Original_NNB/MQL5/Scripts/NeuroNetworksBook/attention/attention.py

325 lines
16 KiB
Python
Raw Permalink Normal View History

2025-05-30 16:15:14 +02:00
# -------------------------------------------------------#
# Скрипт для созданиия и сравнительного тестирования #
# нескольких моделей на одном наборе данных. #
# В скрипте создается три модели: #
# - 2-х мерный свёрточный слой #
# - реккурентная сеть с LSTM блоком #
# - Multi-Head Self-Attention #
# При обучении моделей из обучающей выборки выделяется #
# 1% выборки для валидации результатов. #
# После обучения проводится проверка работоспособности #
# модели на тестовой выборке (отдельный файл данных) #
# -------------------------------------------------------#
# Импорт библиотек
import os
import pandas as pd
import numpy as np
import tensorflow as tf
from tensorflow import keras
import matplotlib.pyplot as plt
import MetaTrader5 as mt5
# Подключаемся к терминалу MetaTrader 5
if not mt5.initialize():
print("initialize() failed, error code =",mt5.last_error())
quit()
# Запрашиваем путь в "песочницу"
path=os.path.join(mt5.terminal_info().data_path,r'MQL5\Files')
mt5.shutdown()
# Загрузка обучающей выборки
filename = os.path.join(path,'study_data.csv')
data = np.asarray( pd.read_table(filename,
sep=',',
header=None,
skipinitialspace=True,
encoding='utf-8',
float_precision='high',
dtype=np.float64,
low_memory=False))
# Разделение обучающей выборки на исходные данные и цели
inputs=data.shape[1]-2
targerts=2
train_data=data[:,0:inputs]
train_target=data[:,inputs:]
# Модель с 2-х мерным свёрточным слоем
model3 = keras.Sequential([keras.layers.InputLayer(input_shape=inputs),
# Переформатируем тензор в 4-х мерный. Указываем 3 измерения, т.к. 4-е измерение определяется размером пакета
keras.layers.Reshape((-1,4,1)),
# Свёрточный слой с 8-ю фильтрами
keras.layers.Conv2D(8,(3,1),1,activation=tf.nn.swish, kernel_regularizer=keras.regularizers.l1_l2(l1=1e-7, l2=1e-5)),
# Подвыборочный слой
keras.layers.MaxPooling2D((2,1),strides=1),
# Переформатируем тензор в 2-х мерный для полносвязных слоёв
keras.layers.Flatten(),
keras.layers.Dense(40, activation=tf.nn.swish, kernel_regularizer=keras.regularizers.l1_l2(l1=1e-7, l2=1e-5)),
keras.layers.Dense(40, activation=tf.nn.swish, kernel_regularizer=keras.regularizers.l1_l2(l1=1e-7, l2=1e-5)),
keras.layers.Dense(40, activation=tf.nn.swish, kernel_regularizer=keras.regularizers.l1_l2(l1=1e-7, l2=1e-5)),
keras.layers.Dense(targerts, activation=tf.nn.tanh)
])
model3.summary()
#keras.utils.plot_model(model3, show_shapes=True, to_file=os.path.join(path,'model3.png'),dpi=72,show_layer_names=False,rankdir='LR')
# Модель LSTM блок без полносвязных слоёв
model4 = keras.Sequential([keras.layers.InputLayer(input_shape=inputs),
# Переформатируем тензор в 3-х мерный. Указываем 2 измерения, т.к. 3-е измерение определяется размером пакета
keras.layers.Reshape((-1,4)),
# 2 последовательных LSTM блока
# 1-й содержит 40 элементами
keras.layers.LSTM(40,
kernel_regularizer=keras.regularizers.l1_l2(l1=1e-7, l2=1e-5),
return_sequences=False),
# 2-й выдаёт результат вместо полносвязного слоя
keras.layers.Reshape((-1,2)),
keras.layers.LSTM(targerts)
])
model4.summary()
#keras.utils.plot_model(model4, show_shapes=True, to_file=os.path.join(path,'model4.png'),dpi=72,show_layer_names=False,rankdir='LR')
# Модель Multi-Head Self-Attention
@tf.keras.utils.register_keras_serializable(package="Custom", name='MHAttention')
class MHAttention(tf.keras.layers.Layer):
def __init__(self,key_size, heads, **kwargs):
super(MHAttention, self).__init__(**kwargs)
self.m_iHeads = heads
self.m_iKeysSize = key_size
self.m_iDimension=self.m_iHeads*self.m_iKeysSize;
self.m_cQuerys = tf.keras.layers.Dense(self.m_iDimension)
self.m_cKeys = tf.keras.layers.Dense(self.m_iDimension)
self.m_cValues = tf.keras.layers.Dense(self.m_iDimension)
self.m_cNormAttention=tf.keras.layers.LayerNormalization(epsilon=1e-6)
