工具系列:TimeGPT_(8)使用不规则时间戳进行时间序列预测

发布时间:2023年12月28日

介绍

在处理时间序列数据时,时间戳的频率是一个关键因素,可以对预测结果产生重大影响。像每日、每周或每月这样的常规频率很容易处理。然而,像工作日这样的不规则频率(不包括周末)对于时间序列预测方法来说可能是具有挑战性的。

我们的预测方法可以处理这种不规则的时间序列数据,只要您指定了序列的频率。例如,在工作日的情况下,频率应该传递为’B’。如果没有这个参数,方法可能无法自动检测频率,特别是当时间戳是不规则的时候。


# Import the colab_badge module from the nixtlats.utils package
from nixtlats.utils import colab_badge

colab_badge('docs/tutorials/8_irregular_timestamps')
from fastcore.test import test_eq, test_fail, test_warns
from dotenv import load_dotenv
# 导入load_dotenv函数,用于加载.env文件中的环境变量
load_dotenv()
True

# 导入pandas库,用于数据处理
import pandas as pd

# 导入TimeGPT模块
from nixtlats import TimeGPT

/home/ubuntu/miniconda/envs/nixtlats/lib/python3.11/site-packages/statsforecast/core.py:25: TqdmWarning: IProgress not found. Please update jupyter and ipywidgets. See https://ipywidgets.readthedocs.io/en/stable/user_install.html
  from tqdm.autonotebook import tqdm
# 创建一个TimeGPT对象,并传入一个参数token,用于验证身份
# 如果没有提供token参数,则默认使用环境变量中的TIMEGPT_TOKEN

timegpt = TimeGPT(
    token = 'my_token_provided_by_nixtla'
)
# 导入TimeGPT模型

timegpt = TimeGPT()  # 创建TimeGPT对象的实例

不规则时间戳的单变量时间预测

第一步是获取您的时间序列数据。数据必须包括时间戳和相关的值。例如,您可能正在处理股票价格,您的数据可能如下所示。在这个例子中,我们使用OpenBB


# 从指定URL读取数据集
df_fed_test = pd.read_csv('https://raw.githubusercontent.com/Nixtla/transfer-learning-time-series/main/datasets/openbb/fed.csv')

# 使用pd.testing.assert_frame_equal函数对两个预测结果进行比较
# 第一个预测结果使用默认的频率(每日)
# 第二个预测结果使用频率为每周
# 比较的指标为预测结果的FF列,并设置置信水平为90%
pd.testing.assert_frame_equal(
    timegpt.forecast(df_fed_test, h=12, target_col='FF', level=[90]),
    timegpt.forecast(df_fed_test, h=12, target_col='FF', freq='W', level=[90])
)
INFO:nixtlats.timegpt:Validating inputs...
INFO:nixtlats.timegpt:Preprocessing dataframes...
INFO:nixtlats.timegpt:Inferred freq: W-WED
WARNING:nixtlats.timegpt:The specified horizon "h" exceeds the model horizon. This may lead to less accurate forecasts. Please consider using a smaller horizon.
INFO:nixtlats.timegpt:Restricting input...
INFO:nixtlats.timegpt:Calling Forecast Endpoint...
INFO:nixtlats.timegpt:Validating inputs...
INFO:nixtlats.timegpt:Preprocessing dataframes...
INFO:nixtlats.timegpt:Inferred freq: W-WED
WARNING:nixtlats.timegpt:The specified horizon "h" exceeds the model horizon. This may lead to less accurate forecasts. Please consider using a smaller horizon.
INFO:nixtlats.timegpt:Restricting input...
INFO:nixtlats.timegpt:Calling Forecast Endpoint...


