【Python时序预测系列】基于LSTM实现多变量时间序列预测（案例+源码）

这是我的第229篇原创文章。

一、问题

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二、实现过程

2.1 读取数据集

df=pd.read_csv("train.csv", parse_dates=["Date"], index_col=[0])
print(df.shape)
print(df.head())

data：

2.2 划分数据集

# 拆分数据集为训练集和测试集
test_split=round(len(df)*0.20)
df_for_training=df[:-test_split]
df_for_testing=df[-test_split:]

# 绘制训练集和测试集的折线图
plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(train_data, label='Training Data')
plt.plot(test_data, label='Testing Data')
plt.xlabel('Year')
plt.ylabel('Passenger Count')
plt.title('International Airline Passengers - Training and Testing Data')
plt.legend()
plt.show()

共5203条数据，8:2划分：训练集4162，测试集1041。

训练集和测试集：

2.3 归一化

# 将数据归一化到 0~1 范围
scaler = MinMaxScaler(feature_range=(0,1))
df_for_training_scaled = scaler.fit_transform(df_for_training)
df_for_testing_scaled=scaler.transform(df_for_testing)

2.4 构造LSTM数据集（时序–>监督学习）

def createXY(dataset,n_past):
    pass

window_size = 30
trainX,trainY=createXY(df_for_training_scaled,window_size)
testX,testY=createXY(df_for_testing_scaled,window_size)
print(trainY[0])
print(trainY[0])

# 将数据集转换为 LSTM 模型所需的形状（样本数，时间步长，特征数）
trainX = np.reshape(trainX, (trainX.shape[0], window_size, 5))
testX = np.reshape(testX, (testX.shape[0], window_size, 5))

print("trainX Shape-- ",trainX.shape)
print("trainY Shape-- ",trainY.shape)
print("testX Shape-- ",testX.shape)
print("testY Shape-- ",testY.shape)

滑动窗口30：

前30天的数据，即30行5列（特征列），预测第31天的第1列（目标列）

trainX[0]是前30天的数据，一个30行5列的数组

trainY[0]是第31天的第一列的值

训练集：经过滑动窗口构造的数据集，新的训练集数据数量（4132）比原始训练集（4162）少一个滑动窗口数量（30）。因此，实际训练值只有4132条，是训练的31-4162的部分。

    【1-30】5列—–【31】第一列

    【2-31】5列—–【32】第一列

        …

    【4131-4160】5列—–【4161】第一列

    【4132-4161】5列—–【4162】第一列

    X_train：（4132，30，5）

    Y_train：（4132，1）

测试集：经过滑动窗口构造的数据集，新的测试集数据数量（1011）比原始训测试集（1041）少一个滑动窗口数量（30）。因此，实际预测值只有1011个，是预测的4193-5203的部分，如果想预测4163-4192的部分，可以取训练集的最后30个数进行预测。

    【4163-4192】5列—–【4193】第一列

    【4164-4163】5列—–【4194】第一列

        …

    【5172-5201】5列—–【5202】第一列

    【5173-5202】5列—–【5203】第一列

    X_test：（1011，30，5）

    Y_test：（1011，1）

2.5 建立模拟合模型

from keras.wrappers.scikit_learn import KerasRegressor
from sklearn.model_selection import GridSearchCV
def build_model(optimizer):
    grid_model = Sequential()
    grid_model.add(LSTM(50,return_sequences=True,input_shape=(30,5)))
    grid_model.add(LSTM(50))
    grid_model.add(Dropout(0.2))
    grid_model.add(Dense(1))

    grid_model.compile(loss = 'mse',optimizer = optimizer)
    return grid_model

grid_model = KerasRegressor(build_fn=build_model,verbose=1,validation_data=(testX,testY))
parameters = {'batch_size' : [16,20],
              'epochs' : [8,10],
              'optimizer' : ['adam','Adadelta'] }

grid_search  = GridSearchCV(estimator = grid_model,
                            param_grid = parameters,
                            cv = 2)
grid_search = grid_search.fit(trainX,trainY)
print(grid_search.best_params_)
my_model=grid_search.best_estimator_.model

2.6 进行预测

prediction=my_model.predict(testX)
print("prediction\n", prediction)
print("\nPrediction Shape-",prediction.shape)

prediction：

2.7 预测效果展示

prediction_copies_array = np.repeat(prediction,5, axis=-1)
print(prediction_copies_array.shape)
pred=scaler.inverse_transform(np.reshape(prediction_copies_array,(len(prediction),5)))[:,0]
original_copies_array = np.repeat(testY,5, axis=-1)
print(original_copies_array.shape)
original=scaler.inverse_transform(np.reshape(original_copies_array,(len(testY),5)))[:,0]
print("Pred Values-- ",pred)
print("\nOriginal Values-- ",original)
import matplotlib.pyplot as plt
plt.plot(original, color = 'red', label = 'Real  Stock Price')
plt.plot(pred, color = 'blue', label = 'Predicted  Stock Price')
plt.title(' Stock Price Prediction')
plt.xlabel('Time')
plt.ylabel(' Stock Price')
plt.legend()
plt.show()

测试集真实值与预测值：

三、新测试集上预测

代码：

df_30_days_past=df.iloc[-30:,:]
df_30_days_future=pd.read_csv("test.csv",parse_dates=["Date"],index_col=[0])
print(df_30_days_future.shape)
df_30_days_future["Open"]=0
df_30_days_future=df_30_days_future[["Open","High","Low","Close","Adj Close"]]
old_scaled_array=scaler.transform(df_30_days_past)
new_scaled_array=scaler.transform(df_30_days_future)
new_scaled_df=pd.DataFrame(new_scaled_array)
new_scaled_df.iloc[:,0]=np.nan
full_df=pd.concat([pd.DataFrame(old_scaled_array),new_scaled_df]).reset_index().drop(["index"],axis=1)
full_df_scaled_array=full_df.values
all_data=[]
time_step=30
for i in range(time_step,len(full_df_scaled_array)):
    data_x=[]
    data_x.append(full_df_scaled_array[i-time_step:i,0:full_df_scaled_array.shape[1]])
    data_x=np.array(data_x)
    prediction=my_model.predict(data_x)
    all_data.append(prediction)
    full_df.iloc[i,0]=prediction

new_array=np.array(all_data)
new_array=new_array.reshape(-1,1)
prediction_copies_array = np.repeat(new_array,5, axis=-1)
y_pred_future_30_days = scaler.inverse_transform(np.reshape(prediction_copies_array,(len(new_array),5)))[:,0]
print(y_pred_future_30_days)

数据：30行4列

结果：

作者简介：

读研期间发表6篇SCI数据挖掘相关论文，现在某研究院从事数据算法相关科研工作，结合自身科研实践经历不定期分享关于Python、机器学习、深度学习、人工智能系列基础知识与应用案例。致力于只做原创，以最简单的方式理解和学习，关注我一起交流成长。需要数据集和源码的小伙伴可以关注底部公众号添加作者微信。