时间序列预测:informer改进模型

本文介绍了用于时间序列预测的Informer模型。它采用傅里叶混合窗口注意力机制加速计算,将输入序列分窗口处理。模型由编码器和解码器组成,训练分编码器预训练和整体训练两阶段。还提到可用PyTorch框架实现多种输入输出模式,且可替换数据集。

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 Informer是一种用于时间序列预测的改进模型,它采用了傅里叶混合窗口注意力机制来加速计算。下面是Informer模型的详细介绍:

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1. 傅里叶混合窗口注意力机制:
   - 传统的自注意力机制在计算注意力权重时需要对所有输入序列进行计算,这在长序列上会导致计算复杂度很高。为了解决这个问题,Informer引入了傅里叶变换来加速计算。
   - 傅里叶变换将输入序列从时域转换到频域,通过计算频域上的注意力权重来代替时域上的注意力权重计算。这样可以大大减少计算量。
   - Infromer模型使用了傅里叶混合窗口注意力机制,即将输入序列分成多个窗口,每个窗口都进行傅里叶变换和注意力权重计算。然后将每个窗口的注意力权重进行平均得到最终的注意力权重。

2. 模型结构:
   - Infromer模型由编码器和解码器组成,其中编码器用于提取输入序列的特征,解码器用于生成预测序列。
   - 编码器由多个Informer Block组成,每个Informer Block包含了多层的自注意力层、全连接层和残差连接。自注意力层用于学习输入序列的依赖关系,全连接层用于将特征映射到合适的维度,残差连接用于保留原始特征。
   - 解码器也由多个Informer Block组成,但在每个Informer Block中还包含了一个历史注意力层,用于引入历史信息来生成预测序列。

3. 训练和预测:
   - Infromer模型的训练过程包括两个阶段:编码器预训练和整体训练。编码器预训练阶段通过自回归方式预测未来的一部分序列,用于学习输入序列的特征表示。整体训练阶段使用编码器预训练的参数作为初始参数,通过最小化预测序列与真实序列之间的差异来优化模型。
   - 预测过程中,给定历史观测序列,通过编码器提取特征,然后通过解码器生成未来的预测序列。

PyTorch框架实现 多输出单输出 多输入多输出  单输入单输出。


可替换数据集(已实现锂电池SOC估计)

内容概要:本文详细介绍了基于 PyTorch 构建的时间序列预测模型 Informer。首先是关于数据预处理和标准化的讲解。文中定义了一个标准化类 StandardScaler 对原始数据执行归一化操作,随后介绍了适用于不同类型数据的多个自定义数据集类 (Dataset_ETT_hour, Dataset_Custom, Dataset_Pred) 用以处理不同应用场景的数据,并实现了数据的分片以及标准化操作。对于每个数据集类别都有相应的 __getitem__ 方法来支持索引和获取数据条目以及反向标准化的实现。 文章的核心在于展示了如何使用特定的时间戳、全局和未知事件作为输入以解决编码器和解码器之间的不匹配的问题,这部分涉及到了标量投影、位置嵌入以及层次化和节日的时间戳嵌入,并且提出了 DataEmbedding 实现方法。随后描述了两种独特的注意力机制—— ProbSparseSelf-Attention 和全注意力 FullAttention,分别应用于解码器的不同部分。接下来文章解释了编码器和解码器的设计,其中包括多头自注意层和线性层。最后展示了如何通过超参配置、模型实例化、编译、训练和评价一个完整的 Informer 模型。 适用人群:具备一定的 Python 和 PyTorch 基础,有机器学习背景的研究员或工程师。特别是那些对时间序列预测和深度学习应用有兴趣的专业人士。 使用场景及目标:本文主要适用于希望理解和实现基于深度学习的时间序列预测开发者。具体来说,本文能够帮助读者实现对长依赖时间序列预测任务中的 Informer 模型的理解,掌握模型的工作机制(尤其是概率稀疏注意力机制),并且能够在自己的项目中搭建类似的神经网络结构进行预测工作。目标是使开发者可以熟练地应用 Informer 模型于实际的数据集之上。 其他说明:除了对 Informer 模型的详细阐述外,本文档还提供了模型配置项的两种设置方法即使用 dotdict 或命令行解析包 argparse,以适应各种开发环境和个人偏好。此外还有详细的模型训练流程演示以及常见性能评价指标的定义,为模型的效果衡量提供理论支撑。
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