# 从指定的URL读取CSV文件,并将其存储在名为pltr_df的DataFrame中
pltr_df = pd.read_csv('https://raw.githubusercontent.com/Nixtla/transfer-learning-time-series/main/datasets/openbb/pltr.csv')

# 将'date'列转换为日期时间格式,并将结果存储在'date'列中
pltr_df['date'] = pd.to_datetime(pltr_df['date'])
# 显示数据集的前几行
pltr_df.head()
dateOpenHighLowCloseAdj CloseVolumeDividendsStock Splits
02020-09-3010.0011.419.119.509.503385844000.00.0
12020-10-019.6910.109.239.469.461242976000.00.0
22020-10-029.069.288.949.209.20550183000.00.0
32020-10-059.439.498.929.039.03363169000.00.0
42020-10-069.0410.188.909.909.90908640000.00.0

让我们看看这个数据集有不规则的时间戳。来自pandas的DatetimeIndex的dayofweek属性返回星期几,星期一=0,星期日=6。因此,检查dayofweek>4实际上是检查日期是否落在周六(5)或周日(6),这通常是非工作日(周末)。

# 统计pltr_df中日期的星期几大于4的数量
(pltr_df['date'].dt.dayofweek > 4).sum()
0

我们可以看到时间戳是不规则的。让我们检查“Close”系列。

# 使用timegpt模块中的plot函数,绘制pltr_df数据集中的日期(date)与收盘价(Close)之间的关系图
timegpt.plot(pltr_df, time_col='date', target_col='Close')

要预测这些数据,您可以使用我们的forecast方法。重要的是,记得使用freq参数指定数据的频率。在这种情况下,它应该是’B’,表示工作日。我们还需要定义time_col来选择系列的索引(默认为ds),以及target_col来预测我们的目标变量,这种情况下我们将预测Close

# 预测函数test_fail()用于测试timegpt.forecast()函数的功能
# timegpt.forecast()函数用于根据给定的时间序列数据进行预测
# 该函数的参数包括:
# - df:时间序列数据的DataFrame
# - h:预测的时间步数
# - time_col:时间列的名称
# - target_col:目标列的名称

# 在这个测试中,我们使用pltr_df作为输入数据进行预测
# 预测的时间步数为14
# 时间列的名称为'date'
# 目标列的名称为'Close'

# 预测结果中应该包含'frequency',但是由于某种原因,预测失败了
test_fail(
    lambda: timegpt.forecast(
        df=pltr_df, h=14,
        time_col='date', target_col='Close',
    ),
    contains='frequency'
)
INFO:nixtlats.timegpt:Validating inputs...
INFO:nixtlats.timegpt:Preprocessing dataframes...
# 导入所需的模块和函数


# 调用forecast函数,传入时间序列数据的DataFrame、预测步长、频率、时间列的列名和目标列的列名
fcst_pltr_df = timegpt.forecast(
    df=pltr_df, h=14, freq='B',
    time_col='date', target_col='Close',
)
INFO:nixtlats.timegpt:Validating inputs...
INFO:nixtlats.timegpt:Preprocessing dataframes...
WARNING:nixtlats.timegpt:The specified horizon "h" exceeds the model horizon. This may lead to less accurate forecasts. Please consider using a smaller horizon.
INFO:nixtlats.timegpt:Calling Forecast Endpoint...
# 查看数据集的前几行
fcst_pltr_df.head()
dateTimeGPT
02023-09-2514.688427
12023-09-2614.742798
22023-09-2714.781240
32023-09-2814.824156
42023-09-2914.795214

记住,对于工作日,频率是’B’。对于其他频率,您可以参考pandas偏移别名文档:https://pandas.pydata.org/pandas-docs/stable/user_guide/timeseries.html#timeseries-offset-aliases。

