news 2026/10/15 15:44:16

GA-TCN-Transformer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

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张小明

前端开发工程师

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文章封面图
GA-TCN-Transformer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

该代码面向回归预测任务,结合了TCN(时间卷积网络)与Transformer的优势,并引入遗传算法(GA)进行超参数优化,旨在提升模型在复杂数据中的预测精度与泛化能力。


二、主要功能

  1. 数据预处理:归一化、训练集/测试集划分。
  2. 超参数优化:使用 GA 优化 TCN 的卷积核数、卷积核大小、丢弃率、层数及 Transformer 注意力头数。
  3. 模型构建与训练:构建 TCN-Transformer 混合网络并进行训练。
  4. 预测与评估:对训练集和测试集进行预测,计算 RMSE、R²、MAE 等指标。
  5. 结果可视化:包括优化过程曲线、预测对比图、拟合图、雷达图、误差分析图等。
  6. 新数据预测:支持导入新数据进行预测并保存结果。

三、算法步骤

  1. 导入数据并归一化。
  2. 划分训练集与测试集(可选是否打乱样本)。
  3. 定义 GA 优化目标函数,优化 TCN-Transformer 超参数。
  4. 使用最优参数构建 TCN-Transformer 网络。
  5. 训练网络并评估性能。
  6. 进行预测并反归一化。
  7. 计算多项评估指标并可视化对比。
  8. 对新数据进行预测并输出结果。

四、技术路线

  • 数据流:原始数据 → 归一化 → GA 优化 → 网络构建 → 训练 → 预测 → 反归一化 → 评估。
  • 模型结构:
    • TCN 部分:多层因果卷积 + 残差连接 + 层归一化 + Dropout。
    • Transformer 部分:位置编码 + 自注意力层 + 全连接输出。
  • 优化方法:遗传算法(GA)用于超参数搜索,目标函数为 RMSE。

五、公式原理(简要)

  • TCN:使用因果卷积确保时序因果性,膨胀卷积扩大感受野。
  • Transformer:自注意力机制捕捉全局依赖关系。
  • GA:模拟自然选择过程,通过选择、交叉、变异寻找最优解。
  • 评估指标:
    • RMSE =1n∑i=1n(yi−y^i)2\sqrt{\frac{1}{n}\sum_{i=1}^{n}(y_i - \hat{y}_i)^2}n1​∑i=1n​(yi​−y^​i​)2​
    • R² =1−∑(yi−y^i)2∑(yi−yˉ)21 - \frac{\sum(y_i - \hat{y}_i)^2}{\sum(y_i - \bar{y})^2}1−∑(yi​−yˉ​)2∑(yi​−y^​i​)2​
    • MAE =1n∑∣yi−y^i∣\frac{1}{n}\sum|y_i - \hat{y}_i|n1​∑∣yi​−y^​i​∣

六、参数设定

  • GA参数:种群数 N=8,迭代次数 Max_iteration=5。
  • TCN参数范围:
    • 卷积核数:232^323到272^727(8~128)
    • 卷积核大小:3~9
    • 丢弃率:0.001~0.5
    • TCN层数:2~5
  • Transformer参数范围:注意力头数 2~6。
  • 训练参数:Adam优化器,初始学习率 0.01,最大迭代 500 轮。

七、运行环境

  • 平台:MATLAB2024b(需安装深度学习工具箱、优化工具箱)。

八、应用场景

  • 风速预测
  • 交通流量预测
  • 股票价格预测
  • 电力负荷预测
  • 工业过程参数预测





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