self.m_cNormOutput=tf.keras.layers.LayerNormalization(epsilon=1e-6)
def build(self, input_shape):
self.m_iWindow=input_shape[-1]
self.m_cW0 = tf.keras.layers.Dense(self.m_iWindow)
self.m_cFF1=tf.keras.layers.Dense(4*self.m_iWindow, activation=tf.nn.swish)
self.m_cFF2=tf.keras.layers.Dense(self.m_iWindow)
def split_heads(self, x, batch_size):
x = tf.reshape(x, (batch_size, -1, self.m_iHeads, self.m_iKeysSize))
return tf.transpose(x, perm=[0, 2, 1, 3])
def call(self, data):
batch_size = tf.shape(data)[0]
query = self.m_cQuerys(data)
key = self.m_cKeys(data)
value = self.m_cValues(data)
query = self.split_heads(query, batch_size)
key = self.split_heads(key, batch_size)
value = self.split_heads(value, batch_size)
score = tf.matmul(query, key, transpose_b=True)
score = score / tf.math.sqrt(tf.cast(self.m_iKeysSize, tf.float32))
score = tf.nn.softmax(score, axis=-1)
attention = tf.matmul(score, value)
attention = tf.transpose(attention, perm=[0, 2, 1, 3])
attention = tf.reshape(attention,(batch_size, -1, self.m_iDimension))
attention = self.m_cW0(attention)
attention=self.m_cNormAttention(data + attention)
output=self.m_cFF1(attention)
output=self.m_cFF2(output)
output=self.m_cNormOutput(attention+output)
return output
def get_config(self):
config={'key_size': self.m_iKeysSize,
'heads': self.m_iHeads,
'dimension': self.m_iDimension,
'window': self.m_iWindow
}
base_config = super(MHAttention, self).get_config()
return dict(list(base_config.items()) + list(config.items()))
@classmethod
def from_config(cls, config):
dimension=config.pop('dimension')
window=config.pop('window')
layer = cls(**config)
layer._build_from_signature(dimension, window)
return layer
def _build_from_signature(self, dimension, window):
self.m_iDimension=dimension
self.m_iWindow=window
heads=8
key_dimension=4
model5 = keras.Sequential([keras.layers.InputLayer(input_shape=inputs),
# Переформатируем тензор в 3-х мерный. Указываем 2 измерения,
# т.к. 3-е измерение определяется размером пакета
# первое измерени - элементы последовательности
# второе измерение - ветор описаниие одного элемента
keras.layers.Reshape((-1,4)),
MHAttention(key_dimension,heads),
# Переформатируем тензор в 2-х мерный для полносвязных слоёв
keras.layers.Flatten(),
keras.layers.Dense(40, activation=tf.nn.swish, kernel_regularizer=keras.regularizers.l1_l2(l1=1e-7, l2=1e-5)),
keras.layers.Dense(40, activation=tf.nn.swish, kernel_regularizer=keras.regularizers.l1_l2(l1=1e-7, l2=1e-5)),
keras.layers.Dense(40, activation=tf.nn.swish, kernel_regularizer=keras.regularizers.l1_l2(l1=1e-7, l2=1e-5)),
keras.layers.Dense(targerts, activation=tf.nn.tanh)
])
model5.summary()
#keras.utils.plot_model(model5, show_shapes=True, to_file=os.path.join(path,'model5.png'),dpi=72,show_layer_names=False,rankdir='LR')
model6 = keras.Sequential([keras.layers.InputLayer(input_shape=inputs),
# Переформатируем тензор в 3-х мерный. Указываем 2 измерения,
# т.к. 3-е измерение определяется размером пакета
# первое измерени - элементы последовательности
# второе измерение - ветор описаниие одного элемента
keras.layers.Reshape((-1,4)),
MHAttention(key_dimension,heads),
MHAttention(key_dimension,heads),
MHAttention(key_dimension,heads),
MHAttention(key_dimension,heads),
# Переформатируем тензор в 2-х мерный для полносвязных слоёв
keras.layers.Flatten(),
keras.layers.Dense(40, activation=tf.nn.swish,
kernel_regularizer=keras.regularizers.l1_l2(l1=1e-7, l2=1e-5)),
keras.layers.Dense(40, activation=tf.nn.swish,
kernel_regularizer=keras.regularizers.l1_l2(l1=1e-7, l2=1e-5)),
keras.layers.Dense(40, activation=tf.nn.swish,
kernel_regularizer=keras.regularizers.l1_l2(l1=1e-7, l2=1e-5)),
keras.layers.Dense(targerts, activation=tf.nn.tanh)
])
model6.summary()
model3.compile(optimizer='Adam',
loss='mean_squared_error',
metrics=['accuracy'])
model4.compile(optimizer='Adam',
loss='mean_squared_error',
metrics=['accuracy'])
model5.compile(optimizer='Adam',
loss='mean_squared_error',
