• 多变量时间序列生成模型GAN介绍与实现



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    1. 模型介绍

    在大数据时代,生成逼真的时间序列数据对于负载平衡、负载预测和智能资源配置等方面至关重要。多变量时间序列数据生成模型基于生成对抗网络(GAN)的能力,能够在不泄露真实数据隐私的前提下生成相似的合成数据。本文介绍了一种用于生成多变量时间序列数据的GAN模型。

    2. 问题提出

    云和边缘计算领域的监控数据通常是商业机密或受到数据法规(如GDPR)的保护,获取真实数据用于研究和开发变得非常困难。为了应对这一挑战,研究人员使用合成数据来填补数据空缺。在这种背景下,多变量时间序列生成模型通过GAN的使用,为生成任意数量的时间序列工作负载数据提供了一种新方法。其目标是学习真实生产工作负载的概率分布,并生成统计上相似的时间序列数据。

    3. 模型具体实现

    3.1 数据预处理

    • 数据格式化:将原始数据转换为所需格式。
    • 样本过滤:过滤掉不完整的样本。
    • 特征缩放:将特征缩放到定义范围内,通常为[0, 1]。
    • 数据标准化:将样本适应到[0, 1]的范围内,加速梯度下降过程。

    3.2 生成对抗网络(GAN)结构

    GAN由两个人工神经网络组成:判别器(Discriminator)和生成器(Generator),通过最小最大博弈进行训练。

    • 判别器(Discriminator, D)
      • 两层LSTM单元构成,最后一层为单个LSTM单元输出层,用于最终分类。
      • 输入形状为 n × m n \times m n×m n n n为时间步数, m m m为特征数)。

    y = D ( h output ) y = D(h_{\text{output}}) y=D(houtput)
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    • 生成器(Generator, G)
      • 两层递归层,用高斯噪声初始化,最后连接一个全连接输出层。
      • 每个时间步对应一个输出单元。

    h ^ S = g S ( z S ) , h ^ t = g X ( h ^ S , h ^ t − 1 , z t ) \hat{h}_S = g_S(z_S), \quad \hat{h}_t = g_X(\hat{h}_S, \hat{h}_{t-1}, z_t) h^S=gS(zS),h^t=gX(h^S,h^t1,zt)
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    • GAN目标
      • 判别器目标:区分真实和合成数据。
      • 生成器目标:生成判别器无法区分的合成数据。

    3.3 模式崩溃解决

    • 为不同分布的序列训练独立的GANs,避免模式崩溃。
    • 使用自动化容器化工作流提高可重复性和可扩展性。

    3.4 合成数据验证

    • 描述性统计:均值和标准差用于评估数据的分布和趋势。
    • 时间序列分析:计算时间序列的相关性和协整性。

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    4. 代码实现

    import torch
    import torch.nn as nn
    import torch.optim as optim
    from torch.utils.data import DataLoader, TensorDataset
    
    # 定义生成器网络
    class Generator(nn.Module):
        def __init__(self, input_dim, hidden_dim, output_dim):
            super(Generator, self).__init__()
            self.lstm = nn.LSTM(input_dim, hidden_dim, num_layers=2, batch_first=True)
            self.fc = nn.Linear(hidden_dim, output_dim)
    
        def forward(self, x):
            # 确保 x 是三维的
            if x.dim() == 2:
                x = x.unsqueeze(1)  # 添加时间维度
            batch_size = x.size(0)
            h_0 = torch.zeros(2, batch_size, hidden_dim).to(x.device)
            c_0 = torch.zeros(2, batch_size, hidden_dim).to(x.device)
            out, _ = self.lstm(x, (h_0, c_0))
            out = self.fc(out[:, -1, :])  # 使用最后一个时间步的输出
            return out
    
