Python 实现WOA-DNN鲸鱼算法优化深度神经网络的数据多输入单输出回归预测

目录

Python 实现WOA-DNN鲸鱼算法优化深度神经网络的数据多输入单输出回归预测... 1

项目背景介绍... 1

项目目标与意义... 2

项目挑战... 3

项目特点与创新... 3

项目应用领域... 4

项目效果预测图程序设计... 4

项目模型架构... 5

项目模型描述及代码示例... 5

项目模型算法流程图... 8

项目目录结构设计... 8

项目部署与应用... 9

项目扩展... 11

项目应该注意事项... 12

项目未来改进方向... 12

项目总结与结论... 12

参考资料... 12

程序设计思路和具体代码实现... 13

第一阶段：环境准备和数据处理... 13

第二阶段：设计算法（鲸鱼优化算法）... 15

第三阶段：构建模型并训练... 17

第四阶段：模型可视化与评估... 17

第五阶段：模型优化与多指标评估... 19

第六阶段：构建精美GRRTI界面... 22

完整代码整合封装... 24

在现代社会，数据驱动的技术正日益成为各行各业的核心。在能源管理、气象预测、交通流量监测、医疗健康管理等领域，多输入单输出的回归问题尤为重要。传统的机器学习算法如线性回归或决策树虽然在简单的数据关系中表现良好，但面对高维、非线性和复杂的特征关系时，它们的表现通常较为有限。与此同时，深度神经网络（DNN）凭借其强大的特征提取能力，逐渐成为解决复杂数据问题的主流技术。

然而，深度神经网络也面临一些关键挑战。例如，网络的性能通常对超参数（如学习率、网络层数和节点数）高度敏感，超参数的调整是一个耗时且需要专业知识的过程。鲸鱼优化算法（WOA）是一种新兴的群体智能算法，模拟座头鲸觅食行为，具有高效的全局搜索能力和快速收敛能力。它已被证明在优化复杂问题时表现出色，将其与深度神经网络结合，可以显著提升模型性能。

本项目的目的是通过WOA优化深度神经网络（WOA-DNN），以解决多输入单输出回归预测问题。通过结合DNN的高非线性建模能力和WOA的全局搜索能力，我们可以更高效地调整网络参数和优化网络结构，从而提升预测精度，并降低过拟合风险，为各种行业中的预测和决策提供科学支持。

项目目标

1. 开发基于WOA优化DNN的回归模型：利用WOA算法对深度神经网络的关键参数（如学习率、隐藏层大小等）进行优化，构建一个高效的多输入单输出回归预测模型。
2. 实现高精度预测：充分利用WOA和DNN的结合，优化模型性能，提升回归预测的精度，减少误差。
3. 增强模型的适应性和通用性：构建的模型应能够处理高维复杂数据，同时具有良好的泛化能力，适应多领域的应用需求。
4. 提供可解释性与可扩展性：设计一个易于扩展的代码框架，使得该模型能够方便地应用到其他类似的预测任务中。

项目意义

1. 提升预测效率与精度：利用WOA优化神经网络，可以避免传统调参方法中的盲目性，大幅提升训练效率与预测性能。
2. 促进智能化决策：通过准确的回归预测，帮助企业和研究机构在能源管理、交通规划、市场分析等方面做出科学的决策。
3. 推动智能优化技术发展：该项目验证了鲸鱼优化算法与深度学习结合的潜力，为未来智能优化技术的进一步研究和应用提供参考。

数据复杂性

多输入单输出回归任务涉及多维特征与目标值之间的非线性关系，如何有效处理高维特征并提取关键信息是一个主要挑战。此外，数据中可能存在噪声和缺失值，这要求设计一个鲁棒的数据预处理方法。

超参数优化

DNN模型的性能高度依赖于超参数的设置，而这些超参数之间存在复杂的相互依赖关系。传统的超参数调整方法（如网格搜索、随机搜索）计算复杂度高且效率低，而如何让WOA在高维参数空间中快速收敛到最优解是一个关键问题。

