基于卷积-长短期记忆网络结合SE注意力机制(CNN-LSTM-SE Attention)的分类预测(Matlab完整程序和数据）

%% 清空环境变量 warning off % 关闭报警信息 close all % 关闭开启的图窗 clear % 清空变量 clc % 清空命令行 %% 读取数据 res = xlsread('数据集.xlsx'); %% 分析数据 num_class = length(unique(res(:, end))); % 类别数（Excel最后一列放类别） num_dim = size(res, 2) - 1; % 特征维度 num_res = size(res, 1); % 样本数（每一行，是一个样本） num_size = 0.7; % 训练集占数据集的比例 res = res(randperm(num_res), :); % 打乱数据集（不打乱数据时，注释该行） flag_conusion = 1; % 标志位为1，打开混淆矩阵（要求2018版本及以上） %% 设置变量存储数据 P_train = []; P_test = []; T_train = []; T_test = []; %% 划分数据集 for i = 1 : num_class mid_res = res((res(:, end) == i), :); % 循环取出不同类别的样本 mid_size = size(mid_res, 1); % 得到不同类别样本个数 mid_tiran = round(num_size * mid_size); % 得到该类别的训练样本个数 P_train = [P_train; mid_res(1: mid_tiran, 1: end - 1)]; % 训练集输入 T_train = [T_train; mid_res(1: mid_tiran, end)]; % 训练集输出 P_test = [P_test; mid_res(mid_tiran + 1: end, 1: end - 1)]; % 测试集输入 T_test = [T_test; mid_res(mid_tiran + 1: end, end)]; % 测试集输出 end %% 数据转置 P_train = P_train'; P_test = P_test'; T_train = T_train'; T_test = T_test'; %% 得到训练集和测试样本个数 M = size(P_train, 2); N = size(P_test , 2); %% 数据归一化 [P_train, ps_input] = mapminmax(P_train, 0, 1); P_test = mapminmax('apply', P_test, ps_input); t_train = categorical(T_train)'; t_test = categorical(T_test )'; %% 数据平铺 % 将数据平铺成1维数据只是一种处理方式 % 也可以平铺成2维数据，以及3维数据，需要修改对应模型结构 % 但是应该始终和输入层数据结构保持一致 P_train = double(reshape(P_train, num_dim, 1, 1, M)); P_test = double(reshape(P_test , num_dim, 1, 1, N)); %% 数据格式转换 for i = 1 : M Lp_train{i, 1} = P_train(:, :, 1, i); end for i = 1 : N Lp_test{i, 1} = P_test( :, :, 1, i); end %% 建立模型 lgraph = layerGraph(); % 建立空白网络结构 tempLayers = [ sequenceInputLayer([num_dim, 1, 1], "Name", "sequence") % 建立输入层，输入数据结构为[num_dim, 1, 1] sequenceFoldingLayer("Name", "seqfold")]; % 建立序列折叠层 lgraph = addLayers(lgraph, tempLayers); % 将上述网络结构加入空白结构中 tempLayers = convolution2dLayer([3, 1], 32, "Name", "conv_1"); % 卷积层 卷积核[3, 1] 步长[1, 1] 通道数 32 lgraph = addLayers(lgraph,tempLayers); % 将上述网络结构加入空白结构中 tempLayers = [ reluLayer("Name", "relu_1") % 激活层 convolution2dLayer([3, 1], 64, "Name", "conv_2") % 卷积层 卷积核[3, 1] 步长[1, 1] 通道数 64 reluLayer("Name", "relu_2")]; % 激活层 lgraph = addLayers(lgraph, tempLayers); % 将上述网络结构加入空白结构中 tempLayers = [ globalAveragePooling2dLayer("Name", "gapool") % 全局平均池化层 fullyConnectedLayer(16, "Name", "fc_2") % SE注意力机制，通道数的1 / 4 reluLayer("Name", "relu_3") % 激活层 fullyConnectedLayer(64, "Name", "fc_3") % SE注意力机制，数目和通道数相同 sigmoidLayer("Name", "sigmoid")]; % 激活层 lgraph = addLayers(lgraph, tempLayers); % 