周昌堉 李長(zhǎng)云
收稿日期:2023-12-19
DOI:10.19850/j.cnki.2096-4706.2024.05.022
摘? 要:探究房?jī)r(jià)趨勢(shì)是一個(gè)高度復(fù)雜且充滿非線性特征的研究難題。針對(duì)目前二手房?jī)r(jià)預(yù)測(cè)精度低的問題,文章提出了基于PSO-LSTM的區(qū)域二手房?jī)r(jià)預(yù)測(cè)方法。粒子群算法通過對(duì)LSTM模型進(jìn)行優(yōu)化,找到最優(yōu)的參數(shù)組帶入PSO-LSTM模型中,進(jìn)而得到更符合實(shí)際情況的預(yù)測(cè)結(jié)果。文章通過湖南省株洲市天元區(qū)的二手房?jī)r(jià)時(shí)間序列數(shù)據(jù)集對(duì)PSO-LSTM模型進(jìn)行訓(xùn)練,并與LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進(jìn)行了對(duì)照分析。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,PSO-LSTM模型對(duì)于區(qū)域二手房?jī)r(jià)的預(yù)測(cè)精度更優(yōu)。
關(guān)鍵詞:區(qū)域二手房?jī)r(jià)預(yù)測(cè);時(shí)間序列;PSO-LSTM模型;LSTM
中圖分類號(hào):TP18? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A? ? 文章編號(hào):2096-4706(2024)05-0102-05
Research on Regional Second-hand Housing Price Prediction Method Based on PSO-LSTM
ZHOU Changyu, LI Changyun
(Hunan University of Technology, Zhuzhou? 412007, China)
Abstract: Exploring the trend of housing prices is a highly complex and full of nonlinear features research challenge. Aiming at the current problem of low accuracy of second-hand housing price prediction, this paper proposes a regional second-hand housing price prediction method based on PSO-LSTM. The Particle Swarm Optimization optimizes the LSTM model to find the optimal parameter group and incorporate it into the PSO-LSTM model, and then get the prediction results that are more in line with the actual situation. In this paper, the PSO-LSTM model is trained by the time series dataset of second-hand housing price in Tianyuan District, Zhuzhou City, Hunan Province, and the PSO-LSTM model is analyzed against the LSTM neural network model. The experimental results show that the PSO-LSTM model has better prediction accuracy for regional second-hand housing prices.
Keywords: regional second-hand housing price prediction; time series; PSO-LSTM model; LSTM
0? 引? 言
