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Tensorflow LSTM连续序列预测方法实践

2018-03-25 20:52 337 查看
本文展示了如何使用循环神经网络去估计一个向量序列,我们会使用到LSTM的网络。我在网上找的大多数用到LSTM的例子都是用来解决自然语言处理方面问题的,还没有找到相关的例子可以用在预测连续值序列上,所以写下了本文。
所以本文的任务是基于历史观察数据去预测一系列连续的实数。传统的神经网络做不到这一点,但是循环神经网络可以解决该问题,因为他们能够存储历史信息来预测未来事件。
在下面的一个例子中我们将尝试预测一组函数sin、cos和x*sin(x).首先让我们建立一个模型lstm_model, 这个模型是一系列不同时间步的lstm单元的堆叠,后接一个深层网络。[python] view plain copydef lstm_model(time_steps, rnn_layers, dense_layers=None):  
      """ 
      Creates a deep model based on: 
          * stacked lstm cells 
          * an optional dense layers 
      :param time_steps: the number of time steps the model will be looking at. 
      :param rnn_layers: list of int or dict 
                           * list of int: the steps used to instantiate the `BasicLSTMCell` cell 
                           * list of dict: [{steps: int, keep_prob: int}, ...] 
     :param dense_layers: list of nodes for each layer 
     :return: the model definition 
     """  
   
     def lstm_cells(layers):  
         if isinstance(layers[0], dict):  
             return [tf.nn.rnn_cell.DropoutWrapper(tf.nn.rnn_cell.BasicLSTMCell(layer['steps'],  
                                                                                state_is_tuple=True),  
                                                   layer['keep_prob'])  
                     if layer.get('keep_prob') else tf.nn.rnn_cell.BasicLSTMCell(layer['steps'],  
                                                                                 state_is_tuple=True)  
                     for layer in layers]  
         return [tf.nn.rnn_cell.BasicLSTMCell(steps, state_is_tuple=True) for steps in layers]  
   
     def dnn_layers(input_layers, layers):  
         if layers and isinstance(layers, dict):  
             return learn.ops.dnn(input_layers,  
                                  layers['layers'],  
                                  activation=layers.get('activation'),  
                                  dropout=layers.get('dropout'))  
         elif layers:  
             return learn.ops.dnn(input_layers, layers)  
         else:  
             return input_layers  
   
     def _lstm_model(X, y):  
         stacked_lstm = tf.nn.rnn_cell.MultiRNNCell(lstm_cells(rnn_layers), state_is_tuple=True)  
         x_ = learn.ops.split_squeeze(1, time_steps, X)  
         output, layers = tf.nn.rnn(stacked_lstm, x_, dtype=dtypes.float32)  
         output = dnn_layers(output[-1], dense_layers)  
         return learn.models.linear_regression(output, y)  
   
     return _lstm_model  

所以我们的模型接收的数据维度应该是这样的:(batch size,time steps of the first lstm cell, num_features)下一步要做的就是把我们的数据重整成模型可以接收的格式。[python] view plain copydef rnn_data(data, time_steps, labels=False):  
      """ 
      creates new data frame based on previous observation 
        * example: 
          l = [1, 2, 3, 4, 5] 
          time_steps = 2 
          -> labels == False [[1, 2], [2, 3], [3, 4]] 
          -> labels == True [2, 3, 4, 5] 
      """  
     rnn_df = []  
     for i in range(len(data) - time_steps):  
         if labels:  
             try:  
                 rnn_df.append(data.iloc[i + time_steps].as_matrix())  
             except AttributeError:  
                 rnn_df.append(data.iloc[i + time_steps])  
         else:  
             data_ = data.iloc[i: i + time_steps].as_matrix()  
             rnn_df.append(data_ if len(data_.shape) > 1 else [[i] for i in data_])  
     return np.array(rnn_df)  
   
   
 def split_data(data, val_size=0.1, test_size=0.1):  
     """ 
     splits data to training, validation and testing parts 
     """  
     ntest = int(round(len(data) * (1 - test_size)))  
     nval = int(round(len(data.iloc[:ntest]) * (1 - val_size)))  
   
     df_train, df_val, df_test = data.iloc[:nval], data.iloc[nval:ntest], data.iloc[ntest:]  
   
     return df_train, df_val, df_test  
   
   
 def prepare_data(data, time_steps, labels=False, val_size=0.1, test_size=0.1):  
     """ 
     Given the number of `time_steps` and some data, 
     prepares training, validation and test data for an lstm cell. 
     """  
     df_train, df_val, df_test = split_data(data, val_size, test_size)  
     return (rnn_data(df_train, time_steps, labels=labels),  
             rnn_data(df_val, time_steps, labels=labels),  
             rnn_data(df_test, time_steps, labels=labels))  
   
