使用 CnosDB 與 TensorFlow 進行時間序列預測

作者：彭靖田 2023-03-16 07:27:30

CnosDB是一款基于分布式架構的高性能時序數據庫。TensorFlow則是目前在預測領域中非常受歡迎的深度學習框架之一。在這篇文章中，您將學習如何利用時間序列數據進行預測，特別是結合CnosDB和TensorFlow來進行預測。由于時間序列數據的自相關性，許多數據科學算法無法用于處理此類數據。因此，在使用時間序列數據進行機器學習時需要使用特定的方法，與其他領域的方法略有不同。

一、從三體運動到太陽黑子變化預測

1、前言

太陽黑子是太陽光球層上發生的太陽活動現象，通常成群出現。預測太陽黑子變化是空間氣象研究中最活躍的領域之一。

太陽黑子觀測持續時間很長。長時間的數據積累有利于挖掘太陽黑子變化的規律。長期觀測顯示,太陽黑子數及面積變化呈現出明顯的周期性，且周期呈現不規則性,大致范圍在 9 ~ 13 a , 平均周期約為 11 a,太陽黑子數及面積變化的峰值不恒定。

最新數據顯示,近些年來太陽黑子數和面積有明顯的下降趨勢。

鑒于太陽黑子活動強烈程度對地球有著深刻的影響，因此探測太陽黑子活動就顯得尤為重要。基于物理學模型(如動力模型)和統計學模型(如自回歸滑動平均)已被廣泛應用于探測太陽黑子活動。為了更高效地捕捉太陽黑子時間序列中存在的非線性關系,機器學習方法被引入。

值得一提的是,機器學習中的神經網絡更擅長挖掘數據中的非線性關系。

因此，本文將介紹如何使用時序數據庫 CnosDB 存儲太陽黑子變化數據，并進一步使用TensorFlow實現1DConv+LSTM 網絡來預測太陽黑子數量變化。

2、太陽黑子變化觀測數據集簡介

本文使用的太陽黑子數據集是由SILSO 網站發布2.0版本（WDC-SILSO, Royal Observatory of Belgium, Brussels, http://sidc.be/silso/datafiles）。

我們主要分析和探索：1749至2023年，月均太陽黑子數（monthly mean sunspot number，MSSN）變化情況。

二、數據導入

將 MSSN 數據 csv 格式文件 SN_m_tot_V2.0.csv （https://www.sidc.be/silso/infosnmtot）下載到本地。

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.

我們使用 pandas 進行文件加載和預覽：

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、使用時序數據庫 CnosDB 存儲 MSSN 數據

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：本文假設你已具備 CnosDB 安裝部署和基本使用能力，相關文檔詳見 ?https://docs.cnosdb.com/?）。

在命令行中使用 Docker 啟動 CnosDB 數據庫服務，并進入容器使用 CnosDB CLI 工具直接訪問 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 }

為了簡化分析，我們只需存儲數據集中觀測時間和太陽黑子數。因此，我們將年（Col 0）和月（Col 1）拼接作為觀測時間（date, 字符串類型），月均太陽黑子數（Col 3）可以不作處理直接存儲。

我們可以在 CnosDB CLI 中使用 SQL 創建一張名為 sunspot 數據表，以用于存儲 MSSN 數據集。

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 連接和讀寫 CnosDB 數據庫

Github Repo: https://github.com/cnosdb/cnosdb-client-python?。

# 安裝 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()

如果不習慣使用 CnosDB CLI，我們也可以直接使用 Python Connector 創建數據表。

# 創建 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())

輸出如下，其中包括 CnosDB 默認的 Database。

[{'Database': 'tf_demo'}, {'Database': 'usage_schema'}, {'Database': 'public'}]
[{'Table': 'sunspot'}]

將之前 pandas 的 dataframe 寫入 CnosDB。

### df 為pandas的dataframe，"sunspot"為CnosDB中的表名，['date', 'mssn']為需要寫入的列的名字
### 如果寫入的列不包含時間列，將會根據當前時間自動生成
conn.write_dataframe(df, "sunspot", ['date', 'mssn'])

三、讀取數據

參考論文：程術, 石耀霖, 張懷. 基于神經網絡預測太陽黑子變化 (2022)。

鏈接: ?http://journal.ucas.ac.cn/CN/10.7523/j.ucas.2021?.0068

使用 CnosDB 讀取數據

df = pd.read_sql("select * from sunspot;", conn)
print(df.head())

四、將數據集劃分為訓練集和測試集

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:]

使用滑動窗口法構造訓練數據

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、定義 1DConv+LSTM 神經網絡模型

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、使用訓練好的模型預測 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、與真實值對比的可視化結果

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()

產品相關文檔：

1. CnosDB快速上手指南: ?https://docs.cnosdb.com?

2. CnosDB官網: ?https://www.cnosdb.com?

3. CnosDB GitHub倉庫:

?https://github.com/cnosdb/cnosdb?

參考文獻：

?程術, 石耀霖, 張懷. 基于神經網絡預測太陽黑子變化(2022) http://journal.ucas.ac.cn/CN/10.7523/j.ucas.2021.0068

今天的分享就到這里，謝謝大家。?

責任編輯：姜華來源： DataFunTalk

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