如何建模时间序列的不确定性？

Posted 2022-11-27 fareise

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基础的时间序列预测任务的目标是给定历史序列，预测未来每个时间点的具体值。这种问题定义虽然简单直接，但是也面临着一些问题。在很多应用场景中，我们不仅希望能预测出未来的具体值，更希望能预测出未来取值的不确定性，例如一个概率分布或者取值范围。在很多应用场景中，未来的时间序列本身就具有很强的不确定性，如果能预测出一个取值区间，会对业务决策带来更大的帮助，让我们对未来的最好情况和最差情况心里有个数。

 

对时间序列进行概率分布或区间估计的方法主要有两种，这篇文章给大家详细介绍一下这两种方法，以及采用这两种方法的经典时间序列预测论文。

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1. 方法1：建模概率分布

第一种方法是直接对未来时间序列的概率分布进行建模，其中DeepAR: Probabilistic Forecasting with Autoregressive Recurrent Networks（2017）是这种建模方法的典型工作，采用RNN对时间序列进行概率分布建模。首先假设，待预测的时间序列在每个时间步的取值都服从某种分布，DeepAR对于实值时间序列采用高斯分布的假设。因此，问题转换为，预测每个时间步高斯分布的均值和方差。在模型实现上，RNN在每个时刻输出的隐状态接两个全连接层，第一个全连接用来拟合当前时刻的均值，第二个全连接层拟合的是当前时刻的方差。

在获取到模型预测的均值和方差后，我们可以利用极大似然估计作为损失函数优化模型，这其实就是一个根据观测值利用极大似然方法进行参数估计的过程。这个过程可以用下面的公式表示，其中h代表RNN在每个时刻输出的隐状态向量，w和b对应全连接参数。

后来的一些方法，例如Deep State Space Models for Time Series Forecasting（2018）等，也是基于这种概率估计的思路，模型拟合均值和方差，进而得到时间序列的概率分布。在预测结果的时候，模型同样预测的是高斯分布的均值和方差，利用每个时间步的高斯分布预测结果，我们就可以得到时间序列的一个预测区间范围，例如取某个分位数，像下面这张图那样。

下面结合DeepAR的具体代码来看一下具体实现方法。注意红框部分，在得到隐状态（hidden_permute）后，会经过两个独立的全连接层，将隐状态分别映射成两个标量mu和sigma，mu对应均值，sigma对应方差。其中softplus激活函数将预测结果映射成>0的数，以满足高斯分布方差的特性。

2. 方法2：分位数回归

第二种方法基于分位数回归（quantile regression）的思路，在A Multi-Horizon Quantile Recurrent Forecaster（2018）中开始被结合深度学习被应用到时间序列预测任务中。分位数回归相比一般的均值回归，拟合的是观测值分位数和变量之间的关系。在RNN等深度学习模型里，可以通过引入quantile loss，让模型拟合分位数。Quantile loss的公式如下：

其中q是一个参数，控制着模型拟合多少分位数。当q=0.5时，quantile loss就变成了MAE损失，直接拟合均值。在实际应用中，可以取多组q，分别拟合不同的分位数，每一组q对应一个预测结果，就可以得到多组不同分位数的预测结果。例如我们关心0.5、0.7、0.9三种分位数，并且模型的结构是RNN。那么只需要在每个隐状态后接一个output layer映射到一个3维向量，向量中每个元素对应一个分位数预测结果，代入上面loss函数即可。

Quantile loss这种方法相比对概率分布建模，优点在于简单易用，相当于让模型直接输出预估区间，因此后续很多论文都采用了该方法来预测时间序列区间，例如Temporal Fusion Transformers for Interpretable Multi-horizon Time Series Forecasting（TFT，2019）这篇谷歌发布的时序Transformer模型，就将quantile regression作为多步预测的建模方法。下图是TFT的网络结构，可以看到在红框部分dense输出层针对每组q生成一个对应分位数的预测结果。

3. 总结

预测时间序列的概率分布、区间是在实际应用中比较常用的技术，对概率分布和区间的预估能让模型输出更多信息，辅助我们进行决策和风险控制。相比只预测一个值，概率分布和区间的预估既能给出时间序列未来走向，也能让描绘出未来的不确定性，值得在实际工作中试一试这种预估方法。

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