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इन्वेंटरी-सचेत मार्केट मेकिंग: तिरछे कोट और फ़िल सिमुलेशन

कोड Machine Learning for Trading

सारांश

यह परिवेश एक मार्केट मेकर का मॉडल बनाता है जो इन्वेंटरी, अस्थिरता और अलग-अलग क्रिया विकल्पों के जवाब में कोट का केंद्र और स्प्रेड समायोजित करता है। सिंथेटिक कीमतें GARCH प्रक्रिया से उत्पन्न सशर्त अस्थिरता का उपयोग करती हैं, जबकि ऑर्डर असंतुलन समय के साथ बदलता है और बिड तथा आस्क पूर्ति की मॉडल की गई संभावनाओं को प्रभावित करता है। कोटिंग नियम मौजूदा इन्वेंटरी के विपरीत आरक्षित मूल्य खिसकाता है, फिर क्रिया-निर्भर तिरछापन और स्प्रेड गुणक लागू करता है।

सिमुलेशन नकदी, इन्वेंटरी, मूल्यांकित संपत्ति और इन्वेंटरी दंड वाले पुरस्कारों का हिसाब रखता है। इन्वेंटरी सीमाएँ अतिरिक्त पूर्तियों को रोकती हैं और शेष पोज़िशन एपिसोड के अंत में स्प्रेड लागत के साथ समाप्त की जाती हैं। दर्ज इतिहास कोट तय करने में प्रयुक्त इन्वेंटरी को पूर्ति के बाद की इन्वेंटरी से अलग करता है और परिसमापन-समायोजित अंतिम पुरस्कार शामिल करता है। यह नियंत्रित सीखने का परिवेश है, लाइव बाज़ार की लाभप्रदता का साक्ष्य नहीं: कीमतें, ऑर्डर प्रवाह और पूर्तियाँ सरलीकृत धारणाओं से उत्पन्न होती हैं, और पूर्ति मॉडल कतार प्राथमिकता, प्रतिकूल चयन या बाज़ार प्रभाव की पूरी जटिलता नहीं दर्शाता।

मुख्य विचार

  • मार्केट मेकर का आरक्षित मूल्य उसकी मौजूदा इन्वेंटरी के विपरीत खिसकता है, ताकि इन्वेंटरी घटाने को प्रोत्साहन मिले।
  • एक अलग क्रिया ग्रिड कोट का तिरछापन और स्प्रेड की चौड़ाई नियंत्रित करता है।
  • सशर्त अस्थिरता और ऑर्डर असंतुलन सिंथेटिक मूल्य पथों तथा मॉडल की गई पूर्ति संभावनाओं को प्रभावित करते हैं।
  • इन्वेंटरी सीमाएँ, इन्वेंटरी दंड और अंतिम परिसमापन लागत सिम्युलेटेड रणनीति के पुरस्कार और जोखिम को आकार देते हैं।
  • इस परिवेश के परिणाम उसके सिंथेटिक बाज़ार और पूर्ति संबंधी धारणाओं पर निर्भर करते हैं।

