CnosDB是一款基于分布式架构的高性能时序数据库。TensorFlow则是目前在预测领域中非常受欢迎的深度学习框架之一。在这篇文章中,您将学习如何利用时间序列数据进行预测,特别是结合CnosDB和TensorFlow来进行预测。由于时间序列数据的自相关性,许多数据科学算法无法用于处理此类数据。因此,在使用时间序列数据进行机器学习时需要使用特定的方法,与其他领域的方法略有不同。
一、从三体运动到太阳黑子变化预测
1、前言
太阳黑子是太阳光球层上发生的太阳活动现象,通常成群出现。预测太阳黑子变化是空间气象研究中最活跃的领域之一。
太阳黑子观测持续时间很长。长时间的数据积累有利于挖掘太阳黑子变化的规律。长期观测显示,太阳黑子数及面积变化呈现出明显的周期 性,且周期呈现不规则性,大致范围在 9 ~ 13 a , 平均周期约为 11 a,太阳黑子数及面积变化的峰值不恒定。
最新数据显示,近些年来太阳黑子数和面积有明显的下降趋势。
鉴于太阳黑子活动强烈程度对地球有着深刻的影响,因此探测太阳黑子活动就显得尤为重要。基于物理学模型(如动力模型)和统计学模型(如自回归滑动平均)已被广泛应用于探测太阳黑子活动。为了更高效地捕捉太阳黑子时间序列中存在的非线性关系,机器学习方法被引入。
值得一提的是,机器学习中的神经网络更擅长挖掘数据中的非线性关系。
因此,本文将介绍如何使用时序数据库 CnosDB 存储太阳黑子变化数据,并进一步使用TensorFlow实现1DConv+LSTM 网络来预测太阳黑子数量变化。
2、太阳黑子变化观测数据集简介
本文使用的太阳黑子数据集是由SILSO 网站发布2.0版本(WDC-SILSO, Royal Observatory of Belgium, Brussels, http://sidc.be/silso/datafiles)。
我们主要分析和探索:1749至2023年,月均太阳黑子数(monthly mean sunspot number,MSSN)变化情况。
二、数据导入
将 MSSN 数据 csv 格式文件 SN_m_tot_V2.0.csv (https://www.sidc.be/silso/infosnmtot) 下载到本地。
以下是官方提供的 CSV 文件描述:
Filename: SN_m_tot_V2.0.csv
Format: Comma Separated values (adapted for import in spreadsheets)
The separator is the semicolon ';'.
Contents:
Column 1-2: Gregorian calendar date
- Year
- Month
Column 3: Date in fraction of year.
Column 4: Monthly mean total sunspot number.
Column 5: Monthly mean standard deviation of the input sunspot numbers.
Column 6: Number of observations used to compute the monthly mean total sunspot number.
Column 7: Definitive/provisional marker. '1' indicates that the value is definitive. '0' indicates that the value is still provisional.
我们使用 pandas 进行文件加载和预览:
import pandas as pd
df = pd.read_csv("SN_m_tot_V2.0.csv", sep=";", header=None)
df.columns = ["year", "month", "date_fraction", "mssn", "standard_deviation", "observations", "marker"]
# convert year and month to strings
df["year"] = df["year"].astype(str)
df["month"] = df["month"].astype(str)
# concatenate year and month
df["date"] = df["year"] + "-" + df["month"]
df.head()
import matplotlib.pyplot as plt
df["Date"] = pd.to_datetime(df["date"], format="%Y-%m")
plt.plot(df["Date"], df["mssn"])
plt.xlabel("Date")
plt.ylabel("MSSN")
plt.title("Sunspot Activity Over Time")
plt.show()
1、使用时序数据库 CnosDB 存储 MSSN 数据
CnosDB(An Open Source Distributed Time Series Database with high performance, high compression ratio and high usability.)。
- Official Website: http://www.cnosdb.com
- Github Repo: https://github.com/cnosdb/cnosdb
(注:本文假设你已具备 CnosDB 安装部署和基本使用能力,相关文档详见 https://docs.cnosdb.com/)。
在命令行中使用 Docker 启动 CnosDB 数据库服务,并进入容器使用 CnosDB CLI 工具直接访问 CnosDB:
(base) root@ecs-django-dev:~# docker run --restart=always --name cnosdb -d --env cpu=2 --env memory=4 -p 31007:31007 cnosdb/cnosdb:v2.0.2.1-beta
(base) root@ecs-django-dev:~# docker exec -it cnosdb sh sh
# cnosdb-cli
CnosDB CLI v2.0.0
Input arguments: Args { host: "0.0.0.0", port: 31007, user: "cnosdb", password: None, database: "public", target_partitions: None, data_path: None, file: [], rc: None, format: Table, quiet: false }
为了简化分析,我们只需存储数据集中观测时间和太阳黑子数。因此,我们将年(Col 0)和月(Col 1)拼接作为观测时间(date, 字符串类型),月均太阳黑子数(Col 3)可以不作处理直接存储。
我们可以在 CnosDB CLI 中使用 SQL 创建一张名为 sunspot 数据表,以用于存储 MSSN 数据集。
public ❯ CREATE TABLE sunspot (
date STRING,
mssn DOUBLE,
);
Query took 0.002 seconds.
public ❯ SHOW TABLES;
+---------+
| Table |
+---------+
| sunspot |
+---------+
Query took 0.001 seconds.
public ❯ SELECT * FROM sunspot;
+------+------+------+
| time | date | mssn |
+------+------+------+
+------+------+------+
Query took 0.002 seconds.
