رفتن به محتوا
همه اسناد کتابخانه

شبکه عصبی DeePM برای وزن‌های ریسک سبد میان دارایی‌ها

کد یادگیری ماشین برای معامله‌گری

خلاصه

این سند معماری یک شبکه سیاست عصبی را شرح می‌دهد که سری‌های زمانی و زمینه هر دارایی را به وزن‌های ریسک محدودشده سبد تبدیل می‌کند. ستون فقرات هر دارایی، جاسازی‌های زمینه، تعدیل ویژگی‌محور، انتخاب متغیر، یک LSTM و توجه زمانی علّی را ترکیب می‌کند. سپس روابط میان دارایی‌ها را با توجه مقطعی با تأخیر پردازش می‌کند و می‌تواند به‌صورت اختیاری توجه را به گراف مجاورت اقتصاد کلان محدود کند.

زمینه ایستا می‌تواند هویت دارایی، عضویت گروهی و هزینه‌های معاملاتی را کدگذاری کند و ماسک‌ها نیز دارایی‌های در دسترس‌نبودنی را مدیریت می‌کنند. سر خروجی از تانژانت هذلولوی استفاده می‌کند و ماسک دارایی را اعمال می‌کند تا برای دارایی‌های معتبر وزن‌هایی بین منفی یک و مثبت یک تولید شود. این سند اجزای معماری و سازوکارهای محافظتی در برابر ردیف‌های توجه بدون کلید معتبر را توضیح می‌دهد، اما رویه آموزشی، نتایج معاملاتی، مقایسه با معیار مرجع یا شواهدی مبنی بر بهبود عملکرد سبد با این معماری ارائه نمی‌کند. بنابراین، این توضیحات به درک طراحی مدل کمک می‌کنند، نه قضاوت درباره اثربخشی تجربی آن.

ایده‌های کلیدی

  • زمینه دارایی می‌تواند هم ویژگی‌های ورودی و هم حالت‌های پنهان بازگشتی را شرطی کند.
  • انتخاب متغیر، ویژگی‌ها را با وزن‌های وابسته به زمینه ترکیب می‌کند.
  • مدل برای نمایش الگوهای زمانی از لایه‌های بازگشتی و توجه علّی استفاده می‌کند.
  • توجه مقطعی با تأخیر و ماسک گرافی اختیاری، روابط میان دارایی‌ها را مدل می‌کنند.
  • سر خروجی محدودشده، وزن‌های ریسک علامت‌دار تولید می‌کند و در دسترس‌بودن دارایی‌ها را در نظر می‌گیرد.

