رفتن به محتوا
همه اسناد کتابخانه

یادگیری تقویتی برای اجرای معامله با آگاهی از بازار

کد یادگیری ماشین برای معامله‌گری

خلاصه

این سند محیطی Gymnasium را برای آموزش یک عامل به‌منظور نقدکردن موقعیت طی افقی ثابت شرح می‌دهد. مشاهده، موجودی و زمان باقی‌مانده را با اسپرد، عمق بازار، نوسان و رژیم عادی یا بحرانی ترکیب می‌کند. کنش پیوسته سرعت اجرا را نسبت به برنامه مرجع تعیین می‌کند و محدودیت‌های مشارکت و برنامه، معاملات را محدود می‌کنند. در گام پایانی، سهام باقی‌مانده فروخته می‌شوند تا اجرا کامل شود.

مسیرهای بازار شامل نوسان GARCH، نقدشوندگی وابسته به رژیم و تغییر قیمت بدون رانش جهت‌دار مورد انتظار هستند. قیمت‌های اجرا اسپرد و اثر موقت بازار را منعکس می‌کنند؛ معاملات همچنین از طریق اثر دائمی بر قیمت‌های آتی تأثیر می‌گذارند. پاداش‌ها کسری اجرای سفارش، ریسک موجودی باقی‌مانده و انحراف از برنامه مرجع را جریمه می‌کنند. کد از پارامترهای کالیبره‌شده یا پیش‌فرض‌های تعبیه‌شده پشتیبانی می‌کند، اما نتیجه آموزشی یا شاهدی بر برتری سیاست یادگرفته‌شده نسبت به روش‌های اجرای تثبیت‌شده ارائه نمی‌دهد. بنابراین فرض‌های شبیه‌سازی و کیفیت کالیبراسیون، نتیجه‌گیری درباره عملکرد واقعی را محدود می‌کنند.

ایده‌های کلیدی

  • عامل موجودی، زمان باقی‌مانده، اسپرد، عمق، نوسان و رژیم بازار را مشاهده می‌کند.
  • کنش‌ها سرعت معامله را پیرامون برنامه مرجع تنظیم می‌کنند و تابع سقف‌های نقدشوندگی و مشارکت هستند.
  • شبیه‌سازی بازار از نوسان GARCH و اسپرد و عمق وابسته به رژیم استفاده می‌کند.
  • پاداش‌ها کسری اجرای سفارش را با ریسک موجودی و انحراف از برنامه متعادل می‌کنند.
  • محیط با فروش تمام سهام باقی‌مانده در پایان افق، نقدکردن موقعیت را اجباری می‌کند.