टैग

पूरा पाठ
# market_making_env.py


```py
"""Inventory-aware market-making environment for Chapter 21."""

from __future__ import annotations

from dataclasses import dataclass

import gymnasium as gym
import numpy as np
from gymnasium import spaces


@dataclass(frozen=True)
class MarketMakingDynamics:
    """Calibrated dynamics and discrete quote-action grid."""

    garch_omega: float
    garch_alpha: float
    garch_beta: float
    unconditional_vol: float
    skew_levels: tuple[float, ...]
    spread_multipliers: tuple[float, ...]


def generate_garch_market_data(
    n_steps: int, rng: np.random.Generator, dynamics: MarketMakingDynamics
) -> tuple[np.ndarray, np.ndarray, np.ndarray]:
    """Generate synthetic market data with calibrated GARCH(1,1) volatility."""
    prices = [100.0]
    volatilities = []
    imbalances = []
    variance = max(dynamics.unconditional_vol**2, 1e-8)
    imbalance = 0

    for _ in range(n_steps):
        # Record the conditional volatility of the return about to be drawn, so
        # that volatilities[t] pairs with the move from prices[t] to
        # prices[t+1]. Appending the post-update variance instead paired
        # prices[t] with a variance computed from return_t itself, letting the
        # agent see the size of the move it was quoting into.
        volatilities.append(np.sqrt(variance))

        shock = np.clip(rng.standard_normal(), -5, 5)
        return_t = np.clip(np.sqrt(variance) * shock, -0.1, 0.1)
        variance = np.clip(
            dynamics.garch_omega
            + dynamics.garch_alpha * return_t**2
            + dynamics.garch_beta * variance,
            1e-10,
            0.01,
        )

        imbalance = np.clip(0.9 * imbalance + 0.1 * rng.uniform(-1, 1), -1, 1)
        new_price = np.clip(
            prices[-1] * (1 + 0.0001 * imbalance + return_t), prices[-1] * 0.5, prices[-1] * 2.0
        )

        prices.append(new_price)
        imbalances.append(imbalance)

    prices = np.array(prices, dtype=np.float32)
    if not np.all(np.isfinite(prices)):
        raise ValueError("Generated prices contain NaN or Inf")
    return prices, np.array(volatilities, dtype=np.float32), np.array(imbalances, dtype=np.float32)


def fill_probability(
    distance: float,
    imbalance_factor: float,
    base_spread: float,
    arrival_rate: float = 0.6,
    sensitivity: float = 4.0,
) -> float:
    """Probability of a limit order being filled given its distance from mid."""
    scaled = max(distance / max(base_spread, 1e-6), 0.0)
    intensity = max(float(arrival_rate * np.exp(-sensitivity * scaled) * imbalance_factor), 0.0)
    return float(1.0 - np.exp(-intensity))


def decode_action(action: int, dynamics: MarketMakingDynamics) -> tuple[float, float]:
    """Map a discrete action index to (skew level, spread multiplier)."""
    skew_idx, spread_idx = divmod(int(action), len(dynamics.spread_multipliers))
    return float(dynamics.skew_levels[skew_idx]), float(dynamics.spread_multipliers[spread_idx])


def compute_quotes(price, vol, skew_level, spread_mult, inventory, inventory_limit, base_spread):
    """Reservation-price quoting with inventory skew; returns quote geometry."""
    inv_norm = inventory / max(inventory_limit, 1)
    reservation_price = price + (-inv_norm * vol * price)
    quote_center = reservation_price + skew_level * 0.25 * vol * price
    half_spread = 0.5 * base_spread * price * (1 + 5.0 * vol) * spread_mult
    bid_quote = max(quote_center - half_spread, 0.01)
    ask_quote = max(quote_center + half_spread, bid_quote + 0.01)
    return reservation_price, quote_center, bid_quote, ask_quote, half_spread


def build_mm_obs(
    prices, vols, imbalances, idx, inventory, inventory_limit, episode_length, half_spread
):
    """Build the 6D market-making observation, scaled and clipped."""
    if idx > 0:
        price_change = np.clip((prices[idx] - prices[idx - 1]) / prices[idx - 1], -0.1, 0.1)
    else:
        price_change = 0.0
    vol = np.clip(vols[min(idx, len(vols) - 1)], 0, 0.1)
    imbalance = imbalances[min(idx, len(imbalances) - 1)]
    time_ratio = (episode_length - idx) / episode_length
    spread_bps = 2 * half_spread / max(prices[idx], 1e-6) * 10_000
    return np.array(
        [
            np.clip(inventory / inventory_limit, -1.0, 1.0),
            np.clip(price_change * 10, -1.0, 1.0),
            np.clip(vol * 100, 0, 10.0),
            np.clip(imbalance, -1.0, 1.0),
            np.clip(time_ratio, 0.0, 1.0),
            np.clip(spread_bps / 10.0, 0.0, 10.0),
        ],
        dtype=np.float32,
    )


def simulate_fills(
    rng, inventory, inventory_limit, bid_quote, ask_quote, price, imbalance, base_spread
):
    """Draw bid/ask fills from the distance-based fill-probability model."""
    bid_distance = max((price - bid_quote) / max(price, 1e-6), 0.0)
    ask_distance = max((ask_quote - price) / max(price, 1e-6), 0.0)
    bid_prob = fill_probability(
        bid_distance, np.clip(1.0 - 0.35 * imbalance, 0.2, 2.0), base_spread
    )
    ask_prob = fill_probability(
        ask_distance, np.clip(1.0 + 0.35 * imbalance, 0.2, 2.0), base_spread
    )
    bid_filled = inventory < inventory_limit and rng.random() < bid_prob
    ask_filled = inventory > -inventory_limit and rng.random() < ask_prob
    return bid_filled, ask_filled


def terminal_liquidation(cash, inventory, next_price, base_spread):
    """Liquidate residual inventory at a half-spread cost; returns wealth + cost."""
    liquidation_cost = abs(inventory) * next_price * base_spread / 2
    liquidated_wealth = cash + inventory * next_price - liquidation_cost
    return liquidated_wealth, liquidation_cost


class MarketMakingEnv(gym.Env):
    """Inventory-aware market making environment (Discrete 3 skew x 3 spread)."""

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

    def __init__(
        self,
        episode_length=500,
        inventory_limit=100,
        lambda_inventory=0.001,
        base_spread=0.001,
        dynamics: MarketMakingDynamics | None = None,
        seed=None,
    ):
        super().__init__()