在當(dāng)今數(shù)字化時(shí)代,房地產(chǎn)市場(chǎng)一直以來都是全球經(jīng)濟(jì)的一個(gè)關(guān)鍵組成部分。二手房?jī)r(jià)的波動(dòng)不僅影響著個(gè)人和家庭的財(cái)務(wù)狀況,還對(duì)全球金融市場(chǎng)和城市規(guī)劃產(chǎn)生深刻的影響。對(duì)于政府、投資者、開發(fā)商和一般居民而言,準(zhǔn)確預(yù)測(cè)二手房?jī)r(jià)變得愈加重要。二手房?jī)r(jià)的準(zhǔn)確預(yù)測(cè)有助于投資者做出明智的決策,賣家可以更好地定價(jià)房產(chǎn),政府能夠更好地規(guī)劃城市發(fā)展,金融機(jī)構(gòu)則可以更有效地管理風(fēng)險(xiǎn)。然而,房?jī)r(jià)波動(dòng)受到眾多復(fù)雜因素的影響,這使得預(yù)測(cè)二手房?jī)r(jià)變得復(fù)雜而具有挑戰(zhàn)性。
對(duì)于預(yù)測(cè)模型,早期的學(xué)者多采用的自回歸模型來進(jìn)行預(yù)測(cè),如AR、ARMA、ARIMA[1]等,但因二手房?jī)r(jià)影響因素復(fù)雜,波動(dòng)也比較大,故預(yù)測(cè)的模型不能很好地將二手房?jī)r(jià)的趨勢(shì)反映出來。而隨著互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代的發(fā)展,科學(xué)的預(yù)測(cè)方法也越來越多樣化。目前,常用的預(yù)測(cè)方法多是時(shí)間序列預(yù)測(cè)方法。其通過時(shí)間將數(shù)據(jù)進(jìn)行排序,再通過數(shù)據(jù)之間的變化關(guān)系進(jìn)行自主學(xué)習(xí)。其中長(zhǎng)短時(shí)記憶模型[2](Long Short-Term Memory, LSTM)在時(shí)間序列數(shù)據(jù)分析中嶄露頭角,已經(jīng)廣泛應(yīng)用于眾多領(lǐng)域。蔡兆暉[3]等引入LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),對(duì)大宗商品時(shí)序數(shù)列進(jìn)行自適應(yīng)最優(yōu)項(xiàng)數(shù)分解,顯著改善了大宗商品價(jià)格預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。許鈺林[4]等采用深度LSTM模型,對(duì)玉米和大豆期貨價(jià)格進(jìn)行預(yù)測(cè),提升了單個(gè)農(nóng)產(chǎn)品期貨模型的預(yù)測(cè)性能,為農(nóng)產(chǎn)品領(lǐng)域提供了高精度的預(yù)測(cè)模型。程先龍[5]等使用LSTM組合模型對(duì)我國西南某風(fēng)電場(chǎng)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)測(cè),有效提高了風(fēng)電功率預(yù)測(cè)精度。方雪清[6]等使用LSTM的短期組合預(yù)測(cè)模型,對(duì)廣州市江南農(nóng)副產(chǎn)品市場(chǎng)的富士蘋果日價(jià)格進(jìn)行分析預(yù)測(cè),證明了LSTM的短期組合預(yù)測(cè)模型對(duì)農(nóng)產(chǎn)品價(jià)格的短期預(yù)測(cè)具有一定的優(yōu)勢(shì)。高華睿[7]等通過LSTM的組合模型,對(duì)高速公路的交通流進(jìn)行短時(shí)預(yù)測(cè),模型的精度和泛化能力高,為高速公路短時(shí)交通流預(yù)測(cè)提供一種新的參考思路。上述表明LSTM[8]神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在時(shí)間序列數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)的優(yōu)越能力,能夠有效捕捉時(shí)間序列中的依賴關(guān)系,并且能夠很好地處理傳統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)模型的梯度爆炸等問題。但是參數(shù)的選擇對(duì)LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型具有很大的影響,參數(shù)取值不當(dāng)會(huì)導(dǎo)致模型欠擬合或者過度擬合,進(jìn)而導(dǎo)致預(yù)測(cè)精度的不準(zhǔn)確。