برچسب‌ها

متن کامل
# rl_environments.py


```py
# rl_environments.py - Shared RL environment classes for Chapter 21
"""
Shared Gymnasium environments for execution and hedging notebooks.

Provides:


- save_figure: Helper for saving Plotly figures to Ch21 figures directory

These are shared utilities for Chapter 21 RL notebooks. Import as:
    from rl_environments import ExecutionEnv, MarketState, save_figure
"""

from __future__ import annotations

from dataclasses import dataclass
from pathlib import Path

import gymnasium as gym
import numpy as np
import plotly.graph_objects as go
from gymnasium import spaces
from rl_calibration import ExecutionEnvParams


@dataclass
class MarketState:
    """Current market microstructure state."""

    mid_price: float
    spread: float
    depth: float  # Available liquidity
    volatility: float
    regime: int  # 0=normal, 1=stressed


def save_figure(
    fig: go.Figure,
    filename: str,
    width: int = 1200,
    height: int = 800,
    figures_dir: Path | None = None,
) -> None:
    fig.show()


class ExecutionEnv(gym.Env):
    """
    Optimal execution environment for liquidating a position.

    The agent must sell `total_shares` within `horizon` time steps,
    minimizing implementation shortfall while managing market impact.

    State: [inventory_ratio, time_ratio, spread, depth, volatility, regime]
    Action: Continuous [0, 1] -> pace multiplier around a reference schedule
    Reward: Negative implementation shortfall plus inventory-risk penalty

    Parameters
    ----------
    cal_params : ExecutionEnvParams, optional
        Calibrated parameters from real market data. If None, uses defaults.
    """

    metadata = {"render_modes": ["human"]}

    def __init__(
        self,
        total_shares: int = 10_000,
        horizon: int = 60,
        initial_price: float = 100.0,
        cal_params: ExecutionEnvParams | None = None,
        risk_aversion: float = 0.0,
        schedule_penalty: float = 0.0,
        pace_min_multiplier: float = 0.5,
        pace_max_multiplier: float = 1.5,
        max_participation_rate: float = 0.35,
        seed: int | None = None,
    ):
        super().__init__()

        self.total_shares = total_shares
        self.horizon = horizon
        self.initial_price = initial_price
        self.risk_aversion = risk_aversion
        self.schedule_penalty = schedule_penalty
        self.pace_min_multiplier = pace_min_multiplier
        self.pace_max_multiplier = pace_max_multiplier
        self.max_participation_rate = max_participation_rate
        self.rng = np.random.default_rng(seed)

        # Use calibrated or default parameters
        if cal_params is not None:
            self.permanent_impact = cal_params.permanent_impact
            self.temporary_impact = cal_params.temporary_impact
            self.spread_normal = cal_params.spread_normal
            self.spread_stressed = cal_params.spread_stressed
            self.depth_normal = cal_params.depth_normal
            self.depth_stressed = cal_params.depth_stressed
            # GARCH parameters
            self.garch_alpha = cal_params.garch.alpha
            self.garch_beta = cal_params.garch.beta
            self.garch_omega = cal_params.garch.omega
            self.uncond_vol = cal_params.garch.unconditional_vol
            # Regime transition (use matrix diagonal for stay probabilities)
            self.p_stay_normal = cal_params.regimes.transition_matrix[0, 0]
            self.p_stay_stressed = cal_params.regimes.transition_matrix[1, 1]
        else:
            # Defaults (still realistic, just not calibrated)
            self.permanent_impact = 0.01
            self.temporary_impact = 0.001
            self.spread_normal = 0.005
            self.spread_stressed = 0.012
            self.depth_normal = 1000
            self.depth_stressed = 300
            self.garch_alpha = 0.1
            self.garch_beta = 0.85
            self.garch_omega = 0.00001
            self.uncond_vol = 0.02
            self.p_stay_normal = 0.98
            self.p_stay_stressed = 0.95

        # State: [inventory_ratio, time_ratio, spread, depth, vol, regime]
        self.observation_space = spaces.Box(low=0, high=np.inf, shape=(6,), dtype=np.float32)

        # Action: normalized pace multiplier around a reference schedule
        self.action_space = spaces.Box(low=0, high=1, shape=(1,), dtype=np.float32)

        self.reset()

    def _generate_market_path(self) -> list[MarketState]:
        """Generate market microstructure path with GARCH volatility and regime switching.

        Uses calibrated parameters for realistic simulation dynamics.
        """
        states = []
        price = self.initial_price

