时序预测 | Pytorch实现CNN-LSTM-KAN电力负荷时间序列预测模型

预测效果

代码主要功能

该代码实现了一个结合CNN(卷积神经网络)、LSTM(长短期记忆网络)和KAN(Kolmogorov-Arnold Network)的混合模型,用于时间序列预测任务。主要流程包括:

数据加载:加载预处理的训练/测试集(特征和标签)。

模型构建:

自定义KANLinear层(基于样条函数的非线性激活)

构建CNNLSTMKANModel(CNN提取特征 → LSTM处理序列 → KAN层预测)

模型训练:使用MSE损失和Adam优化器,记录训练/验证损失。

模型评估:加载最佳模型预测测试集,计算R²、MSE、RMSE、MAE指标。

结果可视化:绘制损失曲线和预测效果对比图。

算法步骤

数据准备

使用joblib加载标准化后的训练/测试数据(train_set/test_set等)

封装为PyTorch的DataLoader(批处理大小batch_size=64)

模型定义

KANLinear层:

CNN-LSTM-KAN模型:

CNN模块:多层卷积(Conv1d)+ ReLU + 最大池化

LSTM模块:多层LSTM处理时序特征

KAN输出层:替换传统全连接层做最终预测

用样条基函数(B-splines)替代传统激活函数

实现curve2coeff(样条系数计算)、regularization_loss(正则化)

模型训练

优化器:Adam(学习率0.0003)

损失函数:均方误差(nn.MSELoss)

每epoch记录训练/验证损失,保存最佳模型

评估与可视化

加载最佳模型预测测试集

反归一化预测结果(使用StandardScaler)

计算评估指标(R²、MSE等)并绘制损失曲线

技术路线

数据流

原始数据 → 预处理(标准化)→ DataLoader → 模型输入

模型结构

Input → CNN(特征提取)→ LSTM(时序建模)→ KAN(非线性预测)→ Output

关键创新

KAN层:通过样条插值增强模型表达能力(优于传统ReLU)

混合架构:CNN捕捉局部模式,LSTM学习长期依赖,KAN提供灵活映射

评估方法

使用R²(解释方差)、MSE(均方误差)、RMSE(均方根误差)、MAE(平均绝对误差)

反归一化后对比预测值与真实值

完整代码

运行环境

Python库依赖

torch, joblib, numpy, pandas # 数据处理与模型构建

sklearn.metrics, matplotlib # 评估与可视化

硬件要求

自动检测GPU(优先使用CUDA):

device = torch.device("cuda" if torch.cuda.is_available() else "cpu")

若无GPU则退化为CPU运行

数据预准备

训练/测试集需预先保存为train_set、train_label等文件(通过joblib)

补充说明

KAN的优势:

样条函数提供更高阶非线性拟合能力,适合复杂时间序列模式。

混合架构意义:

CNN提取空间特征 → LSTM捕获时间依赖 → KAN增强预测灵活性。

关键文件:

最佳模型保存为best_model_cnn_lstm_kan.pt

标准化器保存为scaler(用于结果反归一化)

此模型适用于单变量时间序列预测(如风速、股价等),通过混合架构平衡特征提取与序列建模能力,KAN层进一步提升非线性拟合性能。

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