Стратегии увеличения данных для прогнозирования временных рядов

Я рассматриваю две стратегии «увеличения данных» для прогнозирования временных рядов.

Сначала немного предыстории. Предиктор для прогнозирования следующего шага временного ряда - это функция, которая обычно зависит от двух вещей: прошлых состояний временного ряда, но также и прошлых состояний предиктора:$P$$\lbrace A_i\rbrace$

Если мы хотим настроить / обучить нашу систему для получения хорошего , тогда нам понадобится достаточно данных. Иногда доступных данных будет недостаточно, поэтому мы рассматриваем возможность увеличения данных.$P$

Первый подход

Предположим, у нас есть временной ряд с . И предположим также, что у нас есть , удовлетворяющее следующему условию: .$\lbrace A_i \rbrace$$1 \leq i \leq n$$\epsilon$$0<\epsilon < |A_{i+1} - A_i| \forall i \in \lbrace 1, \ldots,n\rbrace$

Мы можем построить новый временной ряд $\lbrace B_i = A_i+r_i\rbrace$ , где $r_i$ - реализация распределения $N(0,\frac{\epsilon}{2})$ .

Тогда вместо минимизации функции потерь только над $\lbrace A_i \rbrace$ , мы делаем это также над $\lbrace B_i \rbrace$ . Итак, если процесс оптимизации занимает $m$ шагов, мы должны «инициализировать» предиктор $2m$ раза, и мы вычислим примерно $2m(n-1)$ внутренних состояний предиктора.

Второй подход

Мы вычисляем $\lbrace B_i \rbrace$ как и раньше, но мы не обновляем внутреннее состояние предиктора, используя $\lbrace B_i \rbrace$ , а $\lbrace A_i \rbrace$ . Мы используем только две серии во время вычисления функции потерь, поэтому мы вычислим приблизительно $m(n-1)$ внутренних состояний предиктора.

Конечно, здесь меньше вычислительной работы (хотя алгоритм немного уродливее), но пока это не имеет значения.

Сомнение

Проблема в том, что со статистической точки зрения, какой вариант «лучший»? И почему?

Моя интуиция говорит мне, что первый лучше, потому что он помогает «упорядочить» веса, связанные с внутренним состоянием, в то время как второй помогает только упорядочить веса, связанные с наблюдаемым прошлым временным рядом.

Дополнительно:

• Любые другие идеи, чтобы сделать увеличение данных для прогнозирования временных рядов?
• Как взвесить синтетические данные в тренировочном наборе?

Любые другие идеи, чтобы сделать увеличение данных для прогнозирования временных рядов?

Я сейчас думаю о той же проблеме. Я нашел статью «Увеличение данных для классификации временных рядов с использованием сверточных нейронных сетей» Le Guennec et al. который не покрывает прогнозирование как бы то ни было. Тем не менее, упомянутые там методы увеличения выглядят многообещающими. Авторы сообщают 2 метода:

Нарезка окон (WS)

Первый метод, вдохновленный сообществом компьютерного зрения [8,10], заключается в выделении срезов из временных рядов и выполнении классификации на уровне срезов. Этот метод был введен для временных рядов в [6]. При обучении каждому срезу, извлеченному из временного ряда класса y, присваивается один и тот же класс, и классификатор изучается с использованием срезов. Размер среза является параметром этого метода. Во время тестирования каждый срез из временного ряда теста классифицируется с использованием изученного классификатора, и для определения прогнозируемой метки выполняется большинство голосов. Этот метод упоминается как разделение на окна (WS) в следующем.

