用Transformer做多元时序预测的最佳方法?

Transformer时间序列预测-多变量输入-单变量输出+多变量输出,完整代码数据,可直接运行 阅读详情

Transformer如何应用于时间序列预测一直是近期探讨的一个核心问题,这里包括多变量建模的处理方式、Transformer的结构等。在DLinear中,提出了用线性模型打败Transformer模型;在后来的PatchTST等工作中,又验证了Transformer的有效性。那么,到底如何使用Transformer进行时间序列预测效果最好呢?

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近期华南理工大学发表了PETFormer,这篇文章主要从两个角度探索了Transformer如何应用于时间序列预测,一方面是Transformer的结构上,提出了Placeholder-enhanced结构;另一方面是多变量关系建模上,探索了最有效的建模方式。

下面,将从输入数据构建、Transformer结构、多变量关系建模3个角度介绍一下本文的核心工作。

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论文标题:PETformer: Long-term Time Series Forecasting via Placeholder-enhanced Transformer

下载地址:https://arxiv.org/pdf/2308.04791v1.pdf

1

输入数据构造

时间序列和NLP不同,NLP每个token就有明确的语义含义,而时间序列每个点并没有明确含义,需要结合上下文信息才能体现出来。因此,本文仍然沿用了PatchTST的方式,将时间序列分成多个patch,每个patch分别生成embedding。和PatchTST的差别是,文中使用了更大的子序列长度,这样一方面可以提升运算效率,另一方面也让每个patch的语义信息更加明确。

此外,文中也使用RevIN的方式,对输入序列进行了归一化处理。

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Transformer结构

在Transformer结构上,本文提出了placeholder-enhanced的方式。在原来的Encoder-Decoder结构中,预测序列和历史序列被分割成两个部分分别由Encoder和Decoder建模,再通过cross-attention建立联系。这个过程会使历史序列的信息出现损失,无法完美应用到Decoder中。

为了解决这个问题,文中采用了placeholder-enhanced的方式,在Decoder部分使用几个可学习的向量作为输入,不再区分Encoder和Decoder,而是拼接到历史序列的token上,一起输入到统一Transformer,让待预测部分可以更自然的获取历史序列信息。

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在attention的计算方式上,文中尝试了如下4种attention计算方式:

Full attention:每个节点做双向attention

No inter-future attention:未来序列部分内部不做attention

No inter-history attention:历史序列部分不做attention,相当于未来序列和历史序列每个token独立进行attention

Only future focuses on history:只有未来序列和历史序列做attention,未来序列和历史序列内部都不做attention

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多变量建模方法

在上述的过程中,每个变量是独立建模的,建模过程中没有考虑到各个变量之间的关系,和PatcchTST类似。但是,各变量的关系是有额外信息增益的,因此本文增加了一个Inter-channel Interaction模块,在每个变量独立进行时间维度建模后,再进行一次多变量间关系建模。

具体的建模方式,文中也尝试了4种类型:

No channel interaction:每个变量独立,不建模变量间关系

Self-attention:变量间使用self-attention建模

Channel identifier:每个channel用一个可学习的向量,和token计算关系

Cross-attention:结合每个channel的token和identifier进行attention

在这里插入图片描述

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实验结果

文中对多个组件进行了消融实验,分析不同模块设计对最终效果的影响。

在模型结构方面,整体结果如下表,使用PET的方式比Encoder-Decoder等结构效果要好,同时full attention的方式要优于其他attention方式。

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对于patch内子序列长度的选择,可以看出子序列长度越大,整体效果越好:

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对于多变量关系建模方面,直接将channel融合到一起输入Transformer的效果最差,而其他的各种将channel间信息交互与时序建模分开的方式效果基本不相上下。但是整体来看仍然是不用channel间交互的方式效果会稍好一些。文中认为channel间关系难以建模是导致引入channel间关系建模效果效果提升不明显的原因。

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如何学习大模型

现在社会上大模型越来越普及了,已经有很多人都想往这里面扎,但是却找不到适合的方法去学习。

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一、AGI大模型系统学习路线

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二、AI大模型视频教程

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三、AI大模型各大学习书籍

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五、结束语

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因此,学习AI大模型是一项有前景且值得投入的时间和精力的重要选择。

使用PyTorch实现Transformer进行多变量多步长时间序列预测 在本文中,我们将使用PyTorch库来构建一个Transformer模型,用于多变量多步长时间序列的预测。接下来,我们将定义Transformer模型的各个组件。接下来,我们定义一个自注意力层(SelfAttention),它将输入序列分为多个头(heads)并计算每个头的注意力权重。现在,我们已经定义了Transformer模型的所有组件,我们可以使用它来进行多变量多步长时间序列的预测。现在,我们可以定义完整的Transformer模型,它由多个编码器层和解码器层构成。我们还需要定义损失函数和优化器。 阅读详情

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