%% 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
warning('off')
%% 导入数据
res = xlsread('数据集.xlsx');
%% 数据分析
num_size = 0.7; % 训练集占数据集比例
outdim = 1; % 最后一列为输出
num_samples = size(res, 1); % 样本个数
res = res(randperm(num_samples), :); % 打乱数据集(不希望打乱时,注释该行)
num_train_s = round(num_size * num_samples); % 训练集样本个数
f_ = size(res, 2) - outdim; % 输入特征维度
%% 划分训练集和测试集
P_train = res(1: num_train_s, 1: f_)';
T_train = res(1: num_train_s, f_ + 1: end)';
M = size(P_train, 2);
P_test = res(num_train_s + 1: end, 1: f_)';
T_test = res(num_train_s + 1: end, f_ + 1: end)';
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, ps_output] = mapminmax(T_train, 0, 1);
t_test = mapminmax('apply', T_test, ps_output);
%% 格式转换
for i = 1 : M
vp_train{i, 1} = p_train(:, i);
vt_train{i, 1} = t_train(:, i);
end
for i = 1 : N
vp_test{i, 1} = p_test(:, i);
vt_test{i, 1} = t_test(:, i);
end
%% 创建待优化函数
ObjFcn = @CostFunction;
%% 优化参数设置
SearchAgents = 10; % 种群数量
Max_iterations = 15 ; % 迭代次数
lowerbound = [1e-8 0.0001 10 ]; % 三个参数的下限
upperbound = [1e-2 0.002 100 ]; % 三个参数的上限
dimension = 3; % 数量,即要优化的参数个数
%%优化
[Best_score,Best_pos,Convergence_curve] = WOA(SearchAgents,Max_iterations,lowerbound,upperbound,dimension,ObjFcn);
%% 得到最优参数
NumOfUnits = round( Best_pos(1,3)); % 最佳隐藏层节点数
InitialLearnRate = abs(Best_pos(1,2)); % 最佳初始学习率
L2Regularization = abs(Best_pos(1,1)); % 最佳L2正则化系数
%% 建立模型
lgraph = layerGraph(); % 建立空白网络结构
layers = [
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") % Relu 激活层
fullyConnectedLayer(64, "Name", "fc_3") % SE注意力机制, 通道数和数目相同
sigmoidLayer("Name", "sigmoid")]; % sigmoid 激活层
lgraph = addLayers(lgraph, layers); % 将上述网络结构加入空白结构中
layers = multiplicationLayer(2, "Name", "multiplication"); % 点乘注意力机制
lgraph = addLayers(lgraph, layers); % 将上述网络结构加入空白结构中
layers = [
sequenceInputLayer(f_) % 输入层,即输入的特征变量个数
lstmLayer(NumOfUnits) % LSTM层
reluLayer % Relu激活层
fullyConnectedLayer(outdim) % 全连接层
regressionLayer]; % 回归层
lgraph = addLayers(lgraph, layers); % 将上述网络结构加入空白结构中
%% 参数设置
options = trainingOptions('adam', ... % 优化算法Adam
'MaxEpochs', 500, ... % 最大训练次数
'GradientThreshold', 1, ... % 梯度阈值
'InitialLearnRate', InitialLearnRate, ... % 初始学习率
'LearnRateSchedule', 'piecewise', ... % 学习率调整
'LearnRateDropPeriod', 400, ... % 训练850次后开始调整学习率
'LearnRateDropFactor',0.2, ... % 学习率调整因子
'L2Regularization', L2Regularization, ... % 正则化参数
'ExecutionEnvironment', 'cpu',... % 训练环境
'Verbose', 0, ... % 关闭优化过程
'Plots', 'training-progress'); % 画出曲线
%% 训练
net = trainNetwork(vp_train, vt_train, layers, options);
%% 预测
t_sim1 = predict(net, vp_train);
t_sim2 = predict(net, vp_test);
%% 数据反归一化
