%% 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
%% 导入数据
res = xlsread('data.xlsx');
%% 数据分析
num_size = 0.8; % 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);
%% 数据平铺
% 将数据平铺成1维数据只是一种处理方式
% 也可以平铺成2维数据,以及3维数据,需要修改对应模型结构
% 但是应该始终和输入层数据结构保持一致
P_train = double(reshape(P_train, f_, 1, 1, M));
P_test = double(reshape(P_test , f_, 1, 1, N));
t_train = t_train';
t_test = t_test' ;
%% 数据格式转换
for i = 1 : M
p_train{i, 1} = P_train(:, :, 1, i);
end
for i = 1 : N
p_test{i, 1} = P_test( :, :, 1, i);
end
%% 创建模型
%网络搭建
numChannels = f_;
maxPosition = 256;
numHeads = 10;
numKeyChannels = numHeads*32;
%参数取值上界(学习率,隐藏层节点,正则化系数)
fitness = @fical;
%% 贝叶斯优化参数范围
optimVars = [
optimizableVariable('InitialLearnRate', [1e-3, 1], 'Transform', 'log')];
%% 贝叶斯优化网络参数
BayesObject = bayesopt(fitness, optimVars, ... % 优化函数,和参数范围
'MaxTime', Inf, ... % 优化时间(不限制)
'IsObjectiveDeterministic', false, ...
'MaxObjectiveEvaluations', 10, ... % 最大迭代次数
'Verbose', 1, ... % 显示优化过程
'UseParallel', false);
%% 得到最优参数
InitialLearnRate = BayesObject.XAtMinEstimatedObjective.InitialLearnRate; % 最佳初始学习率
layers = [
sequenceInputLayer(numChannels,Name="input")
lstmLayer(64)
positionEmbeddingLayer(numChannels,maxPosition,Name="pos-emb");
additionLayer(2, Name="add")
selfAttentionLayer(numHeads,numKeyChannels,'AttentionMask','causal')
selfAttentionLayer(numHeads,numKeyChannels)
indexing1dLayer("last")
fullyConnectedLayer(1)
regressionLayer];
lgraph = layerGraph(layers);
lgraph = connectLayers(lgraph,"input","add/in2");
%% 参数设置
options = trainingOptions('adam', ... % Adam 梯度下降算法
'MaxEpochs', 200, ... % 最大训练次数
'InitialLearnRate', InitialLearnRate, ... % 初始学习率
'LearnRateSchedule', 'piecewise', ... % 学习率下降
'LearnRateDropFactor', 0.1, ... % 学习率下降因子
'LearnRateDropPeriod', 200, ... % 经过训练后 学习率
'Shuffle', 'every-epoch', ... % 每次训练打乱数据集
'Plots', 'training-progress', ... % 画出曲线
'Verbose', false);
%% 训练模型
net = trainNetwork(p_train, t_train, lgraph, options);
%% 仿真预测
t_sim1 = predict(net, p_train);
t_sim2 = predict(net, p_test );
%% 数据反归一化
T_sim1 = mapminmax('reverse', t_sim1', ps_output);
T_sim2 = mapminmax('reverse', t_sim2', ps_output);
%% 查看网络结构
analyzeNetwork(net)
%% 均方根误差
error1 = sqrt(sum((T_sim1 - T_train).^2) ./ M);
error2 = sqrt(sum((T_sim2 - T_test ).^2) ./ N);
%% 相关指标计算
% R2
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;
disp(['训练集数据的R2为:', num2str(R1)])
disp(['测试集数据的R2为:', num2str(R2)])
% MAE
mae1 = sum(abs(T_sim1 - T_train)) ./ M ;
mae2 = sum(abs(T_sim2 - T_test )) ./ N ;
disp(['训练集数据的MAE为:', num2str(mae1)])
disp(['测试集数据的MAE为:', num2str(mae2)])
%% 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));
disp(['训练集数据的MAPE为:', num2str(MAPE1)])
disp(['测试集数据的MAPE为:', num2str(MAPE2)])
% MBE
mbe1 = sum(T_sim1 - T_train) ./ M ;
mbe2 = sum(T_sim2 - T_test ) ./ N ;
disp(['训练集数据的MBE为:', num2str(mbe1)])
disp(['测试集数据的MBE为:', num2str(mbe2)])
%均方误差 MSE
mse1 = sum((T_sim1 - T_train).^2)./M;
mse2 = sum((T_sim2 - T_test).^2)./N;
disp(['训练集数据的MSE为:', num2str(mse1)])
disp(['测试集数据的MSE为:', num2str(mse2)])
[R1_Transformer,rmse1_Transformer,biaozhuncha1_Transformer,mae1_Transformer,mape1_Transformer]=calc_error(T_train,T_sim1);%训练集
[R2_Transformer,rmse2_Transformer,biaozhuncha2_Transformer,mae2_Transformer,mape2_Transformer]=calc_error(T_test,T_sim2);%测试集
%% 绘图
figure
plot(T_sim1,'-p','Color',[255 0 0]./255,'linewidth',1,'Markersize',2,'MarkerFaceColor','b')
hold on
plot(T_train,'-^','Color',[50 50 50]./255,'linewidth',1,'Markersize',2,'MarkerFaceColor','r')
legend('预测值','真实值')
xlabel('预测样本')
ylabel('预测结果')
string = {'训练集预测结果对比'; ['RMSE=' num2str(error1)]};
title(string)
xlim([1, M])
grid
ax=gca;hold on
% -------------------------------------------------------------------------
% 坐标区域修饰
ax.XLabel.FontWeight='bold';
ax.YLabel.FontWeight='bold';
% 设置轴线粗细和刻度朝外
ax.LineWidth=1;
ax.TickDir='out';
%% 训练集误差图
figure
bar((T_sim1 - T_train)./T_train)
legend('模型训练集相对误差','Location','NorthEast','FontName','楷体')
title('模型训练集相对误差','fontsize',12,'FontName','楷体')
ylabel('误差','fontsize',12,'FontName','楷体')
xlabel('样本','fontsize',12,'FontName','楷体')
xlim([1 M]);
figure
plot(T_sim2,'-p','Color',[255 0 0]./255,'linewidth',1,'Markersize',2,'MarkerFaceColor','b')
hold on
plot(T_test,'-^','Color',[50 50 50]./255,'linewidth',1,'Markersize',2,'MarkerFaceColor','r')
legend('预测值','真实值')
xlabel('预测样本')
ylabel('预测结果')
string = {'测试集预测结果对比'; ['RMSE=' num2str(error2)]};
title(string)
xlim([1, N])
grid
ax=gca;hold on
% -------------------------------------------------------------------------
% 坐标区域修饰
ax.XLabel.FontWeight='bold';
ax.YLabel.FontWeight='bold';
% 设置轴线粗细和刻度朝外
ax.LineWidth=1;
ax.TickDir='out';
%% 测试集误差图
figure
bar((T_sim2 - T_test )./T_test)
legend('模型测试集相对误差','Location','NorthEast','FontName','楷体')
title('模型测试集相对误差','fontsize',12,'FontName','楷体')
ylabel('误差','fontsize',12,'FontName','楷体')
xlabel('样本','fontsize',12,'FontName','楷体')
xlim([1 N]);
%% 绘制线性拟合图
%% 训练集拟合效果图
figure
plot(T_train,T_sim1,'s','Markersize',2);
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',2,'LineStyle','-','Color',[1 1 0])
%% 预测集拟合效果图
figure
plot(T_test,T_sim2,'s','Markersize',2);
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',2,'LineStyle','-','Color',[1 1 0])
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