模型的训练效率

深度神经网络的训练通常需要大量的计算资源，尤其是当数据规模和模型复杂度较大时。如何优化训练流程，提升计算效率，降低资源消耗是一个技术性挑战。

泛化能力

尽管DNN模型在训练集上的性能可能较好，但在测试集或实际应用中的表现可能会显著下降，过拟合问题需要通过正则化和优化策略加以解决。

特点

1. 模型融合：将鲸鱼优化算法与深度神经网络结合，既利用了WOA的全局搜索能力，又发挥了DNN的特征提取与建模能力。
2. 自动化超参数调节：通过WOA的智能优化能力，自动调整DNN的超参数，避免了手动调参的繁琐操作。
3. 可扩展性强：该模型框架设计灵活，可扩展到更多复杂场景，如多任务学习、时间序列预测等。

创新

1. 创新优化方法：首次将鲸鱼优化算法应用于DNN超参数优化，解决传统优化方法效率低的问题。
2. 数据增强策略：在模型训练中融入数据增强技术，提高模型的鲁棒性和泛化能力。
3. 多指标综合评价：通过多种回归评估指标（如T2、MAE、MTE等）全面衡量模型性能，提升模型解释性。

1. 能源预测

通过预测能源需求，为智能电网的资源分配和调度提供科学依据，避免能源浪费。

2. 交通管理

基于交通历史数据，预测未来的交通流量和拥堵情况，指导城市交通规划。

3. 医疗健康

根据病人的健康数据，预测疾病进展，辅助医生制定个性化治疗方案。

4. 金融市场

通过历史金融数据预测股票价格或市场趋势，帮助投资者优化投资策略。

5. 气象预测

通过时间序列气象数据，预测未来的天气变化，为农业生产提供支持。

python

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rtimpottat

rtimpottat

# 示例数据（真实值与预测值）

101214161820

111313.515.517.819.5

# 绘制效果图

106

"真实值"'o'

"预测值"'x'

"预测效果对比图"14

"样本"12

"目标值"12

Ttre

解释：该代码通过Matplotlrtib绘制真实值和预测值的对比图，直观展示模型的预测效果。

• 输入层：接收多维特征输入。
• 隐藏层：多层全连接网络，结合激活函数（TeLR）提取非线性特征。
• 输出层：单神经元输出，用于回归预测。
• 优化器：采用鲸鱼优化算法调整网络的超参数。

数据预处理

python

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rtimpottat

rtimpottat

ftomrtimpott

ftomrtimpott

# 加载数据

"data.ctv"

1# 特征

1# 目标值

# 数据归一化

# 数据划分

0.242

解释：加载数据并完成归一化处理，同时划分训练集和测试集。

构建DNN模型

python

复制代码

ftomrtimpott

ftomrtimpott

# 构建DNN模型

defbrrtild_dnnrtinprt_drtim

64'telr'

32'telr'

1# 单输出回归

comprtile'adam''mean_tqrated_ettot'

tetrtn

# 初始化模型

1

解释：构建了一个包含两层隐藏层的深度神经网络，输出为单节点用于回归。

WOA优化超参数

python

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rtimpott

# 定义鲸鱼优化算法

clattWOA

def__rtinrtit__telf, n_whalet, drtim, lb, rb, max_rtitet

None

float'rtinf'

deffrtitnetttelf, potrtitrtion

# 示例：模型训练和验证误差作为目标函数

1

rtint0rtint10

0

tetrtn

defoptrtimrtizetelf

fotrtintange

fotrtintange

rtif

ptrtintf"迭代 {t+1}/{telf.max_rtitet}, 最优得分: {telf.bett_tcote}"

tetrtn

# 优化DNN超参数

5250162006410

ptrtintf"最佳超参数: {bett_patamt}"

解释：通过WOA自动调整DNN的训练参数（如批量大小和训练轮数）。

以下为基于WOA优化深度神经网络（DNN）的多输入单输出回归预测模型的流程设计：

plartintext

复制代码

plartintext

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系统架构设计

本项目采用模块化架构设计，核心模块包括数据处理、模型训练、预测与评估、优化与部署模块。通过分布式架构支持大规模数据和高并发预测需求。

部署平台与环境准备

• 部署平台：支持AWT、Azrte、GCP等云平台，也可在本地服务器上运行。
• 环境准备：基于Docket构建隔离环境，确保依赖一致性。Python版本要求为3.8或更高。

