时间序列预测（十五）——有关Python项目框架的实例分析

#1024程序员节｜征文#

在之前的学习中，已经对时间序列预测的相关内容有了大致的了解。为了进一步加深理解，并能够将所学知识应用于实际中，我决定找一个完整的Python框架来进行深入学习。经过寻找，我终于找到了一篇非常具有参考价值的源代码，非常感激。

接下来，我将详细记录自己的学习过程和心得，以便更好地掌握和应用时间序列预测技术。

这个项目的目录结构如下，展示了一个使用不同深度学习框架（Keras、PyTorch 和 TensorFlow）来进行股票价格预测的 Python 框架，包含多个模型文件和预测图像。

stock_predict_with_LSTM-master
│
├── data                                  # 存放数据集
│   └── stock_data.csv
│
├── figure                                # 存放预测结果的图像
│   ├── continue_predict_high_with_pytorch.png
│   ├── continue_predict_low_with_pytorch.png
│   ├── predict_high_with_pytorch.png
│   └── predict_low_with_pytorch.png
│
├── model                                 # 存放不同框架下的模型文件
│   ├── __pycache__                       # Python 缓存目录
│   │    ├── __init__.cpython-38.pyc
│   │    └── model_pytorch.cpython-38.pyc
│   ├── __init__.py                       # 包声明文件
│   └── model_pytorch.py                  # PyTorch 模型实现
│
├── .gitignore                            # Git忽略文件，列出不提交到仓库的文件类型
├── LICENSE                               # 项目的许可证
├── main.py                               # 项目的主入口，通常是执行的主程序
├── README.md                             # 项目说明文档，介绍如何运行和使用该项目
├── requirements.txt                      # 列出项目依赖的 Python 包

一、data文件

该文件夹主要用于存放数据集，这里只有一个数据集，是.csv文件，部分数据如下图所示。

index_code	date	open	close	low	high	volume	money	change
sh000001	1990/12/20	104.3	104.39	99.98	104.39	197000	85000	0.044109
sh000001	1990/12/21	109.07	109.13	103.73	109.13	28000	16100	0.045407
sh000001	1990/12/24	113.57	114.55	109.13	114.55	32000	31100	0.049666
sh000001	1990/12/25	120.09	120.25	114.55	120.25	15000	6500	0.04976
sh000001	1990/12/26	125.27	125.27	120.25	125.27	100000	53700	0.041746
sh000001	1990/12/27	125.27	125.28	125.27	125.28	66000	104600	7.98E-05
sh000001	1990/12/28	126.39	126.45	125.28	126.45	108000	88000	0.009339

二、figure文件夹

该文件夹主要用于存放不同框架（如 PyTorch、Keras、TensorFlow）进行股票高价和低价预测的结果图像。

三、model文件夹

1、__pycache__文件夹

 __pycache__ 目录是 Python 自动生成的，用于存储已编译的字节码文件（.pyc 文件）。这些文件通常不需要手动编辑或提交到版本控制系统中，但 .gitignore 文件（后面介绍）通常会包含规则来忽略这些文件。

2、__init__.py文件

主要是用于声明 model是一个 Python 包，可以被导入到其他模块中。文件夹里为空。

主要展示使用Keras的深度学习框架来构建 LSTM 模型进行股票预测

3、model_pytorch.py文件（主要学习）

主要展示使用PyTorch的深度学习框架来构建 LSTM 模型进行股票预测

（1）定义模型类

定义一个名为Net的类，包含了LSTM（长短期记忆）层和全连接层。这个模型通过LSTM层处理时间序列数据，捕获数据中的长期依赖关系，然后通过全连接层将LSTM的输出（形状是 [batch_size, sequence_length, hidden_size]）映射到期望的输出大小（形状是[batch_size, hidden_size]）。

