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1 预测-双注意LSTM自动编码器

复现github链接：https://github.com/JulesBelveze/time-series-autoencoder.git
论文：A Dual-Stage Attention-Based Recurrent Neural Network for Time Series Prediction：https://arxiv.org/abs/1704.02971

1.1 复现环境配置

python版本：python3.8.20
cuda版本：cuda111
包版本环境参考：

Package              Version      Editable project location
-------------------- ------------ ---------------------------
build                1.2.2.post1
CacheControl         0.14.2
certifi              2025.1.31
charset-normalizer   3.4.1
cleo                 2.1.0
colorama             0.4.6
contourpy            1.1.1
crashtest            0.4.1
cycler               0.10.0
distlib              0.3.9
dulwich              0.21.7
fastjsonschema       2.21.1
filelock             3.16.1
fonttools            4.56.0
future               0.18.2
idna                 3.10
importlib_metadata   8.5.0
importlib_resources  6.4.5
installer            0.7.0
jaraco.classes       3.4.0
joblib               0.15.1
keyring              24.3.1
kiwisolver           1.2.0
matplotlib           3.2.1
more-itertools       10.5.0
msgpack              1.1.0
numpy                1.21.0
packaging            24.2
pandas               1.1.5
pexpect              4.9.0
pillow               10.4.0
pip                  24.3.1
pkginfo              1.12.1.2
platformdirs         4.3.6
poetry               1.8.5
poetry-core          1.9.1
poetry-plugin-export 1.8.0
protobuf             5.29.3
ptyprocess           0.7.0
pyparsing            2.4.7
pyproject_hooks      1.2.0
python-dateutil      2.8.1
pytz                 2025.1
pywin32-ctypes       0.2.3
rapidfuzz            3.9.7
requests             2.32.3
requests-toolbelt    1.0.0
scikit-learn         0.23.1
scipy                1.4.1
setuptools           75.3.0
shellingham          1.5.4
six                  1.15.0
sklearn              0.0
tensorboardX         2.6.2.2
threadpoolctl        2.1.0
tomli                2.2.1
tomlkit              0.13.2
torch                1.9.1+cu111
torchaudio           0.9.1
torchvision          0.10.1+cu111
tqdm                 4.46.1
trove-classifiers    2025.2.18.16
tsa                  0.1.0        D:\temp\Pytorch双注意LSTM自动编码器
typing_extensions    4.12.2
urllib3              2.2.3
virtualenv           20.29.2
wheel                0.45.1
zipp                 3.20.2

注：

vscode配置：

{// Use IntelliSense to learn about possible attributes.// Hover to view descriptions of existing attributes.// For more information, visit: https://go.microsoft.com/fwlink/?linkid=830387"version": "0.2.0","configurations": [{"name": "Python Debugger: Current File with Arguments","type": "debugpy","request": "launch","program": "${file}","cwd":"${fileDirname}","console": "integratedTerminal",// "args": [//     "--ckpt", "output/checkpoint-5000.ckpt"  // 添加 --ckpt 参数及其值// ]}]
}

1.2 数据流记录

源代码所用数据字段：

| 列名          | 含义               | 单位     |
| ------------- | ------------------ | -------- |
| Date_Time     | 日期和时间         | -        |
| CO(GT)        | 一氧化碳浓度       | mg/m³    |
| PT08.S1(CO)   | 一氧化碳传感器响应值 | 无量纲  |
| NMHC(GT)      | 非甲烷烃浓度       | µg/m³   |
| C6H6(GT)      | 苯浓度             | µg/m³   |
| PT08.S2(NMHC) | 非甲烷烃传感器响应值 | 无量纲 |
| NOx(GT)       | 氮氧化物浓度       | µg/m³   |
| PT08.S3(NOx)  | 氮氧化物传感器响应值 | 无量纲 |
| NO2(GT)       | 二氧化氮浓度       | µg/m³   |
| PT08.S4(NO2)  | 二氧化氮传感器响应值 | 无量纲 |
| PT08.S5(O3)   | 臭氧传感器响应值    | 无量纲  |
| T             | 温度               | °C      |
| RH            | 相对湿度           | %       |
| AH            | 绝对湿度           | g/m³    |

将时间序列数据转换为适合时间序列预测的格式，具体来说，它通过滑动窗口的方式从输入数据 X 和标签 y 中提取特征和标签，并生成一个 TensorDataset。提取特征和标签，预测的是后面的预测窗口长度的标签。下面我将详细解释 X、y 和 target 的取数逻辑，并指出 y 取数可能存在的问题。

