论文笔记：Are Transformers Effective for Time Series Forecasting?

Posted 2023-03-07 UQI-LIUWJ

AAAI 2023 oral

1 Intro

• 自注意力计算是排列不变的（permutation-invariant）
  • 虽然使用各种类型的position embedding和temporal embedding后，会保留一些order信息，但仍然时间信息可能会不可避免地丢失
• 本文质疑基于Transformer以进行时间序列预测的有效性
  • 现有的基于Transformer的方法，通常比较的baseline是利用自回归、自我迭代来进行预测
    • 由于不可避免的误差累积，故而这些baseline的长期预测能力会比较差
  • 论文尝试使用一种非常简单的线性模型，直接进行多部预测
    • 这个线性模型优于所有Transformer的模型
    • 同时大多数Transformer无法从长序列中提取有效的时间关系（预测误差不会随着sliding window的增加而减少）
  • 由于并不是所有时间序列都是可以预测的，所以这里只研究趋势和周期相对清晰的时间序列。

2  现有模型

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2.1 IMS（迭代多步）和DMS（直接多步）

• 与DMS预测结果相比，由于采用了自回归模式，IMS预测的方差较小，但不可避免地会受到误差累积效应的影响。
• 因此，当有一个高度准确的单步的predictor，且T相对较小时，IMS更可取。相比之下，当难以获得无偏的单步预测模型或T较大时，DMS预测会生成更准确的预测

2.2 提出的模型

2.2.0 Linear

直接将N*T的输入序列，通过一个线性层，输出到N*T'的输出序列

2.2.1 Dlinear

• 

• 首先通过滑动平均将时间序列分成趋势和周期
• 然后使用一层线性层（右图），分别映射趋势和周期
• 最后将 映射完成的趋势和周期加和

举例：

• 比如现在有一个10个变量的时间序列，历史长度为100，我们要预测未来50个时间步
• 先将原来10*100维的时间序列矩阵分解成两个10*100维的趋势和周期时间序列
• 然后使用100*50的线性映射层，将趋势和周期时间序列转变成10*50维的两个矩阵
• 将他们加和，得到10*50维的输出，这个就是预测的结果

2.2.2 NLinear

• 输入序列首先全部减去 序列的最后一个值
• 将减去后的序列送入一个线性层
• 得到预测结果后，将减去的部分加回来
• （可以将加法和减法看作输入序列的规范化）

3 实验部分

3.1 数据

3,2 实验结果

 可以看到Linear/DLinear/NLinear效果比Transformer的好

3.3 预测结果可视化

可以看到Linear的效果依旧最好

3.4 输入窗口大小和预测结果的关系

• 为了研究输入回望窗口大小的影响，论文用L进行了实验∈ 24、48、72、96、120、144、168、192、336、504、672、720用于长期预测（T=720）。
• 下图展示了两个数据集的MSE结果。

可以看到有些基于Transformer的模型在回望窗口增大时性能会恶化或保持不变。

相比之下，所有LTSF Linear的性能都随着输入窗口大小的增加而显著提高。

3.5  自注意力对时间序列预测的影响

逐渐将Informer中的组成部分替换成Linear，发现性能随着逐步简化，而不断提高

3.6 Transformer可以维持时间顺序嘛？

在进行embedding 之前，对原始时间序列输入进行shuffle：

• Shuf：随机shuffle整个序列
• Half-Ex：shuffle一半的序列，然后将序列的前半部分和后半部分对调

 

• 与最初的设置相比，所有基于Transformer的方法的性能都没有波动，即使输入序列是随机shuffle的。
• 相反，LTSF Linear的性能受到了严重损害。
• 这表明，具有不同位置和时间嵌入的transformer保留了非常有限的时间关系，并且容易在嘈杂的数据上过拟合，而LTSF线性可以自然建模顺序，并且较少的参数也可以避免过拟合。

3.7 position embedding的有效性

•  如果没有position和temporal embedding，Informer的性能会大大下降（因为INformer是稀疏的逐点乘积attention）
• 而AutoFormer和FedFormer会对temporal embedding和position embedding的敏感度小一些
  • AutoFormer是使用Auto-correlation代替逐点乘积attention
  • FEDFormer是在谱域上的attention
  • 他们都不是单个时间片的attention

3.8 是不是数据集的大小制约了Transformer的学习能力

Ori是一个完整的数据，Short是截断了的数据

在这里，增加了数据，反而模型效果降低了。