简介
如果说哪类机器学习问题坑最多，那我一定投时间序列预测一票。
时间序列预测问题中数据形式的特殊性，导致了搭建模型过程中会遇到各种各样的坑。从头到尾搭建一个时间序列预测模型需要避开哪些坑？今天给大家总结一下我在实际工作中遇到的问题，包括数据、模型、指标、应用等四个方面的坑。
数据中的坑
任何机器学习模型的第一步都需要进行数据处理，而这一步在时间序列预测问题上坑非！常！多！我们常见的任务，比如图像分类或者文本匹配，输入数据都是结构化的，文本分成的token一共就那么几个，图像的rgb也都是0到255之间的一个数。但是时间序列的输入数据是离散值，而且取值理论上没有固定的范围。这就造成了时间序列处理中有很多需要注意的点。下面跟大家说几个我在做时间序列预测时遇到的典型坑供大家参考。
第一个坑：数据预处理。时间序列预测的数据集千差万别，数据的取值范围差异也很大，可能最小值是0时间序列模型有哪些，最大值是1000000。这种数据直接输入模型很难训练，因此一般需要做一些例如归一化等数据预处理。但是选哪种预处理方法最好呢？数据预处理方法选的不好，相当于地基没打好，后面做的各种实验全白费，因此一定要先选一个适合自己数据集的处理方法。如果数值差异很大，一般通常是先取对数缩小scale，再在此基础上做归一化。此外一定要注意数据泄露的问题！归一化求均值时，只能用Encoder的数据计算，不要把Deccoder的数据也加进去。数据预处理细节很多，一个不小心就会导致后面的实验全白做了，一定要小心。
第二个坑：窗口选择问题。使用深度学习进行预测，一般都会选择历史N天作为Encoder输入，预测未来M天的。那么这个N天和M天怎么选呢？M是问题定义好的，比如需要预测未来30天的预测结果，M就是30。至于N的选择，就要注意了。一方面，N的选择一定要比M长，一般为M的1.5倍以上。另一方面时间序列模型有哪些，要看数据的周期性。如果数据呈现明显的以365天为周期的年周期性，那么N至少要涵盖一年，才能让模型预测出来接下来要发生的事。N的选择也不能太长，会导致模型训练慢，或者收敛困难的问题。N如果选的长度不够，模型知道的信息不足，后面模型设计的再怎么花哨，也不会取得好的效果。一定要结合数据特点进行窗口选择，把你想让模型知道的信息都输入给模型。
模型中的坑
时间序列模型千千万，如何选择最适合自己场景的呢？我曾经在之前的文章中详细汇总了各类深度学习时间序列预测模型，Transformer、LSTM、CNN等基础结构都有针对时间序列预测的模型，也有Nbeats、LSTNet等专门针对时间序列预测设计的网络。
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在模型的选择上，一个比较重要的原则是根据预测序列的长短来定。如果是单点预测，LSTM就能取得非常好的效果。如果是长周期预测，那就必须加一些Attention才能更好的进行对齐，这个时候可以考虑LSTM+Attention，或者直接上Transformer模型。另一个考虑因素是你的数据噪声大不大，一个经验是，噪声越大的数据集，用越简单的模型往往能取得更好的效果，而用了复杂模型反而会因为过拟合导致效果较差。
指标中的坑
在时间序列预测评价指标上，一定要结合实际需求来选择。时间序列预测的评价指标可以分为两类，一类是scale无关的（如smape、rmsle、mape等），一类是scale相关的（如mse、rmse、mae、nd等）。Scale无关的，即不管每个样本点的取值多大，对最终loss的贡献都是差不多的，因为这些指标计算的都是预测值相对于真实值的偏差百分比。而scale相关的指标，数值越大对loss的贡献就越大，因为它们直接计算预测值和真实值的差值。
在选择指标时，如果更关注大值样本的效果，可以用scale相关的指标；如果更关注全局所有样本的效果，可以用scale无关的指标。对于scale无关的指标还要注意一点，在一些场景中，小值样本比大值样本多得多，数据呈现长尾部分。这种情况下使用scale无关指标，则更偏向于看小值样本效果。同时，小值样本可能存在更大的误差，比如真实值是1，预测值是2，这偏差就是100%了，小样本本来就噪声大。如果用scale无关指标在这类数据上评估，很可能反映的是拟合噪声的效果。因此更合适的做法是对测试集做一个采样，小值样本、大值样本保留差不多的数量，才能更科学的评价模型效果。
应用中的坑
时间序列预测的结果不能只看指标，一定要看预测结果的折线图！有的时候看着指标不错，但实际预测出来的曲线可能是下面某些图那样的：
在应用之前，一定要做一些可视化分析，看模型预测的曲线和真实曲线差异在哪，把历史的真实序列也要画出来，这样才能看出哪些地方你认为模型本该预测出来，但实际没预测出来，针对性的优化模型。
总结
实际应用中搭建时间序列预测模型时，和学术界的差异还是很大的。学术界用的数据大多数都很干净，规律性很强。但是实际应用中的数据集，噪声大、取值范围大、规律性不明显等都是很大概率要面对的问题。你在时间序列预测中踩过坑吗？欢迎评论区交流~
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