TCN-Transformer-LSTM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

  • 模型融合趋势:时序数据处理中,传统 LSTM 难以捕捉长距离依赖,TCN 能提取局部时序特征,Transformer 擅长全局依赖建模,三者结合可提升预测精度。
  • 可解释性需求:SHAP 分析用于解释模型决策,增强模型可信度。
  • 多输出回归任务:适用于多变量预测场景。

二、主要功能

  1. 数据预处理:读取Excel数据、归一化、划分训练/测试集。
  2. 构建混合模型
    • TCN(时序卷积网络)提取时序特征
    • Transformer 捕捉全局依赖
    • LSTM 进一步建模时序动态
  3. 模型训练与评估:训练模型并计算 R²、MAE、RMSE 等指标。
  4. 可视化分析:网络结构图、训练曲线、预测对比图、误差分布、散点拟合图等。
  5. SHAP 特征重要性分析:解释各输入特征对输出的贡献。
  6. 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. 数据准备:读取数据 → 归一化 → 划分训练/测试集(可选是否打乱)。
  2. 模型构建
    • 输入层 → TCN 块(带残差连接)→ 位置编码 → Transformer 自注意力层 → LSTM → 全连接层 → 回归层。
  3. 训练设置
    • 使用 Adam 优化器,学习率分段下降,最大训练轮数 1000。
  4. 训练与评估
    • 训练网络 → 预测训练/测试集 → 反归一化 → 计算指标。
  5. 可视化
    • 网络结构图、训练过程曲线、预测对比图、百分比误差图、散点拟合图、性能总结图。
  6. SHAP 分析:计算特征重要性并可视化。
  7. 新数据预测:加载新数据 → 归一化 → 预测 → 保存结果。

四、技术路线

复制代码
数据 → 归一化 → TCN(时序特征)→ Transformer(全局注意力)→ LSTM(时序建模)→ 全连接 → 输出
        ↑                                         ↓
    训练/测试集划分                              SHAP分析
        ↓                                         ↓
    训练与评估 ← 指标计算 ← 反归一化 ← 预测结果
        ↓
    新数据预测与保存

五、公式原理(核心部分)

1. TCN 部分

  • 使用因果卷积(Causal Convolution)确保时序因果性:
    yt=∑k=0K−1wkxt−d⋅k y_t = \sum_{k=0}^{K-1} w_k x_{t-d \cdot k} yt=k=0∑K−1wkxt−d⋅k
    • d 为膨胀因子(dilation factor)
    • K 为卷积核大小

2. Transformer 自注意力

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. LSTM 单元

ft=σ(Wf⋅ht−1,xt+bf)it=σ(Wi⋅ht−1,xt+bi)C~t=tanh⁡(WC⋅ht−1,xt+bC)Ct=ft∗Ct−1+it∗C~tot=σ(Wo⋅ht−1,xt+bo)ht=ot∗tanh⁡(Ct) \begin{aligned} f_t &= \sigma(W_f \cdot h_{t-1}, x_t + b_f) \\ i_t &= \sigma(W_i \cdot h_{t-1}, x_t + b_i) \\ \tilde{C}t &= \tanh(W_C \cdot h_{t-1}, x_t + b_C) \\ C_t &= f_t * C{t-1} + i_t * \tilde{C}_t \\ o_t &= \sigma(W_o \cdot h_{t-1}, x_t + b_o) \\ h_t &= o_t * \tanh(C_t) \end{aligned} ftitC~tCtotht=σ(Wf⋅ht−1,xt+bf)=σ(Wi⋅ht−1,xt+bi)=tanh(WC⋅ht−1,xt+bC)=ft∗Ct−1+it∗C~t=σ(Wo⋅ht−1,xt+bo)=ot∗tanh(Ct)


六、参数设定(关键参数)

参数 说明 取值
maxPosition 位置编码最大长度 128
numHeads 注意力头数 4
numKeyChannels 键通道数 64
hiddens LSTM 隐藏单元数 64
numFilters TCN 卷积核数 32
filterSize 卷积核大小 3
dropoutFactor Dropout 比例 0.1
numBlocks TCN 块数 3
MaxEpochs 最大训练轮数 1000
InitialLearnRate 初始学习率 0.001
LearnRateDropFactor 学习率下降因子 0.1
LearnRateDropPeriod 下降周期 800

七、运行环境

  • 软件:MATLAB2024b

八、应用场景

  1. 多变量时间序列预测:如股票价格、气象数据、电力负荷预测。
  2. 回归分析任务:如房价预测、销量预测、设备寿命预测。
  3. 可解释性建模需求场景:需解释各输入特征对输出的影响。
  4. 多输出预测任务:同时预测多个相关目标变量。

总结

该代码实现了一个结构清晰、可视化丰富、功能完整 的混合深度学习回归预测系统,适用于需要高精度预测与模型可解释性的时序回归任务。






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