    # 定义判别器网络
    class Discriminator(nn.Module):
        def __init__(self, input_dim, hidden_dim):
            super(Discriminator, self).__init__()
            self.lstm = nn.LSTM(input_dim, hidden_dim, num_layers=2, batch_first=True)
            self.fc = nn.Linear(hidden_dim, 1)
            self.sigmoid = nn.Sigmoid()
    
        def forward(self, x):
            # 确保 x 是三维的
            if x.dim() == 2:
                x = x.unsqueeze(1)  # 添加时间维度
            batch_size = x.size(0)
            h_0 = torch.zeros(2, batch_size, hidden_dim).to(x.device)
            c_0 = torch.zeros(2, batch_size, hidden_dim).to(x.device)
            out, _ = self.lstm(x, (h_0, c_0))
            out = self.fc(out[:, -1, :])  # 使用最后一个时间步的输出
            out = self.sigmoid(out)
            return out
    
    # 超参数设置
    input_dim = 100  # 输入维度
    hidden_dim = 64  # 隐藏层维度
    output_dim = 100  # 输出维度
    batch_size = 32
    num_epochs = 1000
    learning_rate = 0.0002
    
    # 初始化生成器和判别器
    generator = Generator(input_dim, hidden_dim, output_dim)
    discriminator = Discriminator(output_dim, hidden_dim)
    
    # 优化器
    g_optimizer = optim.Adam(generator.parameters(), lr=learning_rate)
    d_optimizer = optim.Adam(discriminator.parameters(), lr=learning_rate)
    
    # 损失函数
    criterion = nn.BCELoss()
    
    # 加载数据(使用随机数据进行示例)
    real_data = torch.randn(1000, input_dim).unsqueeze(1)  # 确保输入是三维的
    dataloader = DataLoader(real_data, batch_size=batch_size, shuffle=True)
    
    # 训练GAN模型
    for epoch in range(num_epochs):
        for real_samples in dataloader:
            # 训练判别器
            real_samples = real_samples.float()
            batch_size = real_samples.size(0)
            real_labels = torch.ones(batch_size, 1)
            fake_labels = torch.zeros(batch_size, 1)
    
            # 生成假的样本
            noise = torch.randn(batch_size, input_dim).unsqueeze(1)  # 确保噪声是三维的
            fake_samples = generator(noise)
    
            # 计算判别器损失
            d_real_loss = criterion(discriminator(real_samples), real_labels)
            d_fake_loss = criterion(discriminator(fake_samples.detach()), fake_labels)
            d_loss = d_real_loss + d_fake_loss
    
            d_optimizer.zero_grad()
            d_loss.backward()
            d_optimizer.step()
    
            # 训练生成器
            noise = torch.randn(batch_size, input_dim).unsqueeze(1)  # 确保噪声是三维的
            fake_samples = generator(noise)
            g_loss = criterion(discriminator(fake_samples), real_labels)
    
            g_optimizer.zero_grad()
            g_loss.backward()
            g_optimizer.step()
    
        # 打印损失
        if (epoch + 1) % 100 == 0:
            print(f'Epoch [{epoch + 1}/{num_epochs}], d_loss: {d_loss.item():.4f}, g_loss: {g_loss.item():.4f}')
    
    

    参考文献

    [1] Leznik, M., Michalsky, P., Willis, P., Schanzel, B., Östberg, P., & Domaschka, J. (2021). Multivariate Time Series Synthesis Using Generative Adversarial Networks. In Proceedings of the 2021 ACM/SPEC International Conference on Performance Engineering (ICPE ’21), April 19–23, 2021, Virtual Event, France. ACM, New York, NY, USA, 8 pages. https://doi.org/10.1145/3427921.3450257
    
    [2] Goodfellow, I., Pouget-Abadie, J., Mirza, M., Xu, B., Warde-Farley, D., Ozair, S., ... & Bengio, Y. (2014). Generative adversarial nets. Advances in neural information processing systems, 27.
    
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  • 原文地址:https://blog.csdn.net/m0_59257547/article/details/141004025