python - 将时间序列神经网络与前馈神经网络连接起来

问题描述

考虑以下示例问题：

# dummy data for a SO question
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
plt.style.use('seaborn-whitegrid')
from keras.models import Model
from keras.layers import Input, Conv1D, Dense
from keras.optimizers import Adam, SGD

time = np.array(range(100))
brk = np.array((time>40) & (time < 60)).reshape(100,1)
B = np.array([5, -5]).reshape(1,2)
np.dot(brk, B)
y = np.c_[np.sin(time), np.sin(time)] + np.random.normal(scale = .2, size=(100,2))+ np.dot(brk, B)



plt.clf()
plt.plot(time, y[:,0])
plt.plot(time, y[:,1])

你有N时间序列，他们有一个遵循共同流程的组件，以及另一个与序列本身不同的组件。为简单起见，假设您先验地知道凹凸在 40 到 60 之间，并且您希望同时使用正弦分量对其进行建模。

TCN 在公共组件上做得很好，但它无法获得系列特质组件：

# time series model
n_filters = 10
filter_width = 3
dilation_rates = [2**i for i in range(7)] 
inp = Input(shape=(None, 1))
x = inp
for dilation_rate in dilation_rates:
    x = Conv1D(filters=n_filters,
               kernel_size=filter_width, 
               padding='causal',
               activation = "relu",
               dilation_rate=dilation_rate)(x)
x = Dense(1)(x)
model = Model(inputs = inp, outputs = x)
model.compile(optimizer = Adam(), loss='mean_squared_error')
model.summary()

X_train = np.transpose(np.c_[time, time]).reshape(2,100,1)
y_train = np.transpose(y).reshape(2,100,1)

history = model.fit(X_train, y_train,
                batch_size=2,
                epochs=1000,
                verbose = 0)
yhat = model.predict(X_train)
plt.clf()
plt.plot(time, y[:,0])
plt.plot(time, y[:,1])

plt.plot(time, yhat[0,:,:])
plt.plot(time, yhat[1,:,:])

另一方面，具有 N 个输出的基本线性回归（这里在 Keras 中实现）非常适合特殊组件：

inp1 = Input((1,))
x1 = inp1
x1 = Dense(2)(x1)
model1 = Model(inputs = inp1, outputs = x1)
model1.compile(optimizer = Adam(), loss='mean_squared_error')
model1.summary()

brk_train = brk
y_train = y
history = model1.fit(brk_train, y_train,
                batch_size=100,
                epochs=6000, verbose = 0)
yhat1 = model1.predict(brk_train)
plt.clf()
plt.plot(time, y[:,0])
plt.plot(time, y[:,1])
plt.plot(time, yhat1[:,0])
plt.plot(time, yhat1[:,1])

我想用keras来联合估计时间序列分量和特质分量。 主要问题是前馈网络（线性回归是一个特例）形成batch_size x dims，而时间序列网络形成维度batch_size x time_steps x dims。

因为我想与时间序列部分一起估计模型的特殊部分（线性回归部分），所以我只会对整个时间序列进行批量采样。这就是我batch_size = time_steps为模型 1 指定的原因。

但在静态模型中，我真正要做的是将我的数据建模为time_steps x dims.

我试图将前馈模型重新转换为时间序列模型，但没有成功。这是非工作方法：

inp3 = Input(shape = (None, 1))
x3 = inp3
x3 = Dense(2)(x3)
model3 = Model(inputs = inp3, outputs = x3)
model3.compile(optimizer = Adam(), loss='mean_squared_error')
model3.summary()
brk_train = brk.reshape(1, 100, 1)
y_train = np.transpose(y).reshape(2,100,1)
history = model3.fit(brk_train, y_train,
                batch_size=1,
                epochs=1000, verbose = 1)

ValueError: Error when checking target: expected dense_40 to have shape (None, 2) but got array with shape (100, 1)

我试图拟合与 model1 相同的模型，但形状不同，以便它与 TCN 模型兼容——重要的是，它具有相同的批处理结构。

输出最终应具有此示例中的形状(2, 100, 1)。基本上我希望模型执行以下算法：

X形状摄取(N, time_steps, dims)
失去第一个维度，因为每个系列的设计矩阵都是相同的，产生X1形状(time_steps, dims)
前进步： np.dot(X1, W), 其中W是维度(dims, N), 屈服X2维度(time_steps, N)
重塑X2为(N, time_steps, 1)。然后我可以将它添加到模型其他部分的输出中。
后退步骤：由于这只是一个线性模型，因此W相对于输出的梯度只是X1

我该如何实施？我需要自定义图层吗？

如果您对所有这些背后的动机感到好奇，我正在构建本文中的想法。

编辑：发布后，我注意到我只使用了时间变量，而不是时间序列本身。与滞后系列相匹配的 TCN 非常适合该系列的特殊部分（无论如何都在样本中）。但我的基本问题仍然存在——我想合并这两种类型的网络。

标签： pythontensorflowkerasneural-networkdeep-learning

所以，我解决了我自己的问题。答案是创建虚拟交互（因此是一个非常稀疏的设计矩阵），然后重塑数据。

###########################
# interaction model
import numpy as np
import matplotlib.pyplot as plt
plt.style.use('seaborn-whitegrid')
from keras.models import Model
from keras.layers import Input, Conv1D, Dense
from keras.optimizers import Adam, SGD
from patsy import dmatrix


def shift5(arr, num, fill_value=np.nan):
    result = np.empty_like(arr)
    if num > 0:
        result[:num] = fill_value
        result[num:] = arr[:-num]
    elif num < 0:
        result[num:] = fill_value
        result[:num] = arr[-num:]
    else:
        result = arr
    return result


time = np.array(range(100))
brk = np.array((time>40) & (time < 60)).reshape(100,1)
B = np.array([5, -5]).reshape(1,2)
np.dot(brk, B)
y = np.c_[np.sin(time), np.sin(time)] + np.random.normal(scale = .2, size=(100,2))+ np.dot(brk, B)

plt.clf()
plt.plot(time, y[:,0])
plt.plot(time, y[:,1])

# define interaction model
inp = Input(shape=(None, 2))
x = inp
x = Dense(1)(x)
model = Model(inputs = inp, outputs = x)
model.compile(optimizer = Adam(), loss='mean_squared_error')
model.summary()

from patsy import dmatrix
df = pd.DataFrame(data = {"fips": np.concatenate((np.zeros(100), np.ones(100))),
                          "brk": np.concatenate((brk.reshape(100), brk.squeeze()))})
df.brk = df.brk.astype(int)
tm = np.asarray(dmatrix("brk:C(fips)-1", data = df))

brkint = np.concatenate(( \
                tm[:100,:].reshape(1,100,2),
                tm[100:200,:].reshape(1,100,2)
                ), axis = 0)

y_train = np.transpose(y).reshape(2,100,1)

history = model.fit(brkint, y_train,
                batch_size=2,
                epochs=1000,
                verbose = 1)

yhat = model.predict(brkint)
plt.clf()
plt.plot(time, y[:,0])
plt.plot(time, y[:,1])

plt.plot(time, yhat[0,:,:])
plt.plot(time, yhat[1,:,:])

输出形状与 TCN 相同，可以简单地按元素添加。

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