---

1.2.1 构建Dataset

(1) X 的取数

• X 是输入特征数据，形状为 (nb_obs, nb_features)，其中 nb_obs 是样本数量，nb_features 是特征数量。
• 通过滑动窗口的方式，从 X 中提取长度为 seq_length 的序列：

  features.append(torch.FloatTensor(X[i:i + self.seq_length, :]).unsqueeze(0))
  

  • 例如，如果 seq_length = 10，则每次提取 X[i:i+10, :]，即从第 i 个时间步开始的 10 个时间步的特征数据。
  • unsqueeze(0) 是为了增加一个批次维度。

(2) y 的取数

• y 是目标值（标签），通常是与 X 对应的输出值。
• 代码中从 y 中提取的是滞后一期的历史值（y[i-1:i+self.seq_length-1]）：

  y_hist.append(torch.FloatTensor(y[i - 1:i + self.seq_length - 1]).unsqueeze(0))
  

  • 例如，如果 seq_length = 10，则提取的是 y[i-1:i+9]，即从第 i-1 个时间步开始的 10 个时间步的标签值。
  • 这里 y[i-1] 的使用可能有问题，因为 y[i-1] 是前一个时间步的值，而不是当前时间步的值。如果 y 是当前时间步的标签，那么这里应该直接使用 y[i:i+self.seq_length]。

(3) target 的取数

• target 是预测的目标值，即未来 prediction_window 个时间步的标签值：

  target.append(torch.FloatTensor(y[i + self.seq_length:i + self.seq_length + self.prediction_window]))
  

  • 例如，如果 seq_length = 10 且 prediction_window = 5，则提取的是 y[i+10:i+15]，即从第 i+10 个时间步开始的 5 个时间步的标签值。

---

1.2.2 举例说明

假设有以下数据：

• X 和 y 的长度为 20。
• seq_length = 3，prediction_window = 2。

(1)X 的取数

• 当 i = 1 时，提取 X[1:4, :]。
• 当 i = 2 时，提取 X[2:5, :]。
• 以此类推。

(2)y 的取数

• 当 i = 1 时，提取 y[0:3]（即 y[i-1:i+seq_length-1]）。
• 当 i = 2 时，提取 y[1:4]。
• 以此类推。

(3)target 的取数

• 当 i = 1 时，提取 y[4:6]（即 y[i+seq_length:i+seq_length+prediction_window]）。
• 当 i = 2 时，提取 y[5:7]。
• 以此类推。

---

1.2.3 y 取数的问题

在代码中，y 的取数逻辑是：

y_hist.append(torch.FloatTensor(y[i - 1:i + self.seq_length - 1]).unsqueeze(0))

这里使用了 y[i-1]，即前一个时间步的值。如果 y 是当前时间步的标签，那么这里应该直接使用 y[i:i+self.seq_length]，而不是 y[i-1:i+self.seq_length-1]。修正后的代码应该是：

y_hist.append(torch.FloatTensor(y[i:i + self.seq_length]).unsqueeze(0))

---

修正后的代码

def frame_series(self, X, y=None):'''Function used to prepare the data for time series prediction:param X: set of features:param y: targeted value to predict:return: TensorDataset'''nb_obs, nb_features = X.shapefeatures, target, y_hist = [], [], []for i in range(1, nb_obs - self.seq_length - self.prediction_window):features.append(torch.FloatTensor(X[i:i + self.seq_length, :]).unsqueeze(0))# 修正后的 y 取数逻辑y_hist.append(torch.FloatTensor(y[i:i + self.seq_length]).unsqueeze(0))features_var, y_hist_var = torch.cat(features), torch.cat(y_hist)if y is not None:for i in range(1, nb_obs - self.seq_length - self.prediction_window):target.append(torch.FloatTensor(y[i + self.seq_length:i + self.seq_length + self.prediction_window]))target_var = torch.cat(target)return TensorDataset(features_var, y_hist_var, target_var)return TensorDataset(features_var)

---

1.2.4 总结

• X 的取数是滑动窗口提取特征序列。
• y 的取数逻辑存在问题，不应使用 y[i-1]，而应直接使用 y[i:i+self.seq_length]。
• target 的取数是提取未来 prediction_window 个时间步的标签值。

---

这段代码的数据流可以分为以下几个步骤：

1. 数据预处理：

   • 调用 self.preprocess_data() 方法，生成训练集和测试集的特征和标签：X_train, X_test, y_train, y_test。
   • 从 X_train 中获取特征的数量 nb_features。

2. 数据集封装：

   • 调用 self.frame_series(X_train, y_train) 方法，将训练集的特征和标签封装成一个 train_dataset 对象。
   • 调用 self.frame_series(X_test, y_test) 方法，将测试集的特征和标签封装成一个 test_dataset 对象。

