SSA-RF麻雀算法优化随机森林回归+SHAP分析+优化前后对比+新数据预测,MATLAB代码

MATLAB代码是一个基于SSA(麻雀搜索算法)优化随机森林(Random Forest) 的回归预测+SHAP分析+优化前后对比+新数据预测:


一、研究背景

  • 目的:通过智能优化算法(SSA)自动调优随机森林的关键超参数,提升模型预测精度,并与未优化的随机森林进行对比。
  • 适用场景:回归预测任务,适用于工程预测、金融分析、环境建模等领域。

二、主要功能

  1. 数据预处理:归一化、划分训练集/测试集。
  2. 参数优化 :使用SSA优化随机森林的:
    • 决策树数量
    • 最小叶子节点数
    • 最大分裂次数
  3. 模型训练与预测:构建优化与未优化随机森林模型。
  4. 性能评估:计算RMSE、R²、MAE等指标。
  5. 可视化分析 :
    • 迭代曲线
    • 雷达图对比
    • 预测结果图、残差图、拟合图
    • 特征重要性排序
    • SHAP值分析
  6. 新数据预测:支持输入新数据进行预测并保存结果。

三、算法步骤

  1. 导入数据并归一化。
  2. 划分训练集和测试集(可选是否打乱)。
  3. 使用SSA优化随机森林超参数。
  4. 训练优化后的随机森林模型。
  5. 预测并反归一化得到实际值。
  6. 计算评估指标并绘制多种对比图。
  7. 进行新数据预测并输出结果。
  8. 计算SHAP值进行特征解释。

四、技术路线

复制代码
数据准备 → 归一化 → 训练/测试划分 → SSA参数优化 → 随机森林建模 →  
预测与反归一化 → 性能评估 → 可视化对比 → SHAP解释 → 新数据预测

五、公式原理(核心)

1. 随机森林回归:

y^=1T∑t=1Tht(x) \hat{y} = \frac{1}{T} \sum_{t=1}^{T} h_t(x) y^=T1t=1∑Tht(x)

其中 ( T ) 为决策树数量,( h_t(x) ) 为第 ( t ) 棵树的预测输出。

2. SSA优化目标函数:

minimize RMSE=1n∑i=1n(yi−y^i)2 \text{minimize } RMSE = \sqrt{\frac{1}{n} \sum_{i=1}^{n} (y_i - \hat{y}_i)^2} minimize RMSE=n1i=1∑n(yi−y^i)2

SSA通过模拟麻雀觅食行为(发现者-跟随者-预警者)在参数空间中搜索最优解。

3. SHAP值:

基于博弈论,计算每个特征对预测结果的贡献:

ϕi=∑S⊆N∖{i}∣S∣!(∣N∣−∣S∣−1)!∣N∣!f(S∪{i})−f(S) \phi_i = \sum_{S \subseteq N \setminus \{i\}} \frac{|S|!(|N|-|S|-1)!}{|N|!} f(S \\cup \\{i\\}) - f(S) ϕi=S⊆N∖{i}∑∣N∣!∣S∣!(∣N∣−∣S∣−1)!f(S∪{i})−f(S)


六、参数设定

参数 说明 默认值
label 混沌映射类型(1--9) 1(Tent映射)
N SSA种群数量 10
Max_iteration SSA最大迭代次数 50
treesmin/max 决策树数量范围 50--200
leafmin/max 最小叶子数范围 1--5
splitmin/max 最大分裂次数范围 2--100
ratio 训练集比例 0.8

七、运行环境

  • 平台:MATLAB(建议R2020a及以上)
  • 依赖工具箱 :
    • Statistics and Machine Learning Toolbox
  • 数据格式 :Excel(.xlsx),最后一列为目标变量

八、应用场景

  • 工程预测 :
    • 房价预测
    • 销量预测
    • 能源负荷预测
    • 环境指标预测

















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