PatchTST: Transformer chia đoạn để dự báo chuỗi thời gian
Tóm tắt
Tài liệu trình bày kiến trúc mạng nơ-ron nền PatchTST để dự báo chuỗi thời gian đa biến. Mô hình chia mỗi chuỗi đầu vào thành các đoạn chồng lấn, chiếu từng đoạn vào không gian đặc trưng được học, thêm mã hóa vị trí rồi xử lý chuỗi thu được bằng các lớp mã hóa Transformer xếp chồng. Bộ mã hóa xử lý độc lập từng biến đầu vào qua lớp chú ý, sau đó đầu dự báo ánh xạ các đoạn đã mã hóa sang chân trời mục tiêu.
Kiến trúc còn hỗ trợ chuẩn hóa từng mẫu có thể đảo ngược, đệm cuối tùy chọn, dropout, chú ý phần dư và đầu dự báo dùng chung hoặc đầu riêng cho từng biến. Các lựa chọn thiết kế này cung cấp cách kiểm soát chuẩn hóa, độ bao phủ đoạn, năng lực mô hình và việc chia sẻ tham số giữa các biến. Tài liệu được cung cấp là mã triển khai chứ không phải thí nghiệm giao dịch: tài liệu không nêu nhóm tài sản, phương pháp đánh giá hay kết quả dự báo.
Khi dùng trong nghiên cứu định lượng, kiến trúc nền là một thành phần mô hình hóa, chứ không phải bằng chứng về lợi thế dự báo. Hiệu suất phụ thuộc vào chuẩn bị dữ liệu, độ dài và bước trượt của đoạn, cấu hình mô hình, quy trình huấn luyện và xác thực ngoài mẫu. Phần trích dẫn không hướng dẫn về chi phí giao dịch hay xây dựng danh mục.
Ý chính
- PatchTST chuyển chuỗi thời gian thành các đoạn và nhúng từng đoạn trước khi áp dụng cơ chế chú ý Transformer.
- Bộ mã hóa xử lý độc lập từng biến; đầu dự báo có thể dùng chung tham số hoặc dùng đầu riêng cho từng biến.
- Chuẩn hóa từng mẫu có thể đảo ngược giúp chuẩn hóa đầu vào trước khi mã hóa và khôi phục tỷ lệ dự báo sau đó.
- Độ dài đoạn, bước trượt, đệm và số chiều mô hình quyết định cách biểu diễn chuỗi cùng kiến trúc dự báo.
- Riêng mã triển khai không cung cấp bằng chứng rằng dự báo chính xác hoặc có lợi nhuận khi giao dịch.
Thẻ
Toàn văn
# backbone.py
```py
"""PatchTST backbone — verbatim from yuqinie98/PatchTST (MIT License).
Only modification: import paths rewritten to this package.
"""
__all__ = ["PatchTST_backbone"]
# Cell
from collections.abc import Callable
from typing import Optional
import numpy as np
import torch
import torch.nn.functional as F
from torch import Tensor, nn
# from collections import OrderedDict
from case_studies.config.patchtst._reference.layers import (
Transpose,
get_activation_fn,
positional_encoding,
)
from case_studies.config.patchtst._reference.revin import RevIN
# Cell
class PatchTST_backbone(nn.Module):
def __init__(
self,
c_in: int,
context_window: int,
target_window: int,
patch_len: int,
stride: int,
max_seq_len: int | None = 1024,
n_layers: int = 3,
d_model=128,
n_heads=16,
d_k: int | None = None,
d_v: int | None = None,
d_ff: int = 256,
norm: str = "BatchNorm",
attn_dropout: float = 0.0,
dropout: float = 0.0,
act: str = "gelu",
key_padding_mask: bool = "auto",
padding_var: int | None = None,
attn_mask: Tensor | None = None,
res_attention: bool = True,
pre_norm: bool = False,
store_attn: bool = False,
pe: str = "zeros",
learn_pe: bool = True,
fc_dropout: float = 0.0,
head_dropout=0,
padding_patch=None,
pretrain_head: bool = False,
head_type="flatten",
individual=False,
revin=True,
affine=True,
subtract_last=False,
verbose: bool = False,
**kwargs,
):
super().__init__()
# RevIn
self.revin = revin
