Python用Transformer、Prophet、RNN、LSTM、SARIMAX时间序列预测分析用电量、销售、交通事故数据

原文链接： tecdat.cn/?p=42219

在数据驱动决策的时代，时间序列预测作为揭示数据时序规律的核心技术，已成为各行业解决预测需求的关键工具。从能源消耗趋势分析到公共安全事件预测，不同领域的数据特征对预测模型的适应性提出了差异化挑战。本文基于某咨询项目的实际需求，通过对比分析五种主流预测模型（SARIMAX、RNN、LSTM、Prophet、Transformer）在多类数据集上的表现，探讨模型选择逻辑与参数调优策略，为行业应用提供可落地的解决方案（点击文末“阅读原文”获取完整智能体、代码、数据、文档）。

作为数据科学领域的从业者，我们在为客户构建预测系统时发现：单一模型难以适配多样化的数据场景。例如，能源领域的月度消耗数据呈现强季节性，而公共安全领域的事件数据则可能包含突发异常值。因此，系统性对比模型在不同数据特征下的表现，成为提升预测准确性的必要前提。本文所涉及的专题项目文件已分享至行业交流社群，欢迎扫码进群与500+从业者共同探讨技术细节与应用场景。

流程图：研究脉络概览

一、研究目标与数据场景

时间序列预测的核心是通过历史数据捕捉规律以预测未来。本文聚焦以下五类模型的实际效能：

• SARIMAX：适用于包含季节性和外部变量的线性时序数据，通过差分处理非平稳性。
• RNN（循环神经网络） ：擅长处理序列依赖关系，通过隐藏状态记忆历史信息。
• LSTM（长短期记忆网络） ：优化RNN的长期依赖问题，通过门控机制过滤无效信息。
• Prophet：由Meta开发的集成模型，自动处理趋势、季节和节假日效应，对数据缺失鲁棒。
• Transformer：基于自注意力机制的新兴模型，理论上可捕捉复杂时序模式。 实验数据覆盖四大真实场景：

1. 能源消耗数据（Electric Production） ：某地区月度工业用电量，含397条记录，存在显著季节性。
2. 零售销售数据（Sales-of-Shampoo） ：三年月度洗发水销量，共36条记录，反映消费趋势。
3. 公共安全数据（Crime Data） ：某城市2020年至今的每日犯罪记录，包含726条数据，需处理非平稳性与异常值。
4. 交通事故数据（Crash Reporting） ：某郡月度交通事故驾驶员信息，60条记录，用于分析道路安全趋势。

数据截图

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二、数据预处理与特征分析

2.1 数据检验与平稳性分析

采用Dickey-Fuller检验判断数据平稳性，通过**自相关函数（ACF）和偏自相关函数（PACF）**识别周期性与滞后阶数。以能源消耗数据为例，Python代码实现如下：

ini
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代码解读
复制代码
# 读取数据并聚合为月度均值 
data = pd.read_csv("eneta.csv") 
monthly_data = data['consumption'].resample('M').mean() 
# 绘制时序图 
monthly_data.plot() 
plt.title("月度能源消耗趋势") 
plt.show() 
# 平稳性检验与相关性分析 
adf_result = adfuller(monthly_data) 
print(f"ADF统计量: {adf_result[0]:.2f}, p值: {adf_result[1]:.4f}") 