# 定义模型类  
class Net(Module):  
    '''  
     定义包含LSTM和全连接层的PyTorch模型，用于时间序列预测。
    '''  
    # 其中，Config 是一个用于配置模型训练、验证和预测过程的参数集合，
    # 通常定义在一个单独的配置文件或类中（这里定义在main.py）。它包含关于模型结构、训练设置、数据路径等的关键参数。
    def __init__(self, config):  
        super(Net, self).__init__()  
        # 初始化LSTM层：输入为config.input_size，隐藏单元为config.hidden_size，层数为config.lstm_layers  
        # batch_first=True表示输入张量的第一个维度是批次大小，dropout=config.dropout_rate指定在LSTM层之间应用的dropout率，以防止过拟合。 
        self.lstm = LSTM(input_size=config.input_size, hidden_size=config.hidden_size,  
                         num_layers=config.lstm_layers, batch_first=True, dropout=config.dropout_rate)  
        # 初始化全连接层 :用于将LSTM的最后输出映射为期望的输出大小 
        self.linear = Linear(in_features=config.hidden_size, out_features=config.output_size)  
  
    def forward(self, x, hidden=None):  
        # 前向传播  
        lstm_out, hidden = self.lstm(x, hidden)  
        # 提取LSTM的最后时间步输出，输入到全连接层  
        linear_out = self.linear(lstm_out[:, -1, :])  
        return linear_out, hidden  

lstm_out[:, -1, :] 仅提取了 LSTM 输出的最后一个时间步的数据。其中 : 表示选择所有样本（在第一个维度上）；-1 表示选择最后一个时间步（在第二个维度上），这并不是说第二个维度“消失了”，而是说它在这个特定的索引操作中不再以原来的大小存在，被“压缩”了； : 表示选择该时间步的所有隐藏状态特征（在第三个维度上）。因此，这个操作的结果是一个形状为 [batch_size, hidden_size] 的张量。 属于单步预测。

（2）定义训练函数  

def train(config, logger, train_and_valid_data):  

这里的输入有三个：

Config 是用于配置模型的参数集合，logger 用于输出训练日志，train_and_valid_data 是包含训练和验证数据的元组或列表(train_X, train_Y, valid_X, valid_Y)

a、首先要分离数据，并创建数据加载器

分离成训练和验证两个数据集，这里使用DataLoader和TensorDataset创建数据加载器，可以分批次输入数据并计算损失，降低对计算资源的需求

  # 创建DataLoader  
    train_loader = DataLoader(TensorDataset(train_X, train_Y), batch_size=config.batch_size)  
    valid_loader = DataLoader(TensorDataset(valid_X, valid_Y), batch_size=config.batch_size) 

• TensorDataset(train_X, train_Y) 将训练集特征和目标打包到一起，使得 DataLoader 能够一次性处理对应的输入和目标
• DataLoader 用于将 TensorDataset 生成的小批次数据集，用 config.batch_size 指定每个批次的样本数量。

b、设置设备，并将模型移动到指定设备

device = torch.device("cuda:0" if config.use_cuda and torch.cuda.is_available() else "cpu") 

这段代码用于检测用户配置和系统是否满足 GPU 的使用条件。如果满足（即use_cuda=True 且系统检测到 GPU），则选择 cuda:0（第一个 GPU）作为训练设备；否则，选择 cpu

之后将模型移动到指定设备

    # 初始化模型并移动到指定设备  

    model = Net(config).to(device)  

这里还涉及到 “增量训练”，

 # 增量训练（如果配置中启用了增量训练）  ，加载已保存的模型参数 
    if config.add_train:  
        model.load_state_dict(torch.load(config.model_save_path + config.model_name))  

具体介绍可参考这篇文章介绍：

时间序列预测（十三）——增量训练（Incremental Learning）-CSDN博客

c、初始化优化器和损失函数

使用Adam优化器来更新模型参数。使用均方误差（MSE）作为损失函数。

d、 训练循环

在所有的训练周期（epoch）内都要进行俩个模式：训练模式和评估模式。

        model.train()  # 设置模型为训练模式  

在训练模式下，遍历训练数据加载器，进行前向传播、计算损失、反向传播和参数更新。根据配置决定是否清除隐藏状态的梯度。如果启用了可视化，则绘制训练损失。

这里损失计算时会有问题，需要将_train_Y 的形状与pred_Y 形状（二维）匹配，以便能够正确计算损失

            _train_Y = _train_Y[:, -1, :]  # 选择最后一个时间步的输出，形状为 [64, 2]