3. DataLoader 创建：

   • 使用 DataLoader 类创建 train_iter，用于加载训练数据集。参数包括 batch_size（批次大小）、shuffle=False（不打乱数据）、drop_last=True（丢弃最后一个不完整的批次）。
   • 使用 DataLoader 类创建 test_iter，用于加载测试数据集。参数与 train_iter 相同。

4. 返回结果：

   • 返回 train_iter（训练数据加载器）、test_iter（测试数据加载器）和 nb_features（特征数量）。

1.2.5 数据流总结：

• 输入：原始数据通过 self.preprocess_data() 进行预处理，生成特征和标签。
• 处理：特征和标签被封装成 Dataset 对象，然后通过 DataLoader 进行批次加载。
• 输出：返回训练和测试的 DataLoader 对象，以及特征数量。

1.2.6 数据流图示：

原始数据 → preprocess_data() → (X_train, X_test, y_train, y_test) → frame_series() → (train_dataset, test_dataset) → DataLoader() → (train_iter, test_iter)

1.2.7 参考：

• DataLoader 是 PyTorch 中用于批量加载数据的工具，支持多线程加载、数据打乱等功能。
• Dataset 是 PyTorch 中用于封装数据集的基类，通常需要实现 __len__ 和 __getitem__ 方法。

---

为了更好地理解数据维度的变化情况，我们可以通过一个具体的例子来逐步分析代码中的数据维度变化。假设我们有一个时间序列数据集，包含以下列：

• date: 时间戳
• feature1: 数值特征
• feature2: 数值特征
• category: 类别特征
• target: 目标值

2 数据维度变化流程

1. 原始数据 (data):

   • 假设数据集有 1000 行，5 列（date, feature1, feature2, category, target）。
   • 维度：(1000, 5)

2. 预处理 (preprocess_data):

   • X = data.drop('target', axis=1)：去掉目标列，剩下 4 列。
     • 维度：(1000, 4)
   • y = data['target']：目标列。
     • 维度：(1000,)
   • X_train, X_test, y_train, y_test = train_test_split(X, y, train_size=0.8, shuffle=False)：
     • X_train 维度：(800, 4)
     • X_test 维度：(200, 4)
     • y_train 维度：(800,)
     • y_test 维度：(200,)
   • X_train = preprocessor.fit_transform(X_train)：经过 ColumnTransformer 处理，假设 category 列被编码为 3 个新列。
     • 维度：(800, 5)（feature1, feature2, category_encoded_1, category_encoded_2, category_encoded_3）
   • X_test = preprocessor.transform(X_test)：
     • 维度：(200, 5)

3. 时间序列帧化 (frame_series):

   • 假设 seq_length = 10，prediction_window = 1。
   • nb_obs, nb_features = X_train.shape：
     • nb_obs = 800, nb_features = 5
   • features 和 y_hist 的生成：
     • 对于 i 从 1 到 800 - 10 - 1 = 789，每次取 10 个时间步的数据。
     • features 维度：(789, 10, 5)
     • y_hist 维度：(789, 10)
   • target 的生成：
     • 对于 i 从 1 到 789，每次取 1 个时间步的目标值。
     • target 维度：(789, 1)
   • TensorDataset 的生成：
     • features_var 维度：(789, 10, 5)
     • y_hist_var 维度：(789, 10)
     • target_var 维度：(789, 1)

4. DataLoader (get_loaders):

   • train_iter = DataLoader(train_dataset, batch_size=32, shuffle=False, drop_last=True)：
     • 每个 batch 的维度：(32, 10, 5)（特征），(32, 10)（历史目标），(32, 1)（目标）
   • test_iter = DataLoader(test_dataset, batch_size=32, shuffle=False, drop_last=True)：
     • 每个 batch 的维度：(32, 10, 5)（特征），(32, 10)（历史目标），(32, 1)（目标）

2.1 流程图

原始数据 (1000, 5)|v
预处理 (X_train: 800, 5, y_train: 800)|v
时间序列帧化 (features: 789, 10, 5, y_hist: 789, 10, target: 789, 1)|v
DataLoader (batch_size=32, features: 32, 10, 5, y_hist: 32, 10, target: 32, 1)

2.2 总结

通过上述步骤，可以看到数据从原始形式逐步转换为适合时间序列模型训练的格式。每个步骤中的数据维度变化如下：

1. 原始数据：(1000, 5)
2. 预处理后：(800, 5)（训练集特征），(800,)（训练集目标）
3. 时间序列帧化后：(789, 10, 5)（特征），(789, 10)（历史目标），(789, 1)（目标）
4. DataLoader 中：(32, 10, 5)（特征），(32, 10)（历史目标），(32, 1)（目标）