毕业论文——基于xxLSTM模型的移动对象位置预测
- 2020 年 3 月 3 日
- 筆記
本文简要概述一下我的毕业论文思路，完整可执行代码大概在5月左右开源在Github，主要是为了证明学术诚信，而且太早开源不好，等我快要答辩了再开源
我在一年前写过一篇论文——基于灰色Markov模型的移动对象位置预测研究
当时论文的侧重点主要是研究如何弥补Markov无法揭示整体数据的规律，所以使用了一个简单的回归模型。先用这个回归模型揭示数据的整体规律，然后用Markov对预测结果进行修正，因为Markov能挖掘出相邻时刻数据之间的关系
这次毕业论文本来是打算研究关于NLP的相关内容。但是和指导老师商量了下，他还是推荐我继续完善移动位置预测的问题，所以就继续做这个了
这次论文的大体思路还是不变，依旧采用回归+Markov，只不过把之前比较low的回归模型换成循环神经网络RNN的变种——LSTM
RNN存在的问题是不好训练，很容易产生梯度爆炸或者梯度弥散，具体原因我写在了这篇博客
而LSTM由于其内部独特的结构：遗忘门、输入门、输出门可以很好的避免训练困难的问题，而且由于有这些特殊门的存在，还可以很好的控制记住历史数据的能力。所以我的回归模型就选用的LSTM
我使用的数据集是微软开放的GeoLife，里面包含的字段有lat、lng、zero、alt、days、date、time，每个字段之间的值用逗号分隔，如下图所示
真正有用的只有lat和lng这两列的数据
由于Markov无法对二维数据进行操作，所以我将经度和纬度分开进行预测，然后分别用Markov修正
具体细节
细节实在是太多了，想到哪写到哪
首先，LSTM需要设定一个窗口大小step，即每次送入几个数据，预测下一个数据。例如我现在有序列[1,2,3,4,5,6]，设定窗口大小为3，那么整个输入数据就变为[[1,2,3],[2,3,4],[3,4,5],[4,5,6]]，而且他们的输出分别需要接近y=[4,5,6]。使用的Loss Function是MSELoss
第一个问题就来了，窗口大小应该设为多少，按照很多论文里面所讲的，一般设置为2-6。我先试了一下2，出现了滞后的问题，即预测值比真实值从图上来看有些滞后。假设$t$时刻真实值是最大值，但是预测值在$t+1$时刻才是最大值，这就是滞后。具体情况见下图
然后我试了一下6，效果也不好，具体来说就是太平滑，似乎是因为窗口大小太大，导致预测出来的数据时效性变差了，被不相干的数据"平均"了。具体情况见下图
总结一下就是，窗口太小，会导致预测值比真实值滞后；窗口太大，网络很难学到细节。这个问题首先应该设定一个比较合适的窗口大小，但是你会发现还会出现一点滞后的问题。具体解决方案现在还不能说
其次，从数据上也能看出，基本上是相隔5秒采集一次经纬度点。5秒，一个人根本移动不了多远，所以也就导致经度和纬度整体变化并不大，最多也只是$10^{-5}$量级的大小。如果不处理一下直接让网络训练，Loss很难降下来，效果会很差
解决方法很简单，将数据做一个标准化即可，这样所有的值都能压缩到[0,1]区间内，放大了所有数据间的变化，避免模型不收敛的问题
最后一个细节，LSTM后面肯定要跟一个Fully Connected Layer，主要是做数据的维度变换，我们只需要一个输出值。那么问题来了，FC层到底应该怎么设置？几层隐藏层比较好？中间要不要Dropout？激活函数选什么？答案是，一层即可。经过我多次实验，我发现全连接层像一个"猪队友"，层数越多问题越大，会导致LSTM的训练功亏一篑。本来LSTM已经把握好了整体数据的规律，最后一个全连接层就行了，你非要设置好几层的全连接层，给人一种本末倒置的感觉，到底是LSTM学到的规律重要，还是最后全连接层胡乱训练重要？
一些技巧
在LSTM中我设置了Dropout=0.1，主要是为了防止在训练集上过拟合，毕竟LSTM还是很强大的
Linear层我使用何凯明初始化方法，初始化了其中的所有weight，主要是希望能够训练的更快，以及避免随机初始化的一些问题
Epoch=1000，数据标准化之后，再加上前面的技巧，Loss降得很快，为了避免过拟合，所以Epoch设的比较小
使用了Learning Rate Decay，初始Learning Rate设为lr=1.2e-2，每隔50个epoch，乘以gamma=0.9。主要还是上面的原因，Loss降的很快，所以lr也应该慢慢变小，避免Loss出现大幅抖动。最后训练的Loss如下图
最终训练&测试的结果如下图
展望
其实我还有很多想法，但是由于5月就要答辩了，没有那么多时间一个一个做实验。我分享几个
- 利用CNN来做时间序列预测。把整个序列画在图上，把这张图作为输入，进行训练，训练出一个相似的图出来，这样也可以达到预测的效果。不过我想了一下，由于CNN具有平移不变性，可能"滞后"的问题会更加严重，不过如果卷积核的SIze设为1应该会好一些
- 利用EMD将时间序列进行分解，然后对分解的所有序列进行预测，再将这些序列进行叠加
- 修改Loss，使用MSELoss和KLDivLoss(KLDivergence)组合的Loss。MSELoss计算两个值之间的接近程度，KLDivergence计算两个曲线分布的接近程度