本文針對(duì)上述問題,提出了基于PSO-LSTM的區(qū)域二手房?jī)r(jià)預(yù)測(cè)方法。通過獲取湖南省株洲市某區(qū)2015年4月至2022年12月售房網(wǎng)站的二手房?jī)r(jià)數(shù)據(jù),對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,構(gòu)建LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,通過粒子群算法[9]對(duì)LSTM模型的參數(shù)進(jìn)行全局搜索最優(yōu)和優(yōu)化,以實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)精度的提高。運(yùn)用該模型進(jìn)行區(qū)域二手房?jī)r(jià)的預(yù)測(cè),并與LSTM模型進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估指標(biāo)的比對(duì)分析,進(jìn)而獲得預(yù)測(cè)區(qū)域二手房?jī)r(jià)的優(yōu)化模型。
1? 研究方法
1.1? LSTM原理
LSTM是對(duì)RNN的改進(jìn),成功應(yīng)對(duì)了梯度消失和梯度爆炸問題,尤其在時(shí)間序列數(shù)據(jù)處理中具有顯著優(yōu)勢(shì),圖1為L(zhǎng)STM模型結(jié)構(gòu)圖。LSTM單元的組成[10]包括遺忘門、輸入門、輸出門和細(xì)胞狀態(tài)。遺忘門、輸入門和輸出門是神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的關(guān)鍵元素,它們各自擔(dān)負(fù)著不同的責(zé)任,以確保網(wǎng)絡(luò)能夠高效地處理信息。遺忘門負(fù)責(zé)過濾當(dāng)前單元的記憶,決定丟棄哪些信息以適應(yīng)新的輸入。輸入門則負(fù)責(zé)控制新信息的引入,以更新當(dāng)前單元的狀態(tài)。最后,輸出門則掌握著當(dāng)前單元輸出哪些特征信息的控制權(quán),以使網(wǎng)絡(luò)的輸出與任務(wù)需求相匹配。這三個(gè)門協(xié)同工作,使神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠在不同時(shí)間步驟中有效地管理信息流,從而提高模型的性能和適用性。它們是深度學(xué)習(xí)中的關(guān)鍵組件,有助于實(shí)現(xiàn)更好的序列建模、自然語言處理、語音識(shí)別等任務(wù)。這種門控機(jī)制的使用使得神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)能夠更好地處理時(shí)序數(shù)據(jù)和長(zhǎng)期依賴關(guān)系,為各種應(yīng)用領(lǐng)域帶來了顯著的改進(jìn)。通過組合三門等門控單元以實(shí)現(xiàn)信息的安全和當(dāng)前狀態(tài)的更新。LSTM能夠?qū)⒃紩r(shí)間步長(zhǎng)的有效信息傳遞到后續(xù)時(shí)間步長(zhǎng),從而克服了短時(shí)記憶的問題,改進(jìn)了傳統(tǒng)RNN的限制。因此將復(fù)雜的時(shí)序序列數(shù)據(jù)通過LSTM進(jìn)行大量訓(xùn)練,其能夠更好地分辨數(shù)據(jù)的保留或刪除。LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的性能受超參數(shù)的影響,通過調(diào)整超參數(shù),以實(shí)現(xiàn)模型的穩(wěn)定收斂并獲得可靠的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。
1.2? 粒子群算法
粒子群優(yōu)化算法(Particle Swarm Optimization, PSO),是由Kennedy和Russell Eberhart于1995年提出的一種改進(jìn)的全局尋優(yōu)的算法[11],起源于對(duì)大自然中的鳥群或魚群等生物群體覓食行為的研究。把每只鳥看作是一個(gè)粒子,其在空間范圍內(nèi)不停運(yùn)動(dòng),每個(gè)粒子擁有適應(yīng)自身的速度和位置,空間中的粒子通過追搜尋最佳位置,不斷跟蹤和保存空間內(nèi)最優(yōu)粒子位置,從而得到全局最優(yōu)解的過程實(shí)現(xiàn)。PSO算法式子如下:
(1)
式中: 中的t為t時(shí)刻個(gè)體最優(yōu)位置解,gBest j(t)中的t為t時(shí)刻全局最優(yōu)位置解, 為t時(shí)刻的第j個(gè)控制變量的第i個(gè)粒子的位置,C1和C2為學(xué)習(xí)因子,r1和r2為(0~1)區(qū)間內(nèi)的隨機(jī)數(shù)。
