TCN-Transformer-BiGRU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代码实现了一个TCN-Transformer-BiGRU 混合深度学习模型 ，用于多输入多输出回归预测任务，并集成了模型解释与可视化功能。

该模型结合了三种先进的深度学习结构：

这种混合结构旨在融合**局部特征提取（TCN）、全局依赖建模（Transformer）和时序建模（BiGRU）**的优势，适用于复杂时序或序列回归问题。

数据预处理：归一化、训练集/测试集划分（可选是否打乱）。
模型构建：构建 TCN + Transformer + BiGRU 混合网络。
模型训练：使用 Adam 优化器进行训练，支持学习率衰减。
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。
可视化分析 ：
- 网络结构图
- 训练过程曲线（RMSE、Loss）
- 预测对比图（真实值 vs 预测值）
- 百分比误差图
- 散点图与拟合线
- 模型性能总结图（R² 和 RMSE 对比）
模型解释：使用 SHAP 值进行特征重要性分析。
新数据预测：加载新数据进行预测并保存结果。

数据导入与归一化 ：使用 mapminmax 将数据归一化到 $0,1$ 。
数据集划分：按比例（默认80%）划分训练集和测试集。
模型构建 ：
- TCN 模块：多层级联卷积 + 残差连接
- Transformer 模块：位置编码 + 自注意力层
- BiGRU 模块：双向 GRU + 全连接输出层
模型训练：使用训练集进行监督学习。
预测与反归一化：对训练集和测试集进行预测，并反归一化。
评估与可视化：计算指标并绘制各类图表。
SHAP 值计算：分析特征对输出的贡献度。
新数据预测：加载外部数据并进行预测输出。

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

其中 ddd 为膨胀因子，KKK 为卷积核大小。
自注意力机制 ：
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
GRU 更新门与重置门 ：
zt=σ(Wz⋅ $ht-1,xt$ ) z_t = \sigma(W_z \cdot $h_{t-1}, x_t$ ) zt=σ(Wz⋅ $ht-1,xt$ )
rt=σ(Wr⋅ $ht-1,xt$ ) r_t = \sigma(W_r \cdot $h_{t-1}, x_t$ ) rt=σ(Wr⋅ $ht-1,xt$ )
h~t=tanh⁡(W⋅ $rt⊙ht-1,xt$ ) \tilde{h}t = \tanh(W \cdot $r_t \\odot h_{t-1}, x_t$ ) h~t=tanh(W⋅ $rt⊙ht-1,xt$ )
ht=(1−zt)⊙ht−1+zt⊙h~t h_t = (1 - z_t) \odot h{t-1} + z_t \odot \tilde{h}_t ht=(1−zt)⊙ht−1+zt⊙h~t

该模型适用于多变量时序回归预测问题，例如：

该代码实现了一个结构完整、功能丰富、可视化强大的深度学习回归预测系统，适用于需要高精度预测和模型可解释性的工程与科研场景。通过混合 TCN、Transformer 和 BiGRU 结构，该模型在时序建模中同时具备了局部特征提取、全局依赖建模和双向时序建模的能力。