时间序列预测中的数据滑窗操作实例(python实现)

撰写背景

面向数据分析的小白，水平有限，错误难免，欢迎指正。

什么是数据滑窗

进行机器学习时，一般都要涉及到划分训练集和测试集的步骤。特别地，在做数据预测时，一般把预测的依据（也就是历史数据）称作X，把需要预测的数据称为y。即首先把原始数据划分为train_X, train_y这两个训练数据集和test_X, test_y这两个测试数据集。

对于时间序列数据的预测，往往是建立由好几个历史数据预测下一时刻的未来数据，这时候为了充分利用全部数据，应该对原始数据集进行滑窗操作，如下图所示。

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这里展示的是多个特征的时间序列，其中每一行数据均属于同一时刻。假设，我们要以H（ humidity）、PT（pressure）、PE（power）三个特征为预测依据，取当前和上三个时刻共四个时刻的已知数据对下一时刻的PE（功率）进行预测，那么对于X数据集的滑窗就应该如上图所示，而对y数据集的滑窗应该如下图所示。

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下面给出滑窗实例。

代码实现

滑窗函数

def sliding_window(DataSet, X_width, y_width, gap = 1, multi_vector = None, X_data = True):
    '''
    DataSet has to be as a DataFrame
    '''
    if X_data:
        if multi_vector:
            a,b = DataSet.shape
        else:
            a = DataSet.shape[0]
            b = 1
        c = (a-X_width-y_width-a%gap)/gap
        X = np.reshape(DataSet.iloc[0:X_width,:].values,(1,X_width,b))
        for i in range(len(DataSet) - X_width - y_width):
            i += 1
            if i > c:
                break
            j = i * gap
            tmp = DataSet.iloc[j:j + X_width,:].values
            tmp = np.reshape(tmp,(1,X_width,b))
            X = np.concatenate([X,tmp],0)
        return X
    else:
        if multi_vector:
            print('y_data-error：expect 1D ,given %dD'%DataSet.shape[1])
            return;
        else:
            a = DataSet.shape[0]
        c = (a-X_width-y_width-a%gap)/gap
        y = np.reshape(DataSet.iloc[X_width:X_width + y_width,0].values,(1,y_width))
        for i in range(len(DataSet) - X_width - y_width):
            i += 1
            if i > c:
                break
            j = i * gap + X_width
            tmp = DataSet.iloc[j:j + y_width,:].values
            tmp = np.reshape(tmp,(1,y_width))
            y = np.concatenate([y,tmp])
        return y

单特征时间序列

单特征时间序列是指仅有一个特征的一维时间序列，如股票收盘价、风电场风速数据、日营业额等。对单特征时间序列滑窗操作如下：

#DataSet训练数据集
#X_width使用的历史数据长度
#y_width要预测的数据长度
#X_data是否是X数据集
train_X = sliding_window(DataSet, X_width, y_width)
train_y = sliding_window(DataSet, X_width, y_width, X_data = None)

假设训练数据集是一个100*1的序列，使用24个数据预测未来的1个数据，那么滑窗操作就将原数据做了这样的变换：

多特征时间序列

多特征时间序列指时间序列的特征不止一个，如上文所举的H、PT、PE三特征序列。这种数据一般使用在待预测的数据跟多个特征相关性较高的场合中，如气象数据嵌入的风速预测、股市数据嵌入的收盘价格预测等。进行多特征时间序列滑窗操作如下：

#DataSet训练数据集
#X_width使用的历史数据长度
#y_width要预测的数据长度
#multi_vector是否为多特征
#X_data是否是X数据集
train_X = sliding_window(DataSet, X_width, y_width, multi_vector = True)
test_y = sliding_window(DataSet, X_width, y_width, multi_vector = True, X_data = None)

假设训练数据集是一个100*3的序列，使用24个数据预测未来的1个数据，那么滑窗操作就将原数据做了这样的变换：

注意事项

DataSet必须是DataFrame格式。

y数据集只能是一维。

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