PyTorch搭建ANN實(shí)現(xiàn)時(shí)間序列風(fēng)速預(yù)測(cè)
數(shù)據(jù)集

數(shù)據(jù)集為Barcelona某段時(shí)間內(nèi)的氣象數(shù)據(jù),其中包括溫度、濕度以及風(fēng)速等。本文將簡(jiǎn)單搭建來(lái)對(duì)風(fēng)速進(jìn)行預(yù)測(cè)。
特征構(gòu)造
對(duì)于風(fēng)速的預(yù)測(cè),除了考慮歷史風(fēng)速數(shù)據(jù)外,還應(yīng)該充分考慮其余氣象因素的影響。因此,我們根據(jù)前24個(gè)時(shí)刻的風(fēng)速+下一時(shí)刻的其余氣象數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)下一時(shí)刻的風(fēng)速。
數(shù)據(jù)處理
1.數(shù)據(jù)預(yù)處理
數(shù)據(jù)預(yù)處理階段,主要將某些列上的文本數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)為數(shù)值型數(shù)據(jù),同時(shí)對(duì)原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理。文本數(shù)據(jù)如下所示:

經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換后,上述各個(gè)類別分別被賦予不同的數(shù)值,比如"sky is clear"為0,"few clouds"為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']) # 歸一化
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.數(shù)據(jù)集構(gòu)造
利用當(dāng)前時(shí)刻的氣象數(shù)據(jù)和前24個(gè)小時(shí)的風(fēng)速數(shù)據(jù)來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)刻的風(fēng)速:
def nn_seq():
"""
:param flag:
:param data: 待處理的數(shù)據(jù)
:return: X和Y兩個(gè)數(shù)據(jù)集,X=[當(dāng)前時(shí)刻的year,month, hour, day, lowtemp, hightemp, 前一天當(dāng)前時(shí)刻的負(fù)荷以及前23小時(shí)負(fù)荷]
Y=[當(dāng)前時(shí)刻負(fù)荷]
"""
print('處理數(shù)據(jù):')
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])
# 添加溫度、濕度、氣壓等信息
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
任意輸出其中一條數(shù)據(jù):
(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.]))
數(shù)據(jù)被劃分為三部分:Dtr、Den以及Dte,Dtr用作訓(xùn)練集,Dte用作測(cè)試集。
ANN模型
1.模型訓(xùn)練
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
# 訓(xùn)練
epochs = 50
for i in range(epochs):
print('當(dāng)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,模型定義的代碼段為:
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),
)
第一層全連接層輸入維度為38(前24小時(shí)風(fēng)速+14種氣象數(shù)據(jù)),輸出維度為64;第二層輸入為64,輸出128;第三層輸入為128,輸出為1。
2.模型預(yù)測(cè)及表現(xiàn)
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
測(cè)試:
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上的表現(xiàn)如下表所示:
| MAE | RMSE |
|---|---|
| 1.04 | 1.46 |

以上就是PyTorch搭建ANN實(shí)現(xiàn)時(shí)間序列風(fēng)速預(yù)測(cè)的詳細(xì)內(nèi)容,更多關(guān)于ANN時(shí)序風(fēng)速預(yù)測(cè)的資料請(qǐng)關(guān)注腳本之家其它相關(guān)文章!
相關(guān)文章
python asyncio 協(xié)程庫(kù)的使用
這篇文章主要介紹了python asyncio 協(xié)程庫(kù)的使用,幫助大家更好的理解和使用python,感興趣的朋友可以了解下2021-01-01
python+tkinter編寫(xiě)電腦桌面放大鏡程序?qū)嵗a
這篇文章主要介紹了Python+tkinter編寫(xiě)電腦桌面放大鏡程序?qū)嵗a,具有一定借鑒價(jià)值,需要的朋友可以參考下2018-01-01
對(duì)python 操作solr索引數(shù)據(jù)的實(shí)例詳解
今天小編就為大家分享一篇對(duì)python 操作solr索引數(shù)據(jù)的實(shí)例詳解,具有很好的參考價(jià)值,希望對(duì)大家有所幫助。一起跟隨小編過(guò)來(lái)看看吧2018-12-12
python list格式數(shù)據(jù)excel導(dǎo)出方法
今天小編就為大家分享一篇python list格式數(shù)據(jù)excel導(dǎo)出方法,具有很好的參考價(jià)值,希望對(duì)大家有所幫助。一起跟隨小編過(guò)來(lái)看看吧2018-10-10
基于Python3讀寫(xiě)INI配置文件過(guò)程解析
這篇文章主要介紹了基于Python3讀寫(xiě)INI配置文件過(guò)程解析,文中通過(guò)示例代碼介紹的非常詳細(xì),對(duì)大家的學(xué)習(xí)或者工作具有一定的參考學(xué)習(xí)價(jià)值,需要的朋友可以參考下2020-07-07
Python趣味挑戰(zhàn)之pygame實(shí)現(xiàn)無(wú)敵好看的百葉窗動(dòng)態(tài)效果
最近寫(xiě)了很多期關(guān)于pygame的案例和知識(shí)點(diǎn),自己也收獲了很多知識(shí),也在這個(gè)過(guò)程中成長(zhǎng)了不少, 這次還是圍繞surface對(duì)象進(jìn)行詳細(xì)介紹,并形成完整的案例過(guò)程,文中有非常詳細(xì)實(shí)現(xiàn)百葉窗動(dòng)態(tài)效果的代碼示例,需要的朋友可以參考下2021-05-05
pyCharm中python對(duì)象的自動(dòng)提示方式
這篇文章主要介紹了pyCharm中python對(duì)象的自動(dòng)提示方式,具有很好的參考價(jià)值,希望對(duì)大家有所幫助,如有錯(cuò)誤或未考慮完全的地方,望不吝賜教2023-09-09
python開(kāi)發(fā)之IDEL(Python GUI)的使用方法圖文詳解
這篇文章主要介紹了python開(kāi)發(fā)之IDEL(Python GUI)的使用方法,結(jié)合圖文形式較為詳細(xì)的分析總結(jié)了Python GUI的具體使用方法,需要的朋友可以參考下2015-11-11

