PyTorch搭建ANN实现时间序列风速预测

数据集

数据集为Barcelona某段时间内的气象数据，其中包括温度、湿度以及风速等。本文将简单搭建来对风速进行预测。

特征构造

对于风速的预测，除了考虑历史风速数据外，还应该充分考虑其余气象因素的影响。因此，我们根据前24个时刻的风速+下一时刻的其余气象数据来预测下一时刻的风速。

数据处理

1.数据预处理

数据预处理阶段，主要将某些列上的文本数据转为数值型数据，同时对原始数据进行归一化处理。文本数据如下所示：

经过转换后，上述各个类别分别被赋予不同的数值，比如"sky is clear"为0，"few clouds"为1。

def load_data():
   global Max, Min
   df = pd.read_csv('Barcelona/Barcelona.csv')
   df.drop_duplicates(subset=[df.columns[0]], inplace=True)
   # weather_main
   listType = df['weather_main'].unique()
   df.fillna(method='ffill', inplace=True)
   dic = dict.fromkeys(listType)
   for i in range(len(listType)):
       dic[listType[i]] = i
   df['weather_main'] = df['weather_main'].map(dic)
   # weather_description
   listType = df['weather_description'].unique()
   dic = dict.fromkeys(listType)
   for i in range(len(listType)):
       dic[listType[i]] = i
   df['weather_description'] = df['weather_description'].map(dic)
   # weather_icon
   listType = df['weather_icon'].unique()
   dic = dict.fromkeys(listType)
   for i in range(len(listType)):
       dic[listType[i]] = i
   df['weather_icon'] = df['weather_icon'].map(dic)
   # print(df)
   columns = df.columns
   Max = np.max(df['wind_speed'])  # 归一化
   Min = np.min(df['wind_speed'])
   for i in range(2, 17):
       column = columns[i]
       if column == 'wind_speed':
           continue
       df[column] = df[column].astype('float64')
       if len(df[df[column] == 0]) == len(df):  # 全0
           continue
       mx = np.max(df[column])
       mn = np.min(df[column])
       df[column] = (df[column] - mn) / (mx - mn)
   # print(df.isna().sum())
   return df

2.数据集构造

利用当前时刻的气象数据和前24个小时的风速数据来预测当前时刻的风速：

def nn_seq():
   """
   :param flag:
   :param data: 待处理的数据
   :return: X和Y两个数据集,X=[当前时刻的year，month, hour, day, lowtemp, hightemp, 前一天当前时刻的负荷以及前23小时负荷]
                             Y=[当前时刻负荷]
   """
   print('处理数据:')
   data = load_data()
   speed = data['wind_speed']
   speed = speed.tolist()
   speed = torch.FloatTensor(speed).view(-1)
   data = data.values.tolist()
   seq = []
   for i in range(len(data) - 30):
       train_seq = []
       train_label = []
       for j in range(i, i + 24):
           train_seq.append(speed[j])
       # 添加温度、湿度、气压等信息
       for c in range(2, 7):
           train_seq.append(data[i + 24][c])
       for c in range(8, 17):
           train_seq.append(data[i + 24][c])
       train_label.append(speed[i + 24])
       train_seq = torch.FloatTensor(train_seq).view(-1)
       train_label = torch.FloatTensor(train_label).view(-1)
       seq.append((train_seq, train_label))
   # print(seq[:5])
   Dtr = seq[0:int(len(seq) * 0.5)]
   Den = seq[int(len(seq) * 0.50):int(len(seq) * 0.75)]
   Dte = seq[int(len(seq) * 0.75):len(seq)]
   return Dtr, Den, Dte

任意输出其中一条数据：

(tensor([1.0000e+00, 1.0000e+00, 2.0000e+00, 1.0000e+00, 1.0000e+00, 1.0000e+00,
       1.0000e+00, 1.0000e+00, 0.0000e+00, 1.0000e+00, 5.0000e+00, 0.0000e+00,
       2.0000e+00, 0.0000e+00, 0.0000e+00, 5.0000e+00, 0.0000e+00, 2.0000e+00,
       2.0000e+00, 5.0000e+00, 6.0000e+00, 5.0000e+00, 5.0000e+00, 5.0000e+00,
       5.3102e-01, 5.5466e-01, 4.6885e-01, 1.0066e-03, 5.8000e-01, 6.6667e-01,
       0.0000e+00, 0.0000e+00, 0.0000e+00, 0.0000e+00, 9.9338e-01, 0.0000e+00,
       0.0000e+00, 0.0000e+00]), tensor([5.]))

数据被划分为三部分：Dtr、Den以及Dte，Dtr用作训练集，Dte用作测试集。

ANN模型

1.模型训练

ANN模型搭建如下：

def ANN():
   Dtr, Den, Dte = nn_seq()
   my_nn = torch.nn.Sequential(
       torch.nn.Linear(38, 64),
       torch.nn.ReLU(),
       torch.nn.Linear(64, 128),
       torch.nn.ReLU(),
       torch.nn.Linear(128, 1),
   )
   model = my_nn.to(device)
   loss_function = nn.MSELoss().to(device)
   optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)
   train_inout_seq = Dtr
   # 训练
   epochs = 50
   for i in range(epochs):
       print('当前', i)
       for seq, labels in train_inout_seq:
           seq = seq.to(device)
           labels = labels.to(device)
           y_pred = model(seq)
           single_loss = loss_function(y_pred, labels)
           optimizer.zero_grad()
           single_loss.backward()
           optimizer.step()
       # if i ％ 2 == 1:
       print(f'epoch: {i:3} loss: {single_loss.item():10.8f}')
   print(f'epoch: {i:3} loss: {single_loss.item():10.10f}')
   state = {'model': model.state_dict(), 'optimizer': optimizer.state_dict(), 'epoch': epochs}
   torch.save(state, 'Barcelona' + ANN_PATH)

可以看到，模型定义的代码段为：

my_nn = torch.nn.Sequential(
   torch.nn.Linear(38, 64),
   torch.nn.ReLU(),
   torch.nn.Linear(64, 128),
   torch.nn.ReLU(),
   torch.nn.Linear(128, 1),
)

第一层全连接层输入维度为38（前24小时风速+14种气象数据），输出维度为64；第二层输入为64，输出128；第三层输入为128，输出为1。

2.模型预测及表现

def ANN_predict(ann, test_seq):
   pred = []
   for seq, labels in test_seq:
       seq = seq.to(device)
       with torch.no_grad():
           pred.append(ann(seq).item())
   pred = np.array([pred])
   return pred

测试：

def test():
   Dtr, Den, Dte = nn_seq()
   ann = torch.nn.Sequential(
       torch.nn.Linear(38, 64),
       torch.nn.ReLU(),
       torch.nn.Linear(64, 128),
       torch.nn.ReLU(),
       torch.nn.Linear(128, 1),
   )
   ann = ann.to(device)
   ann.load_state_dict(torch.load('Barcelona' + ANN_PATH)['model'])
   ann.eval()
   pred = ANN_predict(ann, Dte)
   print(mean_absolute_error(te_y, pred2.T), np.sqrt(mean_squared_error(te_y, pred2.T)))

ANN在Dte上的表现如下表所示：

来源：https://blog.csdn.net/Cyril_KI/article/details/122280549