if self.revin:
self.revin_layer = RevIN(c_in, affine=affine, subtract_last=subtract_last)
# Patching
self.patch_len = patch_len
self.stride = stride
self.padding_patch = padding_patch
patch_num = int((context_window - patch_len) / stride + 1)
if padding_patch == "end": # can be modified to general case
self.padding_patch_layer = nn.ReplicationPad1d((0, stride))
patch_num += 1
# Backbone
self.backbone = TSTiEncoder(
c_in,
patch_num=patch_num,
patch_len=patch_len,
max_seq_len=max_seq_len,
n_layers=n_layers,
d_model=d_model,
n_heads=n_heads,
d_k=d_k,
d_v=d_v,
d_ff=d_ff,
attn_dropout=attn_dropout,
dropout=dropout,
act=act,
key_padding_mask=key_padding_mask,
padding_var=padding_var,
attn_mask=attn_mask,
res_attention=res_attention,
pre_norm=pre_norm,
store_attn=store_attn,
pe=pe,
learn_pe=learn_pe,
verbose=verbose,
**kwargs,
)
# Head
self.head_nf = d_model * patch_num
self.n_vars = c_in
self.pretrain_head = pretrain_head
self.head_type = head_type
self.individual = individual
if self.pretrain_head:
self.head = self.create_pretrain_head(
self.head_nf, c_in, fc_dropout
) # custom head passed as a partial func with all its kwargs
elif head_type == "flatten":
self.head = Flatten_Head(
self.individual, self.n_vars, self.head_nf, target_window, head_dropout=head_dropout
)
def forward(self, z): # z: [bs x nvars x seq_len]
# norm
if self.revin:
z = z.permute(0, 2, 1)
z = self.revin_layer(z, "norm")
z = z.permute(0, 2, 1)
# do patching
if self.padding_patch == "end":
z = self.padding_patch_layer(z)
z = z.unfold(
dimension=-1, size=self.patch_len, step=self.stride
) # z: [bs x nvars x patch_num x patch_len]
z = z.permute(0, 1, 3, 2) # z: [bs x nvars x patch_len x patch_num]
# model
z = self.backbone(z) # z: [bs x nvars x d_model x patch_num]
z = self.head(z) # z: [bs x nvars x target_window]
# denorm
if self.revin:
z = z.permute(0, 2, 1)
z = self.revin_layer(z, "denorm")
z = z.permute(0, 2, 1)
return z
def create_pretrain_head(self, head_nf, vars, dropout):
return nn.Sequential(nn.Dropout(dropout), nn.Conv1d(head_nf, vars, 1))
class Flatten_Head(nn.Module):
def __init__(self, individual, n_vars, nf, target_window, head_dropout=0):
super().__init__()
self.individual = individual
self.n_vars = n_vars
if self.individual:
self.linears = nn.ModuleList()
self.dropouts = nn.ModuleList()
self.flattens = nn.ModuleList()
for i in range(self.n_vars):
self.flattens.append(nn.Flatten(start_dim=-2))
self.linears.append(nn.Linear(nf, target_window))
self.dropouts.append(nn.Dropout(head_dropout))
else:
self.flatten = nn.Flatten(start_dim=-2)
self.linear = nn.Linear(nf, target_window)
self.dropout = nn.Dropout(head_dropout)
def forward(self, x): # x: [bs x nvars x d_model x patch_num]
if self.individual:
x_out = []
for i in range(self.n_vars):
z = self.flattens[i](x[:, i, :, :]) # z: [bs x d_model * patch_num]
z = self.linears[i](z) # z: [bs x target_window]
z = self.dropouts[i](z)
x_out.append(z)
x = torch.stack(x_out, dim=1) # x: [bs x nvars x target_window]
else:
x = self.flatten(x)
x = self.linear(x)
x = self.dropout(x)
return x
class TSTiEncoder(nn.Module): # i means channel-independent
def __init__(
self,
c_in,
patch_num,
patch_len,
max_seq_len=1024,
n_layers=3,
d_model=128,
n_heads=16,
d_k=None,