结果解读：

能源消耗数据的ADF检验p值>0.05，表明非平稳，需差分处理；ACF呈拖尾、PACF一阶截尾，初步确定ARIMA(1,1,0)模型。

各数据集的预处理结论汇总如下（表1）：

图1：能源消耗数据月度趋势

图2：ACF与PACF函数图像

三、核心模型实现与参数调优

3.1 SARIMAX：季节性线性建模

针对能源消耗数据，使用SARIMAX捕捉季节效应，代码如下：

ini
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代码解读
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from statsmodels.tsa.statespace.sarimax import SARIMAX 
# 划分训练集与测试集（保留最后3个月验证） 
train = monthly_data[:-3] 
test = monthly_data[-3:] 
# 拟合SARIMAX(1,1,0)(1,1,1,12)模型 
model = SARIMAX(train, order=(1,1,0), seasonal_order=(1,1,1,12)) 
result = model.fit() 
# 预测与评估 
forecast = result.forecast(steps=3) 
mape = np.mean(np.abs((test - forecast)/test)) * 100
print(f"MAPE: {mape:.2f}%") # 输出：MAPE: 4.42% 

3.2 RNN与LSTM：序列特征学习

以交通碰撞数据为例，构建RNN模型时需先进行季节分解与归一化：

ini
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代码解读
复制代码
import torch 
from sklearn.preprocessing import MinMaxScaler 
# 季节分解（加法模型，周期12个月） 
decomposed = seasonal_decompose(data, model='additive', period=12) 
deseasonalized = decomposed.trend + decomposed.resid 
# 数据归一化与序列生成 

3.3 Prophet：自动化季节建模

Prophet通过内置参数自适应调整季节效应，适用于含明显周期的数据集

3.4 Transformer：注意力机制探索

尝试将NLP领域的Transformer应用于时序预测，通过位置编码保留序列顺序信息

scss
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代码解读
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pe = torch.zeros(max_len, 1, d_model) 
position = torch.arange(0, max_len, dtype=torch.float).unsqueeze(1) 
div_term = torch.exp(torch.arange(0, d_model, 2) * (-math.log(10000.0) / d_model)) 
pe[:, 0, 0::2] = torch.sin(position * div_term) 
pe[:, 0, 1::2] = torch.cos(position * div_term) 

四、模型性能对比与行业启示

4.1 关键指标：MAPE值对比

通过平均绝对百分比误差（MAPE）评估模型准确性，结果如下（表2）：

图3：各模型在不同数据集上的MAPE分布

4.2 核心发现

1. RNN的泛化能力：在能源消耗、交通碰撞等复杂数据中表现最佳，尤其适合捕捉非线性依赖关系。
2. Prophet的季节适应性：在洗发水销售数据（强季节性）中MAPE仅为13.11%，显著优于LSTM（39.12%）。
3. Transformer的局限性：在时序领域尚未展现NLP中的优势，犯罪数据中MAPE高达196.10%，可能与注意力机制对短序列的低效性有关。
4. 计算效率权衡：SARIMAX和Prophet的训练时间仅为RNN/LSTM的1/5-1/3，适合实时性要求高的场景。

4.3 行业应用建议

• 能源与零售：优先使用Prophet或SARIMAX，结合业务周期（如季度、节假日）调整季节参数。
• 公共安全与交通：采用RNN/LSTM捕捉突发模式，通过数据增强（如合成异常样本）提升模型鲁棒性。
• 新兴场景：Transformer可作为探索性工具，但需结合时序特性优化架构（如引入卷积预处理）。

五、结论与展望

本研究通过多场景实证分析，揭示了时间序列预测模型的“数据-模型适配法则”：没有最优模型，只有最适合特定数据特征的方案。例如，RNN在含噪声的长序列中表现稳定，而Prophet凭借自动化季节建模成为商业场景的首选。 未来研究可聚焦以下方向：

1. 混合模型：结合传统时序分析与深度学习（如SARIMA-LSTM），提升复杂模式捕捉能力。
2. 实时预测：优化RNN的推理速度，或采用轻量级模型（如Temporal Fusion Transformer）满足流式数据需求。
3. 可解释性：通过SHAP值等工具解析Prophet与Transformer的决策逻辑，增强行业信任度。

注：文中部分代码为简化示意，实际应用需根据数据规模调整批次大小、训练轮次等参数。数据名称已做脱敏处理，具体业务场景可联系作者进一步探讨。