        self.episode_length = episode_length
        self.inventory_limit = inventory_limit
        self.lambda_inventory = lambda_inventory
        self.base_spread = base_spread
        if dynamics is None:
            raise ValueError("dynamics must provide calibrated GARCH and action-grid parameters")
        self.dynamics = dynamics
        self.rng = np.random.default_rng(seed)
        self.observation_space = spaces.Box(low=-np.inf, high=np.inf, shape=(6,), dtype=np.float32)
        self.action_space = spaces.Discrete(
            len(dynamics.skew_levels) * len(dynamics.spread_multipliers)
        )
        self.reset()

    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.prices, self.volatilities, self.imbalances = generate_garch_market_data(
            self.episode_length, self.rng, self.dynamics
        )
        self.step_idx = 0
        self.inventory = 0
        self.cash = 0.0
        self.wealth = 0.0
        self.n_trades = 0
        self.terminal_inventory = 0
        self.current_half_spread = self.base_spread * self.prices[0] / 2
        self.current_quote_offset = 0.0
        self.history = []
        return self._obs(), {}

    def _obs(self) -> np.ndarray:
        return build_mm_obs(
            self.prices,
            self.volatilities,
            self.imbalances,
            self.step_idx,
            self.inventory,
            self.inventory_limit,
            self.episode_length,
            self.current_half_spread,
        )

    def step(self, action: int):
        price = self.prices[self.step_idx]
        vol = self.volatilities[self.step_idx]
        imbalance = self.imbalances[self.step_idx]
        next_price = self.prices[min(self.step_idx + 1, self.episode_length)]
        skew_level, spread_mult = decode_action(action, self.dynamics)
        reservation_price, quote_center, bid_quote, ask_quote, half_spread = compute_quotes(
            price,
            vol,
            skew_level,
            spread_mult,
            self.inventory,
            self.inventory_limit,
            self.base_spread,
        )
        self.current_half_spread = half_spread
        self.current_quote_offset = quote_center - price

        wealth_before = self.cash + self.inventory * price
        # The quotes above were computed from the inventory held *before* this
        # bar's fills, so that is the position they respond to. The row's
        # `inventory` is the post-fill position -- the realized path, one fill
        # later -- which is a different series and the wrong x-axis for the
        # quote-skew figure.
        quote_inventory = self.inventory
        bid_filled, ask_filled = simulate_fills(
            self.rng,
            self.inventory,
            self.inventory_limit,
            bid_quote,
            ask_quote,
            price,
            imbalance,
            self.base_spread,
        )
        if bid_filled:
            self.inventory += 1
            self.cash -= bid_quote
            self.n_trades += 1
        if ask_filled:
            self.inventory -= 1
            self.cash += ask_quote
            self.n_trades += 1

        marked_wealth = self.cash + self.inventory * next_price
        inventory_penalty = (
            self.lambda_inventory
            * (self.inventory / max(self.inventory_limit, 1)) ** 2
            * next_price
        )
        reward = np.clip(marked_wealth - wealth_before - inventory_penalty, -100.0, 100.0)
        self.wealth = marked_wealth

        self.history.append(
            {
                "step": self.step_idx,
                "inventory": self.inventory,
                "quote_inventory": quote_inventory,
                "wealth": self.wealth,
                "reward": reward,
                "trades": self.n_trades,
                "mid_price": price,
                "reservation_price": reservation_price,
                "quote_center": quote_center,
                "bid_quote": bid_quote,
                "ask_quote": ask_quote,
                "spread_bps": 2 * half_spread / max(price, 1e-6) * 10_000,
                "quote_offset_bps": (quote_center - price) / max(price, 1e-6) * 10_000,
                "bid_filled": bid_filled,
                "ask_filled": ask_filled,
            }
        )

        self.step_idx += 1
        terminated = self.step_idx >= self.episode_length
        if terminated:
            remaining_inventory = self.inventory
            liquidated_wealth, liquidation_cost = terminal_liquidation(
                self.cash, remaining_inventory, next_price, self.base_spread
            )
            reward += liquidated_wealth - self.wealth
            self.terminal_inventory = remaining_inventory
            self.cash = liquidated_wealth
            self.inventory = 0
            self.wealth = liquidated_wealth
            self.history[-1]["wealth"] = self.wealth
            # The row's reward has to be the reward the agent was actually
            # given, liquidation included. Leaving the pre-liquidation value
            # here while updating `wealth` made the final row disagree with
            # itself and with the returned transition.
            self.history[-1]["reward"] = reward
            # `inventory` stays the post-fill position, which on this row is the
            # position carried into liquidation; post-liquidation inventory is
            # zero by construction and would erase that. `quote_inventory` is
            # what pairs with `quote_offset_bps`, and it is untouched here.
            self.history[-1]["terminal_inventory"] = remaining_inventory
            self.history[-1]["liquidation_cost"] = liquidation_cost

        info = {
            "wealth": self.wealth,
            "inventory": self.inventory,
            "terminal_inventory": self.terminal_inventory,
            "n_trades": self.n_trades,
        }
        return self._obs(), reward, terminated, False, info

```

स्रोत के लाइसेंस के तहत श्रेय सहित पूरा पाठ दिखाया गया है। लाइसेंस: MIT

यह सारांश मूल स्रोत के आधार पर Stratmill के शोध एजेंट ने लिखा है; यह स्रोत की प्रति नहीं है।