metrics=['accuracy'])
#model5=keras.models.load_model(os.path.join(path,'attention.h5'))
model6.compile(optimizer='Adam',
loss='mean_squared_error',
metrics=['accuracy'])
callback = tf.keras.callbacks.EarlyStopping(monitor='loss', patience=5)
history3 = model3.fit(train_data, train_target,
epochs=500, batch_size=1000,
callbacks=[callback],
verbose=2,
validation_split=0.01,
shuffle=True)
model3.save(os.path.join(path,'conv2d'))
history4 = model4.fit(train_data, train_target,
epochs=500, batch_size=1000,
callbacks=[callback],
verbose=2,
validation_split=0.01,
shuffle=False)
model4.save(os.path.join(path,'rnn'))
history5 = model5.fit(train_data, train_target,
epochs=500, batch_size=1000,
callbacks=[callback],
verbose=2,
validation_split=0.01,
shuffle=True)
model5.save(os.path.join(path,'attention'))
history6 = model6.fit(train_data, train_target,
epochs=500, batch_size=1000,
callbacks=[callback],
verbose=2,
validation_split=0.01,
shuffle=True)
model6.save(os.path.join(path,'attention2'))
# Отрисовка результатов обучения моделей
plt.figure()
plt.plot(history3.history['loss'], label='Conv2D Train')
plt.plot(history3.history['val_loss'], label='Conv2D Validation')
plt.plot(history4.history['loss'], label='LSTM only Train')
plt.plot(history4.history['val_loss'], label='LSTM only Validation')
plt.plot(history5.history['loss'], label='MH Attention Train')
plt.plot(history5.history['val_loss'], label='MH Attention Validation')
plt.plot(history6.history['loss'], label='MH Attention 4l Train')
plt.plot(history6.history['val_loss'], label='MH Attention 4l Validation')
plt.ylabel('$MSE$ $Loss$')
plt.xlabel('$Epochs$')
plt.title('Dinamic of Models train')
plt.legend(loc='upper right',fontsize='x-small',ncol=2)
plt.figure()
plt.plot(history3.history['accuracy'], label='Conv2D Train')
plt.plot(history3.history['val_accuracy'], label='Conv2D Validation')
plt.plot(history4.history['accuracy'], label='LSTM only Train')
plt.plot(history4.history['val_accuracy'], label='LSTM only Validation')
plt.plot(history5.history['accuracy'], label='MH Attention Train')
plt.plot(history5.history['val_accuracy'], label='MH Attention Validation')
plt.plot(history6.history['accuracy'], label='MH Attention 4l Train')
plt.plot(history6.history['val_accuracy'], label='MH Attention 4l Validation')
plt.ylabel('$Accuracy$')
plt.xlabel('$Epochs$')
plt.title('Dinamic of Models train')
plt.legend(loc='lower right',fontsize='x-small',ncol=2)
# Загрузка тестовой выборки
test_filename = os.path.join(path,'test_data.csv')
test = np.asarray( pd.read_table(test_filename,
sep=',',
header=None,
skipinitialspace=True,
encoding='utf-8',
float_precision='high',
dtype=np.float64,
low_memory=False))
# Разделение тестовой выборки на исходные данные и цели
test_data=test[:,0:inputs]
test_target=test[:,inputs:]
# Проверка результатов моделей на тестовой выборке
test_loss3, test_acc3 = model3.evaluate(test_data, test_target, verbose=2)
test_loss4, test_acc4 = model4.evaluate(test_data, test_target, verbose=2)
test_loss5, test_acc5 = model5.evaluate(test_data, test_target, verbose=2)
test_loss6, test_acc6 = model6.evaluate(test_data, test_target, verbose=2)
# Вывод результатов тестирования в журнал
print('Conv2D Model')
print('Test accuracy:', test_acc3)
print('Test loss:', test_loss3)
print('LSTM only Model')
print('Test accuracy:', test_acc4)
print('Test loss:', test_loss4)
print('MH Attention Model')
print('Test accuracy:', test_acc5)
print('Test loss:', test_loss5)
print('MH Attention 4l Model')
print('Test accuracy:', test_acc6)
print('Test loss:', test_loss6)
plt.figure()
plt.bar(['Conv2D','LSTM', 'MH Attention','MH Attention 4l'],[test_loss3,test_loss4,test_loss5,test_loss6])
plt.ylabel('$MSE$ $Loss$')
plt.title('Result of test')
plt.figure()
plt.bar(['Conv2D','LSTM', 'MH Attention','MH Attention 4l'],[ttest_acc3,test_acc4,test_acc5,test_acc6])
plt.ylabel('$Accuracy$')
plt.title('Result of test')
plt.show()