R4 LSTM-火災溫度預測

import tensorflow as tf
import pandas     as pd
import numpy      as npgpus = tf.config.list_physical_devices("GPU")
if gpus:tf.config.experimental.set_memory_growth(gpus[0], True)  #設置GPU顯存用量按需使用tf.config.set_visible_devices([gpus[0]],"GPU")
print(gpus)df_1 = pd.read_csv("./woodpine2.csv")
import matplotlib.pyplot as plt
import seaborn as snsplt.rcParams['savefig.dpi'] = 500 #圖片像素
plt.rcParams['figure.dpi']  = 500 #分辨率fig, ax =plt.subplots(1,3,constrained_layout=True, figsize=(14, 3))sns.lineplot(data=df_1["Tem1"], ax=ax[0])
sns.lineplot(data=df_1["CO 1"], ax=ax[1])
sns.lineplot(data=df_1["Soot 1"], ax=ax[2])
plt.show()

dataFrame = df_1.iloc[:,1:]
dataFrame

?

Tem1CO 1Soot 1
025.00.0000000.000000
125.00.0000000.000000
225.00.0000000.000000
325.00.0000000.000000
425.00.0000000.000000
............
5943295.00.0000770.000496
5944294.00.0000770.000494
5945292.00.0000770.000491
5946291.00.0000760.000489
5947290.00.0000760.000487

5948 rows × 3 columns

?

width_X = 8
width_y = 1
X = []
y = []in_start = 0for _, _ in df_1.iterrows():in_end  = in_start + width_Xout_end = in_end   + width_yif out_end < len(dataFrame):X_ = np.array(dataFrame.iloc[in_start:in_end , ])X_ = X_.reshape((len(X_)*3))y_ = np.array(dataFrame.iloc[in_end  :out_end, 0])X.append(X_)y.append(y_)in_start += 1X = np.array(X)
y = np.array(y)X.shape, y.shape
((5939, 24), (5939, 1))

?

from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler#將數據歸一化,范圍是0到1
sc       = MinMaxScaler(feature_range=(0, 1))
X_scaled = sc.fit_transform(X)
X_scaled.shape
(5939, 24)
X_scaled = X_scaled.reshape(len(X_scaled),width_X,3)
X_scaled.shape

?

(5939, 8, 3)
X_train = np.array(X_scaled[:5000]).astype('float64')
y_train = np.array(y[:5000]).astype('float64')X_test  = np.array(X_scaled[5000:]).astype('float64')
y_test  = np.array(y[5000:]).astype('float64')
X_train.shape

?

(5000, 8, 3)

?

from tensorflow.keras.models import Sequential
from tensorflow.keras.layers import Dense,LSTM,Bidirectional
from tensorflow.keras        import Input# 多層 LSTM
model_lstm = Sequential()
model_lstm.add(LSTM(units=64, activation='relu', return_sequences=True,input_shape=(X_train.shape[1], 3)))
model_lstm.add(LSTM(units=64, activation='relu'))model_lstm.add(Dense(width_y))
# 只觀測loss數值,不觀測準確率,所以刪去metrics選項
model_lstm.compile(optimizer=tf.keras.optimizers.Adam(1e-3),loss='mean_squared_error')  # 損失函數用均方誤差
X_train.shape, y_train.shape
((5000, 8, 3), (5000, 1))
history_lstm = model_lstm.fit(X_train, y_train, batch_size=64, epochs=40, validation_data=(X_test, y_test),validation_freq=1)
Epoch 1/40
79/79 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 8s 29ms/step - loss: 17407.9004 - val_loss: 8287.8789
Epoch 2/40
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Epoch 3/40
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Epoch 4/40
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Epoch 5/40
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Epoch 6/40
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Epoch 7/40
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Epoch 8/40
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Epoch 9/40
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Epoch 10/40
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Epoch 11/40
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Epoch 12/40
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Epoch 19/40
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Epoch 24/40
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Epoch 26/40
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Epoch 27/40
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Epoch 28/40
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Epoch 29/40
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Epoch 30/40
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Epoch 31/40
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Epoch 32/40
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Epoch 33/40
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Epoch 34/40
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Epoch 35/40
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Epoch 36/40
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Epoch 37/40
79/79 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 3s 22ms/step - loss: 8.1424 - val_loss: 93.2947
Epoch 38/40
79/79 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 2s 20ms/step - loss: 6.9144 - val_loss: 82.5569
Epoch 39/40
79/79 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 2s 20ms/step - loss: 7.3446 - val_loss: 91.3829
Epoch 40/40
79/79 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 2s 19ms/step - loss: 7.6978 - val_loss: 58.8386
# 支持中文
plt.rcParams['font.sans-serif'] = ['SimHei']  # 用來正常顯示中文標簽
plt.rcParams['axes.unicode_minus'] = False  # 用來正常顯示負號plt.figure(figsize=(5, 3),dpi=120)plt.plot(history_lstm.history['loss']    , label='LSTM Training Loss')
plt.plot(history_lstm.history['val_loss'], label='LSTM Validation Loss')plt.title('Training and Validation Loss')
plt.legend()
plt.show()

?

predicted_y_lstm = model_lstm.predict(X_test)                        # 測試集輸入模型進行預測y_test_one = [i[0] for i in y_test]
predicted_y_lstm_one = [i[0] for i in predicted_y_lstm]plt.figure(figsize=(5, 3),dpi=120)
# 畫出真實數據和預測數據的對比曲線
plt.plot(y_test_one[:1000], color='red', label='真實值')
plt.plot(predicted_y_lstm_one[:1000], color='blue', label='預測值')plt.title('Title')
plt.xlabel('X')
plt.ylabel('Y')
plt.legend()
plt.show()

?

30/30 ━━━━━━━━━━━━━━━━━━━━ 1s 24ms/step

from sklearn import metrics
"""
RMSE :均方根誤差  ----->  對均方誤差開方
R2   :決定系數,可以簡單理解為反映模型擬合優度的重要的統計量
"""
RMSE_lstm  = metrics.mean_squared_error(predicted_y_lstm, y_test)**0.5
R2_lstm    = metrics.r2_score(predicted_y_lstm, y_test)print('均方根誤差: %.5f' % RMSE_lstm)
print('R2: %.5f' % R2_lstm)

均方根誤差: 7.67063 R2: 0.82748

收獲: 學會如何通過LSTM進行文本的預測

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