将上述网络结构加入空白结构中 tempLayers = multiplicationLayer(2, "Name", "multiplication"); % 点乘的注意力 lgraph = addLayers(lgraph, tempLayers); % 将上述网络结构加入空白结构中 tempLayers = [ sequenceUnfoldingLayer("Name", "sequnfold") % 建立序列反折叠层 flattenLayer("Name", "flatten") % 网络铺平层 lstmLayer(6, "Name", "lstm", "OutputMode", "last") % LSTM层 fullyConnectedLayer(num_class) % 全连接层 softmaxLayer % 损失函数层 classificationLayer]; % 分类层 lgraph = addLayers(lgraph, tempLayers); % 将上述网络结构加入空白结构中 lgraph = connectLayers(lgraph, "seqfold/out", "conv_1"); % 折叠层输出 连接 卷积层输入; lgraph = connectLayers(lgraph, "seqfold/miniBatchSize", "sequnfold/miniBatchSize"); % 折叠层输出 连接 反折叠层输入 lgraph = connectLayers(lgraph, "conv_1", "relu_1"); % 卷积层输出 链接 激活层 lgraph = connectLayers(lgraph, "conv_1", "gapool"); % 卷积层输出 链接 全局平均池化 lgraph = connectLayers(lgraph, "relu_2", "multiplication/in2"); % 激活层输出 链接 相乘层 lgraph = connectLayers(lgraph, "sigmoid", "multiplication/in1"); % 全连接输出 链接 相乘层 lgraph = connectLayers(lgraph, "multiplication", "sequnfold/in"); % 点乘输出 %% 参数设置 options = trainingOptions('adam', ... % Adam 梯度下降算法 'MaxEpochs', 1000, ... % 最大迭代次数 'InitialLearnRate', 1e-2, ... % 初始学习率为0.01 'LearnRateSchedule', 'piecewise', ... % 学习率下降 'LearnRateDropFactor', 0.1, ... % 学习率下降因子 0.5 'LearnRateDropPeriod', 700, ... % 经过700次训练后 学习率为 0.01 * 0.1 'Shuffle', 'every-epoch', ... % 每次训练打乱数据集 'Plots', 'training-progress', ... % 画出曲线 'Verbose', false); %% 训练模型 net = trainNetwork(Lp_train, t_train, lgraph, options); %% 模型预测 t_sim1 = predict(net, Lp_train); t_sim2 = predict(net, Lp_test ); %% 反归一化 T_sim1 = vec2ind(t_sim1'); T_sim2 = vec2ind(t_sim2'); %% 显示网络结构 analyzeNetwork(net) %% 性能评价 error1 = sum((T_sim1 == T_train))/M * 100 ; error2 = sum((T_sim2 == T_test)) /N * 100 ; %% 绘图 figure plot(1: M, T_train, 'r-*', 1: M, T_sim1, 'b-o', 'LineWidth', 1) legend('真实值', '预测值') xlabel('预测样本') ylabel('预测结果') string = {'训练集预测结果对比'; ['准确率=' num2str(error1) '%']}; title(string) xlim([1, M]) grid figure plot(1: N, T_test, 'r-*', 1: N, T_sim2, 'b-o', 'LineWidth', 1) legend('真实值', '预测值') xlabel('预测样本') ylabel('预测结果') string = {'测试集预测结果对比'; ['准确率=' num2str(error2) '%']}; title(string) xlim([1, N]) grid %% 混淆矩阵 if flag_conusion == 1 figure cm = confusionchart(T_train, T_sim1); cm.Title = 'Confusion Matrix for Train Data'; cm.ColumnSummary = 'column-normalized'; cm.RowSummary = 'row-normalized'; figure cm = confusionchart(T_test, T_sim2); cm.Title = 'Confusion Matrix for Test Data'; cm.ColumnSummary = 'column-normalized'; cm.RowSummary = 'row-normalized'; end