PyTorch搭建CNN-LSTM混合模型实现多变量多步长时间序列预测（负荷预测）

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I. 前言

前面已经写了很多关于时间序列预测的文章，这些文章一共采用了LSTM、ANN以及CNN三种模型来分别进行时间序列预测。众所周知，CNN提取特征的能力非常强，因此现在不少论文将CNN和LSTM结合起来进行时间序列预测。本文将利用PyTorch来搭建一个简单的CNN-LSTM混合模型实现负荷预测。

II. CNN-LSTM

CNN-LSTM模型搭建如下：

class CNN_LSTM(nn.Module):
    def __init__(self, args):
        super(CNN_LSTM, self).__init__()
        self.args = args
        self.relu = nn.ReLU(inplace=True)
        # (batch_size=30, seq_len=24, input_size=7) ---> permute(0, 2, 1)
        # (30, 7, 24)
        self.conv = nn.Sequential(
            nn.Conv1d(in_channels=args.in_channels, out_channels=args.out_channels, kernel_size=3),
            nn.ReLU(),
            nn.MaxPool1d(kernel_size=3, stride=1)
        )
        # (batch_size=30, out_channels=32, seq_len-4=20) ---> permute(0, 2, 1)
        # (30, 20, 32)
        self.lstm = nn.LSTM(input_size=args.out_channels, hidden_size=args.hidden_size,
                            num_layers=args.num_layers, batch_first=True)
        self.fc = nn.Linear(args.hidden_size, args.output_size)
    def forward(self, x):
        x = x.permute(0, 2, 1)
        x = self.conv(x)
        x = x.permute(0, 2, 1)
        x, _ = self.lstm(x)
        x = self.fc(x)
        x = x[:, -1, :]
        return x

可以看到，该CNN-LSTM由一层一维卷积+LSTM组成。

通过 PyTorch搭建CNN实现时间序列预测（风速预测） 我们知道，一维卷积的原始定义如下：

nn.Conv1d(in_channels, out_channels, kernel_size, stride=1, padding=0, dilation=1, groups=1, bias=True)

本文模型的一维卷积定义：

nn.Conv1d(in_channels=args.in_channels, out_channels=args.out_channels, kernel_size=3)

这里in_channels的概念相当于自然语言处理中的embedding，因此输入通道数为7，表示负荷+其他6个环境变量；out_channels的可以随意设置，本文设置为32；kernel_size设置为3。

PyTorch中一维卷积的输入尺寸为：

input(batch_size, input_size, seq_len)=(30, 7, 24)

而经过数据处理后得到的数据维度为：

input(batch_size, seq_len, input_size)=(30, 24, 7)

因此，我们需要进行维度交换：

x = x.permute(0, 2, 1)

交换后的输入数据将符合CNN的输入。

一维卷积中卷积操作是针对seq_len维度进行的，也就是(30, 7, 24)中的最后一个维度。因此，经过：

nn.Conv1d(in_channels=args.in_channels, out_channels=args.out_channels, kernel_size=3)

后，数据维度将变为：

(30, 32, 24-3+1)=(30, 32, 22)

第一维度的batch_size不变，第二维度的input_size将由in_channels=7变成out_channels=32，第三维度进行卷积变成22。

然后经过一个最大池化变成：

(30, 32, 22-3+1)=(30, 32, 20)

此时的(30, 32, 20)将作为LSTM的输入。由于在LSTM中我们设置了batch_first=True，因此LSTM能够接收的输入维度为：

input(batch_size, seq_len, input_size)

而经卷积池化后得到的数据维度为：

input(batch_size=30, input_size=32, seq_len=20)

因此，同样需要进行维度交换：

x = x.permute(0, 2, 1)

然后就是比较常规的LSTM输入输出的，不再细说。

因此，完整的forward函数如下所示：

def forward(self, x):
    x = x.permute(0, 2, 1)
    x = self.conv(x)
    x = x.permute(0, 2, 1)
    x, _ = self.lstm(x)
    x = self.fc(x)
    x = x[:, -1, :]
    return x

III. 代码实现

3.1 数据处理

我们根据前24个时刻的负荷以及该时刻的环境变量来预测接下来4个时刻的负荷，这里采用了直接多输出策略，调整output_size即可调整输出步长。

3.2 模型训练/测试

和前文一致。

3.3 实验结果

简单训练30轮，前24个时刻预测未来4个时刻，MAPE为6.88%：

IV. 源码及数据

后面将陆续公开~