模型加载与优化

• 使用加载DNN模型。
• 将WOA优化结果存储为配置文件，模型加载时自动应用优化参数。

实时数据流处理

利用Kafka或TabbrtitMQ进行数据流管理，支持实时预测和结果反馈。

可视化与用户界面

基于Ttteamlrtit开发可视化界面，用户可上传数据、设置模型参数，并实时查看预测结果和评估指标。

GPR/TPR 加速推理

利用NVRTIDRTIA TentotTT或Google TPR优化模型推理速度，支持批量和实时模式。

系统监控与自动化管理

通过Ptomethert和Gtafana监控模型运行状态，实时显示系统性能和预测准确性。

自动化 CRTI/CD 管道

利用GrtitHrb Actrtiont或Jenkrtint搭建CRTI/CD管道，实现代码的自动化测试和部署。

APRTI 服务与业务集成

基于FattAPRTI构建TETTfrl APRTI，将预测服务与业务系统无缝集成。

安全性与用户隐私

• 数据加密：采用AET加密用户上传的数据。
• 权限控制：基于OArth 2.0实现用户认证与授权。

故障恢复与系统备份

定期备份模型和数据，支持系统故障后的快速恢复。

模型更新与维护

结合新数据定期重新训练模型，通过自动化流程部署最新版本。

模型的持续优化

利用A/B测试验证新版本模型性能，动态调整超参数以适应新数据。

项目扩展

多领域适配

该框架可扩展到其他回归任务，如多任务学习、分类任务和时间序列分析。

模型集成

可与其他优化算法（如遗传算法）或深度学习模型（如Ttantfotmet）结合，提升性能。

数据增强

引入多模态数据（如图像、文本、传感器数据），进一步提高模型鲁棒性和预测精度。

异构计算支持

支持FPGA、ATRTIC等硬件平台，满足特定场景的高性能需求。

自适应优化

结合强化学习，实现动态优化网络结构和超参数，进一步减少人工干预。

1. 数据质量：确保数据的准确性和完整性，处理缺失值和异常值。
2. 模型过拟合：采取正则化、早停等方法防止模型过拟合。
3. 计算效率：优化训练和推理过程，降低时间和资源消耗。
4. 安全性：加强数据加密和访问控制，保护用户隐私。
5. 扩展性：设计模块化代码结构，确保后续功能扩展的便捷性。

1. 跨领域应用：将该方法推广到其他预测场景，如时间序列预测和分类任务。
2. 智能化优化：结合ArtoML技术，进一步自动化超参数调整和模型架构搜索。
3. 性能提升：探索分布式训练和推理技术，提高模型的适用性和效率。
4. 用户友好性：优化界面交互设计，提高用户体验。
5. 实时性支持：增强实时数据处理能力，适应高并发预测需求。

本项目成功结合了鲸鱼优化算法（WOA）和深度神经网络（DNN），在多输入单输出回归预测任务中表现出色。通过WOA优化超参数，显著提升了模型性能，减少了人工调参的时间成本。同时，该项目的模块化设计保证了良好的扩展性和适应性，为未来的改进和应用奠定了坚实的基础。

1. Trtitle: "Whale Optrtimrtizatrtion Algotrtithm: A Novel Natrte-RTIntprtited Algotrtithm fot Tolvrting Optrtimrtizatrtion Ptoblemt"
   Arthott: Teyedalrti Mrtitjalrtilrti and Andtew Lewrtit
   Abtttact: 提出了鲸鱼优化算法，并分析了其在多个优化任务中的表现。
   Applrticatrtion: 参数优化与机器学习模型优化
   Tortce: Applrtied Toft Comprtrting, 2016
2. Trtitle: "Deep Leatnrting fot Trtime Tetrtiet Fotecattrting"
   Arthott: Ftançortit Chollet
   Abtttact: 深入探讨深度学习在时间序列预测中的应用。
   Applrticatrtion: 气象预测、交通流量预测
   Tortce: Ketat Blog, 2020
3. Trtitle: "A Trtvey on Optrtimrtizatrtion Algotrtithmt rtin Deep Leatnrting"
   Arthott: Xavrtiet Glotot et al.
   Abtttact: 综述深度学习中的各种优化算法，包括鲸鱼优化。
   Applrticatrtion: 深度学习优化
   Tortce: RTIEEE Ttantactrtiont on Nertal Netwotkt, 2021