برچسب‌ها

متن کامل
# model.py


```py
"""PyTorch implementation of the DeePM deep portfolio manager.

Architecture components:
1. Per-asset temporal backbone (shared weights): FiLM conditioning, variable
   selection, LSTM, temporal self-attention.
2. Cross-sectional attention with Directed Delay for causality.
3. Macroeconomic graph prior as adjacency-masked attention.
4. Output: bounded risk weight p_{i,t} in (-1, 1) via tanh.
"""

from __future__ import annotations

import torch
from torch import nn

from .configs import ModelConfig
from .utils import causal_attention_mask


class StaticContextEncoder(nn.Module):
    """Encode per-asset static context (asset id, group id, costs)."""

    def __init__(
        self,
        *,
        n_assets: int,
        n_groups: int | None,
        cfg: ModelConfig,
    ) -> None:
        super().__init__()
        self.cfg = cfg
        self.asset_emb = nn.Embedding(n_assets, cfg.asset_embedding_dim)

        self.group_emb: nn.Embedding | None = None
        if cfg.use_group_embedding:
            if n_groups is None:
                raise ValueError("n_groups required when use_group_embedding is True")
            self.group_emb = nn.Embedding(n_groups, cfg.group_embedding_dim)

        self.include_cost = cfg.use_cost_in_context

    @property
    def context_dim(self) -> int:
        dim = self.cfg.asset_embedding_dim
        if self.group_emb is not None:
            dim += self.cfg.group_embedding_dim
        if self.include_cost:
            dim += 1
        return dim

    def forward(
        self,
        *,
        asset_ids: torch.Tensor,
        group_ids: torch.Tensor | None,
        costs: torch.Tensor | None,
    ) -> torch.Tensor:
        """Return context embedding of shape (N, C)."""
        emb_list = [self.asset_emb(asset_ids)]

        if self.group_emb is not None:
            if group_ids is None:
                raise ValueError("group_ids required when group_emb is enabled")
            emb_list.append(self.group_emb(group_ids))

        if self.include_cost:
            if costs is None:
                raise ValueError("costs required when use_cost_in_context is True")
            emb_list.append(costs)

        return torch.cat(emb_list, dim=-1)


class FiLM(nn.Module):
    """Feature-wise linear modulation: x -> x * (1 + gamma) + beta."""

    def __init__(self, *, context_dim: int, n_features: int) -> None:
        super().__init__()
        self.proj = nn.Linear(context_dim, 2 * n_features)
        self.n_features = n_features

    def forward(self, x: torch.Tensor, context: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
        gb = self.proj(context)  # (N, 2F)
        gamma, beta = gb[:, : self.n_features], gb[:, self.n_features :]
        gamma = gamma.unsqueeze(0).unsqueeze(0)  # (1, 1, N, F)
        beta = beta.unsqueeze(0).unsqueeze(0)
        return x * (1.0 + gamma) + beta


class VectorizedVariableSelection(nn.Module):
    """Lightweight variable selection network (V-VSN)."""

    def __init__(
        self,
        *,
        n_features: int,
        d_model: int,
        context_dim: int,
        hidden_dim: int,
        dropout: float,
    ) -> None:
        super().__init__()
        self.n_features = n_features
        self.d_model = d_model

        self.feature_weight = nn.Parameter(torch.empty(n_features, d_model))
        self.feature_bias = nn.Parameter(torch.zeros(n_features, d_model))
        nn.init.xavier_uniform_(self.feature_weight)

        self.selector = nn.Sequential(
            nn.Linear(n_features + context_dim, hidden_dim),
            nn.ReLU(),
            nn.Dropout(dropout),
            nn.Linear(hidden_dim, n_features),
        )
        self.out_norm = nn.LayerNorm(d_model)

    def forward(self, x: torch.Tensor, context: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
        b, t, n, f = x.shape
        context_bt = context.unsqueeze(0).unsqueeze(0).expand(b, t, n, -1)
        logits = self.selector(torch.cat([x, context_bt], dim=-1))
        weights = torch.softmax(logits, dim=-1)

        z = torch.einsum("btnf,fd->btnfd", x, self.feature_weight) + self.feature_bias
        h = (weights.unsqueeze(-1) * z).sum(dim=-2)
        return self.out_norm(h)


class AdapterBlock(nn.Module):