        # Initialize GARCH variance at unconditional level
        variance = self.uncond_vol**2
        regime = 0  # Start in normal regime

        for t in range(self.horizon):
            # Regime switching (calibrated transition probabilities)
            if regime == 0:
                regime = 0 if self.rng.random() < self.p_stay_normal else 1
            else:
                regime = 1 if self.rng.random() < self.p_stay_stressed else 0

            # GARCH(1,1) volatility update
            shock = self.rng.standard_normal()
            return_t = np.sqrt(variance) * shock
            variance = (
                self.garch_omega + self.garch_alpha * return_t**2 + self.garch_beta * variance
            )
            variance = max(variance, 1e-10)  # Floor for stability
            volatility = np.sqrt(variance)

            # Regime-dependent spreads and depth (calibrated)
            if regime == 0:  # Normal
                base_spread = self.spread_normal
                base_depth = self.depth_normal
            else:  # Stressed
                base_spread = self.spread_stressed
                base_depth = self.depth_stressed

            # Add noise around calibrated values
            spread = base_spread * (1 + 0.2 * self.rng.standard_normal())
            spread = max(spread, 0.0001)  # Floor
            depth = base_depth * np.exp(0.3 * self.rng.standard_normal())
            depth = max(depth, 100)  # Floor

            # The unaffected price process is a martingale: regimes change
            # liquidity and volatility, not expected return.
            price *= 1 + return_t
            price = max(price, 0.01)

            states.append(
                MarketState(
                    mid_price=price,
                    spread=spread,
                    depth=depth,
                    volatility=volatility,
                    regime=regime,
                )
            )

        return states

    def reset(self, seed: int | None = None, options: dict | None = None):
        super().reset(seed=seed)

        if seed is not None:
            self.rng = np.random.default_rng(seed)

        self.market_path = self._generate_market_path()
        self.step_idx = 0
        self.remaining_shares = self.total_shares
        self.arrival_price = self.market_path[0].mid_price
        self.total_cost = 0.0
        self.execution_history = []

        return self._get_obs(), {}

    def _get_obs(self) -> np.ndarray:
        """Construct observation vector."""
        market = self.market_path[self.step_idx]

        inventory_ratio = self.remaining_shares / self.total_shares
        time_ratio = (self.horizon - self.step_idx) / self.horizon

        return np.array(
            [
                inventory_ratio,
                time_ratio,
                market.spread * 100,  # Scale for learning
                market.depth / 1000,  # Normalize
                market.volatility * 100,
                float(market.regime),
            ],
            dtype=np.float32,
        )

    def _coerce_action_fraction(self, action: np.ndarray | float) -> float:
        action_array = np.asarray(action, dtype=np.float32).reshape(-1)
        raw_action = float(action_array[0]) if action_array.size else 0.0
        return float(np.clip(raw_action, 0.0, 1.0))

    def _remaining_steps(self) -> int:
        return max(self.horizon - self.step_idx, 1)

    def reference_trade_size(self) -> float:
        if self.step_idx >= self.horizon - 1:
            return float(self.remaining_shares)
        return float(self.remaining_shares / self._remaining_steps())

    def max_trade_size(self, market: MarketState) -> float:
        if self.step_idx >= self.horizon - 1:
            return float(self.remaining_shares)
        schedule_cap = self.pace_max_multiplier * self.reference_trade_size()
        liquidity_cap = self.max_participation_rate * market.depth
        return float(min(self.remaining_shares, max(1.0, min(schedule_cap, liquidity_cap))))

    def action_to_target_shares(
        self, action: np.ndarray | float, market: MarketState | None = None
    ) -> int:
        current_market = self.market_path[self.step_idx] if market is None else market
        if self.step_idx >= self.horizon - 1:
            # The horizon step clears the book at any price: the order must complete.
            return int(self.remaining_shares)
        action_frac = self._coerce_action_fraction(action)
        multiplier = self.pace_min_multiplier + action_frac * (
            self.pace_max_multiplier - self.pace_min_multiplier
        )
        desired_shares = multiplier * self.reference_trade_size()
        capped_shares = min(desired_shares, self.max_trade_size(current_market))
