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深度学习处理时间序列（6）

news 2025/7/13 14:44:44

RNN的高级用法

循环dropout（recurrent dropout）：这是dropout的一种变体，用于在循环层中降低过拟合。

循环层堆叠（stacking recurrent layers）：这会提高模型的表示能力（代价是更大的计算量）。

双向循环层（bidirectional recurrent layer）：它会将相同的信息以不同的方式呈现给RNN，可以提高精度并缓解遗忘问题。

我们将使用这3种方法来完善温度预测RNN.

利用循环dropout降低过拟合

我们回头来看基于LSTM的模型，它是第一个能够超越常识基准的模型。观察这个模型的训练曲线和验证曲线（图10-5），可以明显看出，尽管模型只有很少的单元，但很快就出现过拟合，训练损失和验证损失在几轮过后就开始明显偏离。你已经熟悉了降低过拟合的经典方法—dropout，即让某一层的输入单元随机为0，其目的是破坏该层训练数据中的偶然相关性。但如何在RNN中正确使用dropout，并不是一个简单的问题。人们早就知道，在循环层之前使用dropout会妨碍学习过程，而不会有助于正则化。2016年，Yarin Gal在他关于贝叶斯深度学习的博士论文中，确定了在RNN中使用dropout的正确方式：在每个时间步都应该使用相同的dropout掩码（相同模式的舍弃单元），而不是在不同的时间步使用随机变化的dropout掩码。此外，为了对GRU和LSTM等层的循环门得到的表示做正则化，还应该对该层的内部循环激活应用一个不随时间变化的dropout掩码（循环dropout掩码）。在每个时间步使用相同的dropout掩码，可以让神经网络沿着时间传播其学习误差，而随时间随机变化的dropout掩码则会破坏这个误差信号，不利于学习过程。

Keras中的每个循环层都有两个与dropout相关的参数：一个是dropout，它是一个浮点数，指定该层输入单元的dropout比率；另一个是recurrent_dropout，指定循环单元的dropout比率。对于第一个LSTM示例，我们向LSTM层中添加循环dropout，看一下它对过拟合的影响，如代码清单10-22所示。由于使用了dropout，我们不需要过分依赖网络尺寸来进行正则化，因此我们将使用具有两倍单元个数的LSTM层，希望它的表示能力更强（如果不使用dropout，这个网络会马上开始过拟合，你可以试试看）。由于使用dropout正则化的网络总是需要更长时间才能完全收敛，因此我们将模型训练轮数设为原来的5倍。

代码清单10-22　训练并评估一个使用dropout正则化的LSTM模型

inputs = keras.Input(shape=(sequence_length, raw_data.shape[-1]))
x = layers.LSTM(32, recurrent_dropout=0.25)(inputs)
x = layers.Dropout(0.5)(x)  ←----这里在LSTM层之后还添加了一个Dropout层，对Dense层进行正则化
outputs = layers.Dense(1)(x)
model = keras.Model(inputs, outputs)

callbacks = [
    keras.callbacks.ModelCheckpoint("jena_lstm_dropout.keras",
                                    save_best_only=True)
]
model.compile(optimizer="rmsprop", loss="mse", metrics=["mae"])
history = model.fit(train_dataset,
                    epochs=50,
                    validation_data=val_dataset,
                    callbacks=callbacks)

模型结果如图10-11所示。成功！模型在前20轮中不再过拟合。验证MAE低至2.27摄氏度（比不使用机器学习的基准改进了7%），测试MAE为2.45摄氏度（比基准改进了6.5%），还不错

在这里插入图片描述

RNN的运行时性能

对于参数很少的循环模型（比如本章中的模型），在多核CPU上的运行速度往往比GPU上快很多，因为这种模型只涉及小矩阵乘法，而且由于存在for循环，因此乘法链无法很好地并行化。但较大的RNN则可以显著地受益于GPU运行时。使用默认关键字参数在GPU上运行Keras LSTM层或GRU层时，该层将利用cuDNN内核。这是由NVIDIA提供的低阶底层算法实现，它经过高度优化。cuDNN内核有利有弊：速度快，但不够灵活。如果你想做一些默认内核不支持的操作，将会遭受严重的降速，这或多或少会迫使你坚持使用NVIDIA提供的操作。例如，LSTM和GRU的cuDNN内核不支持循环dropout，因此在层中添加循环dropout，会使运行时变为普通TensorFlow实现，这在GPU上的速度通常是原来的1/5～1/2（尽管计算成本相同）。如果无法使用cuDNN，有一种方法可以加快RNN层的运行速度，那就是将RNN层展开（unroll）。展开for循环是指去掉循环，将循环中的内容重复相应次。对于RNN的for循环，展开有助于TensorFlow对底层计算图进行优化。然而，这样做也会大大增加RNN的内存消耗，因此，它只适用于相对较小的序列（大约100个时间步或更少）。另外请注意，只有当模型事先知道数据中的时间步数时（也就是说，向初始Input()传入的shape不包含None），才能使用这种方法。它的工作原理如下。

inputs = keras.Input(shape=(sequence_length, num_features))  ←---- sequence_length不能是None
x = layers.LSTM(32, recurrent_dropout=0.2, unroll=True)(inputs)  ←----传入unroll=True将该层展开

循环层堆叠

模型不再过拟合，但似乎遇到了性能瓶颈，所以我们应该考虑增加神经网络的容量和表示能力。回想一下机器学习的通用工作流程，增大模型容量通常是好的做法，直到过拟合成为主要障碍（假设你已经采取了基本措施来降低过拟合，比如使用dropout）。只要过拟合不是太严重，那么模型就很可能容量不足。增加网络容量的通常做法是增加每层单元个数或添加更多的层。循环层堆叠是构建更加强大的循环网络的经典方法，比如，不久之前谷歌翻译算法就是7个大型LSTM层的堆叠—这个模型很大。在Keras中堆叠循环层，所有中间层都应该返回完整的输出序列（一个3阶张量），而不是只返回最后一个时间步的输出。前面说过，这可以通过指定return_sequences=True来实现。在下面这个示例中，我们尝试堆叠两个使用dropout正则化的循环层，如代码清单10-23所示。不同的是，我们将使用门控循环单元（gated recurrent unit，GRU）层代替LSTM层。GRU与LSTM非常类似，你可以将其看作LSTM架构的精简版本。它由Kyunghyun Cho等人于2014年提出，当时RNN刚刚开始在不大的研究群体中重新引起人们的兴趣。

代码清单10-23　训练并评估一个使用dropout正则化的堆叠GRU模型

inputs = keras.Input(shape=(sequence_length, raw_data.shape[-1]))
x = layers.GRU(32, recurrent_dropout=0.5, return_sequences=True)(inputs)
x = layers.GRU(32, recurrent_dropout=0.5)(x)
x = layers.Dropout(0.5)(x)
outputs = layers.Dense(1)(x)
model = keras.Model(inputs, outputs)

callbacks = [
    keras.callbacks.ModelCheckpoint("jena_stacked_gru_dropout.keras",
                                    save_best_only=True)
]
model.compile(optimizer="rmsprop", loss="mse", metrics=["mae"])
history = model.fit(train_dataset,
                    epochs=50,
                    validation_data=val_dataset,
                    callbacks=callbacks)
model = keras.models.load_model("jena_stacked_gru_dropout.keras")
print(f"Test MAE: {model.evaluate(test_dataset)[1]:.2f}")