在上文中进行ARIMA时序预测后，了解到强大的LSTM在处理时序预测有更为优秀的表现，因此对LSTM进行了学习。
LSTM是一种时间递归神经网络，它出现的原因是为了解决RNN的一个致命的缺陷。原生的RNN会遇到一个很大的问题，叫做The vanishing gradient problem for RNNs，也就是后面时间的节点会出现老年痴呆症，也就是忘事儿，这使得RNN在很长一段时间内都没有受到关注，网络只要一深就没法训练。而LSTM网络具有“记忆性”，其原因在于不同“时间点”之间的网络存在连接，而不是单个时间点处的网络存在前馈或者反馈；并且LSTM擅长于处理多个变量的问题，该特性使其有助于解决时间序列预测问题。
关于LSTM原理，初学者可以通过以下几篇文章简单了解一下，：
https://www.toutiao.com/a6502203093856289294/
https://zybuluo.com/hanbingtao/note/581764
本文内容取自Jason Brownlee的《Multivariate Time Series Forecasting with LSTMs in Keras》一文。在接下来的这篇博客中，你将学会如何利用深度学习库Keras搭建LSTM模型来处理多个变量的时间序列预测问题。
关于如何搭建Keras请看《windows下安装Keras（CPU版）》一文。
阅读完本文后你将会掌握：
在这篇博客中，我们将采用空气质量数据集。数据来源自位于北京的美国大使馆在2010年至2014年共5年间每小时采集的天气及空气污染指数。
数据集包括日期、PM2.5浓度、露点、温度、风向、风速、累积小时雪量和累积小时雨量。原始数据中完整的特征如下：
1.No 行数
2.year 年
3.month 月
4.day 日
5.hour 小时
6.pm2.5 PM2.5浓度
7.DEWP 露点
8.TEMP 温度
9.PRES 大气压
10.cbwd 风向
11.lws 风速
12.ls 累积雪量
13.lr 累积雨量我们可以利用此数据集搭建预测模型，利用前一个或几个小时的天气条件和污染数据预测下一个（当前）时刻的污染程度。
可以在UCI Machine Learning Repository下载数据集。 也可以点击此处下载Beijing PM2.5 Data Set。
第一步，我们必须清洗数据。以下是原始数据集的前几行。
No,year,month,day,hour,pm2.5,DEWP,TEMP,PRES,cbwd,Iws,Is,Ir
1,2010,1,1,0,NA,-21,-11,1021,NW,1.79,0,0
2,2010,1,1,1,NA,-21,-12,1020,NW,4.92,0,0
3,2010,1,1,2,NA,-21,-11,1019,NW,6.71,0,0
4,2010,1,1,3,NA,-21,-14,1019,NW,9.84,0,0
5,2010,1,1,4,NA,-20,-12,1018,NW,12.97,0,0
第一步是将日期时间信息整合为一个日期时间，以便我们可以将其用作Pandas的索引。我们需要快速显示前24小时的pm2.5的NA值。因此，我们需要删除第一行数据。在数据集中还有几个分散的“NA”值；我们现在可以用0值标记它们。
以下脚本加载原始数据集，并将日期时间信息解析为Pandas Data Frame索引。“No”列被删除，然后为每列指定更清晰的名称。最后，将NA值替换为“0”值，并删除前24小时。
from pandas import read_csv
from datetime import datetime
# load data
def parse(x):
return datetime.strptime(x, '%Y %m %d %H')
dataset = read_csv('raw.csv', parse_dates = [['year', 'month', 'day', 'hour']], index_col=0, date_parser=parse)
dataset.drop('No', axis=1, inplace=True)
# manually specify column names
dataset.columns = ['pollution', 'dew', 'temp', 'press', 'wnd_dir', 'wnd_spd', 'snow', 'rain']
dataset.index.name = 'date'
# mark all NA values with 0
dataset['pollution'].fillna(0, inplace=True)
# drop the first 24 hours
dataset = dataset[24:]
# summarize first 5 rows
print(dataset.head(5))
# save to file
dataset.to_csv('pollution.csv')运行该示例打印转换的数据集的前5行，并将数据集保存到“pollution.csv”。
pollution dew temp press wnd_dir wnd_spd snow rain
date
2010-01-02 00:00:00 129.0 -16 -4.0 1020.0 SE 1.79 0 0
2010-01-02 01:00:00 148.0 -15 -4.0 1020.0 SE 2.68 0 0
2010-01-02 02:00:00 159.0 -11 -5.0 1021.0 SE 3.57 0 0
2010-01-02 03:00:00 181.0 -7 -5.0 1022.0 SE 5.36 1 0
2010-01-02 04:00:00 138.0 -7 -5.0 1022.0 SE 6.25 2 0现在的数据格式已经更加适合处理，可以简单的对每列进行绘图。下面的代码加载了“pollution.csv”文件，并对除了类别型特性“风速”的每一列数据分别绘图。
from pandas import read_csv
from matplotlib import pyplot
# load dataset
dataset = read_csv('pollution.csv', header=0, index_col=0)
values = dataset.values
# specify columns to plot
groups = [0, 1, 2, 3, 5, 6, 7]
i = 1
# plot each column
pyplot.figure()
for group in groups:
pyplot.subplot(len(groups), 1, i)
pyplot.plot(values[:, group])
pyplot.title(dataset.columns[group], y=0.5, loc='right')
i += 1
pyplot.show()运行上述代码，并对7个变量在5年的范围内绘图。
第一步是为LSTM准备污染数据集。这涉及将数据集视为监督学习问题并对输入变量进行归一化处理。考虑到上一个时间段的污染测量和天气条件，我们将把监督学习问题作为预测当前时刻（t）的污染情况。根据过去24小时的天气情况和污染，预测下一个小时的污染，并给予下一个小时的“预期”天气条件。
我们可以使用在之前博客中所写的series_to_supervised()函数来转换数据集：如何将时间序列转换为Python中的监督学习问题
