1

Задача
Прогнозировать временной ряд методом скользящего окна с помощью нейронной сети в системе MATLAB.

Дано
Функция: cos(x - 0.5) * abs(x)
Число точек: n = 1000
Вектор X: linspace(0.001, 10, n)
Вектор Y: cos(X - 0.5) .* abs(X) + rand(size(X)) * 0.2 (шуманизация)

Также есть алгоритм решения задачи, который я не совсем понимаю (но он обязателен):

  1. Построить выборку для обучения. Для этого на основании временного ряда строится 5 рядов с задержкой от 1 до 5. Для построения ряда с задержкой 5 берутся от 1 до n-5 элементы выборки, с задержкой 4 берутся от 2 до n-4 элементы выборки, с задержкой 3 берутся от 3 до n-3 элементы выборки, с задержкой 2 берутся от 4 до n-2 элементы выборки, с задержкой 1 берутся от 5 до n-1 элементы выборки.
    Как я понял:
x1=X(5:n-1); y1=Y(5:n-1);
x2=X(4:n-2); y2=Y(4:n-2);
x3=X(3:n-3); y3=Y(3:n-3);
x4=X(2:n-4); y4=Y(2:n-4);
x5=X(1:n-5); y5=Y(1:n-5);
  1. Построить проверочную выборку. Поскольку длина выборки для обучения на 5 элементов меньше длины исходного временного ряда, для построения взять элементы от 6 до n-го.
    Как я понял:
ytest=Y(6:n);
  1. Временной ряд разбить на 2 части: использующиеся для обучения сети и для проверки. Размеры массивов должны относиться друг к другу приблизительно как 3:1.
    И тут уже вопросы:
    1) Обучающая и проверочная выборки были созданы на пред. двух шагах. Что значит разбить на 2 части?
    2) Что значит разбить на 2 части вкупе с отношением массивов друг к другу как 3:1.
  2. Построить feedforward neural network для прогнозирования. Число слоев – 2. Активационная функция первого слоя – гиперболический тангенс, второго – линейная. Число нейронов первого слоя взять достаточным для удовлетворительного прогнозирования (10-100), число нейронов второго слоя – 1.
    Может ли такая feedforward neural network в MATLAB прогнозировать временной ряд?
  3. Произвести обучение сети на обучающем множестве, привести график исходного ряда и спрогнозированного, а также погрешности прогнозирования.
    Это кажется понятным.
4
  • Мне кажется на первом шаге все y будут одинаково такие: y=Y(6:n);, весь смысл временного ряда в том, что y предсказывается по набору x с разными задержками. Т.е. задержка только у x, а не у y. А дальше там мне кажется путаница какая-то с терминологией. Обычно бывает не только тестовая выборка, но и валидационная, а тут всё одинаково тестовыми обозвали, ничего непонятно.
    – CrazyElf
    22 мар 2021 в 6:54
  • @CrazyElf мне бы хотя бы пример того, как можно с помощью FF Neural Network в MATLAB прогнозировать временной ряд. Нигде найти не могу... Лучше, конечно, методом скользящего окна... 22 мар 2021 в 6:56
  • К сожалению, по MATLAB не могу подсказать, я это временные ряды на питоне только разбирал.
    – CrazyElf
    22 мар 2021 в 7:05
  • @CrazyElf я вроде разобрался. Прикрепил свой ответ к посту. Если будут какие-либо предложения, пишите :) 22 мар 2021 в 16:20

1 ответ 1

0

Кажется, я определился с решением.

% Для MATLAB R2018b (9.5.0.944444) Pro
% Программа, написанная с использованием функций Neural Network Toolbox
clear all; close all; clc;
% === Исходные данные ===
% Число точек
n = 100;
% Число лагов (5 -- согласно задаче)
b = 5;
% Генерация вектора X
X = linspace(0.001, 10, n);
% Генерация вектора Y на основе вектора X
Y = cos(X - 0.5) .* abs(X) + rand(size(X)) * 0.2; % "Шуманизация"
% Обучающая выборка
k = fix(n * 3 / 4);
Xt = X(1, 1:k);
Yt = Y(1, 1:k);
% Проверочная выборка
Xv = X(1, k+1:n);
Yv = Y(1, k+1:n);
vs = size(Xv, 2);
% Глубина прогноза
m = k - b;
% Горизонт прогноза (по умолчанию 1)
g = 1;
% Минимальные и максимальные значения координат
min_x = min(X);
max_x = max(X);
min_y = min(Y);
max_y = max(Y);

% === Прогнозирование временного ряда с помощью NNT ===
% Построение обучающих "подвыборок"
km = k - m;
if (m <= g)
    error('Горизонт прогноза слишком большой.');
elseif (g ~= 1 && isprime(km))
    error('Измените значение глубины прогноза (либо горизонта прогноза в 1).');
elseif (mod(km, g) ~= 0)
    error('Горизонт прогноза указан неверно.\n(%d mod g) должно быть равно 0.', km);
end
q = fix(km / g + 1);
Yq = zeros(m, q);
for i=1:q
    Yq(:, i) = Yt(1, 1+g*(i-1):m+g*(i-1));
end
% Настройка минимальных и максимальных значений
mmx = zeros(size(Yq, 1), 2);
mmx(:, 1) = min_y - min_y;
mmx(:, 2) = max_y + max_y;
% Создание нейронной сети обратного распространения с прямой связью
% 2 скрытых слоя
% Передаточные функции: гиперболический тангенс и линейная функция
net = newff(mmx, [100 1], {'tansig' 'purelin'});
% Скорость обучения
net.trainParam.lr = 0.01;
% Максимальное число эпох
net.trainParam.epochs = 10;
% Цель (всегда не меньше 1e-3, чтобы не было переобучения)
net.trainParam.goal = 1e-1;
% Обучение сети
fprintf('> Обучение сети началось\n');
[net, TR, T, E] = train(net, Yq(:, 1:q-1), Yq(end, 2:q));
train_mse = max(E);
fprintf('> Обучение сети закончилось\n');
% Моделирование работы сети
fprintf('> Моделирование работы сети началось\n');
Yp = Yq(:, q);
Yr = zeros(1, vs);
forecast_mse = 0;
for i=1:vs
    Yr(1, i) = sim(net, Yp);
    Yp = vertcat(Yp(2:size(Yp, 1), 1), Yr(1, i));
    forecast_mse = max(forecast_mse, (Yr(1, i)-Yv(1, i)).^2);
end
fprintf('> Моделирование работы сети закончилось\n');
% Построение графика
plot(Xt, Yt, 'b*'); % Построение обучающей выборки
hold on;
plot(Xv, Yv, 'gs'); % Построение проверочной выборки
plot(Xv, Yr, 'rx'); % Построение прогноза
tx = (max_x - min_x) / 20; ty = (max_y - min_y) / 20;
text(min_x + tx, min_y + ty, sprintf("Train MSE: %s", train_mse));
text(min_x + tx, min_y + ty * 2, sprintf("Forecast MSE: %s", forecast_mse));
xlim([min_x max_x]); % Установка границы по X
ylim([min_y max_y]); % Установка границы по Y
xlabel('X'); % Метка оси X
ylabel('Y'); % Метка оси Y
grid on; % Сетка

Ваш ответ

By clicking “Отправить ответ”, you agree to our terms of service and acknowledge that you have read and understand our privacy policy and code of conduct.

Всё ещё ищете ответ? Посмотрите другие вопросы с метками или задайте свой вопрос.