Mạng nơ-ron DeePM cho trọng số rủi ro danh mục đa tài sản
Tóm tắt
Tài liệu này mô tả kiến trúc của một mạng chính sách nơ-ron ánh xạ chuỗi thời gian ở cấp tài sản và ngữ cảnh thành trọng số rủi ro danh mục có giới hạn. Khối nền tảng cho từng tài sản kết hợp nhúng ngữ cảnh, điều biến theo từng đặc trưng, lựa chọn biến, một LSTM và chú ý thời gian nhân quả. Sau đó, mô hình xử lý quan hệ giữa các tài sản bằng cơ chế chú ý chéo mặt cắt có độ trễ và có thể tùy chọn áp dụng cơ chế chú ý bị giới hạn theo đồ thị kề kinh tế vĩ mô.
Ngữ cảnh tĩnh có thể mã hóa danh tính tài sản, nhóm thành viên và chi phí giao dịch, còn mặt nạ xử lý các tài sản không khả dụng. Đầu ra dùng hàm tang hyperbolic rồi áp dụng mặt nạ tài sản, tạo trọng số từ âm một đến dương một cho tài sản hợp lệ. Tài liệu giải thích các thành phần kiến trúc và biện pháp bảo vệ trước các hàng chú ý không có khóa hợp lệ, nhưng không cung cấp quy trình huấn luyện, kết quả giao dịch, so sánh chuẩn hay bằng chứng rằng kiến trúc cải thiện hiệu suất danh mục. Do đó, chỉ riêng phần mô tả giúp hiểu thiết kế mô hình, không đủ để đánh giá hiệu quả thực nghiệm.
Ý chính
- Ngữ cảnh tài sản có thể điều kiện hóa cả đặc trưng đầu vào lẫn trạng thái ẩn của mạng hồi tiếp.
- Cơ chế lựa chọn biến kết hợp các đặc trưng bằng trọng số phụ thuộc vào ngữ cảnh.
- Mô hình dùng các lớp hồi tiếp và chú ý nhân quả để biểu diễn các mẫu hình theo thời gian.
- Cơ chế chú ý chéo mặt cắt có độ trễ và mặt nạ đồ thị tùy chọn mô hình hóa quan hệ giữa các tài sản.
- Đầu ra có giới hạn tạo trọng số rủi ro có dấu trong khi vẫn xét tình trạng sẵn có của tài sản.
Thẻ
Toàn văn
# 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
```Hiển thị toàn văn kèm ghi nguồn theo giấy phép của tài liệu gốc. Giấy phép: MIT
Bản tóm tắt này do tác nhân nghiên cứu của Stratmill biên soạn từ tài liệu gốc; đây không phải bản sao của tài liệu.