NLinear 是一个简单、快速且准确的时间序列预测模型,适用于长范围预测。

该架构旨在在数据集分布发生变化时提升性能:1. NLinear 首先用输入减去序列的最后一个值;2. 然后,输入通过一个线性层,并在进行最终预测之前将减去的部分加回去。

参考文献
- Zeng, Ailing 等人。“Transformer 对时间序列预测有效吗?.” AAAI 人工智能会议论文集. 第 37 卷. 第 9 期. 2023。”


来源

NLinear

 NLinear (h:int, input_size:int, stat_exog_list=None, hist_exog_list=None,
          futr_exog_list=None, exclude_insample_y=False, loss=MAE(),
          valid_loss=None, max_steps:int=5000, learning_rate:float=0.0001,
          num_lr_decays:int=-1, early_stop_patience_steps:int=-1,
          val_check_steps:int=100, batch_size:int=32,
          valid_batch_size:Optional[int]=None, windows_batch_size=1024,
          inference_windows_batch_size=1024, start_padding_enabled=False,
          step_size:int=1, scaler_type:str='identity', random_seed:int=1,
          drop_last_loader:bool=False, alias:Optional[str]=None,
          optimizer=None, optimizer_kwargs=None, lr_scheduler=None,
          lr_scheduler_kwargs=None, dataloader_kwargs=None,
          **trainer_kwargs)

*NLinear

参数
h: int, 预测范围。
input_size: int, 用于截断训练反向传播的最大序列长度。
stat_exog_list: 字符串列表, 静态外生列。
hist_exog_list: 字符串列表, 历史外生列。
futr_exog_list: 字符串列表, 未来外生列。
exclude_insample_y: bool=False, 如果为 True,模型会跳过自回归特征 y[t-input_size:t]。
loss: PyTorch 模块, 来自 损失集合中实例化训练损失类。
valid_loss: PyTorch 模块=loss, 来自 损失集合中实例化验证损失类。
max_steps: int=1000, 最大训练步数。
learning_rate: float=1e-3, 学习率 (0, 1) 之间。
num_lr_decays: int=-1, 学习率衰减次数, 均匀分布在 max_steps 中。
early_stop_patience_steps: int=-1, 早停前验证迭代次数。
val_check_steps: int=100, 每次验证损失检查之间的训练步数。
batch_size: int=32, 每个批次中不同序列的数量。
valid_batch_size: int=None, 每个验证和测试批次中不同序列的数量, 如果为 None 则使用 batch_size。
windows_batch_size: int=1024, 每个训练批次中采样的窗口数量, 默认使用所有窗口。
inference_windows_batch_size: int=1024, 每个推理批次中采样的窗口数量。
start_padding_enabled: bool=False, 如果为 True, 模型将通过 input size 在时间序列开头填充零。
step_size: int=1, 每个时间数据窗口之间的步长。

scaler_type: str=‘robust’, 用于时间输入归一化的缩放器类型, 参见 时间缩放器
random_seed: int=1, 用于 pytorch 初始化器和 numpy 生成器的随机种子。
drop_last_loader: bool=False, 如果为 True, TimeSeriesDataLoader 会丢弃最后一个非完整批次。
alias: str, 可选, 模型的自定义名称。
optimizer: ‘torch.optim.Optimizer’ 的子类, 可选, 用户指定的优化器而不是默认选择 (Adam)。
optimizer_kwargs: 字典, 可选, 用户指定 optimizer 使用的参数列表。
lr_scheduler: ‘torch.optim.lr_scheduler.LRScheduler’ 的子类, 可选, 用户指定的 lr_scheduler 而不是默认选择 (StepLR)。
lr_scheduler_kwargs: 字典, 可选, 用户指定 lr_scheduler 使用的参数列表。

dataloader_kwargs: 字典, 可选, TimeSeriesDataLoader 传递给 PyTorch Lightning dataloader 的参数列表。
**trainer_kwargs: int, 从 PyTorch Lighning 的 trainer 继承的关键字 trainer 参数。

*References*<br/>
- Zeng, Ailing, et al. "Are transformers effective for time series forecasting?." Proceedings of the AAAI conference on artificial intelligence. Vol. 37. No. 9. 2023."*