2、使用 CnosDB Python Connector 连接和读写 CnosDB 数据库
Github Repo: https://github.com/cnosdb/cnosdb-client-python。
# 安装 Python Connector
pip install -U cnos-connector
from cnosdb_connector import connect
conn = connect(url="http://127.0.0.1:31001/", user="root", password="")
cursor = conn.cursor()
如果不习惯使用 CnosDB CLI,我们也可以直接使用 Python Connector 创建数据表。
# 创建 tf_demo database
conn.create_database("tf_demo")
# 使用 tf_demo database
conn.switch_database("tf_demo")
print(conn.list_database())
cursor.execute("CREATE TABLE sunspot (date STRING, mssn DOUBLE,);")
print(conn.list_table())
输出如下,其中包括 CnosDB 默认的 Database。
[{'Database': 'tf_demo'}, {'Database': 'usage_schema'}, {'Database': 'public'}]
[{'Table': 'sunspot'}]
将之前 pandas 的 dataframe 写入 CnosDB。
### df 为pandas的dataframe,"sunspot"为CnosDB中的表名,['date', 'mssn']为需要写入的列的名字
### 如果写入的列不包含时间列,将会根据当前时间自动生成
conn.write_dataframe(df, "sunspot", ['date', 'mssn'])
三、读取数据
参考论文:程术, 石耀霖, 张怀. 基于神经网络预测太阳黑子变化 (2022)。
链接: http://journal.ucas.ac.cn/CN/10.7523/j.ucas.2021.0068
使用 CnosDB 读取数据
df = pd.read_sql("select * from sunspot;", conn)
print(df.head())
四、将数据集划分为训练集和测试集
import numpy as np
# Convert the data values to numpy for better and faster processing
time_index = np.array(df['date'])
data = np.array(df['mssn'])
# ratio to split the data
SPLIT_RATIO = 0.8
# Dividing into train-test split
split_index = int(SPLIT_RATIO * data.shape[0])
# Train-Test Split
train_data = data[:split_index]
train_time = time_index[:split_index]
test_data = data[split_index:]
test_time = time_index[split_index:]
使用滑动窗口法构造训练数据
import tensorflow as tf
## required parameters
WINDOW_SIZE = 60
BATCH_SIZE = 32
SHUFFLE_BUFFER = 1000
## function to create the input features
def ts_data_generator(data, window_size, batch_size, shuffle_buffer):
'''
Utility function for time series data generation in batches
'''
ts_data = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(data)
ts_data = ts_data.window(window_size + 1, shift=1, drop_remainder=True)
ts_data = ts_data.flat_map(lambda window: window.batch(window_size + 1))
ts_data = ts_data.shuffle(shuffle_buffer).map(lambda window: (window[:-1], window[-1]))
ts_data = ts_data.batch(batch_size).prefetch(1)
return ts_data# Expanding data into tensors
# Expanding data into tensors
tensor_train_data = tf.expand_dims(train_data, axis=-1)
tensor_test_data = tf.expand_dims(test_data, axis=-1)
## generate input and output features for training and testing set
tensor_train_dataset = ts_data_generator(tensor_train_data, WINDOW_SIZE, BATCH_SIZE, SHUFFLE_BUFFER)
tensor_test_dataset = ts_data_generator(tensor_test_data, WINDOW_SIZE, BATCH_SIZE, SHUFFLE_BUFFER)
五、定义 1DConv+LSTM 神经网络模型
model = tf.keras.models.Sequential([
tf.keras.layers.Conv1D(filters=128, kernel_size=3, strides=1, input_shape=[None, 1]),
tf.keras.layers.MaxPool1D(pool_size=2, strides=1),
tf.keras.layers.LSTM(128, return_sequences=True),
tf.keras.layers.LSTM(64, return_sequences=True),
tf.keras.layers.Dense(132, activatinotallow="relu"),
tf.keras.layers.Dense(1)])
## compile neural network model
optimizer = tf.keras.optimizers.Adam(learning_rate=1e-3)
model.compile(loss="mse",
optimizer=optimizer,
metrics=["mae"])
## training neural network model
history = model.fit(tensor_train_dataset, epochs=20, validation_data=tensor_test_dataset)
# summarize history for loss
plt.plot(history.history['loss'])
plt.plot(history.history['val_loss'])
plt.title('model loss')
plt.ylabel('loss')
plt.xlabel('epoch')
plt.legend(['train', 'test'], loc='upper left')
plt.show()
六、使用训练好的模型预测 MSSN
def model_forecast(model, data, window_size):
ds = tf.data.Dataset.from_tensor_slices(data)
ds = ds.window(window_size, shift=1, drop_remainder=True)
ds = ds.flat_map(lambda w: w.batch(window_size))
ds = ds.batch(32).prefetch(1)
forecast = model.predict(ds)
return forecast
rnn_forecast = model_forecast(model, data[..., np.newaxis], WINDOW_SIZE)
rnn_forecast = rnn_forecast[split_index - WINDOW_SIZE:-1, -1, 0]
# Overall Error
error = tf.keras.metrics.mean_absolute_error(test_data, rnn_forecast).numpy()
print(error)
101/101 [==============================] - 2s 18ms/step
24.676455
七、与真实值对比的可视化结果
plt.plot(test_data)
plt.plot(rnn_forecast)
plt.title('MSSN Forecast')
plt.ylabel('MSSN')
plt.xlabel('Month')
plt.legend(['Ground Truth', 'Predictions'], loc='upper right')
plt.show()
产品相关文档:
1. CnosDB快速上手指南: https://docs.cnosdb.com
2. CnosDB官网: https://www.cnosdb.com
3. CnosDB GitHub仓库:
https://github.com/cnosdb/cnosdb
参考文献:
程术, 石耀霖, 张怀. 基于神经网络预测太阳黑子变化(2022) http://journal.ucas.ac.cn/CN/10.7523/j.ucas.2021.0068
今天的分享就到这里,谢谢大家。