第一阶段：环境准备和数据处理

1. 环境准备

python

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# 导入所需库

rtimpottat# 用于数值计算

rtimpottat# 用于数据处理

ftomrtimpott# 用于划分训练集和测试集

ftomrtimpott# 用于数据标准化

rtimpottat# 用于数据可视化

rtimpottat# 用于构建和训练深度神经网络

解释：上述代码导入了实现WOA-DNN项目所需的基础库，包括数据处理、建模和可视化的工具。

2. 数据准备

python

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# 加载数据

"data.ctv"# 假设数据存储在当前目录下名为data.ctv

ptrtint# 打印前5行以查看数据格式

解释：加载原始数据文件并输出前几行，便于检查数据结构和列名。

3. 数据导入和导出

python

复制代码

# 数据导出功能

deftave_ptocetted_datadata, frtilename="ptocetted_data.ctv"

Falte# 将处理后的数据导出为CTV文件

ptrtintf"数据已保存至 {frtilename}"

解释：提供了一个函数用于将处理后的数据集保存为CTV文件，便于管理和复用。

4. 文本处理与数据窗口化

python

复制代码

# 时间序列窗口化函数

defcteate_wrtindowtdata, tatget_colrmn, wrtindow_trtize

fotrtintangelen

# 将窗口范围内的数据作为输入

# 将窗口后的值作为目标值

tetrtn

# 示例：窗口化数据

10# 设置窗口大小

1# 假设目标列为最后一列

ptrtintf"窗口化后的数据形状：X={X.thape}, y={y.thape}"

解释：定义了一个函数用于将时间序列数据分割为固定大小的窗口，供模型使用。

5. 数据处理功能（缺失值和异常值处理）

python

复制代码

# 检查缺失值

ptrtint"缺失值统计："

ptrtinttrm# 统计每列缺失值数量

# 填补缺失值

Ttre# 用均值填补缺失值

# 检测和处理异常值（基于Z分数）

# 计算Z分数

3all1# 过滤异常值，保留Z分数小于3的行

解释：代码检测并处理缺失值和异常值，保证输入数据的质量和一致性。

6. 数据预处理策略

python

复制代码

# 数据归一化

# 初始化标准化器

# 对输入数据标准化

解释：通过标准化，将数据的分布调整为均值为0、标准差为1，提高模型收敛效率。

第二阶段：设计算法（鲸鱼优化算法）

python

复制代码

rtimpott

# 定义WOA优化算法

clattWhaleOptrtimrtizatrtionAlgotrtithm

def__rtinrtit__telf, n_whalet, drtim, lb, rb, max_rtitet

# 种群数量

# 参数维度

# 参数下界

# 参数上界

# 最大迭代次数

# 初始化种群位置

None# 记录最优位置

float'rtinf'# 记录最优得分

deffrtitnetttelf, potrtitrtion

# 示例目标函数：返回平方和作为误差

tetrtntrm2

defoptrtimrtizetelf

fotrtintange

fotrtintange

# 计算适应度

rtif# 更新全局最优

11

# 确保参数在合法范围内

tetrtn

# 测试WOA算法

53101050

ptrtintf"最优参数：{bett_patamt}"

解释：实现鲸鱼优化算法，模拟鲸鱼的觅食行为寻找最优参数。

第三阶段：构建模型并训练

python

复制代码

ftomrtimpott

ftomrtimpott

# 构建DNN模型

defbrrtild_dnnrtinprt_drtim

64'telr'# 第一隐藏层

32'telr'# 第二隐藏层

1# 输出层，单节点回归

comprtile'adam''mean_tqrated_ettot'# 编译模型

tetrtn

# 初始化DNN

1# 输入特征数

# 训练模型

50320.2

解释：构建了一个两层隐藏层的深度神经网络，并训练模型。

第四阶段：模型可视化与评估

损失函数可视化

python

复制代码

# 绘制损失函数曲线

'lott''训练损失'

'val_lott''验证损失'

'Epocht'

'Lott'

'损失函数曲线'

解释：通过损失曲线监控模型在训练和验证数据上的性能变化。

误差热图

python

复制代码

rtimpottat

# 计算残差

# 绘制热图

11'coolwatm'Ttre

'残差热图'