NLinear.fit

 NLinear.fit (dataset, val_size=0, test_size=0, random_seed=None,
              distributed_config=None)

*拟合。

fit 方法使用初始化参数 (learning_rate, windows_batch_size, …) 和初始化时定义的 loss 函数来优化神经网络的权重。在 fit 中,我们使用一个 PyTorch Lightning 的 Trainer,它继承了初始化时的 self.trainer_kwargs 来定制其输入,参见 PL 的 trainer 参数

该方法设计为与 SKLearn-like 类兼容,特别是与 StatsForecast 库兼容。

默认情况下,model 不保存训练检查点以保护磁盘内存,要获取它们,请在 __init__ 中更改 enable_checkpointing=True

参数
dataset: NeuralForecast 的 TimeSeriesDataset,参见文档
val_size: int, 用于时间交叉验证的验证集大小。
random_seed: int=None, 用于 pytorch 初始化器和 numpy 生成器的随机种子,覆盖 model.__init__ 的设置。
test_size: int, 用于时间交叉验证的测试集大小。
*


NLinear.predict

 NLinear.predict (dataset, test_size=None, step_size=1, random_seed=None,
                  quantiles=None, **data_module_kwargs)

*预测。

使用 PL 的 Trainer 执行 predict_step 进行神经网络预测。

参数
dataset: NeuralForecast 的 TimeSeriesDataset,参见文档
test_size: int=None, 用于时间交叉验证的测试集大小。
step_size: int=1, 每个窗口之间的步长。
random_seed: int=None, 用于 pytorch 初始化器和 numpy 生成器的随机种子,覆盖 model.__init__ 的设置。
quantiles: 浮点数列表, 可选 (默认=None), 要预测的目标分位数。
**data_module_kwargs: PL 的 TimeSeriesDataModule 参数, 参见 文档。*

使用示例

import pandas as pd
import matplotlib.pyplot as plt

from neuralforecast import NeuralForecast
from neuralforecast.models import NLinear
from neuralforecast.losses.pytorch import DistributionLoss
from neuralforecast.utils import AirPassengersPanel, AirPassengersStatic, augment_calendar_df

AirPassengersPanel, calendar_cols = augment_calendar_df(df=AirPassengersPanel, freq='M')

Y_train_df = AirPassengersPanel[AirPassengersPanel.ds<AirPassengersPanel['ds'].values[-12]] # 132 train
Y_test_df = AirPassengersPanel[AirPassengersPanel.ds>=AirPassengersPanel['ds'].values[-12]].reset_index(drop=True) # 12 test

model = NLinear(h=12,
                 input_size=24,
                 loss=DistributionLoss(distribution='StudentT', level=[80, 90], return_params=True),
                 scaler_type='robust',
                 learning_rate=1e-3,
                 max_steps=500,
                 val_check_steps=50,
                 early_stop_patience_steps=2)

nf = NeuralForecast(
    models=[model],
    freq='ME'
)
nf.fit(df=Y_train_df, static_df=AirPassengersStatic, val_size=12)
forecasts = nf.predict(futr_df=Y_test_df)

Y_hat_df = forecasts.reset_index(drop=False).drop(columns=['unique_id','ds'])
plot_df = pd.concat([Y_test_df, Y_hat_df], axis=1)
plot_df = pd.concat([Y_train_df, plot_df])

if model.loss.is_distribution_output:
    plot_df = plot_df[plot_df.unique_id=='Airline1'].drop('unique_id', axis=1)
    plt.plot(plot_df['ds'], plot_df['y'], c='black', label='True')
    plt.plot(plot_df['ds'], plot_df['NLinear-median'], c='blue', label='median')
    plt.fill_between(x=plot_df['ds'][-12:], 
                    y1=plot_df['NLinear-lo-90'][-12:].values, 
                    y2=plot_df['NLinear-hi-90'][-12:].values,
                    alpha=0.4, label='level 90')
    plt.grid()
    plt.legend()
    plt.plot()
else:
    plot_df = plot_df[plot_df.unique_id=='Airline1'].drop('unique_id', axis=1)
    plt.plot(plot_df['ds'], plot_df['y'], c='black', label='True')
    plt.plot(plot_df['ds'], plot_df['NLinear'], c='blue', label='Forecast')
    plt.legend()
    plt.grid()