基于LSTM的天氣溫度預測

馮鴻超 許德剛

摘要： 本文使用LSTM網絡模型，將某一城市多年地面氣象數據作為變量，使用sigmoid函數作為激活函數，預測未來一段時間內的天氣溫度。通過仿真實驗，將真實數據與預測數據進行對比分析，預測精度可達86%，誤差較小，相對普通RNN網絡模型預測精度提升40%。

關鍵詞： 深度學習;RNN;LSTM

中圖分類號： S165.2?? ?文獻標識碼： A?? ?文章編號： 1672-9129（2018）09-0052-01

Abstract： ?In this paper， we use the LSTM network model to use the sigmoid function as an activation function to predict the weather temperature for a period of time in the future. Through simulation experiments， the real data and the forecast data are compared and analyzed， the prediction accuracy can reach 86%， the error is small， and the prediction accuracy of the common RNN network model is improved by 40%.

Key words： ?deep learning;RNN;LSTM

1 前言

天氣變化極大的影響人們的日常生活，人們從未停止過對天氣的預測，隨著人們所掌握科學技術的進步，氣象觀測站數量在迅速增長，由此產生大量的氣象數據，通過氣象大數據的分析，用于提高天氣預報的準確率，預測未來較長一段時間內地面天氣的溫度，預知極端天氣的出現，提前做好相應的防范措施，還可用于其他對天氣有依賴性的研究。

隨著深度學習（Deep Learning）理論的不斷發展，神經網絡在預測模型方面備受關注，其中使用深度學習的自編碼網絡預測城市交通流[1]，可用深度學習方法進行氣象預測[2][3]，應用于PM2.5預測[7]，電子病歷的匿名化處理和疾病及健康預測[6]等方面。循環網絡具有時間相關性，可以構建廣泛用于與時間相關的預測及處理領域，如文本語言處理[4]，音頻識別[5]等時間序列相關領域。因此本文選用LSTM網絡模型對較長時間段內的溫度進行預測。

2 基于LSTM網絡模型的氣象溫度預測

在循環神經網絡中，隨著時間增長，RNN存在梯度消失問題，導致不能處理延遲過長的時間序列，導致第一層輸出的結果對后邊輸出的影響越來越弱，直至消失。長短期記憶網絡（LSTM）是一種特殊的RNN，能都解決RNN存在的梯度消失問題，能夠學習到長期依賴關系，LSTM模型是將隱藏層替換成LSTM細胞單元，使其具有長期記憶的能力。

2.1 LSTM 型循環神經網絡。LSTM的關鍵是細胞狀態（Cell State），它穿過整個隱藏網絡，LSTM通過門結構控制細胞狀態添加或者刪除信息，門結構是一種選擇性讓信息通過的方法，是為了保證LSTM 網絡能夠保存和獲取長時間周期的上下文信息，解決了普通RNN模型中的梯度消失問題。其步驟如下：

（1）通過遺忘門決定細胞狀態中的信息狀態。遺忘門通過觀察ht-1和xt，對細胞狀態ct-1中的每一個元素，輸出一個0～1之間的數，1表示“完全保留該信息”，0表示“完全丟棄該信息”。

ft=σ（Wfxt+Ufht-1+bf）?????? （1）

（2）通過輸入門確定需要更新的信息。

it ?= σ（Wi xt ?+ Ui ht-1 ?+ bi ）???? （2）c ～ t ?= tanh（Wc xt ?+ Uc ht -1 ?+ bc ）??? ?（3）

（3）更新細胞狀態。

ct=ft⊙ct-1+it⊙c ～ t?????????? （4）

（4）輸出門輸出。首先輸出選擇后細胞的輸出部分，然后將細胞狀態通過tanh后與輸出門相乘，得到想要的輸出結果。

ot ?= σ（wo xt ?+ Uo ht -1 ?+ bo ）??? ?（5）ht ?= ot ⊙tanh（ct ）??? ??（6）

其中，i、f、c、o分別代表輸入門、遺忘門、細胞狀態、輸出門，it表示輸入信號，xt表示在t時刻輸入層的數據，ht-1表示上一時刻輸出層的輸出，和b分別表示對應的權重系數矩陣和偏置量，c ～ t表示激活函數的信號，σ和tanh分別表示sigmoid和雙曲正切激活函數。