结束后，设置模型为评估模式。

        model.eval()  # 设置模型为评估模式  

遍历验证数据加载器，计算验证损失。计算并输出当前轮次的训练和验证损失。如果启用了可视化，则绘制每个轮次的训练和验证损失。

这里也有问题，需要将_valid_Y 的形状与pred_Y 形状（二维）匹配，以便能够正确计算损失

            _valid_Y = _valid_Y[:, -1, :]  # 选择最后一个时间步的输出，形状 [64, 2]

最后还设置了早停机制。

if valid_loss_cur < valid_loss_min:  
            valid_loss_min = valid_loss_cur  
            bad_epoch = 0  
            # 保存最优模型  
            torch.save(model.state_dict(), config.model_save_path + config.model_name)  
        else:  
            bad_epoch += 1  
            if bad_epoch >= config.patience:   # 若验证集损失未减小，则提前终止训练 
                logger.info(" The training stops early in epoch {}".format(epoch))  
                break  

根据早停机制，如果验证损失达到新低（即当前验证损失小于之前记录的最小验证损失），则保存模型并重置早停计数器；否则（即，验证损失没有改善），则增加早停计数器，如果早停计数器超过了配置的耐心值（patience），则提前终止训练。

有关训练模式和评估模式的区别可以参考下面这篇文章：

时间序列预测（十二）——训练模式、评估模式和预测模式的区别-CSDN博客

（3）定义预测函数  

def predict(config, test_X):  

这里的输入有两个：

Config 是用于配置模型的参数集合，test_X:是测试数据集。

之后和训练函数有些相似

a、创建数据加载器

# 转换测试数据为Tensor  
    test_X = torch.from_numpy(test_X).float()  
    test_set = TensorDataset(test_X)  
    test_loader = DataLoader(test_set, batch_size=1)  
  

 b、设置设备，并将模型移动到指定设备

device = torch.device("cuda:0" if config.use_cuda and torch.cuda.is_available() else "cpu")  
    model = Net(config).to(device)  
    model.load_state_dict(torch.load(config.model_save_path + config.model_name))  

c、进行预测

首先，将模型设置为评估模式

 model.eval()  

之后，遍历测试数据加载器，对于每个批次的数据：将数据移动到指定的设备上，使用模型进行预测，并更新隐藏状态。

这里还会使用 torch.squeeze(pred_X, dim=0) 移除预测结果中多余的维度（这是由于数据加载器 DataLoader 的批次大小设为1（batch_size=1），那么预测结果 pred_X 的形状会是 [1, sequence_length, features]，其中第一个维度（批次维度）仅包含单个元素。为简化后续处理，可移除该批次维度，使 pred_X 形状变为 [sequence_length, features]。）。

也使用 torch.cat((result, cur_pred), dim=0) ，将每次预测的结果cur_pred在指定的维度（这里是维度0，即行的方向）上与result进行拼接，添加到result中，从而汇总所有的预测结果。

        data_X = _data[0].to(device)  
        pred_X, hidden_predict = model(data_X, hidden_predict)  
        cur_pred = torch.squeeze(pred_X, dim=0)  # 移除多余的维度  
        result = torch.cat((result, cur_pred), dim=0)  # 拼接预测结果  

最后使用 detach() 方法将 result从计算图中分离，并移动到CPU上，使用 .numpy() 方法将Tensor转换为NumPy数组，以便后续处理。

    return result.detach().cpu().numpy() 

四、剩下的文件

1、.gitignore:

用于告诉 Git 哪些文件或文件夹不应该提交到版本控制系统中。通常包含 .pyc 缓存文件、虚拟环境文件等。

2、LICENSE:

项目的开源许可证，指明项目的使用权利和限制。这里是一个宽松的开源许可证Apache许可证2.0

3、main.py:

该文件是项目的主入口，应该包含整个项目的运行逻辑。通常从这里加载数据、构建模型并进行训练和预测。

（1）配置类 (Config)

a、数据参数：

定义特征列和目标列的索引，设置预测的天数。

b、网络参数：

包括输入输出大小、LSTM层数、隐藏层大小、dropout概率和时间步长。

c、训练参数：

训练和验证的设置（如批量大小、学习率、训练周期等），并配置随机种子以确保结果可复现。

d、路径参数：

定义数据、模型、图形和日志文件的保存路径，并创建必要的目录。

（2）数据处理类 (Data)

a、数据读取：

    def read_data(self):

