进行交通流预测,使用KAN+Transformer模型
理论基础
KAN(Knowledge Augmented Network)
KAN 是一种知识增强网络,其核心思想是将先验知识融入到神经网络中,以此提升模型的性能与泛化能力。在交通流预测领域,先验知识可以是交通规则、历史交通模式等。通过把这些知识编码到网络里,模型能够更好地理解交通数据的内在规律。
Transformer
Transformer 是一种基于注意力机制的深度学习模型,在自然语言处理领域取得了巨大成功。在交通流预测中,Transformer 可以捕捉交通数据在时间和空间上的依赖关系。其注意力机制能够让模型聚焦于不同时间步和不同路段的重要信息,进而提升预测的准确性。
项目实战
数据准备
假设你已经有了交通流数据,数据格式为一个三维张量,形状为 (样本数, 时间步, 路段数)
。
代码实现
import torch
import torch.nn as nn
import torch.nn.functional as F
# 定义 Transformer 层
class TransformerLayer(nn.Module):
def __init__(self, d_model, nhead, dim_feedforward=2048, dropout=0.1):
super(TransformerLayer, self).__init__()
self.self_attn = nn.MultiheadAttention(d_model, nhead, dropout=dropout)
self.linear1 = nn.Linear(d_model, dim_feedforward)
self.dropout = nn.Dropout(dropout)
self.linear2 = nn.Linear(dim_feedforward, d_model)
self.norm1 = nn.LayerNorm(d_model)
self.norm2 = nn.LayerNorm(d_model)
self.dropout1 = nn.Dropout(dropout)
self.dropout2 = nn.Dropout(dropout)
def forward(self, src):
src2 = self.self_attn(src, src, src)[0]
src = src + self.dropout1(src2)
src = self.norm1(src)
src2 = self.linear2(self.dropout(F.relu(self.linear1(src))))
src = src + self.dropout2(src2)
src = self.norm2(src)
return src
# 定义 KAN+Transformer 模型
class KANTransformer(nn.Module):
def __init__(self, input_dim, d_model, nhead, num_layers, output_dim):
super(KANTransformer, self).__init__()
self.embedding = nn.Linear(input_dim, d_model)
self.transformer_layers = nn.ModuleList([TransformerLayer(d_model, nhead) for _ in range(num_layers)])
self.fc = nn.Linear(d_model, output_dim)
def forward(self, x):
x = self.embedding(x)
for layer in self.transformer_layers:
x = layer(x)
x = self.fc(x)
return x
# 训练模型
def train_model(model, train_loader, criterion, optimizer, epochs):
model.train()
for epoch in range(epochs):
total_loss = 0
for inputs, targets in train_loader:
optimizer.zero_grad()
outputs = model(inputs)
loss = criterion(outputs, targets)
loss.backward()
optimizer.step()
total_loss += loss.item()
print(f'Epoch {epoch + 1}/{epochs}, Loss: {total_loss / len(train_loader)}')
# 示例使用
if __name__ == "__main__":
# 超参数设置
input_dim = 10 # 输入特征维度
d_model = 128
nhead = 8
num_layers = 2
output_dim = 1 # 输出维度
epochs = 10
lr = 0.001
# 初始化模型
model = KANTransformer(input_dim, d_model, nhead, num_layers, output_dim)
# 定义损失函数和优化器
criterion = nn.MSELoss()
optimizer = torch.optim.Adam(model.parameters(), lr=lr)
# 模拟训练数据
train_data = torch.randn(100, 24, input_dim) # 100 个样本,每个样本 24 个时间步
train_targets = torch.randn(100, 24, output_dim)
train_dataset = torch.utils.data.TensorDataset(train_data, train_targets)
train_loader = torch.utils.data.DataLoader(train_dataset, batch_size=16, shuffle=True)
# 训练模型
train_model(model, train_loader, criterion, optimizer, epochs)
代码解释
- TransformerLayer 类:定义了一个 Transformer 层,包含多头注意力机制和前馈神经网络。
- KANTransformer 类:结合了嵌入层、多个 Transformer 层和全连接层,用于交通流预测。
- train_model 函数:用于训练模型,计算损失并更新模型参数。
- 主程序:设置超参数,初始化模型,定义损失函数和优化器,模拟训练数据并训练模型。
总结
通过将 KAN 的知识增强能力和 Transformer 的注意力机制相结合,这个模型可以更好地捕捉交通数据的时空特征,从而提高交通流预测的准确性。你可以根据实际情况调整超参数和数据,以获得更好的性能。