SSA-TCN-Transformer组合模型回归+SHAP分析+新数据预测+多输出!深度学习可解释分析







一、研究背景

该研究旨在将时序卷积网络 与Transformer注意力机制相结合,构建一个适用于多输入多输出回归任务的深度学习模型。通过引入智能优化算法(如SSA麻雀搜索算法)对模型超参数进行自动调优,提升模型的预测精度和泛化能力,适用于时序预测、回归分析等领域。


二、主要功能

  1. 数据预处理:归一化、训练/测试集划分。
  2. 模型构建:构建TCN-Transformer混合网络。
  3. 智能优化:使用SSA优化超参数(卷积核、层数、注意力头数等)。
  4. 模型训练与评估:训练优化后模型,并进行多指标评估。
  5. 结果可视化:雷达图、预测对比图、拟合图、训练曲线等。
  6. 特征重要性分析:使用SHAP值分析输入特征对输出的影响。
  7. 新数据预测:支持对新输入数据的预测并输出结果。

三、算法步骤

  1. 导入数据 → 归一化 → 划分训练/测试集。
  2. 定义SSA优化目标函数(模型RMSE)。
  3. 优化TCN-Transformer超参数。
  4. 使用最优参数构建并训练模型。
  5. 对训练集和测试集进行预测并反归一化。
  6. 计算各项性能指标(RMSE、R²、MAE)。
  7. 绘制多种可视化图表进行对比分析。
  8. 输出最优参数并保存结果。

四、技术路线

复制代码
数据预处理 → 参数优化(SSA) → 模型构建(TCN-Transformer) → 训练与预测 → 评估与可视化
  • TCN部分:多层级因果卷积 + 残差连接 + 归一化 + Dropout。
  • Transformer部分:位置编码 + 多头自注意力 + 全连接输出。
  • 优化部分:SSA用于调整TCN卷积核数、卷积核大小、层数、注意力头数等。

五、公式原理(核心)

  1. TCN卷积 :
    yt=∑k=1Kwk⋅xt−d⋅k y_t = \sum_{k=1}^{K} w_k \cdot x_{t-d\cdot k} yt=k=1∑Kwk⋅xt−d⋅k

    其中 ddd 为膨胀因子,KKK 为卷积核大小。

  2. Self-Attention :
    Attention(Q,K,V)=softmax(QKTdk)V \text{Attention}(Q,K,V) = \text{softmax}\left(\frac{QK^T}{\sqrt{d_k}}\right)V Attention(Q,K,V)=softmax(dk QKT)V

  3. 损失函数:均方误差(MSE)用于回归任务。

  4. 优化目标:最小化RMSE。


六、参数设定

参数 说明 取值范围/设定
卷积核数 2^n 2^3 ~ 2^7
卷积核大小 卷积窗口 3 ~ 9
Dropout率 防止过拟合 0.001 ~ 0.5
TCN层数 网络深度 2 ~ 5
注意力头数 Transformer头数 2 ~ 6
训练轮数 Epochs 500
学习率 Adam初始学习率 0.01
种群数 SSA种群规模 8
迭代次数 SSA最大迭代次数 5

七、运行环境

  1. 平台:MATLAB(建议R2024b及以上版本)
  2. List item

八、应用场景

该模型适用于多输入多输出回归预测问题,例如:

  • 时间序列预测(电力负荷、股票价格、气象数据)
  • 工业过程控制(质量预测、故障诊断)
  • 环境监测(空气质量、水质预测)
  • 医疗数据分析(生理指标预测)
  • 能源系统优化(发电量、能耗预测)

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