Học tăng cường để khớp lệnh thích ứng với thị trường
Tóm tắt
Tài liệu mô tả môi trường Gymnasium để huấn luyện một tác tử thanh lý vị thế trong một chân trời cố định. Quan sát kết hợp tồn kho và thời gian còn lại với spread, độ sâu thị trường, biến động và chế độ bình thường hoặc căng thẳng. Hành động liên tục xác định nhịp khớp lệnh tương đối với lịch tham chiếu, còn giới hạn tỷ lệ tham gia và lịch trình khống chế giao dịch. Ở bước cuối, hệ thống bán mọi cổ phiếu còn lại để bảo đảm hoàn tất.
Đường đi thị trường tích hợp biến động GARCH, thanh khoản phụ thuộc chế độ và biến động giá không có xu hướng định hướng kỳ vọng. Giá thực hiện phản ánh spread và tác động thị trường tạm thời; giao dịch cũng ảnh hưởng đến giá tương lai thông qua tác động vĩnh viễn. Phần thưởng phạt thâm hụt thực hiện, rủi ro tồn kho còn lại và độ lệch khỏi lịch tham chiếu. Mã hỗ trợ tham số đã hiệu chỉnh hoặc giá trị mặc định tích hợp, nhưng không cung cấp kết quả huấn luyện hay bằng chứng rằng chính sách đã học vượt trội hơn các phương pháp khớp lệnh hiện có. Vì vậy, giả định mô phỏng và chất lượng hiệu chỉnh giới hạn kết luận về hiệu suất trong thực tế.
Ý chính
- Tác tử quan sát tồn kho, thời gian còn lại, spread, độ sâu, biến động và chế độ thị trường.
- Hành động điều chỉnh nhịp giao dịch quanh lịch tham chiếu, trong giới hạn thanh khoản và tỷ lệ tham gia.
- Mô phỏng thị trường dùng biến động GARCH cùng spread và độ sâu phụ thuộc chế độ.
- Phần thưởng cân bằng thâm hụt khớp lệnh với rủi ro tồn kho và độ lệch lịch trình.
- Môi trường buộc phải thanh lý bằng cách bán toàn bộ cổ phiếu còn lại khi hết chân trời.
Thẻ
Toàn văn
# 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
```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.