    """FFN adapter with residual connection and LayerNorm."""

    def __init__(self, *, d_model: int, hidden_mult: int, dropout: float) -> None:
        super().__init__()
        d_ff = int(hidden_mult * d_model)
        self.ln = nn.LayerNorm(d_model)
        self.ff = nn.Sequential(
            nn.Linear(d_model, d_ff), nn.GELU(), nn.Dropout(dropout), nn.Linear(d_ff, d_model)
        )
        self.dropout = nn.Dropout(dropout)

    def forward(self, x: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
        return x + self.dropout(self.ff(self.ln(x)))


class TemporalSelfAttentionBlock(nn.Module):
    """Causal temporal self-attention per asset."""

    def __init__(self, *, d_model: int, n_heads: int, dropout: float, adapter_mult: int) -> None:
        super().__init__()
        self.mha = nn.MultiheadAttention(
            embed_dim=d_model, num_heads=n_heads, dropout=dropout, batch_first=True
        )
        self.ln = nn.LayerNorm(d_model)
        self.dropout = nn.Dropout(dropout)
        self.adapter = AdapterBlock(d_model=d_model, hidden_mult=adapter_mult, dropout=dropout)

    def forward(self, x: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
        t = x.shape[1]
        attn_mask = causal_attention_mask(t, device=x.device)
        y, _ = self.mha(x, x, x, attn_mask=attn_mask)
        x = self.ln(x + self.dropout(y))
        return self.adapter(x)


class CrossSectionalAttention(nn.Module):
    """Cross-asset attention with Directed Delay (time lag)."""

    def __init__(self, *, d_model: int, n_heads: int, dropout: float, lag: int) -> None:
        super().__init__()
        self.lag = int(lag)
        self.mha = nn.MultiheadAttention(
            embed_dim=d_model, num_heads=n_heads, dropout=dropout, batch_first=True
        )
        self.ln = nn.LayerNorm(d_model)
        self.dropout = nn.Dropout(dropout)

    def forward(self, h: torch.Tensor, mask: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
        b, t, n, d = h.shape

        if self.lag > 0:
            pad = torch.zeros((b, self.lag, n, d), device=h.device, dtype=h.dtype)
            h_kv = torch.cat([pad, h[:, : t - self.lag, :, :]], dim=1)
            pad_m = torch.zeros((b, self.lag, n), device=mask.device, dtype=mask.dtype)
            m_kv = torch.cat([pad_m, mask[:, : t - self.lag, :]], dim=1)
        else:
            h_kv = h
            m_kv = mask

        q = h.reshape(b * t, n, d)
        kv = h_kv.reshape(b * t, n, d)
        key_padding_mask = m_kv.reshape(b * t, n) < 0.5

        # When lag > 0, the first `lag` timesteps have all-zero keys and masks.
        # All keys masked → softmax(all -inf) → NaN. Unmask all positions for
        # those rows; attention over zero-valued keys yields zero, so the
        # residual connection passes through h unchanged.
        all_masked = key_padding_mask.all(dim=-1, keepdim=True)
        if all_masked.any():
            key_padding_mask = key_padding_mask & ~all_masked

        out, _ = self.mha(q, kv, kv, key_padding_mask=key_padding_mask)
        out = out.reshape(b, t, n, d)

        return self.ln(h + self.dropout(out))


class MacroGraphAttention(nn.Module):
    """Adjacency-masked cross-asset attention (GAT-like)."""

    def __init__(
        self,
        *,
        d_model: int,
        n_heads: int,
        dropout: float,
        adjacency_mask: torch.Tensor,
    ) -> None:
        super().__init__()
        self.register_buffer("adjacency_mask", adjacency_mask.to(dtype=torch.bool))
        self.mha = nn.MultiheadAttention(
            embed_dim=d_model, num_heads=n_heads, dropout=dropout, batch_first=True
        )
        self.ln = nn.LayerNorm(d_model)
        self.dropout = nn.Dropout(dropout)

    def forward(self, h: torch.Tensor, mask: torch.Tensor) -> torch.Tensor:
        b, t, n, d = h.shape
        x = h.reshape(b * t, n, d)
        key_padding_mask = mask.reshape(b * t, n) < 0.5

        # Guard: if adjacency_mask + key_padding_mask blocks ALL keys for any
        # query, softmax produces NaN. Unmask everything for those rows.
        combined = self.adjacency_mask.unsqueeze(0) | key_padding_mask.unsqueeze(1)
        all_blocked = combined.all(dim=-1)  # (B*T, N) — True if query i has no valid key