通过指定频率,您可以帮助预测方法更好地理解数据中的模式,从而得到更准确可靠的预测结果。

让我们绘制由TimeGPT生成的预测结果。



# 使用timegpt.plot函数绘制图表
# 参数pltr_df是包含股票价格数据的DataFrame
# 参数fcst_pltr_df是包含预测股票价格数据的DataFrame
# 参数time_col指定时间列的名称,这里是'date'
# 参数target_col指定目标列的名称,这里是'Close'
# 参数max_insample_length指定用于训练模型的最大样本数量,这里是90
timegpt.plot(
    pltr_df, 
    fcst_pltr_df, 
    time_col='date',
    target_col='Close',
    max_insample_length=90, 
)

您还可以使用level参数将不确定性量化添加到您的预测中。

# 导入所需的模块和函数

# 使用timegpt.forecast函数进行时间序列预测
# 参数df为输入的数据框,pltr_df为待预测的数据框
# 参数h为预测的时间步长,这里设置为42
# 参数freq为数据的频率,这里设置为工作日(B)
# 参数time_col为时间列的名称,这里设置为'date'
# 参数target_col为目标列的名称,这里设置为'Close'
# 参数add_history为是否将历史数据添加到预测结果中,这里设置为True
# 参数level为置信水平,这里设置为[40.66, 90]
fcst_pltr_levels_df = timegpt.forecast(
    df=pltr_df, h=42, freq='B',
    time_col='date', target_col='Close',
    add_history=True,
    level=[40.66, 90],
)
INFO:nixtlats.timegpt:Validating inputs...
INFO:nixtlats.timegpt:Preprocessing dataframes...
WARNING:nixtlats.timegpt:The specified horizon "h" exceeds the model horizon. This may lead to less accurate forecasts. Please consider using a smaller horizon.
INFO:nixtlats.timegpt:Calling Forecast Endpoint...
INFO:nixtlats.timegpt:Calling Historical Forecast Endpoint...


# 绘制时间序列图
# 参数:
# pltr_df: 包含时间序列数据的DataFrame
# fcst_pltr_levels_df: 包含预测水平数据的DataFrame
# time_col: 时间列的列名
# target_col: 目标列的列名
# level: 预测水平的取值范围
timegpt.plot(
    pltr_df, 
    fcst_pltr_levels_df, 
    time_col='date',
    target_col='Close',
    level=[40.66, 90],
)

如果你想预测另一个变量,只需更改“target_col”参数。现在让我们预测“Volume”:

# 导入所需模块和函数

# 使用timegpt.forecast函数进行时间序列预测
# 参数df为输入的时间序列数据,pltr_df为输入的数据框
# 参数h为预测的步长,这里设置为14
# 参数freq为时间序列的频率,这里设置为'B',表示工作日
# 参数time_col为时间列的名称,这里设置为'date'
# 参数target_col为目标列的名称,这里设置为'Volume'
fcst_pltr_df = timegpt.forecast(
    df=pltr_df, h=14, freq='B',
    time_col='date', target_col='Volume',
)

# 使用timegpt.plot函数绘制时间序列和预测结果的图形
# 参数pltr_df为输入的时间序列数据,这里是原始数据
# 参数fcst_pltr_df为预测结果数据,这里是预测的结果
# 参数time_col为时间列的名称,这里设置为'date'
# 参数max_insample_length为显示的最大样本长度,这里设置为90
# 参数target_col为目标列的名称,这里设置为'Volume'
timegpt.plot(
    pltr_df, 
    fcst_pltr_df, 
    time_col='date',
    max_insample_length=90,
    target_col='Volume',
)
INFO:nixtlats.timegpt:Validating inputs...
INFO:nixtlats.timegpt:Preprocessing dataframes...
WARNING:nixtlats.timegpt:The specified horizon "h" exceeds the model horizon. This may lead to less accurate forecasts. Please consider using a smaller horizon.
INFO:nixtlats.timegpt:Calling Forecast Endpoint...

