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PyTorch搭建Transformer实现多变量多步长时间序列预测（负荷预测）

2022-06-28 21:56:00 【Cyril_KI】

I. 前言

前面已经写了很多关于时间序列预测的文章：

上述文章中都没有涉及到近些年来比较火的Attention机制，随Attention机制一起提出的是transformer模型，关于transformer模型的原理网上各种讲解很多，这里就不具体描述了，有机会再写。

II. Transformer

PyTorch封装了Transformer的具体实现，如果导入失败可以参考：torch.nn.Transformer导入失败。

Transformer模型搭建如下：

class TransformerModel(nn.Module):
    def __init__(self, args):
        super(TransformerModel, self).__init__()
        self.args = args
        # embed_dim = head_dim * num_heads?
        self.input_fc = nn.Linear(args.input_size, args.d_model)
        self.output_fc = nn.Linear(args.input_size, args.d_model)
        self.pos_emb = PositionalEncoding(args.d_model)
        encoder_layer = nn.TransformerEncoderLayer(
            d_model=args.d_model,
            nhead=8,
            dim_feedforward=4 * args.input_size,
            batch_first=True,
            dropout=0.1,
            device=device
        )
        decoder_layer = nn.TransformerDecoderLayer(
            d_model=args.d_model,
            nhead=8,
            dropout=0.1,
            dim_feedforward=4 * args.input_size,
            batch_first=True,
            device=device
        )
        self.encoder = torch.nn.TransformerEncoder(encoder_layer, num_layers=8)
        self.decoder = torch.nn.TransformerDecoder(decoder_layer, num_layers=8)
        self.fc = nn.Linear(args.output_size * args.d_model, args.output_size)

    def forward(self, x, y):
        # print(x.size()) # (256, 24, 7)
        x = self.input_fc(x)  # (256, 24, 128)
        x = self.pos_emb(x)   # (256, 24, 128)
        x = self.encoder(x)
        # print(y.size()) # (256, 4, 7)
        y = self.output_fc(y)   # (256, 4, 128)
        out = self.decoder(y, x)  # (256, 4, 128)
        out = out.view(out.shape[0], -1)   # (256, 4 * 128)
        out = self.fc(out)  # (256, 4)

        return out

初始时的数据输入维度为7，也就是每个时刻的负荷值以及6个环境变量。在Transformer的原始论文中，文本的嵌入维度为512，而且PyTorch规定nhead数和d_model也就是嵌入维度必须满足整除关系，因此首先将原始数据从7维映射到d_model维度：

x = self.input_fc(x)

其中input_fc：

self.input_fc = nn.Linear(args.input_size, args.d_model)

然后对原始输入进行位置编码：

x = self.pos_emb(x)

然后经过编码层：

x = self.encoder(x)

得到的输出和输入维度一致。

接着将编码器输出x和标签y同时输入解码器进行解码：

y = self.output_fc(y)   # (256, 4, 128)
out = self.decoder(y, x)

标签y在进入解码器前同样需要将其维度由7映射到d_model。

值得注意的是，在前面的文章中，y的维度都是(batch_size, output_size)，而在Transformer中，y的维度为(batch_size, output_size, d_model)。

III. 代码实现

3.1 数据处理

利用前24小时的负荷值+环境变量预测后4个时刻的负荷值，数据处理和前面一致，只是需要注意的是，y中不再只含有负荷值这1个变量，而是和x一样，都含有7个变量。

3.2 模型训练/测试

和前文一致。

3.3 实验结果

相关参数如下所示：

def args_parser():
    parser = argparse.ArgumentParser()

    parser.add_argument('--epochs', type=int, default=50, help='input dimension')
    parser.add_argument('--seq_len', type=int, default=24, help='seq len')
    parser.add_argument('--input_size', type=int, default=7, help='input dimension')
    parser.add_argument('--d_model', type=int, default=128, help='input dimension')
    parser.add_argument('--output_size', type=int, default=4, help='output dimension')
    parser.add_argument('--lr', type=float, default=2e-4, help='learning rate')
    parser.add_argument('--batch_size', type=int, default=256, help='batch size')
    parser.add_argument('--optimizer', type=str, default='adam', help='type of optimizer')
    parser.add_argument('--device', default=torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu"))
    parser.add_argument('--weight_decay', type=float, default=1e-9, help='weight decay')
    parser.add_argument('--bidirectional', type=bool, default=False, help='LSTM direction')
    parser.add_argument('--step_size', type=int, default=10, help='step size')
    parser.add_argument('--gamma', type=float, default=0.5, help='gamma')

    args = parser.parse_args()

    return args