        if all_blocked.any():
            key_padding_mask = key_padding_mask & ~all_blocked

        out, _ = self.mha(x, x, x, attn_mask=self.adjacency_mask, key_padding_mask=key_padding_mask)
        out = out.reshape(b, t, n, d)
        return self.ln(h + self.dropout(out))


class DeepmPolicy(nn.Module):
    """DeePM policy network that outputs risk weights p_{i,t} in (-1, 1)."""

    def __init__(
        self,
        *,
        n_assets: int,
        n_features: int,
        n_groups: int | None,
        adjacency_mask: torch.Tensor | None,
        cfg: ModelConfig,
    ) -> None:
        super().__init__()
        self.n_assets = int(n_assets)
        self.n_features = int(n_features)
        self.cfg = cfg

        self.context_encoder = StaticContextEncoder(n_assets=n_assets, n_groups=n_groups, cfg=cfg)
        context_dim = self.context_encoder.context_dim

        self.film = FiLM(context_dim=context_dim, n_features=n_features)
        self.vvsn = VectorizedVariableSelection(
            n_features=n_features,
            d_model=cfg.d_model,
            context_dim=context_dim,
            hidden_dim=cfg.vvsn_hidden_dim,
            dropout=cfg.dropout,
        )

        self.lstm = nn.LSTM(
            input_size=cfg.d_model,
            hidden_size=cfg.d_model,
            num_layers=cfg.lstm_layers,
            batch_first=True,
            dropout=cfg.dropout if cfg.lstm_layers > 1 else 0.0,
        )
        self.h0_proj = nn.Linear(context_dim, cfg.lstm_layers * cfg.d_model)
        self.c0_proj = nn.Linear(context_dim, cfg.lstm_layers * cfg.d_model)

        self.temporal_blocks = nn.ModuleList(
            [
                TemporalSelfAttentionBlock(
                    d_model=cfg.d_model,
                    n_heads=cfg.n_heads,
                    dropout=cfg.dropout,
                    adapter_mult=cfg.adapter_hidden_mult,
                )
                for _ in range(cfg.temporal_mha_layers)
            ]
        )

        self.cross_attn = CrossSectionalAttention(
            d_model=cfg.d_model,
            n_heads=cfg.cross_attention_heads,
            dropout=cfg.dropout,
            lag=cfg.cross_attention_lag,
        )

        self.macro_graph: MacroGraphAttention | None = None
        if adjacency_mask is not None:
            self.macro_graph = MacroGraphAttention(
                d_model=cfg.d_model,
                n_heads=cfg.macro_gnn_heads,
                dropout=cfg.dropout,
                adjacency_mask=adjacency_mask,
            )

        self.head = nn.Linear(cfg.d_model, 1)

    def forward(
        self,
        x: torch.Tensor,
        *,
        mask: torch.Tensor,
        asset_ids: torch.Tensor,
        group_ids: torch.Tensor | None,
        costs: torch.Tensor | None,
    ) -> torch.Tensor:
        """Forward pass: features (B,T,N,F) -> risk weights (B,T,N) in (-1,1)."""
        b, t, n, f = x.shape

        context = self.context_encoder(asset_ids=asset_ids, group_ids=group_ids, costs=costs)
        x_mod = self.film(x, context)
        h = self.vvsn(x_mod, context)  # (B,T,N,D)

        # Per-asset temporal backbone
        h_bn = h.permute(0, 2, 1, 3).reshape(b * n, t, self.cfg.d_model)

        ctx_bn = context.unsqueeze(0).expand(b, n, -1).reshape(b * n, -1)
        h0 = (
            self.h0_proj(ctx_bn)
            .reshape(b * n, self.cfg.lstm_layers, self.cfg.d_model)
            .permute(1, 0, 2)
            .contiguous()
        )
        c0 = (
            self.c0_proj(ctx_bn)
            .reshape(b * n, self.cfg.lstm_layers, self.cfg.d_model)
            .permute(1, 0, 2)
            .contiguous()
        )

        h_bn, _ = self.lstm(h_bn, (h0, c0))

        for block in self.temporal_blocks:
            h_bn = block(h_bn)

        h = h_bn.reshape(b, n, t, self.cfg.d_model).permute(0, 2, 1, 3).contiguous()

        # Cross-sectional blocks
        h = self.cross_attn(h, mask)
        if self.macro_graph is not None:
            h = self.macro_graph(h, mask)

        # Output head -> tanh
        p = torch.tanh(self.head(h).squeeze(-1))
        return p * mask

```

با ذکر منبع و مطابق مجوز اثر، به‌طور کامل نمایش داده می‌شود. مجوز: MIT

این خلاصه را عامل پژوهشی Stratmill بر پایه متن اصلی نوشته است؛ نسخه‌ای از اثر منبع نیست.