但是如果我们想同时预测所有时间序列呢?我们可以通过重新塑造我们的数据框来实现。目前,数据框是宽格式(每个序列是一列),但我们需要将它们转换为长格式(一个接一个地堆叠)。我们可以使用以下方式实现:

# 将pltr_df进行重塑,使得每一行代表一个观测值
# id_vars参数指定date列为标识变量,即不需要重塑的列
# var_name参数指定新生成的列名为series_id
pltr_long_df = pd.melt(
    pltr_df, 
    id_vars=['date'],
    var_name='series_id'
)

# 显示数据集的前几行
pltr_long_df.head()
dateseries_idvalue
02020-09-30Open10.00
12020-10-01Open9.69
22020-10-02Open9.06
32020-10-05Open9.43
42020-10-06Open9.04

然后我们只需简单地调用forecast方法,并指定id_col参数。

# 导入所需的模块和函数已在代码中,无需额外的import语句

# 调用timegpt模块中的forecast函数,对pltr_long_df数据进行预测
# 参数df表示要进行预测的数据框,pltr_long_df为待预测的数据框
# 参数h表示预测的时间步数,这里设置为14,即预测未来14个时间步的值
# 参数freq表示数据的频率,这里设置为'B',表示工作日频率
# 参数id_col表示数据框中表示序列ID的列名,这里设置为'series_id'
# 参数time_col表示数据框中表示时间的列名,这里设置为'date'
# 参数target_col表示数据框中表示目标变量的列名,这里设置为'value'
fcst_pltr_long_df = timegpt.forecast(
    df=pltr_long_df, h=14, freq='B',
    id_col='series_id', time_col='date', target_col='value',
)
INFO:nixtlats.timegpt:Validating inputs...
INFO:nixtlats.timegpt:Preprocessing dataframes...
WARNING:nixtlats.timegpt:The specified horizon "h" exceeds the model horizon. This may lead to less accurate forecasts. Please consider using a smaller horizon.
INFO:nixtlats.timegpt:Calling Forecast Endpoint...
# 显示 DataFrame 的前五行数据
fcst_pltr_long_df.head()
series_iddateTimeGPT
0Adj Close2023-09-2514.688427
1Adj Close2023-09-2614.742798
2Adj Close2023-09-2714.781240
3Adj Close2023-09-2814.824156
4Adj Close2023-09-2914.795214

然后我们可以预测“开盘价”系列:


# 使用timegpt.plot函数绘制图表
# 参数pltr_long_df是包含原始数据的DataFrame
# 参数fcst_pltr_long_df是包含预测数据的DataFrame
# 参数id_col指定数据中用于标识系列的列名
# 参数time_col指定数据中用于表示时间的列名
# 参数target_col指定数据中用于表示目标值的列名
# 参数unique_ids是一个列表,包含需要绘制图表的唯一系列的标识符
# 参数max_insample_length指定用于训练模型的最大样本长度
timegpt.plot(
    pltr_long_df, 
    fcst_pltr_long_df, 
    id_col='series_id',
    time_col='date',
    target_col='value',
    unique_ids=['Open'],
    max_insample_length=90,
)

不规则时间戳的外生变量时间预测

在时间序列预测中,我们预测的变量通常不仅受到它们过去的值的影响,还受到其他因素或变量的影响。这些外部变量被称为外生变量,它们可以提供重要的额外背景信息,可以显著提高我们的预测准确性。其中一个因素,也是本教程的重点,是公司的营收。营收数据可以提供公司财务健康和增长潜力的关键指标,这两者都可以对其股票价格产生重大影响。我们可以从openbb获取这些数据。



# 从指定的 URL 中读取 CSV 文件,并将其存储在名为 revenue_pltr 的数据框中
revenue_pltr = pd.read_csv('https://raw.githubusercontent.com/Nixtla/transfer-learning-time-series/main/datasets/openbb/revenue-pltr.csv')
# 获取revenue_pltr中'totalRevenue'列的第一个值
value = revenue_pltr['totalRevenue'].iloc[0]

