基于ResNet50网络的时间序列预测,对未来时间步进行多步预测,MATLAB代码





一、研究背景

该代码旨在探索深度学习模型在时间序列预测任务中的应用 ,特别是将计算机视觉中表现优异的ResNet50架构 迁移至时序数据分析。通过结合残差网络(ResNet)递归神经网络(RNN) 的思想,构建混合网络结构,以捕捉时间序列中的长期依赖与非线性模式,提升预测精度。


二、主要功能

  1. 数据导入与可视化:从Excel读取时间序列数据,并绘制原始数据与分布直方图。
  2. 数据预处理:标准化、划分训练/验证/测试集、构建滞后序列。
  3. 模型构建:使用ResNet50作为主干网络,适配回归预测任务。
  4. 模型训练:支持GPU加速,可视化训练过程与损失曲线。
  5. 预测与评估
    • 在测试集上进行预测并计算多种误差指标(MAE、RMSE、MAPE、sMAPE、相关系数)。
    • 对未来时间步进行多步预测。
  6. 结果可视化与保存
    • 提供多维度图表展示预测效果与误差分布。
    • 将结果保存至Excel文件。

三、算法步骤

  1. 数据准备
    • 读取Excel数据 → 划分数据集 → 标准化 → 构建滞后序列。
  2. 网络构建
    • 调用或自定义ResNet50结构 → 修改输入/输出层适应回归任务。
  3. 模型训练
    • 设置训练选项(优化器、学习率、批次大小等)→ 训练网络 → 监控训练过程。
  4. 预测与评估
    • 测试集预测 → 反标准化 → 计算误差指标 → 可视化对比。
  5. 未来预测
    • 基于最后观测序列进行多步滚动预测 → 输出预测结果。

四、技术路线

  • 特征提取:利用ResNet50的卷积层提取时序数据的局部与全局特征。
  • 回归预测:通过全连接层输出连续值预测结果。
  • 混合架构:结合CNN的空间特征提取能力与滞后序列的时间建模能力。
  • 训练策略:使用Adam优化器、学习率衰减、验证集早停等策略。

五、公式原理(关键部分)

  1. 数据标准化
    xstd=x−μσ x_{\text{std}} = \frac{x - \mu}{\sigma} xstd=σx−μ
  2. 损失函数(回归任务常用)
    MSE=1n∑i=1n(yi−y^i)2 \text{MSE} = \frac{1}{n} \sum_{i=1}^n (y_i - \hat{y}_i)^2 MSE=n1i=1∑n(yi−y^i)2
  3. 残差连接(ResNet核心)
    y=F(x,Wi)+x y = F(x, W_i) + x y=F(x,Wi)+x
    其中 (F) 为卷积层堆叠,(x) 为输入跳跃连接。

六、参数设定

参数 说明 默认值
Lag 滞后窗口(用于构建特征) 1:2
trainRatio / valRatio / testRatio 数据划分比例 0.7 / 0.2 / 0.1
MiniBatchSize 小批量大小 128
MaxEpochs 最大训练轮数 50
learningRate 初始学习率 0.01
horizon 未来预测步数 12

七、运行环境

  • 软件:MATLAB2020

  • 数据格式 :Excel文件(.xlsx),首列为时序数据


八、应用场景

  • 金融预测:股价、汇率、经济指标预测
  • 工业监控:设备状态预测、异常检测
  • 环境监测:气温、湿度、PM2.5预测
  • 能源管理:电力负荷、光伏发电量预测
  • 医疗健康:心电图、血糖趋势分析

完整代码私信回复基于ResNet50网络的时间序列预测,对未来时间步进行多步预测,MATLAB代码

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