Transformer框架时间序列模型Informer内容与代码解读

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论文：https://arxiv.org/abs/2012.07436
代码：https://github.com/zhouhaoyi/Informer2020
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文章目录

  • Transformer框架时间序列模型Informer内容与代码解读
  • 前言
  • 一、数据集
  • 二、数据集的特种工程操作
    • 1.标准化操作
    • 2.时间信息转化
    • 3.模型的输入
  • 三、Encoder
    • 1.Embedding
    • 2.Encoder
  • 四、Decoder
  • 总结

前言

Transformer模型是当下最火的模型之一，被广泛使用在nlp,cv等各个领域之中。但是，用Transformer模型去解决时间序列问题却非常少见。本文是少有的用Transformer模型去解决长序列的时间预测问题。是AAAI 2021 Best Paper。内容比较新颖，尤其是提出了一种新的注意力层——ProbSparse Self-Attention和Distilling操作，在减少模型参数的同时大大提升模型的效果，值得在许多场合中借鉴。

一、数据集

论文提供了几种数据，我这以wth.csv为案例，其他的数据集也都差不多。

数据一共有35064条13列，其中第一列为时间，以每小时为单位。后12列为普通的column，进行多变量预测任务，也就是后12列既是作为特征X，也是需要预测的标签Y。

二、数据集的特种工程操作

论文主要对数据进行切割，分为训练集，验证集和测试集，其中训练集24544条(0 ~24544)，验证集3508条(24448 ~28052)，测试集7012条(27956 ~35064)。对数据进行了标准化操作，和提取第一列的时间数据，为了提取更多时间轴纬度的信息对其进行转换，1列转化成4列。

1.标准化操作

代码如下（示例）：

class StandardScaler():def __init__(self):self.mean = 0.self.std = 1.def fit(self, data):self.mean = data.mean(0)self.std = data.std(0)def transform(self, data):mean = torch.from_numpy(self.mean).type_as(data).to(data.device) if torch.is_tensor(data) else self.meanstd = torch.from_numpy(self.std).type_as(data).to(data.device) if torch.is_tensor(data) else self.stdreturn (data - mean) / stddef inverse_transform(self, data):mean = torch.from_numpy(self.mean).type_as(data).to(data.device) if torch.is_tensor(data) else self.meanstd = torch.from_numpy(self.std).type_as(data).to(data.device) if torch.is_tensor(data) else self.stdif data.shape[-1] != mean.shape[-1]:mean = mean[-1:]std = std[-1:]return (data * std) + mean

2.时间信息转化

代码如下（示例）：

class HourOfDay(TimeFeature):"""Hour of day encoded as value between [-0.5, 0.5]"""def __call__(self, index: pd.DatetimeIndex) -> np.ndarray:return index.hour / 23.0 - 0.5class DayOfWeek(TimeFeature):"""Hour of day encoded as value between [-0.5, 0.5]"""def __call__(self, index: pd.DatetimeIndex) -> np.ndarray:return index.dayofweek / 6.0 - 0.5class DayOfMonth(TimeFeature):"""Day of month encoded as value between [-0.5, 0.5]"""def __call__(self, index: pd.DatetimeIndex) -> np.ndarray:return (index.day - 1) / 30.0 - 0.5class DayOfYear(TimeFeature):"""Day of year encoded as value between [-0.5, 0.5]"""def __call__(self, index: pd.DatetimeIndex) -> np.ndarray:return (index.dayofyear - 1) / 365.0 - 0.5 最后将其封装起来dates = pd.to_datetime(dates.date.values)return np.vstack([feat(dates) for feat in time_features_from_frequency_str(freq)]).transpose(1,0)

ps:这里的思路值得学习，特征工程非常重要，可以根据不同的业务场景，进行细分，比如加入季节，假期，促销季节等，进一步补充时间维度的信息，这些特征工程往往决定模型表现的上线，而模型本身只能逼近上线而已。

3.模型的输入

通过Dataloader getitem 函数对数据进行处理，模型输入分别为seq_x, seq_y, seq_x_mark, seq_y_mark。
seq_x的维度是96 12，代表12个特征和时间序列96(默认小时)。
seq_y的维度是72 12，代表12个特征和时间序列72(默认小时)。72个小时中，48个与seq_x重叠部分，另外24个是真正需要预测的标签Y。也就是说在模型decoder预测阶段，需要用时间系列前面的48个值也作为特征来带一带，提升模型的效果。
seq_x_mark的维度是96 4，代表4个前面通过时间信息转化的时间特征。
seq_y_mark的维度是72 4，同样代表y的时间特征。