下面代码中首先加载“pollution.csv”文件，并利用sklearn的预处理模块对类别特征“风向”进行编码，当然也可以对该特征进行one-hot编码。 接着对所有的特征进行归一化处理，然后将数据集转化为有监督学习问题，同时将需要预测的当前时刻（t）的天气条件特征移除，完整代码如下：
# convert series to supervised learning
def series_to_supervised(data, n_in=1, n_out=1, dropnan=True):
n_vars = 1 if type(data) is list else data.shape[1]
df = DataFrame(data)
cols, names = list(), list()
# input sequence (t-n, ... t-1)
for i in range(n_in, 0, -1):
cols.append(df.shift(i))
names += [('var%d(t-%d)' % (j+1, i)) for j in range(n_vars)]
# forecast sequence (t, t+1, ... t+n)
for i in range(0, n_out):
cols.append(df.shift(-i))
if i == 0:
names += [('var%d(t)' % (j+1)) for j in range(n_vars)]
else:
names += [('var%d(t+%d)' % (j+1, i)) for j in range(n_vars)]
# put it all together
agg = concat(cols, axis=1)
agg.columns = names
# drop rows with NaN values
if dropnan:
agg.dropna(inplace=True)
return agg
# load dataset
dataset = read_csv('pollution.csv', header=0, index_col=0)
values = dataset.values
# integer encode direction
encoder = LabelEncoder()
values[:,4] = encoder.fit_transform(values[:,4])
# ensure all data is float
values = values.astype('float32')
# normalize features
scaler = MinMaxScaler(feature_range=(0, 1))
scaled = scaler.fit_transform(values)
# frame as supervised learning
reframed = series_to_supervised(scaled, 1, 1)
# drop columns we don't want to predict
reframed.drop(reframed.columns[[9,10,11,12,13,14,15]], axis=1, inplace=True)
print(reframed.head())运行示例打印转换后的数据集的前5行。我们可以看到8个输入变量（输入序列）和1个输出变量（当前小时的污染水平）。
var1(t-1) var2(t-1) var3(t-1) var4(t-1) var5(t-1) var6(t-1) \
1 0.129779 0.352941 0.245902 0.527273 0.666667 0.002290
2 0.148893 0.367647 0.245902 0.527273 0.666667 0.003811
3 0.159960 0.426471 0.229508 0.545454 0.666667 0.005332
4 0.182093 0.485294 0.229508 0.563637 0.666667 0.008391
5 0.138833 0.485294 0.229508 0.563637 0.666667 0.009912
var7(t-1) var8(t-1) var1(t)
1 0.000000 0.0 0.148893
2 0.000000 0.0 0.159960
3 0.000000 0.0 0.182093
4 0.037037 0.0 0.138833
5 0.074074 0.0 0.109658 在这一节，我们将构造LSTM模型。
首先，我们需要将处理后的数据集划分为训练集和测试集。为了加速模型的训练，我们仅利用第一年数据进行训练，然后利用剩下的4年进行评估。
下面的代码将数据集进行划分，然后将训练集和测试集划分为输入和输出变量，最终将输入（X）改造为LSTM的输入格式，即[samples,timesteps,features]。
# split into train and test sets
values = reframed.values
n_train_hours = 365 * 24
train = values[:n_train_hours, :]
test = values[n_train_hours:, :]
# split into input and outputs
train_X, train_y = train[:, :-1], train[:, -1]
test_X, test_y = test[:, :-1], test[:, -1]
# reshape input to be 3D [samples, timesteps, features]
train_X = train_X.reshape((train_X.shape[0], 1, train_X.shape[1]))
test_X = test_X.reshape((test_X.shape[0], 1, test_X.shape[1]))
print(train_X.shape, train_y.shape, test_X.shape, test_y.shape)运行上述代码打印训练集和测试集的输入输出格式，其中9K小时数据作训练集，35K小时数据作测试集。
(8760, 1, 8) (8760,) (35039, 1, 8) (35039,)现在可以搭建LSTM模型了。 LSTM模型中，隐藏层有50个神经元，输出层1个神经元（回归问题），输入变量是一个时间步（t-1）的特征，损失函数采用Mean Absolute Error(MAE)，优化算法采用Adam，模型采用50个epochs并且每个batch的大小为72。
最后，在fit()函数中设置validation_data参数，记录训练集和测试集的损失，并在完成训练和测试后绘制损失图。
# design network
model = Sequential()
model.add(LSTM(50, input_shape=(train_X.shape[1], train_X.shape[2])))
model.add(Dense(1))
model.compile(loss='mae', optimizer='adam')
# fit network
history = model.fit(train_X, train_y, epochs=50, batch_size=72, validation_data=(test_X, test_y), verbose=2, shuffle=False)