   
 def generate_data(fct, x, time_steps, seperate=False):  
     """generates data with based on a function fct"""  
     data = fct(x)  
     if not isinstance(data, pd.DataFrame):  
         data = pd.DataFrame(data)  
     train_x, val_x, test_x = prepare_data(data['a'] if seperate else data, time_steps)  
     train_y, val_y, test_y = prepare_data(data['b'] if seperate else data, time_steps, labels=True)  
     return dict(train=train_x, val=val_x, test=test_x), dict(train=train_y, val=val_y, test=test_y)  
这就会产生数据允许我们的模型往序列的前time_steps回看来预测未来数据。例如第一个单元是10个time steps的单元,那么每做一次预测,我们都需要输入10个历史数据点。我们想要预测的数值应该和数据点里的第10个相关。
首先定义超参数[python] view plain copyLOG_DIR = './ops_logs'  
TIMESTEPS = 5  
RNN_LAYERS = [{'steps': TIMESTEPS}, {'steps': TIMESTEPS, 'keep_prob': 0.5}]  
DENSE_LAYERS = [2]  
TRAINING_STEPS = 130000  
BATCH_SIZE = 100  
PRINT_STEPS = TRAINING_STEPS / 100  

现在可以建立一个回归模型[python] view plain copyregressor = learn.TensorFlowEstimator(model_fn=lstm_model(TIMESTEPS, RNN_LAYERS, DENSE_LAYERS),  
                                      n_classes=0,  
                                      verbose=1,    
                                      steps=TRAINING_STEPS,  
                                      optimizer='Adagrad',  
                                      learning_rate=0.03,  
                                      batch_size=BATCH_SIZE)  
预测sin函数[python] view plain copy X, y = generate_data(np.sin, np.linspace(0, 100, 10000), TIMESTEPS, seperate=False)  
 # create a lstm instance and validation monitor  
 validation_monitor = learn.monitors.ValidationMonitor(X['val'], y['val'],  
                                                       every_n_steps=PRINT_STEPS,  
                                                       early_stopping_rounds=1000)  
 regressor.fit(X['train'], y['train'], validation_monitor, logdir=LOG_DIR)  
   
# > last training steps  
# Step #9700, epoch #119, avg. train loss: 0.00082, avg. val loss: 0.00084  
# Step #9800, epoch #120, avg. train loss: 0.00083, avg. val loss: 0.00082  
# Step #9900, epoch #122, avg. train loss: 0.00082, avg. val loss: 0.00082  
# Step #10000, epoch #123, avg. train loss: 0.00081, avg. val loss: 0.00081  
预测测试数据[python] view plain copymse = mean_squared_error(regressor.predict(X['test']), y['test'])  
print ("Error: {}".format(mse))  
# 0.000776  
同时预测 sin和cos函数
[python] view plain copydef sin_cos(x):  
      return pd.DataFrame(dict(a=np.sin(x), b=np.cos(x)), index=x)  
    
X, y = generate_data(sin_cos, np.linspace(0, 100, 10000), TIMESTEPS, seperate=False)  
# create a lstm instance and validation monitor  
validation_monitor = learn.monitors.ValidationMonitor(X['val'], y['val'],  
                                                       every_n_steps=PRINT_STEPS,  
                                                       early_stopping_rounds=1000)  
regressor.fit(X['train'], y['train'], validation_monitor, logdir=LOG_DIR)  
   
# > last training steps  
# Step #9500, epoch #117, avg. train loss: 0.00120, avg. val loss: 0.00118  
# Step #9600, epoch #118, avg. train loss: 0.00121, avg. val loss: 0.00118  
# Step #9700, epoch #119, avg. train loss: 0.00118, avg. val loss: 0.00118  
# Step #9800, epoch #120, avg. train loss: 0.00118, avg. val loss: 0.00116  
# Step #9900, epoch #122, avg. train loss: 0.00118, avg. val loss: 0.00115  
# Step #10000, epoch #123, avg. train loss: 0.00117, avg. val loss: 0.00115  
预测测试数据
[python] view plain copymse = mean_squared_error(regressor.predict(X['test']), y['test'])  
print ("Error: {}".format(mse))  
# 0.001144  

还有一个x*sinx的就不玩了,下面贴出英文原文http://mourafiq.com/2016/05/15/predicting-sequences-using-rnn-in-tensorflow.html
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标签:  机器学习 LSTM