Деформирование окон (WW)

Последний метод увеличения данных, который мы используем, более специфичен для временных рядов. Он состоит в деформации случайно выбранного среза временного ряда путем его ускорения вверх или вниз, как показано на рис. 2. Размер исходного среза является параметром этого метода. На рис. 2 показан временной ряд из набора данных «ECG200» и соответствующие преобразованные данные. Обратите внимание, что этот метод генерирует входные временные ряды различной длины. Чтобы справиться с этой проблемой, мы выполняем разрезание окна на преобразованных временных рядах, чтобы все имели равную длину. В этой статье мы рассматриваем только коэффициенты деформации, равные 0.5или 2, но можно использовать и другие коэффициенты, и оптимальное соотношение можно даже точно настроить путем перекрестной проверки на тренировочном наборе. В дальнейшем этот метод будет называться деформацией окна (WW).

Авторы сохранили 90% серий без изменений (т. Е. WS был установлен на 90% среза, а для WW 10% серии были деформированы). Сообщается, что методы уменьшают ошибку классификации для нескольких типов данных (временных) рядов, за исключением одномерных представлений контуров изображения. Авторы взяли свои данные отсюда: http://timeseriesclassification.com

Как взвесить синтетические данные в тренировочном наборе?

В увеличении изображения, поскольку ожидается, что расширение не изменит класс изображения, на самом деле его обычно взвешивают как любые реальные данные. Прогнозирование временных рядов (и даже классификация временных рядов) может отличаться:

1. Временной ряд не так легко воспринимается как непрерывный объект для людей, так что, в зависимости от того, насколько вы вмешиваетесь в него, остается ли он тем же классом? Если вы только нарезаете и деформируете немного, а классы визуально различимы, это может не создавать проблем для задач классификации

2. Для прогнозирования я бы сказал, что

   2.1 WS по-прежнему хороший метод. Независимо от того, на какую 90% часть серии вы смотрите, вы все равно ожидаете прогноз, основанный на тех же правилах => полный вес.

   2.2 WW: Чем ближе это происходит к концу серии, тем осторожнее я буду. Интуитивно я бы придумал весовой коэффициент, скользящий между 0 (деформация в конце) и 1 (деформация в начале), предполагая, что самые последние характеристики кривой являются наиболее релевантными.

Любые другие идеи, чтобы сделать увеличение данных для прогнозирования временных рядов?

Еще один ответ с другим подходом, основанным на «Расширении набора данных в пространстве объектов » ДеВриса и Тейлора.

В этой работе мы продемонстрируем, что экстраполяция между выборками в пространстве признаков может использоваться для расширения наборов данных и повышения производительности контролируемых алгоритмов обучения. Основным преимуществом нашего подхода является то, что он не зависит от предметной области , не требует специальных знаний и, следовательно, может применяться для решения различных задач.

Звучит многообещающе для меня. В принципе, вы можете использовать любой автоэнкодер для создания представлений в пространстве объектов. Эти функции могут быть интерполированы или экстраполированы.

На рисунке ниже в качестве примера показана интерполяция двух векторов пространственных и ( , что для экстраполяции из двух векторов сообщается о более положительных результатах, подробности см. В статье). Полученный в результате расширенный вектор затем декодируется обратно во входное пространство и подается в сеть для обучения.$C_j$$C_k$$C'$

В статье снова рассматривается только классификация последовательностей. Но опять-таки ИМО принципы одинаковы для регрессионного анализа. Вы получаете новые данные, предположительно, из того же дистрибутива, что и ваши реальные данные. Это то, что вам нужно.

Если мы доработаем этот принцип генерации данных нейронной сетью, мы получим Генеративные состязательные сети (GAN) . Они могут использоваться аналогичным образом для генерации дополненных данных, что, вероятно, будет самым сложным современным способом сделать это.

Недавно я применил другой подход, вдохновленный этой статьей Бергмейра, Хиндмана и Бенитеса.

$B$$B$

Таким образом, может быть получено столько дополнительных временных рядов, сколько необходимо, чтобы представить начальный временной ряд достаточно хорошо. Вот пример применения некоторых реальных данных для генерации дополнительных похожих временных рядов:

Здесь увеличение показано с использованием преобразования Йео-Джонсона, а не Бокс Кокса, как предложено в оригинальной статье.