# plot history
pyplot.plot(history.history['loss'], label='train')
pyplot.plot(history.history['val_loss'], label='test')
pyplot.legend()
pyplot.show()
# design network
model = Sequential()
model.add(LSTM(50, input_shape=(train_X.shape[1], train_X.shape[2])))
model.add(Dense(1))
model.compile(loss='mae', optimizer='adam')
# fit network
history = model.fit(train_X, train_y, epochs=50, batch_size=72, validation_data=(test_X, test_y), verbose=2, shuffle=False)
# plot history
pyplot.plot(history.history['loss'], label='train')
pyplot.plot(history.history['val_loss'], label='test')
pyplot.legend()
pyplot.show() 接下里我们对模型效果进行评估。
值得注意的是：需要将预测结果和部分测试集数据组合然后进行比例反转（invert the scaling），同时也需要将测试集上的预期值也进行比例转换。
（We combine the forecast with the test dataset and invert the scaling. We also invert scaling on the test dataset with the expected pollution numbers.）
至于在这里为什么进行比例反转，是因为我们将原始数据进行了预处理（连同输出值y），此时的误差损失计算是在处理之后的数据上进行的，为了计算在原始比例上的误差需要将数据进行转化。同时笔者有个小Tips：就是反转时的矩阵大小一定要和原来的大小（shape）完全相同，否则就会报错。
通过以上处理之后，再结合RMSE（均方根误差）计算损失。
# make a prediction
yhat = model.predict(test_X)
test_X = test_X.reshape((test_X.shape[0], test_X.shape[2]))
# invert scaling for forecast
inv_yhat = concatenate((yhat, test_X[:, 1:]), axis=1)
inv_yhat = scaler.inverse_transform(inv_yhat)
inv_yhat = inv_yhat[:,0]
# invert scaling for actual
test_y = test_y.reshape((len(test_y), 1))
inv_y = concatenate((test_y, test_X[:, 1:]), axis=1)
inv_y = scaler.inverse_transform(inv_y)
inv_y = inv_y[:,0]
# calculate RMSE
rmse = sqrt(mean_squared_error(inv_y, inv_yhat))
print('Test RMSE: %.3f' % rmse)本教程的完整代码如下：
import pandas as pd
from datetime import datetime
from matplotlib import pyplot
from sklearn.preprocessing import LabelEncoder,MinMaxScaler
from sklearn.metrics import mean_squared_error
from keras.models import Sequential
from keras.layers import Dense
from keras.layers import LSTM
from numpy import concatenate
from math import sqrt
# load data
def parse(x):
return datetime.strptime(x, '%Y %m %d %H')
def read_raw():
dataset = pd.read_csv('raw.csv', parse_dates = [['year', 'month', 'day', 'hour']], index_col=0, date_parser=parse)
dataset.drop('No', axis=1, inplace=True)
# manually specify column names
dataset.columns = ['pollution', 'dew', 'temp', 'press', 'wnd_dir', 'wnd_spd', 'snow', 'rain']
dataset.index.name = 'date'
# mark all NA values with 0
dataset['pollution'].fillna(0, inplace=True)
# drop the first 24 hours
dataset = dataset[24:]
# summarize first 5 rows
print(dataset.head(5))
# save to file
dataset.to_csv('pollution.csv')
def drow_pollution():
dataset = pd.read_csv('pollution.csv', header=0, index_col=0)
values = dataset.values
# specify columns to plot
groups = [0, 1, 2, 3, 5, 6, 7]
i = 1
# plot each column
pyplot.figure(figsize=(10,10))
for group in groups:
pyplot.subplot(len(groups), 1, i)
pyplot.plot(values[:, group])
pyplot.title(dataset.columns[group], y=0.5, loc='right')
i += 1
pyplot.show()
def series_to_supervised(data, n_in=1, n_out=1, dropnan=True):
# convert series to supervised learning
n_vars = 1 if type(data) is list else data.shape[1]
df = pd.DataFrame(data)
cols, names = list(), list()
# input sequence (t-n, ... t-1)
for i in range(n_in, 0, -1):