三、Encoder

1.Embedding

一般Transformer框架的第一层都是embedding,把各种特征信息融合在一起，本文作者从3个角度进行特征融合，分别是

  1. value_embedding
  2. position_embedding
  3. temporal_embedding

如图所示，数据的embedding由三个部分组成

代码如下（示例）：

class TokenEmbedding(nn.Module):def __init__(self, c_in, d_model):super(TokenEmbedding, self).__init__()padding = 1 if torch.__version__>='1.5.0' else 2self.tokenConv = nn.Conv1d(in_channels=c_in, out_channels=d_model, kernel_size=3, padding=padding, padding_mode='circular')for m in self.modules():if isinstance(m, nn.Conv1d):nn.init.kaiming_normal_(m.weight,mode='fan_in',nonlinearity='leaky_relu')def forward(self, x):x = self.tokenConv(x.permute(0, 2, 1)).transpose(1,2)return xclass PositionalEmbedding(nn.Module):def __init__(self, d_model, max_len=5000):super(PositionalEmbedding, self).__init__()# Compute the positional encodings once in log space.pe = torch.zeros(max_len, d_model).float()pe.require_grad = Falseposition = torch.arange(0, max_len).float().unsqueeze(1)div_term = (torch.arange(0, d_model, 2).float() * -(math.log(10000.0) / d_model)).exp()pe[:, 0::2] = torch.sin(position * div_term)pe[:, 1::2] = torch.cos(position * div_term)pe = pe.unsqueeze(0)self.register_buffer('pe', pe)def forward(self, x):return self.pe[:, :x.size(1)]class TimeFeatureEmbedding(nn.Module):def __init__(self, d_model, embed_type='timeF', freq='h'):super(TimeFeatureEmbedding, self).__init__()freq_map = {'h':4, 't':5, 's':6, 'm':1, 'a':1, 'w':2, 'd':3, 'b':3}d_inp = freq_map[freq]self.embed = nn.Linear(d_inp, d_model)def forward(self, x):return self.embed(x)最后将其对应位置相加，得到最终的embedding,做法较为常规，通过1维的卷积层将embedding的输出映射成512def forward(self, x, x_mark): x = self.value_embedding(x) + self.position_embedding(x) + self.temporal_embedding(x_mark)

通过embedding之后模型的输出为32 96 512，其中32位batch size(默认32)，96为时间序列长度，512为转换后的特征的维度。

2.Encoder

Encoder为本文核心内容，ProbSparse Self-Attention和Distilling两大核心内容。

def forward(self, queries, keys, values, attn_mask):B, L, _ = queries.shape_, S, _ = keys.shapeH = self.n_headsqueries = self.query_projection(queries).view(B, L, H, -1)keys = self.key_projection(keys).view(B, S, H, -1)values = self.value_projection(values).view(B, S, H, -1)out, attn = self.inner_attention(queries,keys,values,attn_mask)

这里第一步和正常的self-attention一样，对embedding的输出分别做3个线性转换，获得queries，keys，values，这里也是做多头的注意力机制，默认为8。这里的重点是如何利用queries，keys，values去做ProbSparse Self-Attention。

class ProbAttention(nn.Module):def __init__(self, mask_flag=True, factor=5, scale=None, attention_dropout=0.1, output_attention=False):super(ProbAttention, self).__init__()self.factor = factorself.scale = scaleself.mask_flag = mask_flagself.output_attention = output_attentionself.dropout = nn.Dropout(attention_dropout)def _prob_QK(self, Q, K, sample_k, n_top): # n_top: c*ln(L_q)# Q [B, H, L, D]B, H, L_K, E = K.shape_, _, L_Q, _ = Q.shape# calculate the sampled Q_KK_expand = K.unsqueeze(-3).expand(B, H, L_Q, L_K, E)index_sample = torch.randint(L_K, (L_Q, sample_k)) # real U = U_part(factor*ln(L_k))*L_qK_sample = K_expand[:, :, torch.arange(L_Q).unsqueeze(1), index_sample, :]Q_K_sample = torch.matmul(Q.unsqueeze(-2), K_sample.transpose(-2, -1)).squeeze(-2)# find the Top_k query with sparisty measurementM = Q_K_sample.max(-1)[0] - torch.div(Q_K_sample.sum(-1), L_K)M_top = M.topk(n_top, sorted=False)[1]# use the reduced Q to calculate Q_KQ_reduce = Q[torch.arange(B)[:, None, None], torch.arange(H)[None, :, None], M_top, :] # factor*ln(L_q)Q_K = torch.matmul(Q_reduce, K.transpose(-2, -1)) # factor*ln(L_q)*L_kreturn Q_K, M_topdef _get_initial_context(self, V, L_Q):B, H, L_V, D = V.shapeif not self.mask_flag:# V_sum = V.sum(dim=-2)V_sum = V.mean(dim=-2)contex = V_sum.unsqueeze(-2).expand(B, H, L_Q, V_sum.shape[-1]).clone()else: # use maskassert(L_Q == L_V) # requires that L_Q == L_V, i.e. for self-attention onlycontex = V.cumsum(dim=-2)return contexdef _update_context(self, context_in, V, scores, index, L_Q, attn_mask):B, H, L_V, D = V.shapeif self.mask_flag:attn_mask = ProbMask(B, H, L_Q, index, scores, device=V.device)scores.masked_fill_(attn_mask.mask, -np.inf)attn = torch.softmax(scores, dim=-1) # nn.Softmax(dim=-1)(scores)context_in[torch.arange(B)[:, None, None], torch.arange(H)[None, :, None], index, :] = torch.matmul(attn, V).type_as(context_in)if self.output_attention:attns = (torch.ones([B, H, L_V, L_V])/L_V).type_as(attn).to(attn.device)attns[torch.arange(B)[:, None, None], torch.arange(H)[None, :, None], index, :] = attnreturn (context_in, attns)else:return (context_in, None)def forward(self, queries, keys, values, attn_mask):B, L_Q, H, D = queries.shape_, L_K, _, _ = keys.shapequeries = queries.transpose(2,1)keys = keys.transpose(2,1)values = values.transpose(2,1)U_part = self.factor * np.ceil(np.log(L_K)).astype('int').item() # c*ln(L_k)u = self.factor * np.ceil(np.log(L_Q)).astype('int').item() # c*ln(L_q) U_part = U_part if U_part<L_K else L_Ku = u if u<L_Q else L_Qscores_top, index = self._prob_QK(queries, keys, sample_k=U_part, n_top=u) # add scale factorscale = self.scale or 1./sqrt(D)if scale is not None:scores_top = scores_top * scale# get the contextcontext = self._get_initial_context(values, L_Q)# update the context with selected top_k queriescontext, attn = self._update_context(context, values, scores_top, index, L_Q, attn_mask)return context.transpose(2,1).contiguous(), attn

