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盡可能延長預測時效是時序預測的核心難題，對于能源、交通、經濟的長期規劃，氣象災害、疾病的早期預警等具有重要意義。

清華大學軟件學院機器學習實驗室的研究人員近日發表了一篇論文，探究了在信息有限的情況下預測更長期未來的這個難題。

針對上述問題，作者大刀闊斧革新Transformer，提出全新的Autoformer模型，在長時序預測方面達到SOTA，在效率性能上均超過Transformer及其變體。

論文鏈接：
https://arxiv.org/abs/2106.13008

研究背景

雖然近期基于Transformer的模型在時序預測上取得了一系列進展，但是Transformer的固有設計，使得在應對長期序列時仍存在不足：

• 隨著預測時效的延長，直接使用自注意力（self-attention）機制難以從復雜時間模式中找到可靠的時序依賴。
• 由于自注意力的二次復雜度問題，模型不得不使用其稀疏版本，但會限制信息利用效率，影響預測效果。

作者受到時序分析經典方法和隨機過程經典理論的啟發，重新設計模型，打破Transformer原有架構，得到Autoformer模型：

• 深度分解架構：突破將時序分解作為預處理的傳統方法，設計序列分解單元以嵌入深度模型，實現漸進式地（progressively）預測，逐步得到可預測性更強的組分。
• 自相關（Auto-Correlation）機制：基于隨機過程理論，丟棄點向（point-wise）連接的自注意力機制，實現序列級（series-wise）連接的自相關機制，且具有的復雜度，打破信息利用瓶頸。
• 應對長期預測問題，Autoformer在能源、交通、經濟、氣象、疾病五大領域取得了38%的大幅效果提升。

方法介紹

作者提出了Autoformer模型，其中包括內部的序列分解單元、自相關機制以及對應的編碼器、解碼器。

（1）深度分解架構

Autoformer架構

時間序列分解是時序分析的經典方法，可以將時間序列分解為幾類潛在的時間模式，如周期項，趨勢項等。

在預測任務中，由于未來的不可知性，通常先對輸入進行分解，再每個組分分別預測。

但這樣使得預測結果受限于分解效果，并且忽視了長期未來中各個組分之間的相互作用。

針對上述問題，作者提出深度分解架構，在預測過程中，逐步從隱變量中分離趨勢項與周期項，實現漸進式（progressive）分解。

并且模型交替進行預測結果優化和序列分解，可以實現兩者的相互促進。

A. 序列分解單元

基于滑動平均思想，平滑時間序列，分離周期項與趨勢項：

其中，為待分解的隱變量，分別為趨勢項和周期項，將上述公式記為。

B. 編解碼器

編碼器：通過上述分解單元，模型可以分離出周期項，。而基于這種周期性，進一步使用自相關機制（），聚合不同周期的相似子過程：

解碼器：對趨勢項與周期項分別預測。

• 對于周期項，使用自相關機制，基于序列的周期性質來進行依賴挖掘，并聚合具有相似過程的子序列；
• 對于趨勢項，使用累積的方式，逐步從預測的隱變量中提取出趨勢信息。

（2）自相關機制

觀察到，不同周期的相似相位之間通常表現出相似的子過程，利用這種序列固有的周期性來設計自相關機制，實現高效的序列級連接。

自相關機制包含基于周期的依賴發現（Period-based dependencies）和時延信息聚合（Time delay aggregation）。

自相關機制，右側為時延信息聚合

A. 基于周期的依賴發現

基于上述觀察，為找到相似子過程，需要估計序列的周期。基于隨機過程理論，對于實離散時間過程，可以如下計算其自相關系數：

其中，自相關系數表示序列與它的延遲之間的相似性。

在自相關機制中，將這種時延相似性看作未歸一化的周期估計的置信度，即周期長度為的置信度為。

實際上，基于Wiener-Khinchin理論，自相關系數可以使用快速傅立葉變換（FFT）得到，其計算過程如下：

其中，和分別表示FFT和其逆變換。因此，復雜度為。

B. 時延信息聚合

為了實現序列級連接，還需要將相似的子序列信息進行聚合。自相關機制依據估計出的周期長度，首先使用操作進行信息對齊，再進行信息聚合：

這里，依然使用query、key、value的多頭形式，從而可以無縫替換自注意力機制。

同時，挑選最有可能的個周期長度，用于避免融合無關、甚至相反的相位。整個自相關機制的復雜度仍為。

C. 對比分析

自相關機制與自注意力機制對比

相比于之前的點向連接的注意力機制或者其稀疏變體，自注意力（Auto-Correlation）機制實現了序列級的高效連接，從而可以更好的進行信息聚合，打破了信息利用瓶頸。

實驗

作者在6個數據集上進行了測試，涵蓋能源、交通、經濟、氣象、疾病五大主流領域。

(1) 主要結果

整體實驗結果

Autoformer在多個領域的數據集、各種輸入-輸出長度的設置下，取得了一致的最優（SOTA）結果。

在input-96-predict-336設置下，相比于之前的SOTA結果，Autoformer實現了ETT能源數據集74%的MSE提升，Electricity能源數據集MSE提升24%，Exchange經濟數據集提升64%，Traffic交通數據集提升14%，Weather氣象數據集提升26%，在input-24-predict-60設置下，ILI疾病數據集提升30%。

在上述6個數據集，Autoformer在MSE指標上平均提升38%。

(2) 對比實驗

深度分解架構的通用性：將提出的深度分解架構應用于其他基于Transformer的模型，均可以得到明顯提升，驗證了架構的通用性。

同時隨著預測時效的延長，提升效果更加明顯，這也印證了復雜時間模式是長期預測的核心問題。

ETT數據集上的MSE指標對比，Origin表示直接預測，Sep表示先分解后預測，Ours表示深度分解架構。

自相關機制 vs. 自注意力機制：同樣基于深度分解架構，在眾多輸入-輸出設置下，自相關機制一致優于自注意力機制及其變體，比如經典Transformer中的Full Attention，Informer中的PropSparse Attention等。

ETT數據集上對比實驗，將Autoformer中的自相關機制替換為其他自注意力機制，得到上述結果。

(3) 模型分析

時序依賴可視化：

對于序列的最后一個時間點，各模型學到的時序依賴可視化，圖(a)中紅色線表示學習到的過程的位置。

通過上圖可以驗證，Autoformer中自相關機制可以正確發掘出每個周期中的下降過程，并且沒有誤識別和漏識別，而其他注意力機制存在缺漏甚至錯誤的情況。

效率分析：

效率對比，紅色線為自相關機制

在顯存占用和運行時間兩個指標上，自相關機制均表現出了優秀的空間、時間效率，兩個層面均超過自注意力機制及其稀疏變體，表現出高效的復雜度。

總結

針對長時序列預測中的問題，作者基于時序分析的經典方法和隨機過程的經典理論，提出了基于深度分解架構和自相關機制的Autoformer模型。

Autoformer通過漸進式分解和序列級連接，應對復雜時間模式以及信息利用瓶頸，大幅提高了長時預測效果。

同時，Autoformer在五大主流領域均表現出了優秀的長時預測結果，模型具有良好的效果魯棒性，具有很強的應用落地價值。