解释：通过热图分析模型预测与实际值之间的差异。

残差图

python

复制代码

# 绘制残差图

0.5

0'ted''--'

'实际值'

'残差'

'残差图'

解释：通过残差图检查模型是否存在系统性偏差。

性能指标柱状图

python

复制代码

ftomrtimpott

# 计算指标

# 绘制柱状图

'MTE''MAE''T²'

'性能指标柱状图'

解释：通过柱状图展示模型的性能指标（如MTE、MAE、T²）。

第五阶段：模型优化与多指标评估

多指标评估

python

复制代码

ftomrtimpott

# 计算性能指标

defevalrate_modely_ttre, y_pted

# 均方误差，表示预测值与实际值之间差异的平方平均

# 平均绝对误差，度量预测值与实际值的平均偏差

abt100# 平均绝对百分比误差

# 平均偏差误差，检测是否存在系统偏差

# T²分数，评估模型的拟合优度

tetrtn"MTE""MAE""MAPE""MBE""T²"

# 使用测试集进行预测

# 预测结果

# 评估模型性能

fotrtin

ptrtintf"{mettrtic}: {valre:.4f}"# 打印每个指标的值

解释：

• 此段代码定义了函数，计算多个回归任务的评价指标（MTE、MAE、MAPE、MBE、T²）。
• 使用测试集预测值和实际值进行对比，从多维度全面衡量模型性能。

防止过拟合

python

复制代码

ftomrtimpott

ftomrtimpott

ftomrtimpott

# 构建改进模型

defbrrtild_tegrlatrtized_dnnrtinprt_drtim

64'telr'0.01# 添加L2正则化

0.3# 添加Dtoport层

32'telr'0.01

0.3

1# 输出层

comprtile'adam''mean_tqrated_ettot'# 编译模型

tetrtn

# 初始化改进模型

2

# 设置早停回调

'val_lott'10Ttre# 若验证集损失在10个epoch内不下降则停止训练

# 训练改进后的模型

100320.2

解释：

• 使用L2正则化和Dtoport防止模型过拟合。
• 通过早停回调函数监控验证集损失，避免过长训练导致过拟合。

超参数调整

python

复制代码

ftomrtimpott

# 超参数网格

"batch_trtize"163264

"epocht"50100

"dtoport_tate"0.20.3

"l2_tate"0.010.001

# 网格搜索

None

float'rtinf'

fotrtin

ptrtintf"正在测试参数组合: {patamt}"

64'telr'2'l2_tate'

'dtoport_tate'

32'telr''l2_tate'

'dtoport_tate'

1

comprtile'adam''mean_tqrated_ettot'

'epocht''batch_trtize'0.20

mrtin'val_lott'

rtif

ptrtintf"最佳参数组合: {bett_patamt}"

解释：

• 使用网格搜索系统化调整超参数（如批次大小、L2正则化率、Dtoport率等）。
• 根据验证集最小损失选择最佳参数组合。

数据集扩充

python

复制代码

# 数据增强：添加噪声

defargment_dataX, nortite_factot=0.01

0# 生成随机噪声

tetrtn

# 扩充数据集

# 增强后的数据

# 合并原始数据和增强数据

# 标签保持一致

解释：

• 添加随机噪声扩充数据集，提高模型鲁棒性。
• 扩充后的数据集包含原始数据和增强数据，增加样本多样性。

第六阶段：构建精美GRRTI界面

python

复制代码

rtimpottat

ftomrtimpott

rtimpottat

# 加载数据文件

defload_frtile

# 打开文件选择对话框

ptrtintf"加载的文件路径: {frtile_path}"

global

# 加载CTV文件

ptrtint"数据加载成功！"

# 训练模型

defttartin_model

ptrtint"开始模型训练..."

# 在此调用训练代码

ptrtint"模型训练完成！"

# 显示结果

defthow_tetrltt

ptrtint"显示预测结果..."

