TCN-Transformer-BiLSTM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MATLAB代码


一、研究背景

  • 该模型属于深度学习中的序列建模与回归预测领域。
  • 结合了时序卷积网络(TCN)Transformer(自注意力机制)双向长短期记忆网络(BiLSTM) ,旨在综合利用:
    • TCN的局部特征提取能力
    • Transformer的长程依赖建模能力
    • BiLSTM的序列双向建模能力
  • 适用于多元时间序列预测、回归分析、特征重要性解释等任务。

二、主要功能

  1. 数据预处理:读取Excel数据、归一化、划分训练集与测试集。
  2. 构建混合模型:TCN + Transformer + BiLSTM。
  3. 模型训练与评估:输出训练过程中的RMSE和Loss曲线。
  4. 预测与反归一化:对训练集和测试集进行预测,并还原为原始尺度。
  5. 多指标评估:计算R²、MAE、RMSE等。
  6. 可视化分析:包括预测对比图、误差图、散点图、性能总结图等。
  7. SHAP特征重要性分析:解释各输入特征对输出的影响。
  8. 新数据预测:加载新数据进行预测并保存结果。

三、算法步骤

  1. 数据导入与归一化
  2. 划分训练集与测试集(可选择是否打乱)
  3. 构建TCN-Transformer-BiLSTM网络结构
  4. 设置训练选项并训练模型
  5. 模型预测与评估
  6. SHAP值计算与可视化
  7. 新数据预测与输出

四、技术路线

复制代码
TCN层(提取局部时序特征)  
→ Transformer层(捕获长期依赖)  
→ BiLSTM层(进一步学习序列特征)  
→ 全连接层 + 回归输出
  • TCN:使用因果卷积和膨胀卷积,逐步提取多尺度时序特征。
  • Transformer:引入位置编码与自注意力机制,增强模型对序列中重要信息的捕捉。
  • BiLSTM:双向学习序列前后信息,增强时序建模能力。
  • SHAP分析:基于博弈论的特征贡献度分析,增强模型可解释性。

五、公式原理

  1. TCN
    y t = ∑ k = 1 K w k ⋅ x t − 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 d d d为膨胀因子, K K K 为卷积核大小。

  2. Transformer自注意力
    Attention ( Q , K , V ) = softmax ( Q K T d k ) 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. BiLSTM
    h t = LSTM ( x t , h t − 1 ) ( 前向 + 后向 ) h_t = \text{LSTM}(x_t, h_{t-1}) \quad (\text{前向 + 后向}) ht=LSTM(xt,ht−1)(前向 + 后向)

  4. 损失函数:回归任务常用均方误差(MSE)或平均绝对误差(MAE)。


六、参数设定

参数 说明
输入特征数 5 从Excel中读取
输出目标数 2 从Excel中读取
TCN层数 3 每层膨胀因子递增
Transformer头数 4 多头注意力
BiLSTM隐藏单元 64 双向LSTM神经元数
训练轮数 1000 最大迭代次数
学习率 1e-3 初始学习率
学习率衰减周期 800 每800轮衰减一次

七、运行环境

  • 平台:MATLAB(建议R2024b及以上)

八、应用场景

  • 时序预测:如电力负荷预测、气象预测、交通流量预测等。
  • 多输出回归:如同时预测多个相关变量(温度、湿度、风速等)。
  • 特征重要性分析:解释各输入变量对输出的贡献程度。
  • 工业建模:如化工过程控制、设备故障预警等。
  • 金融预测:如多指标股价预测、风险分析等。




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