使用CnosDB与TensorFlow进行时间序列预测

一、从三体运动到太阳黑子变化预测

1、前言

太阳黑子是太阳光球层上发生的太阳活动现象，通常成群出现。预测太阳黑子变化是空间气象研究中最活跃的领域之一。

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太阳黑子观测持续时间很长。长时间的数据积累有利于挖掘太阳黑子变化的规律。长期观测显示,太阳黑子数及面积变化呈现出明显的周期性，且周期呈现不规则性,大致范围在 9 ~ 13 a , 平均周期约为 11 a,太阳黑子数及面积变化的峰值不恒定。

最新数据显示,近些年来太阳黑子数和面积有明显的下降趋势。

鉴于太阳黑子活动强烈程度对地球有着深刻的影响，因此探测太阳黑子活动就显得尤为重要。基于物理学模型(如动力模型)和统计学模型(如自回归滑动平均)已被广泛应用于探测太阳黑子活动。为了更高效地捕捉太阳黑子时间序列中存在的非线性关系,机器学习方法被引入。

值得一提的是,机器学习中的神经网络更擅长挖掘数据中的非线性关系。

因此，本文将介绍如何使用时序数据库 CnosDB 存储太阳黑子变化数据，并进一步使用TensorFlow实现1DConv+LSTM 网络来预测太阳黑子数量变化。

2、太阳黑子变化观测数据集简介

本文使用的太阳黑子数据集是由SILSO 网站发布2.0版本（WDC-SILSO, Royal Observatory of Belgium, Brussels, http://sidc.be/silso/datafiles）。

我们主要分析和探索：1749至2023年，月均太阳黑子数（monthly mean sunspot number，MSSN）变化情况。

二、数据导入

将 MSSN 数据 csv 格式文件 SN_m_tot_V2.0.csv （https://www.sidc.be/silso/infosnmtot）下载到本地。

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.

我们使用 pandas 进行文件加载和预览：

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、使用时序数据库 CnosDB 存储 MSSN 数据

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：本文假设你已具备 CnosDB 安装部署和基本使用能力，相关文档详见 https://docs.cnosdb.com/）。

在命令行中使用 Docker 启动 CnosDB 数据库服务，并进入容器使用 CnosDB CLI 工具直接访问 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 }

为了简化分析，我们只需存储数据集中观测时间和太阳黑子数。因此，我们将年（Col 0）和月（Col 1）拼接作为观测时间（date, 字符串类型），月均太阳黑子数（Col 3）可以不作处理直接存储。

我们可以在 CnosDB CLI 中使用 SQL 创建一张名为 sunspot 数据表，以用于存储 MSSN 数据集。

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 连接和读写 CnosDB 数据库

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

# 安装 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()

如果不习惯使用 CnosDB CLI，我们也可以直接使用 Python Connector 创建数据表。

# 创建 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())

输出如下，其中包括 CnosDB 默认的 Database。

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

将之前 pandas 的 dataframe 写入 CnosDB。

### df 为pandas的dataframe，"sunspot"为CnosDB中的表名，['date', 'mssn']为需要写入的列的名字
### 如果写入的列不包含时间列，将会根据当前时间自动生成
conn.write_dataframe(df, "sunspot", ['date', 'mssn'])

三、读取数据

参考论文：程术, 石耀霖, 张怀. 基于神经网络预测太阳黑子变化 (2022)。

链接: http://journal.ucas.ac.cn/CN/10.7523/j.ucas.2021.0068

使用 CnosDB 读取数据

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

四、将数据集划分为训练集和测试集

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:]

使用滑动窗口法构造训练数据

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、定义 1DConv+LSTM 神经网络模型

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、使用训练好的模型预测 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、与真实值对比的可视化结果

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()

产品相关文档：

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

2. CnosDB官网: https://www.cnosdb.com

3. CnosDB GitHub仓库:

https://github.com/cnosdb/cnosdb

参考文献：

程术, 石耀霖, 张怀. 基于神经网络预测太阳黑子变化(2022) http://journal.ucas.ac.cn/CN/10.7523/j.ucas.2021.0068

今天的分享就到这里，谢谢大家。

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