(2)
式中: 為t時(shí)刻的第j個(gè)控制變量的第i個(gè)粒子的位置。
(3)
式中:w(t)為慣性權(quán)重因子。其可以調(diào)整尋優(yōu)算法中的搜索能力。
圖1? LSTM模型結(jié)構(gòu)圖
1.3? 預(yù)測(cè)性能評(píng)估公式
本文運(yùn)用預(yù)測(cè)性能評(píng)估公式對(duì)模型的評(píng)估結(jié)果進(jìn)行測(cè)算和評(píng)價(jià),主要通過RMSE和MAPE的數(shù)值來進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估。RMSE常用于度量回歸模型中預(yù)測(cè)值與實(shí)際值之間的偏離程度,其計(jì)算方式如式(4)所示:
(4)
其中Xi為區(qū)域二手房?jī)r(jià)預(yù)測(cè)實(shí)際值, 為區(qū)域二手房?jī)r(jià)預(yù)測(cè)值,n為樣本數(shù)量。
但在實(shí)際問題中,MAPE更適合處理極少數(shù)偏離程度極大的離群點(diǎn),其計(jì)算方式如式(5)所示:
(5)
其中Yi為區(qū)域二手房?jī)r(jià)預(yù)測(cè)實(shí)際值, 為區(qū)域二手房?jī)r(jià)預(yù)測(cè)值,n為樣本數(shù)量。
2? PSO-LSTM優(yōu)化方法
2.1? 數(shù)據(jù)集選擇
本文中的二手房?jī)r(jià)數(shù)據(jù)選取湖南省株洲市某區(qū)二手房?jī)r(jià)時(shí)序數(shù)據(jù)集進(jìn)行預(yù)測(cè)實(shí)驗(yàn),該時(shí)間序列數(shù)據(jù)集從2015年4月到2022年12月共有154個(gè)樣本,部分?jǐn)?shù)據(jù)如圖2所示。
圖2? 湖南省株洲市某區(qū)二手房?jī)r(jià)時(shí)序數(shù)據(jù)集
2.2? PSO-LSTM優(yōu)化方法預(yù)測(cè)流程
LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)雖然解決了時(shí)間序列數(shù)據(jù)的梯度爆炸和依賴問題,但是在面對(duì)大量的數(shù)據(jù)集時(shí),在最優(yōu)參數(shù)的選擇上仍存在問題,不同的參數(shù)對(duì)于實(shí)驗(yàn)結(jié)果存在很大的誤差。針對(duì)上述問題,本文通過采用PSO算法對(duì)LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行優(yōu)化,獲得組合模型PSO-LSTM對(duì)區(qū)域二手房?jī)r(jià)進(jìn)行預(yù)測(cè),模型框架圖如圖3所示。
圖3? PSO-LSTM模型預(yù)測(cè)流程圖
具體預(yù)測(cè)步驟如下:
1)獲取湖南省株洲市某區(qū)二手房?jī)r(jià)原始數(shù)據(jù),并對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。通過對(duì)原始數(shù)據(jù)采用X12方法并結(jié)合EViews軟件進(jìn)行季節(jié)性因素的消除,如圖4所示,再通過歸一化等方法處理;接著對(duì)新得到的時(shí)序數(shù)據(jù)集進(jìn)行劃分,將新的時(shí)序數(shù)據(jù)集分為訓(xùn)練集和測(cè)試集,將前81條數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集,后12條數(shù)據(jù)作為測(cè)試集。
圖4? EViews_X12方法圖
數(shù)據(jù)歸一化:本文通過最大最小標(biāo)準(zhǔn)化方法(Min-Max Normalization)進(jìn)行歸一化處理,將數(shù)據(jù)縮放到[0,1]的范圍內(nèi),使得原始數(shù)據(jù)得到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)且變化平滑的數(shù)據(jù)集,計(jì)算方式如式(6)所示:
(6)
將歸一化后的數(shù)據(jù)集分為訓(xùn)練集和驗(yàn)證集,通過Adam算法更新模型的權(quán)重和偏差,經(jīng)過反復(fù)訓(xùn)練進(jìn)而調(diào)整模型的超參數(shù)。得到預(yù)測(cè)結(jié)果后,需將預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行反標(biāo)準(zhǔn)化處理,將縮放的預(yù)測(cè)值轉(zhuǎn)換回原始的房?jī)r(jià)范圍,從而與原始值進(jìn)行對(duì)比。
