עבור לתוכן
כל מסמכי הספרייה

רשת DeePM למשקלי סיכון בתיק בין נכסים

קוד Machine Learning for Trading

סיכום

המסמך מתאר ארכיטקטורה של רשת מדיניות עצבית הממפה סדרות זמן ברמת הנכס והקשר למשקלי סיכון מוגבלים בתיק. עמוד השדרה לכל נכס משלב הטמעות הקשר, אפנון לפי מאפיינים, בחירת משתנים, LSTM ותשומת לב זמנית סיבתית. לאחר מכן הוא מעבד קשרים בין נכסים באמצעות תשומת לב רוחבית מושהית, ויכול להחיל באופן אופציונלי תשומת לב המוגבלת באמצעות גרף סמיכויות מקרו־כלכליות.

הקשר סטטי עשוי לקודד את זהות הנכס, השתייכות לקבוצה ועלויות מסחר, בעוד שמסכות מטפלות בנכסים שאינם זמינים. שכבת הפלט משתמשת בטנגנס היפרבולי ומחילה את מסכת הנכסים, וכך מפיקה משקלים בין מינוס אחת לפלוס אחת עבור נכסים תקפים. המסמך מסביר רכיבים ארכיטקטוניים ואמצעי הגנה מפני שורות תשומת לב ללא מפתחות תקפים, אך אינו מספק הליך אימון, תוצאות מסחר, השוואה למדד ייחוס או ראיות לכך שהארכיטקטורה משפרת את ביצועי התיק. לכן, התיאור מאפשר להבין את תכנון המודל, אך לא להעריך את יעילותו האמפירית.

רעיונות מרכזיים

  • הקשר הנכס יכול להתנות הן את מאפייני הקלט והן את המצבים החבויים הרקורסיביים.
  • בחירת משתנים משלבת מאפיינים באמצעות משקולות התלויות בהקשר.
  • המודל משתמש בשכבות רקורסיביות ובשכבות תשומת לב סיבתית כדי לייצג דפוסים זמניים.
  • תשומת לב רוחבית מושהית ומסכת גרף אופציונלית מדמות קשרים בין נכסים.
  • ראש פלט מוגבל מפיק משקלי סיכון חתומים תוך התחשבות בזמינות הנכסים.

תגיות

הטקסט המלא
# 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

```

מוצג במלואו בציון המקור ובהתאם לרישיון שלו. רישיון: MIT

הסיכום נכתב בידי סוכן המחקר של Stratmill על סמך המקור; הוא אינו העתק של המקור.