VMD-SE-BiLSTM+Transformer多变量时序预测，MATLAB代码

一、研究背景

该模型针对复杂非线性时间序列预测问题，特别是具有多尺度、非平稳特性的时序数据。传统单一模型难以同时捕捉时序数据中的低频趋势和高频波动特征，因此采用分解-重构-混合建模的策略，结合信号处理与深度学习技术提升预测精度。

二、主要功能

1. 多变量时序预测：支持多特征输入、单目标输出
2. 自适应分量划分：基于VMD和样本熵自动划分高低频分量
3. 混合模型架构：BiLSTM处理低频趋势，Transformer处理高频波动
4. 可视化分析：提供丰富的可视化图表分析模型性能

三、算法步骤

1. 数据加载 → 2. VMD分解 → 3. 样本熵计算 → 4. 高低频划分 5. 数据归一化 → 6. 序列重构 → 7. BiLSTM训练 → 8. Transformer训练 9. 模型融合 → 10. 反归一化 → 11. 性能评估 → 12. 结果可视化

四、技术路线

核心技术组件：

1. VMD（变分模态分解）：自适应信号分解为K个本征模态函数
   公式原理：
   min⁡{uk},{ωk}{∑k∥∂t[(δ(t)+jπt)∗uk(t)]e−jωkt∥22} \min_{\{u_k\},\{\omega_k\}} \left\{ \sum_k \left\| \partial_t \left[ (\delta(t) + \frac{j}{\pi t}) * u_k(t) \right] e^{-j\omega_k t} \right\|_2^2 \right\}{uk​},{ωk​}min​{k∑​​∂t​[(δ(t)+πtj​)∗uk​(t)]e−jωk​t​22​}

   • 参数：α=2000（带宽约束），K=5（模态数）

2. 样本熵（Sample Entropy）：衡量时间序列复杂度

   • 公式：SampEn(m,r,N)=−ln⁡ABSampEn(m,r,N) = -\ln \frac{A}{B}SampEn(m,r,N)=−lnBA​
   • 参数：m=2（嵌入维数），r=0.2×标准差

3. BiLSTM（双向长短期记忆网络）

   • 处理低频趋势分量
   • 网络结构：64→32单元，Dropout=0.2

4. Transformer模型

   • 处理高频波动分量
   • 配置：4头注意力，最大位置编码256

五、关键参数设定

VMD分解参数：

alpha=2000;% 带宽约束参数tau=0;% 噪声容限K=5;% 模态数量DC=0;% 无直流分量tol=1e-7;% 收敛容差

时间序列参数：

kim=2;% 历史时间步长zim=1;% 预测步长num_size=0.7;% 训练集比例

训练超参数：

MaxEpochs=80;% 最大训练轮次MiniBatchSize=128;% 批次大小InitialLearnRate=0.001;% 初始学习率LearnRateDropFactor=0.1;% 学习率衰减因子

六、运行环境要求

硬件要求：

• MATLAB R2024b及以上版本

数据格式：

• 输入：Excel文件data.xlsx
• 格式：前4列为特征（A-D列），第5列为目标变量（E列）

七、应用场景

适用领域：

1. 金融时间序列预测

   • 股票价格预测
   • 汇率波动分析
   • 市场风险度量

2. 能源负荷预测

   • 电力负荷预测
   • 可再生能源发电量预测
   • 能源需求分析

3. 工业过程预测

   • 设备剩余寿命预测
   • 生产过程质量控制
   • 故障预警系统

4. 气象与环境预测

   • 风速预测
   • 空气质量指数预测
   • 水文时间序列分析

模型优势：

1. 多尺度分析能力：同时捕捉长短期依赖关系
2. 自适应分解：无需预设频率边界
3. 混合架构优势：结合BiLSTM的序列建模能力和Transformer的注意力机制
4. 鲁棒性强：对非平稳、非线性数据有较好适应性

八、创新点总结

1. 智能分量划分：基于样本熵的自动高低频划分，替代人工设定
2. 针对性建模：低频分量用BiLSTM，高频分量用Transformer
3. 综合可视化：提供多维度、多角度的结果分析图表

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