读取CSV文件，如果处于调试模式 (debug_mode)，则只读取部分数据（debug_num 行）。否则，读取的数据包含特定的特征列 (feature_columns)。最后返回数据值和列名

b、获取训练和验证数据：

    def get_train_and_valid_data(self):

从归一化后的数据中提取特征数据和标签数据，根据是否连续训练 (do_continue_train)，采用不同的方式（非连续训练模式和连续训练模式，都是滑动窗口）生成训练样本 (train_x 和 train_y)，使用 train_test_split 方法划分训练集和验证集。

c、获取测试数据：

    def get_test_data(self, return_label_data=False) -> np.ndarray:

这里取训练数据之后的所有数据作为测试特征数据，根据时间步长 (sample_interval) 生成测试样本 (test_x)。这里的样本之间是不重叠的，具体采样方式如下图所示。

如果 return_label_data 为 True，则同时返回测试样本和标签数据，否则只返回测试样本。

（3） 日志记录函数 (load_logger)

def load_logger(config: Config) -> logging.Logger:

创建和配置日志记录器，根据配置决定将日志输出到屏幕 (此时do_log_print_to_screen为True) 和文件 (此时do_log_save_to_file为True)。

（4）绘图函数 (draw)

def draw(config: Config, origin_data: Data, logger, predict_norm_data: np.ndarray):

用于绘制真实值和预测值的函数，便于可视化模型的预测效果。

可能是前面形状的修改，导致这里predict_data与label_data也出现了形状问题，做了一些修改的。

这里还有问题，在修改中，，，，，

（5）主函数（main）

def main(config):

（6）if __name__ == "__main__"（最重要、必不可少）

这部分代码是Python脚本的标准做法，用于确保当脚本被直接运行时才执行某些代码。

a、导入 argparse库，

b、创建并配置 argparse 解析器

parser = argparse.ArgumentParser()  
# 可以根据需要添加更多参数  
args = parser.parse_args()

创建一个 ArgumentParser 实例，并调用 parse_args 方法来解析命令行参数

c、创建配置实例并设置属性

con = Config()  # 创建配置实例  
for key in dir(args):  # 遍历 args 的所有属性  
    if not key.startswith("_"):  # 排除内部属性  
        setattr(con, key, getattr(args, key))  # 将属性值赋给配置

创建了一个 Config 类的实例，用于存储配置信息。然后，遍历 args 对象的所有属性，将这些属性的值复制到 con 配置对象中。这里使用一个条件来排除以 _ 开头的属性，这些属性通常是 argparse 内部使用的。

d、运行主函数

main(con)  # 运行主函数

最后，这行代码调用 main 函数，并将配置对象 con 作为参数传递给它。

4、README.md:

这个文件通常提供项目的介绍和使用说明，帮助用户理解如何设置和运行项目。

5、requirements.txt:

该文件主要是列出项目的依赖包。本项目的依赖包如下：

pandas>=1.0.0
argparse
tensorflow>=2.5.0
matplotlib>=3.0.2
numpy>=1.14.6
scipy>=1.1.0
torch>=1.8.0
scikit-learn>=0.20.0
visdom

要安装 requirements.txt 文件中列出的所有依赖，可以使用 Python 的包管理工具 pip

在命令行中，导航到包含 requirements.txt 文件的目录，并运行以下命令：

pip install -r requirements.txt

这里的 -r 选项告诉 pip 从一个文件中读取依赖包列表，并进行安装。

到此就完全讲解结束了，以下是运行结果

五、运行结果

总结：

经过学习，可以做以下几点拓展：

• 多步预测：可以尝试为多步预测的时间序列预测模型。
• 更多模型：可以尝试加入更多的时间序列预测模型，如 GRU（Gated Recurrent Unit）或双向 LSTM，并观察它们与现有模型的表现对比。
• 新的数据集：可以尝试将该框架应用到其他时间序列数据集上，如温度预测、电力负荷预测等，以扩展其应用场景。

参考文章：

hichenway/stock_predict_with_LSTM: Predict stock with LSTM supporting pytorch, keras and tensorflow (github.com)