这是我的第252篇原创文章。

一、引言

ConvLSTM是一种融合了卷积神经网络（CNN）和长短期记忆网络（LSTM）的混合神经网络结构，专门用于处理时空序列数据。ConvLSTM结合了CNN对空间特征的提取和LSTM对时间序列建模的能力，适用于需要同时考虑时空信息的任务，如视频预测、气象预测等。

在Keras中，您可以使用ConvLSTM2D层来构建ConvLSTM模型。本文基于ConvLSTM实现单变量时间序列预测。

二、实现过程

2.1 读取数据集

# 读取数据集
data = pd.read_csv('data.csv')
# 将日期列转换为日期时间类型
data['Month'] = pd.to_datetime(data['Month'])
# 将日期列设置为索引
data.set_index('Month', inplace=True)

data：

2.2 划分数据集

# 拆分数据集为训练集和测试集
train_size = int(len(data) * 0.8)
train_data = data[:train_size]
test_data = data[train_size:]


# 绘制训练集和测试集的折线图
plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(train_data, label='Training Data')
plt.plot(test_data, label='Testing Data')
plt.xlabel('Year')
plt.ylabel('Passenger Count')
plt.title('International Airline Passengers - Training and Testing Data')
plt.legend()
plt.show()

共144条数据，8:2划分：训练集115，测试集29。

训练集和测试集：

2.3 归一化

# 将数据归一化到 0~1 范围
scaler = MinMaxScaler()
train_data_scaler = scaler.fit_transform(train_data.values.reshape(-1, 1))
test_data_scaler = scaler.transform(test_data.values.reshape(-1, 1))

2.4 构造数据集

# 定义滑动窗口函数
def create_sliding_windows(data, window_size):
    pass


# 定义滑动窗口大小
window_size = 3


# 创建滑动窗口数据集
X_train, Y_train = create_sliding_windows(train_data_scaler, window_size)
X_test, Y_test = create_sliding_windows(test_data_scaler, window_size)


# ConvLSTM是为读取二维时空数据而开发的，但可以适用于单变量时间序列预测。
# 该层期望输入为二维图像序列，因此输入数据的形状必须为：
# [samples, timesteps, rows, columns, features]
出于我们的目的，我们可以将每个样本分成多个子序列，其中时间步长将成为子序列数或n_seq，列将是每个子序列的时间步数或n_steps。在处理一维数据时，行数固定为1。
# 数据重构为5D [samples, timesteps, rows, columns, features]
X_train = np.reshape(X_train, (X_train.shape[0], window_size,1,1, 1))
X_test = np.reshape(X_test, (X_test.shape[0],window_size, 1,1, 1))

2.5 建立模型进行预测

# 初始化顺序模型
model = Sequential()
model.add(ConvLSTM2D(...)
model.add(...)
model.add(Dense(1))
model.compile(loss='mse', optimizer='adam')
model.fit(X_train, Y_train, epochs=50)
# 打印模型
model.summary()


# 使用模型进行预测
train_predictions = model.predict(X_train)
test_predictions = model.predict(X_test)


# 反归一化预测结果
train_predictions = scaler.inverse_transform(train_predictions)
test_predictions = scaler.inverse_transform(test_predictions)

test_predictions：

2.6 预测效果展示

# 绘制测试集预测结果的折线图
plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(test_data, label='Actual')
plt.plot(list(test_data.index)[-len(test_predictions):], test_predictions, label='Predicted')
plt.xlabel('Month')
plt.ylabel('Passengers')
plt.title('Actual vs Predicted')
plt.legend()
plt.show()

测试集真实值与预测值：

# 绘制原始数据、训练集预测结果和测试集预测结果的折线图
plt.figure(figsize=(10, 6))
plt.plot(data, label='Actual')
plt.plot(list(train_data.index)[look_back:train_size], train_predictions, label='Training Predictions')
plt.plot(list(test_data.index)[-(len(test_data)-look_back):], test_predictions, label='Testing Predictions')
plt.xlabel('Year')
plt.ylabel('Passenger Count')
plt.title('International Airline Passengers - Actual vs Predicted')
plt.legend()
plt.show()

原始数据、训练集预测结果和测试集预测结果：

作者简介： 读研期间发表6篇SCI数据算法相关论文，目前在某研究院从事数据算法相关研究工作，结合自身科研实践经历持续分享关于Python、数据分析、特征工程、机器学习、深度学习、人工智能系列基础知识与案例。关注gzh：数据杂坛，获取数据和源码学习更多内容。

原文链接：

【Python时序预测系列】基于ConvLSTM实现单变量时间序列预测（源码）