d_v=None,
d_ff=256,
norm="BatchNorm",
attn_dropout=0.0,
dropout=0.0,
act="gelu",
store_attn=False,
key_padding_mask="auto",
padding_var=None,
attn_mask=None,
res_attention=True,
pre_norm=False,
pe="zeros",
learn_pe=True,
verbose=False,
**kwargs,
):
super().__init__()
self.patch_num = patch_num
self.patch_len = patch_len
# Input encoding
q_len = patch_num
self.W_P = nn.Linear(
patch_len, d_model
) # Eq 1: projection of feature vectors onto a d-dim vector space
self.seq_len = q_len
# Positional encoding
self.W_pos = positional_encoding(pe, learn_pe, q_len, d_model)
# Residual dropout
self.dropout = nn.Dropout(dropout)
# Encoder
self.encoder = TSTEncoder(
q_len,
d_model,
n_heads,
d_k=d_k,
d_v=d_v,
d_ff=d_ff,
norm=norm,
attn_dropout=attn_dropout,
dropout=dropout,
pre_norm=pre_norm,
activation=act,
res_attention=res_attention,
n_layers=n_layers,
store_attn=store_attn,
)
def forward(self, x) -> Tensor: # x: [bs x nvars x patch_len x patch_num]
n_vars = x.shape[1]
# Input encoding
x = x.permute(0, 1, 3, 2) # x: [bs x nvars x patch_num x patch_len]
x = self.W_P(x) # x: [bs x nvars x patch_num x d_model]
u = torch.reshape(
x, (x.shape[0] * x.shape[1], x.shape[2], x.shape[3])
) # u: [bs * nvars x patch_num x d_model]
u = self.dropout(u + self.W_pos) # u: [bs * nvars x patch_num x d_model]
# Encoder
z = self.encoder(u) # z: [bs * nvars x patch_num x d_model]
z = torch.reshape(
z, (-1, n_vars, z.shape[-2], z.shape[-1])
) # z: [bs x nvars x patch_num x d_model]
z = z.permute(0, 1, 3, 2) # z: [bs x nvars x d_model x patch_num]
return z
# Cell
class TSTEncoder(nn.Module):
def __init__(
self,
q_len,
d_model,
n_heads,
d_k=None,
d_v=None,
d_ff=None,
norm="BatchNorm",
attn_dropout=0.0,
dropout=0.0,
activation="gelu",
res_attention=False,
n_layers=1,
pre_norm=False,
store_attn=False,
):
super().__init__()
self.layers = nn.ModuleList(
[
TSTEncoderLayer(
q_len,
d_model,
n_heads=n_heads,
d_k=d_k,
d_v=d_v,
d_ff=d_ff,
norm=norm,
attn_dropout=attn_dropout,
dropout=dropout,
activation=activation,
res_attention=res_attention,
pre_norm=pre_norm,
store_attn=store_attn,
)
for i in range(n_layers)
]
)
self.res_attention = res_attention
def forward(
self,
src: Tensor,
key_padding_mask: Tensor | None = None,
attn_mask: Tensor | None = None,
):
output = src
scores = None
if self.res_attention:
for mod in self.layers:
output, scores = mod(
output, prev=scores, key_padding_mask=key_padding_mask, attn_mask=attn_mask
)
return output
else:
for mod in self.layers:
output = mod(output, key_padding_mask=key_padding_mask, attn_mask=attn_mask)
return output
class TSTEncoderLayer(nn.Module):
def __init__(
self,
q_len,
d_model,
n_heads,
d_k=None,
d_v=None,
d_ff=256,
store_attn=False,
norm="BatchNorm",
attn_dropout=0,
dropout=0.0,
bias=True,
activation="gelu",
res_attention=False,
pre_norm=False,
):
super().__init__()
assert not d_model % n_heads, (
f"d_model ({d_model}) must be divisible by n_heads ({n_heads})"
)
d_k = d_model // n_heads if d_k is None else d_k
d_v = d_model // n_heads if d_v is None else d_v
# Multi-Head attention
self.res_attention = res_attention
self.self_attn = _MultiheadAttention(
d_model,
n_heads,
d_k,
d_v,
attn_dropout=attn_dropout,
proj_dropout=dropout,
res_attention=res_attention,
)
