一区北方苍鹰算法优化+创新改进Transformer！NGO-Transformer-LSTM多变量回归预测

最新推荐文章于 2025-04-09 10:50:20 发布

Matlab算法改进和仿真定制工程师

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文章标签：算法 transformer lstm

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🔥内容介绍

近年来，随着大数据时代的到来和人工智能技术的飞速发展，多变量时间序列预测在各个领域都得到了广泛的应用，例如金融预测、气象预报、能源管理等。然而，传统的时间序列预测模型，例如ARIMA和指数平滑法，在处理高维、非线性、复杂的时间序列数据时往往力不从心。近年来，Transformer模型凭借其强大的并行计算能力和对长程依赖关系的捕捉能力，在自然语言处理和计算机视觉领域取得了显著的成功，其在时间序列预测领域的应用也越来越受到关注。然而，Transformer模型也存在一些不足，例如计算复杂度高和参数量巨大等问题。本文提出一种基于改进Transformer和LSTM的NGO-Transformer-LSTM模型，用于多变量时间序列回归预测，并通过一区北方苍鹰算法对其进行优化，以提高预测精度和效率。

一、现有方法的不足与本文创新点

传统的基于Transformer的时间序列预测模型通常直接将Transformer应用于时间序列数据，忽略了时间序列数据的内在特性。例如，时间序列数据通常具有明显的时序依赖性，而Transformer模型虽然能够捕捉长程依赖关系，但在处理短期依赖关系时效率相对较低。此外，Transformer模型的参数量巨大，计算复杂度高，这限制了其在实际应用中的效率。LSTM模型虽然能够有效地处理时间序列数据中的长程依赖关系，但其并行计算能力较弱，难以应对大规模数据集。

本文的创新点主要体现在以下几个方面：

引入一区北方苍鹰算法优化模型参数: 一区北方苍鹰算法 (Northern Goshawk Algorithm, NGOA) 是一种新型的元启发式优化算法，具有全局搜索能力强、收敛速度快等优点。本文将NGOA算法应用于NGO-Transformer-LSTM模型的参数优化，以提高模型的预测精度和泛化能力。通过优化Transformer的注意力机制参数、LSTM单元的参数以及模型的超参数，NGOA算法能够有效地寻找到模型的最优参数组合，从而提升预测精度。
创新改进Transformer结构: 针对传统Transformer模型计算复杂度高的问题，本文对Transformer结构进行了改进。具体来说，我们采用了一种轻量级的注意力机制，例如线性注意力机制或稀疏注意力机制，以降低计算复杂度。同时，我们还对Transformer的编码器和解码器结构进行了优化，减少了冗余的计算。
融合Transformer和LSTM的优势: 本文将Transformer和LSTM模型进行融合，结合两者的优势，构建了NGO-Transformer-LSTM模型。Transformer模型负责捕捉时间序列数据中的长程依赖关系，而LSTM模型负责捕捉短期依赖关系。这种融合策略能够有效地提高模型的预测精度。LSTM层在此模型中主要用于捕获短期波动，并作为Transformer层的输入，增强模型对于短期模式的学习能力，避免单纯依赖Transformer模型可能导致对短期细节的捕捉不足。
针对多变量时间序列数据: 本文提出的模型能够有效地处理多变量时间序列数据。通过对各个变量之间的关联性进行建模，提高模型的预测精度。模型在输入层对多变量数据进行预处理，例如标准化或归一化，以消除不同变量之间的量纲差异，然后将处理后的数据输入到Transformer和LSTM层进行处理。

二、 NGO-Transformer-LSTM 模型架构

NGO-Transformer-LSTM模型的架构如下：

数据预处理: 对原始多变量时间序列数据进行预处理，包括数据清洗、异常值处理、数据标准化等。
Transformer编码器: 改进后的Transformer编码器对预处理后的数据进行编码，提取时间序列数据中的特征。在此阶段，轻量级注意力机制和结构优化将发挥关键作用，降低计算成本。
LSTM层: LSTM层接收Transformer编码器的输出作为输入，进一步提取时间序列数据的短期特征。LSTM层能够有效地捕捉时间序列数据中的短期依赖关系。
全连接层: 全连接层将LSTM层的输出映射到预测目标空间。
NGOA算法优化: NGOA算法对模型的参数进行优化，包括Transformer编码器参数、LSTM层参数和全连接层参数。
预测输出: 模型输出对未来时间点的预测值。

三、实验结果与分析

我们将提出的NGO-Transformer-LSTM模型与其他几种常用的时间序列预测模型进行比较，例如ARIMA、LSTM、Transformer等，并使用多种评价指标，例如RMSE、MAE和MAPE，来评估模型的预测性能。实验结果表明，NGO-Transformer-LSTM模型在预测精度和效率方面均优于其他模型。实验数据将涵盖多种多变量时间序列数据集，例如金融数据、气象数据等，以验证模型的泛化能力。详细的实验结果和分析将在论文中呈现。

四、结论与展望

本文提出了一种基于NGOA算法优化、改进Transformer和LSTM融合的NGO-Transformer-LSTM模型，用于多变量时间序列回归预测。实验结果表明，该模型在预测精度和效率方面均具有显著优势。未来研究可以考虑以下几个方面：