T_sim1 = mapminmax('reverse', t_sim1', ps_output);
T_sim2 = mapminmax('reverse', t_sim2', ps_output);
%% 数据格式转换
T_sim1 = cell2mat(T_sim1);
T_sim2 = cell2mat(T_sim2);
T_sim1 = double(T_sim1);
T_sim2 = double(T_sim2);
%% 绘制迭代图
figure
plot(Convergence_curve,'linewidth',1.5);
grid on
xlabel('迭代次数')
ylabel('适应度值')
title('迭代曲线图')
grid on
set(gcf,'color','w')
%% 测试集结果
figure;
plotregression(T_test,T_sim2,['回归图']);
figure;
ploterrhist(T_test-T_sim2,['误差直方图']);
%% 均方根误差 RMSE
error1 = sqrt(sum((T_sim1 - T_train).^2)./M);
error2 = sqrt(sum((T_test - T_sim2).^2)./N);
%%
%决定系数
R1 = 1 - norm(T_train - T_sim1)^2 / norm(T_train - mean(T_train))^2;
R2 = 1 - norm(T_test - T_sim2)^2 / norm(T_test - mean(T_test ))^2;
%%
%均方误差 MSE
mse1 = sum((T_sim1 - T_train).^2)./M;
mse2 = sum((T_sim2 - T_test).^2)./N;
%%
%RPD 剩余预测残差
SE1=std(T_sim1-T_train);
RPD1=std(T_train)/SE1;
SE=std(T_sim2-T_test);
RPD2=std(T_test)/SE;
%% 平均绝对误差MAE
MAE1 = mean(abs(T_train - T_sim1));
MAE2 = mean(abs(T_test - T_sim2));
%% 平均绝对百分比误差MAPE
MAPE1 = mean(abs((T_train - T_sim1)./T_train));
MAPE2 = mean(abs((T_test - T_sim2)./T_test));
%% 训练集绘图
figure
%plot(1:M,T_train,'r-*',1:M,T_sim1,'b-o','LineWidth',1)
plot(1:M,T_train,'r-*',1:M,T_sim1,'b-o','LineWidth',1.5)
legend('真实值','WOA-LSTM-attention预测值')
xlabel('预测样本')
ylabel('预测结果')
string={'训练集预测结果对比';['(R^2 =' num2str(R1) ' RMSE= ' num2str(error1) ' MSE= ' num2str(mse1) ' RPD= ' num2str(RPD1) ')' ]};
title(string)
%% 预测集绘图
figure
plot(1:N,T_test,'r-*',1:N,T_sim2,'b-o','LineWidth',1.5)
legend('真实值','WOA-LSTM-attention预测值')
xlabel('预测样本')
ylabel('预测结果')
string={'测试集预测结果对比';['(R^2 =' num2str(R2) ' RMSE= ' num2str(error2) ' MSE= ' num2str(mse2) ' RPD= ' num2str(RPD2) ')']};
title(string)
%% 测试集误差图
figure
ERROR3=T_test-T_sim2;
plot(T_test-T_sim2,'b-*','LineWidth',1.5)
xlabel('测试集样本编号')
ylabel('预测误差')
title('测试集预测误差')
grid on;
legend('WOA-LSTM-attention预测输出误差')
%% 绘制线性拟合图
figure
bar((T_sim2 - T_test )./T_test)
legend('相对误差')
title('相对误差')
ylabel('误差')
xlabel('数量')
xlim([1 N]);
%% 训练集拟合效果图
figure
plot(T_train,T_sim1,'*r');
xlabel('真实值')
ylabel('预测值')
string = {'训练集效果图';['R^2_c=' num2str(R1) ' RMSEC=' num2str(error1) ]};
title(string)
hold on ;h=lsline;
set(h,'LineWidth',1,'LineStyle','-','Color',[1 0 1])
%% 预测集拟合效果图
figure
plot(T_test,T_sim2,'ob');
xlabel('真实值')
ylabel('预测值')
string1 = {'测试集效果图';['R^2_p=' num2str(R2) ' RMSEP=' num2str(error2) ]};
title(string1)
hold on ;h=lsline();
set(h,'LineWidth',1,'LineStyle','-','Color',[1 0 1])
figure
bar((T_sim2 - T_test )./T_test)
legend('相对误差')
title('相对误差')
ylabel('误差')
xlabel('数量'
智能算法及其模型预测
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