Python遗传算法GA对长短期记忆LSTM深度学习模型超参数调优分析司机数据

全文链接：https://tecdat.cn/?p=36004

原文出处：拓端数据部落公众号

随着大数据时代的来临，深度学习技术在各个领域中得到了广泛的应用。长短期记忆（LSTM）网络作为深度学习领域中的一种重要模型，因其对序列数据的强大处理能力，在自然语言处理、时间序列预测等领域中取得了显著的成果。然而，LSTM模型的性能在很大程度上取决于其超参数的设置。因此，如何有效地帮助客户对LSTM模型的超参数进行调优，以获取最佳性能，成为了当前研究的热点之一。

传统的超参数调优方法，如网格搜索、随机搜索等，虽然在一定程度上能够找到较优的超参数组合，但往往存在计算量大、搜索效率低等问题。遗传算法（Genetic Algorithm, GA）作为一种模拟生物进化过程的优化算法，通过选择、交叉、变异等操作，能够在全局范围内搜索最优解，因此在超参数调优领域具有广阔的应用前景。

本文旨在研究基于Python遗传算法的LSTM深度学习模型超参数调优方法，并将其应用于司机数据分析中。首先，我们将介绍遗传算法的基本原理及其在超参数调优中的应用；然后，我们将详细阐述基于Python的遗传算法实现过程，包括染色体编码、适应度函数设计、遗传操作等；接着，我们将利用司机数据构建LSTM模型，并使用遗传算法对模型的超参数进行调优；最后，我们将对优化前后的模型性能进行对比分析，以验证本文所提方法的有效性。

通过本研究，我们期望能够为LSTM深度学习模型的超参数调优提供一种高效、准确的方法，并为司机数据的分析和预测提供有力的技术支持。同时，我们也希望能够为相关领域的研究人员提供一定的参考和借鉴。

!pip install deap
!pip install bitstring
dataset = pd.read_csv("

在此步骤中，我们使用了最小-最大缩放器（min_max_scaler）对数据集进行了标准化处理。标准化是机器学习中常见的预处理步骤，旨在将特征缩放到相同的尺度上，以便模型能够更好地学习数据的内在结构。通过标准化，我们可以确保每个特征的值都落在相同的范围内（通常是0到1之间），这有助于模型收敛并减少过拟合的风险。

x_train_scaled = min_max_scaler.fit_transform(data)

array array_y=Y.to_numpy()

在此步骤中，我们将输出标签Y从pandas DataFrame转换为NumPy数组。NumPy是Python中用于处理大型多维数组和矩阵的数学库，它提供了大量的数学函数来操作这些数组。将DataFrame转换为NumPy数组可以提高计算效率，并使得后续的数据处理和模型训练更加方便。

我们定义了train_eauate函数，该函数负责将遗传算法（GA）的解码方案转换为整数形式的超参数，并基于这些超参数定义和训练LSTM网络模型。遗传算法是一种启发式搜索算法，它通过模拟自然选择和遗传学原理来寻找问题的最优解。在这里，我们将每个可能的LSTM模型配置编码为一个染色体（即GA的个体），并使用遗传算法来搜索最优的超参数组合。

函数首先解码GA的解，将其转换为整数形式的超参数，如LSTM层中的神经元数量、训练轮数（epochs）和批次大小（batch_size）。然后，基于这些解码后的超参数，我们定义了LSTM模型的架构。接下来，使用指定的超参数训练LSTM模型，并在训练完成后评估模型的性能。最后，函数返回模型的适应度得分，这里我们使用准确率（acc）作为性能指标，而不是均方根误差（RMSE），以符合修改要求。

# 将参数添加到染色体中，并定义LSTM网络模型
import math

def train_aluate(ga_indivdua_solution):   
# 将遗传算法的解码为整数，以获取num_neurons1、epochs和batch_size  

num_neron1_bits = BitArray(ga_indvidal_slution[0:9])
    num_neurons2_bits =

已经成功地从遗传算法中选择了最佳个体（即包含最优超参数配置的染色体）。接下来，您需要使用这些最佳超参数来训练LSTM模型，并评估其性能。由于您希望将评估指标从均方根误差（RMSE）更改为准确率（accuracy），我们需要对模型训练和评估的部分进行相应调整。

首先，我们需要根据best_idiiduals中的最佳超参数配置来定义LSTM模型。然后，我们将使用Adam优化器（其学习率等参数已根据遗传算法的结果设置）来训练模型。最后，我们将使用准确率作为评估指标来评估模型的性能。

best_individuals = tools.slBst(population,k = 1)

  #使用从遗传法获得的最佳个体训练模型  
optimizer=optimizes.Adam(lr=0.00550772595, beta_1=0.9, beta_2=0.

#rmse = history.history['rmse']
#minrmse = min(rmse)    
#print('RMSE:',minrmse)

创建了一个Adam优化器的实例，并将其赋值给变量optimizer。Adam是一种常用的优化算法，用于深度学习模型的参数更新。这里设置了Adam优化器的三个主要参数：

• lr=0.005676850879255：学习率（learning rate），它决定了模型参数在每次更新时的步长大小。
• beta_1=0.9：一阶矩估计的指数衰减率。
• beta_2=0.：二阶矩估计的指数衰减率。这里设置为0可能是一个错误，通常beta_2的值会接近于1（如0.999）。

我们打印出了模型的训练集和测试集的准确率，通过print函数将训练集准确率（train_acc）和测试集准确率（test_acc）以四位小数的形式输出，便于观察和分析。

print('Train: %.4f, Test: %.4f' % (train_acc, test_acc))

我们绘制了模型的准确率曲线图，通过plt.plot函数将训练集和测试集的准确率绘制在同一张图上，并使用plt.legend函数添加图例以区分两者。从图中可以清晰地看出模型在训练集和测试集上的性能表现，以及随着训练的进行，准确率的变化情况。

plt.legend(['train', 'test'], loc='upper left') plt.title("Accuracy") plt.show()

我们还对模型的损失函数进行了可视化。通过提取history.history['loss']中的数据，我们绘制了损失函数的变化曲线。该曲线反映了模型在训练过程中损失值的下降趋势，有助于我们了解模型的收敛情况。

plt.plot(history.history['loss'])

为了进一步评估模型的性能，我们还计算了微平均ROC曲线和ROC面积。通过调用roc_curve和auc函数，我们得到了微平均ROC曲线的假正率（fpr["micro"]）和真正率（tpr["micro"]），以及相应的ROC面积（roc_auc["micro"]）。这些指标能够全面反映模型在不同类别上的分类性能，为模型的优化提供了重要的参考依据。

fpr["micro"], tpr["micro"], _ = roc_curve(y_test.ravel(), y_pred.ravel()) roc_auc["micro"] = auc(fpr["micro"], tpr["micro"])

最后，我们绘制了ROC曲线图，并通过plt.legend和plt.show函数对图例和图形进行了显示。从图中可以看出，模型的ROC曲线较为接近左上角，表明模型具有较好的分类性能。同时，通过计算得到的ROC面积也进一步验证了模型的优良性能。

plt.legend(loc="lower right") plt.show()

版本信息：

!python -c 'import tensorflow; print(tensorflow.__version__)'