        return int(min(self.remaining_shares, max(1.0, round(capped_shares))))

    def target_shares_to_action(self, target_shares: float) -> np.ndarray:
        if self.step_idx >= self.horizon - 1:
            return np.array([1.0], dtype=np.float32)
        reference = max(self.reference_trade_size(), 1e-8)
        multiplier = target_shares / reference
        normalized = (multiplier - self.pace_min_multiplier) / (
            self.pace_max_multiplier - self.pace_min_multiplier
        )
        return np.array([np.clip(normalized, 0.0, 1.0)], dtype=np.float32)

    def _trade_metrics(
        self, market: MarketState, shares_to_sell: int
    ) -> tuple[float, float, float]:
        participation_rate = shares_to_sell / max(market.depth, 1.0)
        temp_impact = self.temporary_impact * (participation_rate + participation_rate**2)
        perm_impact = self.permanent_impact * (shares_to_sell / max(self.total_shares, 1))
        execution_price = market.mid_price * (1 - market.spread / 2 - temp_impact)
        shortfall = (self.arrival_price - execution_price) * shares_to_sell
        return execution_price, shortfall, perm_impact

    def _inventory_risk_penalty(self, market: MarketState, remaining_shares: int) -> float:
        sigma_price = market.mid_price * market.volatility
        inventory_ratio = remaining_shares / max(self.total_shares, 1)
        return float(self.risk_aversion * sigma_price**2 * inventory_ratio**2 * self.total_shares)

    def _schedule_penalty(self, shares_to_sell: int, reference_shares: float) -> float:
        if self.schedule_penalty <= 0:
            return 0.0
        deviation_ratio = (shares_to_sell - reference_shares) / max(reference_shares, 1.0)
        notional = self.arrival_price * self.total_shares
        return float(self.schedule_penalty * notional * deviation_ratio**2)

    def step(self, action: np.ndarray | float):
        market = self.market_path[self.step_idx]
        reference_shares = self.reference_trade_size()

        # The action controls pace around a reference schedule rather than
        # allowing immediate liquidation of all remaining inventory.
        max_trade_shares = self.max_trade_size(market)
        shares_to_sell = self.action_to_target_shares(action, market)

        execution_price, shortfall, perm_impact = self._trade_metrics(market, shares_to_sell)

        # Update state
        self.remaining_shares -= shares_to_sell
        self.total_cost += shortfall

        # Apply permanent impact to future prices
        for future_state in self.market_path[self.step_idx + 1 :]:
            future_state.mid_price *= 1 - perm_impact

        self.execution_history.append(
            {
                "step": self.step_idx,
                "shares_sold": shares_to_sell,
                "execution_price": execution_price,
                "shortfall": shortfall,
                "remaining": self.remaining_shares,
                "regime": market.regime,
                "depth": market.depth,
                "reference_shares": reference_shares,
                "max_trade_shares": max_trade_shares,
                "risk_penalty": 0.0,
            }
        )

        self.step_idx += 1

        # Terminal condition
        terminated = self.step_idx >= self.horizon or self.remaining_shares <= 0
        truncated = False

        risk_penalty = (
            0.0
            if self.remaining_shares <= 0
            else self._inventory_risk_penalty(market, self.remaining_shares)
        )
        schedule_penalty = self._schedule_penalty(shares_to_sell, reference_shares)
        self.execution_history[-1]["risk_penalty"] = risk_penalty
        self.execution_history[-1]["schedule_penalty"] = schedule_penalty

        reward = -(shortfall + risk_penalty + schedule_penalty) / max(self.total_shares, 1)

        assert not (terminated and self.remaining_shares > 0), (
            "the horizon step sells the whole remainder, so a terminated episode "
            "holds no inventory - a nonzero remainder means the pacing logic changed"
        )

        # Return terminal observation if episode is done
        if terminated:
            # Clamp step_idx for final observation
            self.step_idx = min(self.step_idx, self.horizon - 1)
        obs = self._get_obs()
        info = {
            "shares_sold": shares_to_sell,
            "remaining_shares": self.remaining_shares,
            "step_shortfall": shortfall,
            "total_shortfall": self.total_cost,
            "risk_penalty": risk_penalty,
            "schedule_penalty": schedule_penalty,
            "regime": market.regime,
        }

        return obs, reward, terminated, truncated, info

```

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.