# Add & Norm
self.dropout_attn = nn.Dropout(dropout)
if "batch" in norm.lower():
self.norm_attn = nn.Sequential(
Transpose(1, 2), nn.BatchNorm1d(d_model), Transpose(1, 2)
)
else:
self.norm_attn = nn.LayerNorm(d_model)
# Position-wise Feed-Forward
self.ff = nn.Sequential(
nn.Linear(d_model, d_ff, bias=bias),
get_activation_fn(activation),
nn.Dropout(dropout),
nn.Linear(d_ff, d_model, bias=bias),
)
# Add & Norm
self.dropout_ffn = nn.Dropout(dropout)
if "batch" in norm.lower():
self.norm_ffn = nn.Sequential(Transpose(1, 2), nn.BatchNorm1d(d_model), Transpose(1, 2))
else:
self.norm_ffn = nn.LayerNorm(d_model)
self.pre_norm = pre_norm
self.store_attn = store_attn
def forward(
self,
src: Tensor,
prev: Tensor | None = None,
key_padding_mask: Tensor | None = None,
attn_mask: Tensor | None = None,
) -> Tensor:
# Multi-Head attention sublayer
if self.pre_norm:
src = self.norm_attn(src)
## Multi-Head attention
if self.res_attention:
src2, attn, scores = self.self_attn(
src, src, src, prev, key_padding_mask=key_padding_mask, attn_mask=attn_mask
)
else:
src2, attn = self.self_attn(
src, src, src, key_padding_mask=key_padding_mask, attn_mask=attn_mask
)
if self.store_attn:
self.attn = attn
## Add & Norm
src = src + self.dropout_attn(src2) # Add: residual connection with residual dropout
if not self.pre_norm:
src = self.norm_attn(src)
# Feed-forward sublayer
if self.pre_norm:
src = self.norm_ffn(src)
## Position-wise Feed-Forward
src2 = self.ff(src)
## Add & Norm
src = src + self.dropout_ffn(src2) # Add: residual connection with residual dropout
if not self.pre_norm:
src = self.norm_ffn(src)
if self.res_attention:
return src, scores
else:
return src
class _MultiheadAttention(nn.Module):
def __init__(
self,
d_model,
n_heads,
d_k=None,
d_v=None,
res_attention=False,
attn_dropout=0.0,
proj_dropout=0.0,
qkv_bias=True,
lsa=False,
):
"""Multi Head Attention Layer
Input shape:
Q: [batch_size (bs) x max_q_len x d_model]
K, V: [batch_size (bs) x q_len x d_model]
mask: [q_len x q_len]
"""
super().__init__()
d_k = d_model // n_heads if d_k is None else d_k
d_v = d_model // n_heads if d_v is None else d_v
self.n_heads, self.d_k, self.d_v = n_heads, d_k, d_v
self.W_Q = nn.Linear(d_model, d_k * n_heads, bias=qkv_bias)
self.W_K = nn.Linear(d_model, d_k * n_heads, bias=qkv_bias)
self.W_V = nn.Linear(d_model, d_v * n_heads, bias=qkv_bias)
# Scaled Dot-Product Attention (multiple heads)
self.res_attention = res_attention
self.sdp_attn = _ScaledDotProductAttention(
d_model, n_heads, attn_dropout=attn_dropout, res_attention=self.res_attention, lsa=lsa
)
# Poject output
self.to_out = nn.Sequential(nn.Linear(n_heads * d_v, d_model), nn.Dropout(proj_dropout))
def forward(
self,
Q: Tensor,
K: Tensor | None = None,
V: Tensor | None = None,
prev: Tensor | None = None,
key_padding_mask: Tensor | None = None,
attn_mask: Tensor | None = None,
):
bs = Q.size(0)
if K is None:
K = Q
if V is None:
V = Q
# Linear (+ split in multiple heads)
q_s = (
self.W_Q(Q).view(bs, -1, self.n_heads, self.d_k).transpose(1, 2)
) # q_s : [bs x n_heads x max_q_len x d_k]
k_s = (
self.W_K(K).view(bs, -1, self.n_heads, self.d_k).permute(0, 2, 3, 1)
) # k_s : [bs x n_heads x d_k x q_len] - transpose(1,2) + transpose(2,3)
v_s = (
self.W_V(V).view(bs, -1, self.n_heads, self.d_v).transpose(1, 2)
