預測股價可以更準嗎？Google提出TFT新解法

如何藉由過去數值的變化趨勢來預測未來，這在許多領域都是一件重要的事情，例如精準地預測商品未來的銷售量會對公司帶來多大的幫助。在統計與機器學習領域中，這類的問題被稱為時間序列分析（Time Series Analysis）。除了過去一些經典的統計模型（e.g. ARIMA）外，在深度學習當道的時代，同樣也有新的模型架構被提出，本次為讀者們介紹的就是Google團隊提出的temporal fusion transformers (TFT)模型。

相對於過去提出的深度學習模型，TFT希望解決的問題包含：

時間序列問題中，我們可能會希望讓模型同時觀察到 a. 不隨時間改變（time-invariant）的特徵, b. 隨時間變化的歷史特徵（observed inputs）, 以及 c. 已知的未來特徵（future inputs）。由於這三類輸入特徵在時間上數量不同，因此單純將所有特徵合併在一起處理可能並非最好的做法。
除了單純預測未來某一天的數值，若能預測未來一段時間的數值（multi-horizon forecasting）對於實際使用上可能更有幫助。另外在預測數值上，除了預測單一數字（e.g. 平均數）外，提供一個數值可能坐落的範圍（區間估計）也能增加應用的決策彈性。
現有常見的模型解釋方法（e.g. LIME, SHAP）並不適合用於時間序列問題上。

在本篇文章中，google團隊以近年最夯的Transformer模型為基底，並設計特化的架構將不同性質的特徵分別以不同的模組做處理，再使用LSTM與特化過的自注意力機制使模型，能夠根據任務特性關注短時序或長時序之間的關係，最後，在輸出時TFT應用了分位數迴歸（quantile regression）的概念，使其有區間估計的能力。

更重要的是，由於TFT設計的特化模組Variable Selection Network與自注意力機制的性質，使用者可以針對模型進行預測所使用的特徵做觀察，達到傳統機器學習中萃取特徵重要程度（feature importance）的作用。在文章的範例展示中，也可以透過TFT來觀察資料內含的時間趨勢，例如電力使用會以天為單位做循環、而店家的銷售量會以週為單位做循環等，以及時間序列資料中是否有突發的事件。不免俗地，在文章提到的四個公開資料集中，TFT都拿到了最佳成績。目前在github上無論是tensorflow或是pytorch都有較完整實作TFT的程式碼，在Python的Darts套件中，也有納入TFT模型供使用者快速使用。

還在為時間序列問題而煩惱嗎？也許TFT是你的最佳選擇！

Paper with codes : https://paperswithcode.com/paper/temporal-fusion-transformers-for
google 官方 github：https://github.com/google-research/google-research/tree/master/tft

（撰稿工程師：蔡岳霖）