Time Series Forecasting (三) : hierachical and grouped time series

本文探讨了处理具有层级关系的时间序列预测问题,如预测游客数量时涉及城市、省和国家等多个层次。传统的逐个维度建模无法保证预测的一致性。作者介绍了Rob J Hyndman书中关于此主题的内容,强调了保证预测结果在聚合结构中一致性的挑战,以及高层级和低层级序列的特点。并提及了不同的处理方法。

这一篇的主题主要是如何处理一组有层级关系的序列预测。例如我们进行未来30天的游客数量预测,需要涉及多个颗粒度:城市,省和国家。当然我们可以对每个维度单独建模进行预测,但是很明显这多个序列是有层级关系的:城市维度的预测应该可以聚合到省份而进一步向上聚合到国家。各序列单独预测并不能保证这种一致性。那么就涉及到对这一方向的进一步研究。

笔者偶然发现Rob J Hyndman的书(见上图)中是有这样一章的Chapter 10 Forecasting hierarchical or grouped time series,结构比较清晰,在这里简单整理一下。

Challenge: we require forecasts to add up in a manner

### 当前现状 循环神经网络(RNN)在时间序列预测领域已有广泛应用。RNN能够处理顺序数据,通过将输入序列视为固定大小的块,并生成输出序列,其中每个元素依赖于序列中的先前元素,适合处理具有时间依赖关系的时间序列数据,其输入通常是代表不同特征观测值的一个或多个向量,输出也是值的序列,常用于分类或回归任务[^1]。 在实际应用中,将时间序列数据馈入神经网络的常见方法是把整个序列分解为连续的输入窗口,然后用网络预测窗口或紧随输入窗口之后的单个数据点,这体现了RNN在时间序列预测中的一种具体应用方式[^2]。 不过,传统RNN存在梯度消失或梯度爆炸等问题,限制了其对长序列的处理能力。为了克服这些问题,出现了如长短时记忆网络(LSTM)和门控循环单元(GRU)等改进的RNN变体,它们在时间序列预测中取得了更好的效果。 ### 未来方向 未来,RNN在时间序列预测方面可能会朝着以下几个方向发展: - **模型优化**:不断改进现有模型结构,进一步解决长序列依赖问题,提高模型的泛化能力和预测精度。例如,探索新的门控机制或注意力机制,以更好地捕捉时间序列中的复杂模式。 - **多模态融合**:结合其他类型的数据,如文本、图像等,进行多模态时间序列预测。这样可以综合更多的信息,提高预测的准确性和可靠性。 - **与其他技术结合**:与强化学习、迁移学习等技术相结合,拓展RNN在时间序列预测中的应用场景。例如,使用强化学习优化模型的训练过程,或利用迁移学习将在一个领域学到的知识应用到其他相关领域的时间序列预测中。 - **可解释性研究**:提高RNN模型的可解释性,使人们能够更好地理解模型的决策过程。这对于一些对解释性要求较高的领域,如金融、医疗等,尤为重要。 ```python # 简单的RNN示例代码(使用PyTorch) import torch import torch.nn as nn # 定义一个简单的RNN模型 class SimpleRNN(nn.Module): def __init__(self, input_size, hidden_size, output_size): super(SimpleRNN, self).__init__() self.rnn = nn.RNN(input_size, hidden_size, batch_first=True) self.fc = nn.Linear(hidden_size, output_size) def forward(self, x): out, _ = self.rnn(x) out = self.fc(out[:, -1, :]) return out # 示例参数 input_size = 10 hidden_size = 20 output_size = 1 model = SimpleRNN(input_size, hidden_size, output_size) ```
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