2)初始化LSTM模型,本文采用LSTM標(biāo)準(zhǔn)的三層模型結(jié)構(gòu):輸入層、LSTM層和輸出層。初始化各參數(shù)值,構(gòu)建LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,包括迭代數(shù)、批處理數(shù)、神經(jīng)元個(gè)數(shù)等參數(shù)。采用ReLU函數(shù)作為隱藏層的激活函數(shù),進(jìn)而應(yīng)用Adam優(yōu)化器對(duì)模型整體進(jìn)行優(yōu)化處理,使其具備更有效的調(diào)整學(xué)習(xí)率的能力。這有助于優(yōu)化模型訓(xùn)練過程,有效預(yù)防梯度爆炸問題的發(fā)生。
3)采用PSO算法對(duì)LSTM進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化,粒子通過前一個(gè)粒子的最優(yōu)位置,不斷地進(jìn)行位置和速度的更替,而空間范圍內(nèi)所有的粒子又同步向最優(yōu)位置的粒子進(jìn)行追蹤,進(jìn)而不斷更新粒子的位置和速度,從而得到全局最優(yōu)位置,通過全局尋優(yōu)計(jì)算出最優(yōu)粒子,從而得到LSTM的最優(yōu)參數(shù),提高預(yù)測(cè)模型的準(zhǔn)確度。
4)將PSO得到的最優(yōu)參數(shù)帶入LSTM模型,其中迭代次數(shù)150,隱藏元120,學(xué)習(xí)率0.04。模型使用區(qū)域二手房?jī)r(jià)數(shù)據(jù)進(jìn)行學(xué)習(xí),通過LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深入分析時(shí)序數(shù)據(jù),挖掘其中的潛在趨勢(shì)以預(yù)測(cè)第1時(shí)間步的房?jī)r(jià)價(jià)格。在預(yù)測(cè)第2時(shí)間步時(shí),通過調(diào)整滑動(dòng)窗口,將第1時(shí)間步的預(yù)測(cè)房?jī)r(jià)價(jià)格加入訓(xùn)練集,以訓(xùn)練模型預(yù)測(cè)第2時(shí)間步的房?jī)r(jià)價(jià)格。隨后,循環(huán)此過程,預(yù)測(cè)至第n時(shí)間步后停止。對(duì)輸出的預(yù)測(cè)值進(jìn)行反歸一化的處理,得到最終的預(yù)測(cè)結(jié)果。
5)模型驗(yàn)證輸出評(píng)價(jià)指標(biāo),采用RMSE和MAPE進(jìn)行預(yù)測(cè)評(píng)估。兩者評(píng)估值越小,代表PSO-LSTM模型的性能就越好。
2.3? 實(shí)驗(yàn)環(huán)境
本文的實(shí)驗(yàn)采用64位的Win 10系統(tǒng),處理器為AMD Ryzen 5 2500U with Radeon Vega Mobile Gfx,主頻2.00 GHz,內(nèi)存8 GB,在Python3環(huán)境下通過Jupyter Notebook實(shí)現(xiàn)全部實(shí)驗(yàn)過程。
2.4? PSO-LSTM模型擬合效果分析
在時(shí)序預(yù)測(cè)領(lǐng)域中,由于傳統(tǒng)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)存在梯度爆炸、梯度消失等問題,從而導(dǎo)致訓(xùn)練難度大,而LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的出現(xiàn),改善了這一情況。因此,本文在模型的對(duì)比分析中采用LSTM模型與PSO-LSTM模型作為比對(duì)組,預(yù)測(cè)結(jié)果如圖5所示。
圖5? 各預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)擬合圖
由圖可看出PSO-LSTM模型的模型擬合度比LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的模型擬合度更接近實(shí)際值。且在2022年5月份的轉(zhuǎn)折處,PSO-LSTM模型的值更貼近于實(shí)際值。LSTM模型的整體預(yù)測(cè)趨勢(shì)與實(shí)際值的整體趨勢(shì)有偏離,而PSO-LSTM模型的整體趨勢(shì)更優(yōu)于LSTM模型,更符合二手房?jī)r(jià)實(shí)際的趨勢(shì)走向,很好地提升了預(yù)測(cè)精度。