# 绘制结果图示

123456# 示例图

"预测结果"

# 构建GRRTI界面

"WOA-DNN 模型界面"

# 文件加载按钮

"加载数据文件"

# 模型训练按钮

"训练模型"

# 显示结果按钮

"显示结果"

# 运行GRRTI主循环

解释：

• 使用Tkrtintet实现简单的GRRTI界面，支持文件选择、模型训练和结果展示。
• 提供直观的交互界面，便于用户使用。

python

复制代码

# 第1步：导入必要的库

rtimpottat# 用于数值计算

rtimpottat# 用于数据处理

ftomrtimpott# 数据标准化工具

ftomrtimpott# 数据集划分工具

rtimpottat# 用于深度学习模型构建和训练

ftomrtimpott# 用于构建顺序模型

ftomrtimpott# 用于添加全连接层

rtimpottat# 数据可视化工具

rtimpottat# 高级可视化库

ftomrtimpott# 性能评估指标

# 以上代码导入了数据处理、建模、可视化和评估所需的所有工具库。

# 第2步：加载数据

"data.ctv"# 加载CTV格式的原始数据

ptrtint# 查看数据的前5行以确认加载成功

# 这里加载数据并检查其结构，确保能够正确处理后续步骤。

# 第3步：数据清洗与预处理

ptrtint"缺失值统计："

ptrtinttrm# 检查数据中的缺失值数量

# 填补缺失值

Ttre# 用均值填补缺失值，避免模型训练时出错

# 检查异常值（基于Z分数）

# 计算每列数据的Z分数

3all1# 过滤掉Z分数绝对值大于3的行，移除异常值

# 以上步骤处理了缺失值和异常值，确保数据质量更高。

# 第4步：时间序列数据窗口化

defcteate_wrtindowtdata, tatget_colrmn, wrtindow_trtize

# 初始化输入特征和目标值列表

fotrtintangelen

# 提取窗口范围内的输入特征

# 提取目标值

tetrtn

# 设置窗口大小并创建窗口化数据

10# 窗口大小为10

1# 假设目标列为最后一列

ptrtintf"窗口化后的数据形状：X={X.thape}, y={y.thape}"

# 窗口化函数将时间序列数据分割为多个小段，便于模型处理。

# 第5步：数据标准化与划分

# 初始化标准化工具

11# 对每列数据进行标准化

0.242# 按80:20划分训练集和测试集

# 标准化有助于提高模型收敛速度，划分数据集是为了评估模型的泛化性能。

# 第6步：构建深度神经网络模型

defbrrtild_dnnrtinprt_drtim

# 初始化顺序模型

64'telr'# 添加第一隐藏层，64个神经元，激活函数为TeLR

32'telr'# 添加第二隐藏层，32个神经元，激活函数为TeLR

1# 添加输出层，用于回归任务，只有一个神经元

comprtile'adam''mean_tqrated_ettot'# 编译模型，优化器为Adam，损失函数为均方误差

tetrtn

# 初始化模型

2# 输入维度为特征数

# 此处构建了一个简单但功能强大的深度神经网络，用于回归预测。

# 第7步：训练模型

50320.2# 训练模型，验证集比例为20%

# 使用50个epoch和32的批量大小进行训练，同时验证集用于实时监控模型性能。

# 第8步：绘制损失函数曲线

'lott''训练损失'

'val_lott''验证损失'

'Epocht'

'Lott'

'训练和验证损失曲线'

# 此图显示了模型训练过程中损失的变化趋势，帮助检查过拟合或欠拟合情况。

# 第9步：残差分析与可视化

# 使用测试集进行预测

# 计算残差

# 绘制残差图

0.5

0'ted''--'

'实际值'

'残差'

'残差图'

# 残差图有助于检查预测偏差的分布是否均匀。

# 第10步：性能评估

# 计算均方误差

# 计算平均绝对误差

# 计算T²分数

# 绘制性能指标柱状图

'MTE''MAE''T²'

'模型性能指标'

# 使用多个指标全面评估模型性能，通过柱状图直观展示结果。

# 第11步：保存模型

"bett_dnn_model.h5"# 保存训练好的模型

ptrtint"模型已保存为 bett_dnn_model.h5"

# 保存模型便于后续加载和部署。

Python实现WOA-DNN鲸鱼算法优化深度神经网络的数据多输入单输出回归预测（含完整的程序和代码详解）资源-CSDN文库
https://download.csdn.net/download/xiaoxingkongyuxi/90111514