序列，而后合并它们的示意模式。通过双向解决序列，双向 RNN 能够捕捉被单向 RNN 疏忽的模式。

值得注意的是，本节中的 RNN 层已按工夫程序解决了序列。训练与本节第一个试验中应用雷同的单 GRU 层网络，您将取得如下所示的后果。

结果表明在这种状况下，按工夫程序进行的解决至关重要。因为：底层的 GRU 层通常更容易记住最近的过来，天然地，较新的天气数据点比旧数据点对问题的预测能力强。因而，该层的工夫程序版本必将胜过逆序版本。对于包含自然语言在内的许多其余问题，状况并非如此：从直觉上讲，单词在了解句子中的重要性通常并不取决于其在句子中的地位。让咱们在 LSTM IMDB 示例中尝试雷同的技巧。

# 作为特色思考的单词数量
max_features <- 10000  



c(c(x_train, y_train), c(x_test, y_test)) %<-% imdb

# 反转序列
x_train <- lapply(x_train, rev)
x_test <- lapply(x_test, rev) 


model <- keras_model_sequential() %>% 
  layer_embedding(input_dim = max_features, output_dim = 128) %>% 
  layer_lstm(units = 32) %>%

您取得的性能简直与按工夫顺序排列的 LSTM 雷同。值得注意的是，在这样的文本数据集上，逆序解决与按工夫程序解决一样无效，这证实了以下假如：只管单词程序在了解语言中_的确很_重要，_但_ 您应用的程序并不重要。重要的是，通过逆向序列训练的 RNN 将学习与原始序列训练的 RNN 不同的表达方式。在机器学习中，_不同_ _的示意_ 总是值得开发的：它们提供了一个新的视角来查看您的数据，捕捉了其余办法脱漏的数据方面，因而能够帮忙进步工作的性能。

双向 RNN 利用此思维来改良按工夫顺序排列的 RNN 的性能。

在 Keras 中实例化双向 RNN。让咱们在 IMDB 情绪剖析工作上尝试一下。

model <- keras_model_sequential() %>% 
  layer_embedding(input_dim = max_features, output_dim = 32) %>% 
  bidirectional(layer_lstm(units = 32)


model %>% compile(
  optimizer = "rmsprop",
  loss = "binary_crossentropy",

它的性能比您在上一节中尝试过的惯例 LSTM 稍好，达到了 89%以上的验证精度。它仿佛也能够更快地过拟合，这并不奇怪，因为双向层的参数是按工夫顺序排列的 LSTM 的两倍。通过一些正则化，双向办法可能会在此工作上表现出色。

当初让咱们在温度预测工作上尝试雷同的办法。

model_sequential() %>% 
  bidirectional(layer_gru(units = 32), input_shape = list(NULL, dim(data)[[-1]])

model %>% fit_generator(
  train_gen,
  steps_per_epoch = 500,
  epochs = 40,

这和惯例的 layer_gru 一样好。起因很容易了解：所有预测能力都必须来自网络中按工夫顺序排列的局部，因为家喻户晓，按工夫顺序排列的局部在此工作上的体现严重不足，在这种状况下，最近的样本比过来的样本重要得多。

为了进步温度预测问题的性能，您能够尝试其余许多办法：

调整重叠设置中每个循环图层的单位数。
调整RMSprop 优化器应用的学习率。
尝试应用 layer_lstm 代替 layer_gru。
尝试在循环层的顶部应用更大的紧密连接的回归变量：即，更大的密集层，甚至一叠密集层。
不要遗记最终在测试集上运行性能最佳的模型（就验证 MAE 而言），否则，您将开发适度拟合验证集的构造。

咱们能够提供一些准则，倡议在给定问题上可能起作用或不起作用的因素，然而最终，每个问题都是惟一的；您必须凭教训评估不同的策略。以后没有实践能够提前精确地告诉您应该如何最佳地解决问题。您必须迭代。

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关于算法:R语言基于递归神经网络RNN的温度时间序列预测

原文链接：http://tecdat.cn/?p=20335

概述

温度预测问题

筹备数据

常识性的非机器学习基准

根本的机器学习办法

基准模型

抛弃（dropout）反抗适度拟合

重叠循环图层

应用双向 RNN

更进一步