Keras 卷积一维通道独立，[samples,timesteps,features]，风力涡轮机数据集

Question

我正在处理具有常规矩阵格式的风力涡轮机数据集：[ row:datetime , column:features]

但我想用卷积来捕捉每个特征的进展，就像在 LSTM 中完成的那样。因此，我生成了一个具有以下维度的新数据集：

[datetime, 15 timesteps,128 features] ：每个原始 datetime 行现在有 15 个寄存器连接 (t-0,t-1,...,t-14) 用于每个功能。

我的计划是分别对每个特征（通道）的时间步长维度进行卷积，内核大小为 1x5，步幅为 5。从 128 个特征中获取每个 DateTime(batch)，长度为 5 的 3 个过滤器，输出形状是 (None,3,128)。

然后我将最大池化应用于之前的第二维 (3) 结果，以获得期望输出大小的“最重要的卷积时间步长”：(None,1,128)

最后我连接了一个密集层进行二元分类。

目前的网络架构在keras中实现如下：

model.add( Conv1D(padding = 'valid',filters = nfeatures,strides = 5,kernel_size = 5, 
                  activation = 'relu',input_shape = (timesteps,nfeatures)) )
model.add( MaxPooling1D() )
model.add(Dropout(0.5))
model.add(Dense(1, activation='sigmoid'))

问题是当我检查第一层 (conv1d) 的权重时，权重具有以下维度：[5,128,128] 和偏差 [128]。

预期的权重格式是：[5,1,128] 为什么是 5x128x128？ ，我只想要每个特征/通道的 5 个权重（内核大小）。

谢谢！

Answer 1

标准卷积过滤器：

为了得到很好的结果，神经网络很少会完全单独考虑一个特征，相反，它们会促进特征之间的相关性以提取更智能的结果。

这就是标准卷积滤波器形状的原因：

(width, input_features, output_features)   

在这个卷积中，所有的输入特征都被认为是创建新的输出特征。

如何完全个性化特征？

警告：这对所有功能使用相同的过滤器（您可能需要每个功能一个单独的过滤器，然后查看下一个答案）

您可以对数据重新排序，使这些特征成为一个主要组，并使每个组只有一个特征和过滤器。

这些组随后可以与TimeDistributed 层并行处理。

model = Sequential()

#reordering data and adding 1 dummy feature per group    
model.add(Permute((2,1), input_shape = (timesteps,nfeatures))) #(batch, feat, steps)    
model.add(Lambda(lambda x: K.expand_dims(x))) #(batch, feat, steps, 1)

#applying the 1 filter convolution for each group
model.add(TimeDistributed(Conv1D(padding = 'valid',filters = 1,strides = 5,
                                 kernel_size = 5, activation = 'relu')))
model.add( TimeDistributed(MaxPooling1D()) )

#restoring to (batch,features)    
model.add(Reshape((nfeatures,)))
model.add(Dropout(0.5))
model.add(Dense(1, activation='sigmoid'))

老实说，使用标准卷积，您的模型会更加强大，但您可能有特殊原因这样做。

每个功能一个单独的过滤器

这需要更多的工作。我们将需要一个实现 depthwise_conv1d 的自定义层（Keras 不提供），或者我们使用 1 个过滤器创建 128 个单独的 conv1D 层（更容易）。

使用第二种方法（多个卷积层），我们将需要一个功能性 API 模型来制作并行分支。

from keras.model import Model

#function to split the input in multiple outputs
def splitter(x):
    return [x[:,:,i:i+1] for i in range(nfeatures)]


#model's input tensor 
inputs = Input((timesteps,nfeatures))

#splitting in 128 parallel tensors - 128 x (batch,15,1)
multipleFeatures = Lambda(splitter)(inputs)

#applying one individual convolution on each parallel branch
multipleFeatures = [
   Conv1D(padding = 'valid',filters = 1,strides = 5, kernel_size = 5)(feat) 
   for feat in multipleFeatures ]

#joining the branches into (batch, 3, 128)
joinedOutputs = Concatenate()(multipleFeatures)
joinedOutputs = Activation('relu')(joinedOutputs)

outputs = MaxPooling1D()(joinedOutputs)
outputs = Lambda(lambda x: K.squeeze(x,axis=1))(outputs)
outputs = Dropout(0.5)(outputs)
outputs = Dense(1, activation='sigmoid')(outputs)

model = Model(inputs,outputs)