# 判断value是否为float类型且包含'M'
if not isinstance(value, float) and 'M' in value:
    
    # 定义一个函数convert_to_float,用于将字符串转换为浮点数
    def convert_to_float(val):
        # 如果val中包含'M',则将'M'替换为空字符串,并将结果乘以1e6(表示百万)
        if 'M' in val:
            return float(val.replace(' M', '')) * 1e6
        # 如果val中包含'K',则将'K'替换为空字符串,并将结果乘以1e3(表示千)
        elif 'K' in val:
            return float(val.replace(' K', '')) * 1e3
        # 如果val中既不包含'M'也不包含'K',则直接将val转换为浮点数
        else:
            return float(val)
    
    # 将'revenue_pltr'中'totalRevenue'列的每个值都应用convert_to_float函数进行转换
    revenue_pltr['totalRevenue'] = revenue_pltr['totalRevenue'].apply(convert_to_float)

# 显示数据的最后几行
revenue_pltr.tail()
fiscalDateEndingtotalRevenue
52022-06-30473010000.0
62022-09-30477880000.0
72022-12-31508624000.0
82023-03-31525186000.0
92023-06-30533317000.0

我们在数据集中观察到的第一件事是,我们只能获得到2023年第一季度结束的信息。我们的数据以季度频率表示,我们的目标是利用这些信息来预测超过这个日期的未来14天的每日股票价格。

然而,为了准确计算包括收入作为外生变量的这种预测,我们需要了解未来收入的值。这是至关重要的,因为这些未来收入值可以显著影响股票价格。

由于我们的目标是预测未来14天的每日股票价格,我们只需要预测即将到来的一个季度的收入。这种方法使我们能够创建一个连贯的预测流程,其中一个预测的输出(收入)被用作另一个预测(股票价格)的输入,从而利用所有可用的信息以获得最准确的预测。

# 定义一个变量fcst_pltr_revenue,用于存储预测结果
# 调用timegpt库中的forecast函数,对revenue_pltr数据进行预测
# 预测的时间跨度为1,时间列为fiscalDateEnding,目标列为totalRevenue
fcst_pltr_revenue = timegpt.forecast(revenue_pltr, h=1, time_col='fiscalDateEnding', target_col='totalRevenue')
INFO:nixtlats.timegpt:Validating inputs...
INFO:nixtlats.timegpt:Preprocessing dataframes...
INFO:nixtlats.timegpt:Inferred freq: Q-DEC
INFO:nixtlats.timegpt:Calling Forecast Endpoint...
# 查看数据集的前几行
fcst_pltr_revenue.head()
fiscalDateEndingTimeGPT
02023-09-30540005888

继续上次的内容,我们预测流程中的下一个关键步骤是调整数据的频率,以匹配股票价格的频率,股票价格的频率是以工作日为基准的。为了实现这一点,我们需要对历史和未来预测的收入数据进行重新采样。

我们可以使用以下代码来实现这一点

# 将'revenue_pltr'数据框中的'fiscalDateEnding'列转换为日期格式
revenue_pltr['fiscalDateEnding'] = pd.to_datetime(revenue_pltr['fiscalDateEnding'])
revenue_pltr = revenue_pltr.set_index('fiscalDateEnding').resample('B').ffill().reset_index()

重要提示:需要强调的是,在这个过程中,我们将相同的收入值分配给给定季度内的所有天数。这种简化是必要的,因为季度收入数据和每日股票价格数据之间的粒度差异很大。然而,在实际应用中,对这个假设要谨慎对待是至关重要的。季度收入数据对每日股票价格的影响在季度内可以根据一系列因素(包括市场预期的变化、其他财经新闻和事件)而有很大的差异。在本教程中,我们使用这个假设来说明如何将外部变量纳入我们的预测模型,但在实际情况下,根据可用数据和具体用例,可能需要采用更细致的方法。