cols.append(df.shift(i))
names += [('var%d(t-%d)' % (j+1, i)) for j in range(n_vars)]
# forecast sequence (t, t+1, ... t+n)
for i in range(0, n_out):
cols.append(df.shift(-i))
if i == 0:
names += [('var%d(t)' % (j+1)) for j in range(n_vars)]
else:
names += [('var%d(t+%d)' % (j+1, i)) for j in range(n_vars)]
# put it all together
agg = pd.concat(cols, axis=1)
agg.columns = names
# drop rows with NaN values
if dropnan:
agg.dropna(inplace=True)
return agg
def cs_to_sl():
# load dataset
dataset = pd.read_csv('pollution.csv', header=0, index_col=0)
values = dataset.values
# integer encode direction
encoder = LabelEncoder()
values[:,4] = encoder.fit_transform(values[:,4])
# ensure all data is float
values = values.astype('float32')
# normalize features
scaler = MinMaxScaler(feature_range=(0, 1))
scaled = scaler.fit_transform(values)
# frame as supervised learning
reframed = series_to_supervised(scaled, 1, 1)
# drop columns we don't want to predict
reframed.drop(reframed.columns[[9,10,11,12,13,14,15]], axis=1, inplace=True)
print(reframed.head())
return reframed,scaler
def train_test(reframed):
# split into train and test sets
values = reframed.values
n_train_hours = 365 * 24
train = values[:n_train_hours, :]
test = values[n_train_hours:, :]
# split into input and outputs
train_X, train_y = train[:, :-1], train[:, -1]
test_X, test_y = test[:, :-1], test[:, -1]
# reshape input to be 3D [samples, timesteps, features]
train_X = train_X.reshape((train_X.shape[0], 1, train_X.shape[1]))
test_X = test_X.reshape((test_X.shape[0], 1, test_X.shape[1]))
print(train_X.shape, train_y.shape, test_X.shape, test_y.shape)
return train_X,train_y,test_X,test_y
def fit_network(train_X,train_y,test_X,test_y,scaler):
model = Sequential()
model.add(LSTM(50, input_shape=(train_X.shape[1], train_X.shape[2])))
model.add(Dense(1))
model.compile(loss='mae', optimizer='adam')
# fit network
history = model.fit(train_X, train_y, epochs=50, batch_size=72, validation_data=(test_X, test_y), verbose=2, shuffle=False)
# plot history
pyplot.plot(history.history['loss'], label='train')
pyplot.plot(history.history['val_loss'], label='test')
pyplot.legend()
pyplot.show()
# make a prediction
yhat = model.predict(test_X)
test_X = test_X.reshape((test_X.shape[0], test_X.shape[2]))
# invert scaling for forecast
inv_yhat = concatenate((yhat, test_X[:, 1:]), axis=1)
inv_yhat = scaler.inverse_transform(inv_yhat)
inv_yhat = inv_yhat[:,0]
# invert scaling for actual
inv_y = scaler.inverse_transform(test_X)
inv_y = inv_y[:,0]
# calculate RMSE
rmse = sqrt(mean_squared_error(inv_y, inv_yhat))
print('Test RMSE: %.3f' % rmse)
if __name__ == '__main__':
drow_pollution()
reframed,scaler = cs_to_sl()
train_X,train_y,test_X,test_y = train_test(reframed)
fit_network(train_X,train_y,test_X,test_y,scaler)运行结果如下：
Train on 8760 samples, validate on 35039 samples
Epoch 1/50
- 2s - loss: 0.0567 - val_loss: 0.0464
Epoch 2/50
- 1s - loss: 0.0390 - val_loss: 0.0423
Epoch 3/50
······
- 1s - loss: 0.0144 - val_loss: 0.0134
Epoch 48/50
- 1s - loss: 0.0144 - val_loss: 0.0134
Epoch 49/50
- 1s - loss: 0.0144 - val_loss: 0.0136
Epoch 50/50
- 1s - loss: 0.0145 - val_loss: 0.0134
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PS.本文为译文，若有疑问请联系原作者Jason Brownlee。