TCN-BiLSTM回归+特征贡献SHAP分析+新数据预测+多输出,MATLAB代码

MATLAB代码实现了一个TCN-BiLSTM混合神经网络模型 ,用于多输出回归预测任务 ,并集成了SHAP特征重要性分析 和新数据预测功能。以下是详细分析:


一、主要功能

  1. TCN-BiLSTM混合模型构建与训练:

    • 结合时序卷积网络(TCN)和双向长短期记忆网络(BiLSTM),用于处理时序或多特征回归问题。
    • 支持多输出(多个目标变量)预测。
  2. SHAP特征重要性分析:

    • 使用SHAP值分析输入特征对输出的贡献度。
  3. 模型性能评估与可视化:

    • 提供RMSE、MAE、R²等评估指标。
    • 生成多种可视化图表,包括预测对比图、误差分布图、散点图、累计误差曲线等。
  4. 新数据预测:

    • 使用训练好的模型对新输入数据进行预测,并保存结果。

二、算法步骤

  1. 数据准备:

    • 读取Excel数据,划分特征(X)和目标(Y)。
    • 归一化处理(mapminmax)。
    • 随机或顺序划分训练集和测试集。
  2. 模型构建:

    • 构建TCN层(包含膨胀卷积、层归一化、Dropout、残差连接)。
    • 连接BiLSTM层、全连接层和回归层。
  3. 模型训练:

    • 使用Adam优化器,设置学习率衰减。
    • 监控训练过程中的RMSE和Loss变化。
  4. 预测与评估:

    • 对训练集和测试集进行预测。
    • 计算RMSE、MAE、R²等指标。
    • 绘制多种图表进行可视化分析。
  5. SHAP分析:

    • 调用shapley_function计算测试集样本的SHAP值。
  6. 新数据预测:

    • 读取新数据,归一化后输入模型预测,输出结果到Excel。

三、技术路线

  • TCN(时序卷积网络):使用因果膨胀卷积捕捉时序依赖。
  • BiLSTM(双向长短期记忆网络):进一步提取时序特征。
  • SHAP(Shapley Additive Explanations):基于博弈论的特征归因方法。
  • 混合模型结构:TCN + BiLSTM + 全连接层。

四、公式原理

  1. TCN膨胀卷积:

    • 输出长度 = 输入长度 + 膨胀因子 × (卷积核大小 - 1)
    • 残差连接:output = input + convolution(input)
  2. BiLSTM门控机制:

    • 遗忘门、输入门、输出门控制信息流动。
  3. 损失函数:

    • 均方误差(MSE)用于回归任务。
  4. SHAP值计算:

    • 基于Shapley值,衡量每个特征对模型输出的贡献。

五、参数设定

参数 说明
numFilters TCN卷积核数量 = 32
filterSize 卷积核大小 = 5
dropoutFactor Dropout比率 = 0.1
numBlocks TCN块数 = 3
hiddens BiLSTM隐藏单元数 = 6
MaxEpochs 最大训练轮数 = 1000
InitialLearnRate 初始学习率 = 0.01
LearnRateDropFactor 学习率下降因子 = 0.1
LearnRateDropPeriod 学习率下降周期 = 800
train_ratio 训练集比例 = 0.8

六、运行环境

  • 软件环境:MATLAB(需安装Deep Learning Toolbox)
  • 数据格式 :Excel文件(回归数据.xlsx、新的多输入.xlsx)
  • 依赖函数 :
    • shapley_function(自定义SHAP计算函数)
    • newpre(自定义新数据预测函数)

七、应用场景

  • 预测问题:如电力负荷、股票价格、气象数据等。
  • 多变量回归:如房价预测(多特征输入、多输出)。
  • 特征重要性分析:解释模型预测结果,识别关键影响因素。
  • 工业预测维护:多指标预测与特征归因分析。






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