2.2 基于LSTM型網絡的氣象溫度預測

基于LSTM的氣象溫度預測模型主要包括5部分：輸入層、隱藏層、輸出層、網絡訓練和網絡預測。其主要步驟如下：

（1）輸入層將原始氣象數據進行初步處理，使其滿足網絡輸入的條件.

（2）輸入層的輸入后進入隱藏層，隱藏層的主要工作是網絡訓練，將處理好的輸入數據表示為X，將X輸入隱藏層，隱藏層包含M個按順序連接的同構LSTM細胞單元，X經隱藏層后的輸出與理論輸出進行比較，計算損失函數，以損失函數最小化為優化目標，設定學習率、訓練迭代次數等初始值，不斷更新網絡權重，確定最終隱藏層網絡。

（3）應用訓練好的網絡進行預測，理論輸出最后一行數據，則n+1時刻的預測值為pn+1，將pn+1與理論輸出的最后一行數據合并為一行新的數據，預測出n+2時刻的預測值，依次類推，求出得到所有預測值，經過輸出層的反標準化得到預測的實際值，計算得出模型出預測精度與誤差。

2.3數據獲取。本文采用某城市1986年1月1日至2015年12月31日共30年每天的氣象數據，數據內容為每天的氣溫均值，日照時間，大氣壓強，平均風速，降雨量。根據實際數據的取值范圍，按照表1的數據編碼標準，做標準化處理，將原始數據轉換為0、1矩陣，將轉換值作為位置坐標，將全0矩陣中相應位置的值改為1。將處理過后的矩陣使用append方法合并為一個矩陣，組成一個n行470列的數組，n為所有數據的條數。

3 仿真實驗

實驗所用計算機配置及環境如下：CPU： I;內存：8GB;Win7（64位）操作系統;使用python3語言，在PyCharm集成開發環境下完成實驗。輸入層節點數為5，輸入值為每天的氣溫均值，日照時間，氣壓，風速，降雨量。輸出層節點數為1，為氣象溫度。試驗中使用LSTM模型與RNN模型作對比試驗，兩個模型使用的訓練參數設置一樣，網絡基礎學習率設為1‰，最大迭代次數為40萬，隱藏單元為180個，批處理的數據為128。

按照提出的模型的步驟進行實驗，圖1為LSTM與RNN網絡模型預測的溫度值與實際值局部對比圖，從圖中可以看出LSTM比RNN網絡模型具有更高的擬合度。圖2為300天的溫度預測值與實際值的對比圖，從圖中可以看出，預測溫度值與實際溫度值具有相同的走勢，預測值具有較高的可信度。

RNN和LSTM模型隨著迭代次數的增加損失函數逐漸減小，預測精度不斷增大，到了迭代的后期，兩個網絡模型的損失函數值和精度出現上下波動，說明訓練已經達到飽和，LSTM網絡模型預測精度最終在80%～90%范圍內，最終值為87%，而RNN網絡模型的預測精度則在50%～60%范圍內，實驗的整體的誤差值在[-2.5，2.5]之間，具有較高的可信度和參考意義。總體來說，在氣象溫度預測中，LSTM網絡模型比RNN網絡模型具有更高的預測精度。

4 結束語

基于深度學習的認知機理，使用基于LSTM網絡模型的溫度預測模型，通過仿真實驗，證明模型具有較好的預測效果，300天左右的天氣預測溫度與實際溫度具有相同的走勢，預測精度約為87%。在以后的研究工作中將進一步嘗試對激活函數進行優化，增加隱藏層深度等方面進行嘗試，對模型進一步的優化。

參考文獻：

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