基于增强型获取-共享知识优化算法的LSTM深度学习网络模型(eGSK-LSTM)的一维时间序列预测算法matlab仿真

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目录

1.程序功能描述

2.测试软件版本以及运行结果展示

3.部分程序

4.算法理论概述

5.完整程序


1.程序功能描述

       增强型获取 - 共享知识优化算法(eGSK)优化LSTM网络层数量的一维时间序列预测模型(eGSK-LSTM),核心是通过改进的GSK算法搜索最优LSTM网络层数量,再利用该最优结构的 LSTM 模型学习时间序列的时序依赖特征,最终实现高精度预测。其本质是“智能优化算法+深度学习模型” 的融合,既发挥eGSK在离散空间高效寻优的优势,又依托LSTM处理时序数据的能力,解决传统LSTM层数量依赖人工经验、易导致过拟合或欠拟合的问题。

2.测试软件版本以及运行结果展示

MATLAB2022A/MATLAB2024B版本运行

3.部分程序

    % 边界约束
    Gained_Shared_Junior = boundConstraint(Gained_Shared_Junior, pop, lu);
    Gained_Shared_Senior = boundConstraint(Gained_Shared_Senior, pop, lu);
    
    % 生成掩码
    D_Gained_Shared_Junior_mask = rand(Npop, dim) <= (D_Gained_Shared_Junior / dim);
    D_Gained_Shared_Senior_mask = ~D_Gained_Shared_Junior_mask;
    
    D_Gained_Shared_Junior_rand_mask = rand(Npop, dim) <= KR;
    D_Gained_Shared_Junior_mask = D_Gained_Shared_Junior_mask & D_Gained_Shared_Junior_rand_mask;
    
    D_Gained_Shared_Senior_rand_mask = rand(Npop, dim) <= KR;
    D_Gained_Shared_Senior_mask = D_Gained_Shared_Senior_mask & D_Gained_Shared_Senior_rand_mask;
    
    % 生成新个体
    ui = pop;
    ui(D_Gained_Shared_Junior_mask) = Gained_Shared_Junior(D_Gained_Shared_Junior_mask);
    ui(D_Gained_Shared_Senior_mask) = Gained_Shared_Senior(D_Gained_Shared_Senior_mask);
120

4.算法理论概述

       一维时间序列(如电力负荷、股票价格、传感器数据等)的核心特征是时序依赖性,即当前时刻数据与历史时刻数据存在强关联。LSTM网络通过门控机制(输入门、遗忘门、输出门)解决传统RNN的梯度消失问题,能有效捕捉长短期时序特征,但网络层数量(隐藏层数量)的选择直接影响模型性能:

层数过少:模型拟合能力不足,无法捕捉复杂时序规律(欠拟合);

层数过多:模型参数冗余,易记忆训练数据噪声(过拟合),且训练成本剧增。

      增强型获取 - 共享知识优化算法(eGSK)是在基础GSK算法(Get-Shared-Knowledge)上改进的智能优化算法,通过模拟人类 “获取知识 - 共享知识 - 更新知识” 的学习过程,在离散搜索空间(LSTM层数量为正整数)中高效搜索最优值。eGSK-LSTM的核心逻辑为:

以LSTM网络层数量为优化变量,以预测误差(如 MAE、MSE)为适应度函数;

通过eGSK算法迭代搜索,找到使预测误差最小的LSTM层数量;

构建该最优层数量的LSTM模型,训练后用于时间序列预测。

     基础GSK算法通过“获取知识阶段(Get Knowledge, GK)”和“共享知识阶段(Share Knowledge, SK)” 实现寻优,eGSK在其基础上增加自适应权重策略和变异算子,提升离散空间(层数量为整数)的寻优效率和精度,核心改进如下:

       而eGSK-LSTM 的实现需分为“eGSK优化LSTM层数量”和“最优LSTM模型训练与预测”两大阶段,根据eGSK输出的K_opt,搭建LSTM网络结构,关键参数如下:

输入层:输入维度为(T,1)(时间步长T×输入特征数1);

LSTM隐藏层:共K_opt层,每层隐藏单元数H(如64、128,根据数据复杂度设定),前K_opt-1层的返回序列设为True(输出每个时间步的隐藏状态,作为下一层输入),第K_opt层返回序列设为False(仅输出最后一个时间步的隐藏状态);

输出层:全连接层,输出维度为1(对应一维时间序列的预测值);

激活函数:LSTM层内用tanh,输出层用Linear(回归任务);

损失函数:均方误差(MSE),公式:

其中B为批量大小,M_b为第b个批量的样本数;

优化器:Adam优化器,学习率lr(如0.001),用于最小化损失函数,更新模型参数(W_f, b_f, W_i, b_i, ..., W_y, b_y)。

5.完整程序

VVV

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