3? 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析
本文采用預(yù)測(cè)評(píng)估公式RMSE和MAPE來對(duì)模型的預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行計(jì)算并預(yù)測(cè)評(píng)估,在對(duì)PSO-LSTM和LSTM模型的預(yù)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行評(píng)估后得到的數(shù)據(jù)值,RMSE和MAPE的評(píng)估值越小,則代表模型的性能就越好。從預(yù)測(cè)訓(xùn)練結(jié)果對(duì)比表表1中可看到,PSO-LSTM模型的RMSE值為137.28,相較LSTM降低了19.5%;而PSO-LSTM模型的MAPE值僅為1.59,比LSTM模型降低了22.05%。由評(píng)估預(yù)測(cè)值證實(shí)了PSO-LSTM模型的預(yù)測(cè)效果要優(yōu)于LSTM模型。
表1? 模型預(yù)測(cè)訓(xùn)練結(jié)果對(duì)比
預(yù)測(cè)模型 類別 RMSE MAPE
LSTM 時(shí)間序列模型 170.54 2.04
PSO-LSTM 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò) 137.28 1.59
由實(shí)驗(yàn)結(jié)果證實(shí)了:通過PSO算法對(duì)LSTM模型進(jìn)行優(yōu)化可以很好地提升預(yù)測(cè)的精度,且優(yōu)化后的模型能更好地適應(yīng)大量的數(shù)據(jù)訓(xùn)練,使得預(yù)測(cè)的精度大大提升,對(duì)實(shí)際數(shù)據(jù)的曲線擬合效果好。相較LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,對(duì)真實(shí)數(shù)據(jù)的擬合效果更好,且預(yù)測(cè)評(píng)估也優(yōu)秀。從上述評(píng)估角度可得出,PSO-LSTM模型對(duì)于區(qū)域二手房?jī)r(jià)的預(yù)測(cè)有更好的預(yù)測(cè)精度,能夠給買家、金融業(yè)、房地產(chǎn)業(yè)等提供更為可靠和科學(xué)的二手房?jī)r(jià)預(yù)測(cè)。
4? 結(jié)? 論
為了提升區(qū)域二手房?jī)r(jià)的預(yù)測(cè)精度,消除影響因素,達(dá)到更好的擬合趨勢(shì),本文提出了一種基于PSO-LSTM的區(qū)域二手房?jī)r(jià)預(yù)測(cè)方法,通過引入PSO算法對(duì)LSTM模型進(jìn)行優(yōu)化,從而實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)精度的提升。通過與LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的實(shí)驗(yàn)對(duì)比分析,PSO-LSTM模型預(yù)測(cè)方法能更好地對(duì)金融業(yè)、房地產(chǎn)業(yè)等產(chǎn)業(yè)進(jìn)行高精度的預(yù)測(cè),提供了合理且科學(xué)的預(yù)測(cè)參考。本文對(duì)PSO-LSTM的預(yù)測(cè)方法相較LSTM模型取得了更好的效果,預(yù)測(cè)精度也有提升,但對(duì)于整體的預(yù)測(cè)來說,并不能達(dá)到理想的預(yù)期。后續(xù)擬嘗試新的算法結(jié)合本文中基于LSTM的區(qū)域二手房?jī)r(jià)預(yù)測(cè)方法進(jìn)行創(chuàng)新,通過多因素變量的分析,進(jìn)一步提升區(qū)域二手房?jī)r(jià)的預(yù)測(cè)精度。
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作者簡(jiǎn)介:周昌堉(1996—),男,漢族,廣東汕頭人,碩士研究生在讀,研究方向:數(shù)據(jù)分析、智能信息處理;李長(zhǎng)云(1971—),男,漢族,湖南衡陽人,教授,博士,研究方向:軟件理論、物聯(lián)網(wǎng)工程、人工智能。