然后我们可以创建完整的历史数据集。

# 合并数据框
# 将revenue_pltr数据框的'fiscalDateEnding'列重命名为'date'列,并与pltr_df数据框进行合并
pltr_revenue_df = pltr_df.merge(revenue_pltr.rename(columns={'fiscalDateEnding': 'date'}))

# 显示DataFrame的前几行数据
pltr_revenue_df.head()
dateOpenHighLowCloseAdj CloseVolumeDividendsStock SplitstotalRevenue
02021-03-3122.50000023.85000022.37999923.29000123.290001614585000.00.0341234000.0
12021-04-0123.95000123.95000122.73000023.07000023.070000517888000.00.0341234000.0
22021-04-0523.78000124.45000123.34000023.44000123.440001653743000.00.0341234000.0
32021-04-0623.54999923.61000122.83000023.27000023.270000419335000.00.0341234000.0
42021-04-0723.00000023.54999922.80999922.90000022.900000327662000.00.0341234000.0

计算未来收入的数据框架:

# 设置变量horizon为14,表示水平线的位置为14
horizon = 14
# 导入numpy库,用于进行科学计算和数组操作
import numpy as np
# 创建一个DataFrame对象future_df
# 该DataFrame包含两列:'date'和'totalRevenue'
# 'date'列使用pd.date_range函数生成,从pltr_revenue_df的最后一个日期开始,生成horizon + 1个日期,频率为工作日('B')
# 从生成的日期中取出后horizon个日期,作为'future_df'的'date'列
# 'totalRevenue'列使用np.repeat函数生成,将fcst_pltr_revenue的第一个元素的'TimeGPT'值重复horizon次
future_df = pd.DataFrame({
    'date': pd.date_range(pltr_revenue_df['date'].iloc[-1], periods=horizon + 1, freq='B')[-horizon:],
    'totalRevenue': np.repeat(fcst_pltr_revenue.iloc[0]['TimeGPT'], horizon)
})


# 查看数据集的前几行
future_df.head()
datetotalRevenue
02023-07-03540005888
12023-07-04540005888
22023-07-05540005888
32023-07-06540005888
42023-07-07540005888

然后,我们可以使用X_df参数在forecast方法中传递未来的收入。由于收入在历史数据框中,该信息将被用于模型中。


# 使用timegpt模块中的forecast函数,对pltr_revenue_df数据进行预测
# 预测的时间范围为horizon
# 频率为'B',即每个工作日
# 时间列为'date'
# 目标列为'Close'
# 附加的特征数据为future_df
fcst_pltr_df = timegpt.forecast(
    pltr_revenue_df, h=horizon, 
    freq='B',
    time_col='date', 
    target_col='Close',
    X_df=future_df,
)
INFO:nixtlats.timegpt:Validating inputs...
INFO:nixtlats.timegpt:Preprocessing dataframes...
WARNING:nixtlats.timegpt:The specified horizon "h" exceeds the model horizon. This may lead to less accurate forecasts. Please consider using a smaller horizon.
INFO:nixtlats.timegpt:Calling Forecast Endpoint...
# 绘制时间序列预测图
# 参数说明:
# pltr_revenue_df: 公司收入数据的DataFrame
# fcst_pltr_df: 预测的公司收入数据的DataFrame
# id_col: 数据中表示系列ID的列名
# time_col: 数据中表示时间的列名
# target_col: 数据中表示目标变量的列名
# max_insample_length: 用于训练模型的最大样本长度
timegpt.plot(
    pltr_revenue_df, 
    fcst_pltr_df, 
    id_col='series_id',
    time_col='date',
    target_col='Close',
    max_insample_length=90,
)

我们还可以看到收入的重要性。

timegpt.weights_x.plot.barh(x='features', y='weights')
<Axes: ylabel='features'>

文章来源:https://blog.csdn.net/wjjc1017/article/details/135244831
本文来自互联网用户投稿,该文观点仅代表作者本人,不代表本站立场。本站仅提供信息存储空间服务,不拥有所有权,不承担相关法律责任。