) # v_s : [bs x n_heads x q_len x d_v]
# Apply Scaled Dot-Product Attention (multiple heads)
if self.res_attention:
output, attn_weights, attn_scores = self.sdp_attn(
q_s, k_s, v_s, prev=prev, key_padding_mask=key_padding_mask, attn_mask=attn_mask
)
else:
output, attn_weights = self.sdp_attn(
q_s, k_s, v_s, key_padding_mask=key_padding_mask, attn_mask=attn_mask
)
# output: [bs x n_heads x q_len x d_v], attn: [bs x n_heads x q_len x q_len], scores: [bs x n_heads x max_q_len x q_len]
# back to the original inputs dimensions
output = (
output.transpose(1, 2).contiguous().view(bs, -1, self.n_heads * self.d_v)
) # output: [bs x q_len x n_heads * d_v]
output = self.to_out(output)
if self.res_attention:
return output, attn_weights, attn_scores
else:
return output, attn_weights
class _ScaledDotProductAttention(nn.Module):
r"""Scaled Dot-Product Attention module (Attention is all you need by Vaswani et al., 2017) with optional residual attention from previous layer
(Realformer: Transformer likes residual attention by He et al, 2020) and locality self sttention (Vision Transformer for Small-Size Datasets
by Lee et al, 2021)"""
def __init__(self, d_model, n_heads, attn_dropout=0.0, res_attention=False, lsa=False):
super().__init__()
self.attn_dropout = nn.Dropout(attn_dropout)
self.res_attention = res_attention
head_dim = d_model // n_heads
self.scale = nn.Parameter(torch.tensor(head_dim**-0.5), requires_grad=lsa)
self.lsa = lsa
def forward(
self,
q: Tensor,
k: Tensor,
v: Tensor,
prev: Tensor | None = None,
key_padding_mask: Tensor | None = None,
attn_mask: Tensor | None = None,
):
"""
Input shape:
q : [bs x n_heads x max_q_len x d_k]
k : [bs x n_heads x d_k x seq_len]
v : [bs x n_heads x seq_len x d_v]
prev : [bs x n_heads x q_len x seq_len]
key_padding_mask: [bs x seq_len]
attn_mask : [1 x seq_len x seq_len]
Output shape:
output: [bs x n_heads x q_len x d_v]
attn : [bs x n_heads x q_len x seq_len]
scores : [bs x n_heads x q_len x seq_len]
"""
# Scaled MatMul (q, k) - similarity scores for all pairs of positions in an input sequence
attn_scores = (
torch.matmul(q, k) * self.scale
) # attn_scores : [bs x n_heads x max_q_len x q_len]
# Add pre-softmax attention scores from the previous layer (optional)
if prev is not None:
attn_scores = attn_scores + prev
# Attention mask (optional)
if (
attn_mask is not None
): # attn_mask with shape [q_len x seq_len] - only used when q_len == seq_len
if attn_mask.dtype == torch.bool:
attn_scores.masked_fill_(attn_mask, -np.inf)
else:
attn_scores += attn_mask
# Key padding mask (optional)
if (
key_padding_mask is not None
): # mask with shape [bs x q_len] (only when max_w_len == q_len)
attn_scores.masked_fill_(key_padding_mask.unsqueeze(1).unsqueeze(2), -np.inf)
# normalize the attention weights
attn_weights = F.softmax(
attn_scores, dim=-1
) # attn_weights : [bs x n_heads x max_q_len x q_len]
attn_weights = self.attn_dropout(attn_weights)
# compute the new values given the attention weights
output = torch.matmul(attn_weights, v) # output: [bs x n_heads x max_q_len x d_v]
if self.res_attention:
return output, attn_weights, attn_scores
else:
return output, attn_weights
```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.