大家可以看一下ProbAttention里的forward函数

  1. 首先作者定义了一个变量U_part，这里默认为25，这个变量的意义在于，通过ProbAttention层，从96个长序列中，最终得到25个有价值的queries。

  2. self._prob_QK 这个函数首先先从96个keys中随机抽样得到25个keys来代表所有keys的K_sample，然后用这些K_sample对所有的96个queries做内积，得到96个queries分别对应的25个keys值。每一个query这时候都对应25个key值，然后在25个key值中取最大值，再减去平均值，来作为每一个query的重要性。这样就可以得到96个queries的重要性。在更新values的时候，只更新25个重要的query，对应不重要的query则做平均。

  3. self._get_initial_context 这个函数对其他非25个重要queries以外的values做平均值，这样可以减少参数的同时，剔除噪声。

  4. self._update_context 这个函数完成attention 计算操作。最终得到输出。


通过ProbSparse Self-Attention快速找到最有用的”Active” Query，剔除”Lazy” Query，用平均值来代替。

除了ProbAttention之外Distilling也是文章的另外一个创新。作者通过实验表明，经过下采样操作将96个输入长度，转换成48个之后，效果更好，所以模型类似梯队结构。

def forward(self, x):x = self.downConv(x.permute(0, 2, 1))x = self.norm(x)x = self.activation(x)x = self.maxPool(x)x = x.transpose(1,2)return x


其他的结构与一般的Transformer模型基本一样，也用到了残差连接，归一化，dropout等，来确保每一轮至少不比上一轮效果差。

四、Decoder

Decoder模块并无更多创新之处。和普通的Transformer模型一样，唯一的区别是在Decoder的输入中也用到了Encoder的42个值，用0作为真正需要预测的初始值。这样可以更好的提高模型的效果。
Mask机制用在Decoder的第一个attention层中，目的是为了保证t时刻解码的输出只依赖于t时刻之前的输出。

class TriangularCausalMask():def __init__(self, B, L, device="cpu"):mask_shape = [B, 1, L, L]with torch.no_grad():self._mask = torch.triu(torch.ones(mask_shape, dtype=torch.bool), diagonal=1).to(device)@propertydef mask(self):return self._maskclass ProbMask():def __init__(self, B, H, L, index, scores, device="cpu"):_mask = torch.ones(L, scores.shape[-1], dtype=torch.bool).to(device).triu(1)_mask_ex = _mask[None, None, :].expand(B, H, L, scores.shape[-1])indicator = _mask_ex[torch.arange(B)[:, None, None], torch.arange(H)[None, :, None], index, :].to(device)self._mask = indicator.view(scores.shape).to(device)@propertydef mask(self):return self._mask

总结

文章通过ProbSparse Self-Attention和Distilling，对普通Self-Attention进行改进，不仅减少了参数，同时运用在时间序列的案例中，提高了模型的效果。
ProbSparse Self-Attention和Distilling能否运用在其他场景之中？比如cv nlp模型中，把Self-Attention都替代成ProbSparse Self-Attention和Distilling，因为都是Transformer机制，或者其他使用Transformer机制的架构中，效果也会有所提高吗？