基于GWO灰狼优化的BiLSTM双向长短期记忆网络序列预测算法matlab仿真,对比BiLSTM和LSTM

1.算法运行效果图预览

(完整程序运行后无水印)

2.算法运行软件版本

matlab2022a/matlab2024b

3.部分核心程序

（完整版代码包含详细中文注释和操作步骤视频）

X = Alpx;
%bilstm
layers=bilstm_layer(bw_in,round(X(1)),round(X(2)),bw_out,X(3),X(4),X(5));
 
%参数设定
opts = trainingOptions('adam', ...
    'MaxEpochs',10, ...
    'GradientThreshold',1,...
    'ExecutionEnvironment','cpu',...
    'InitialLearnRate',X(6), ...
    'LearnRateSchedule','piecewise', ...
    'LearnRateDropPeriod',2, ...   
    'LearnRateDropFactor',0.5, ...
    'Shuffle','once',...           
    'SequenceLength',1,...
    'MiniBatchSize',64,...
    'Verbose',1);
 
%网络训练
[net1,INFO] = trainNetwork(Xtrain,Ytrain,layers,opts);
 
Rmsev = INFO.TrainingRMSE;
 
 
figure;
plot(Rmsev)
xlabel('训练次数');
ylabel('RMSE');
 
 
%预测
for i = 1:length(Xtest)
    Ypred(i)  = net1.predict(Xtest(i));
end
 
figure
plot(Ypred,'r-')
hold on 
plot(Ytest','b-')
legend('预测值','实际值')
xlabel('时间(s)')
ylabel('负荷(KW)')
rmse = mean((Ypred(:)-Ytest(:)).^2);% 计算均方根误差
title(sprintf('GWO-biLSTM分析-RMSE=%.3f', rmse));
save R3.mat Ypred Ytest rmse Rmsev

4.算法理论概述

        在GWO算法中，灰狼被分为四类：α（领头狼）、β（第二领导者）、δ（第三领导者）以及普通狼（Ω）。在每次迭代中，这些角色对应于当前种群中适应度最好的三个解以及其余的解。通过模拟这些狼在捕食过程中的协作与竞争，算法逐步向全局最优解靠近.

1.数据预处理：对时间序列数据进行归一化处理，使其取值范围在([0,1])之间。

2.初始化种群：随机生成一组种群，每个个体代表一组网络参数。

3.计算适应度值：对于每个个体，将其对应的网络参数代入 CNN-LSTM-SAM 网络中，对训练数据进行预测，并计算预测结果与真实值之间的误差，作为该个体的适应度值。

4.更新个体信息。

5.重复步骤 3 和 4，直到满足停止条件（如达到最大迭代次数或适应度值小于某个阈值）。

6.输出最优网络参数：将全局最优位置对应的网络参数作为最优网络参数，代入BiLSTM网络中，对测试数据进行预测，得到最终的预测结果。

        在序列预测问题中，如气象数据预测、交通流量预测等，准确捕捉序列中的长期依赖关系和上下文信息是关键。双向长短期记忆网络（BiLSTM）能有效处理长序列数据，同时考虑序列的过去和未来信息，但BiLSTM的性能受其参数设置的影响较大。粒子群优化算法（PSO）是一种基于群体智能的优化算法，具有全局搜索能力强、收敛速度快等优点。将PSO应用于BiLSTM的参数优化，可以提高BiLSTM的序列预测性能。

       LSTM是一种特殊的循环神经网络（RNN），旨在解决传统RNN在处理长序列时的梯度消失和梯度爆炸问题，从而更好地捕捉长序列中的长期依赖关系。其核心结构包含输入门、遗忘门、输出门以及记忆单元。

       BiLSTM 是在LSTM基础上发展而来，它通过同时向前和向后处理序列，能够更好地捕捉序列中的前后文信息，从而在序列预测任务中表现更优。BiLSTM由一个前向LSTM和一个后向LSTM 组成。