作者 | Prakhar Ganesh

編譯 | 安然

近日，發(fā)表在《DataScience》上的一篇文章，使用深度學(xué)習(xí)方法，從數(shù)據(jù)處理、循環(huán)網(wǎng)絡(luò)、RNN上的LSTM、CNN-LSTMs等方面介紹了時(shí)間序列分析，同時(shí)解釋了時(shí)間序列的概念以及為什么選擇深度學(xué)習(xí)的方法等問(wèn)題。

什么是時(shí)間序列分析？

時(shí)間序列是一系列數(shù)據(jù)點(diǎn)，使用時(shí)間戳進(jìn)行排序，是對(duì)時(shí)間序列數(shù)據(jù)的分析。

從水果的每日價(jià)格到電路提供的電壓輸出的讀數(shù)，時(shí)間序列的范圍非常大，時(shí)間序列分析的領(lǐng)域也是如此。分析時(shí)間序列數(shù)據(jù)通常側(cè)重于預(yù)測(cè)，但也可以包括分類，聚類，異常檢測(cè)等。

例如，通過(guò)研究過(guò)去的價(jià)格變化模式，可以嘗試預(yù)測(cè)曾經(jīng)想要購(gòu)買的一款手表的價(jià)格，判斷它的最佳購(gòu)買時(shí)間！

為什么選擇深度學(xué)習(xí)？

時(shí)間序列數(shù)據(jù)可能非常不穩(wěn)定且復(fù)雜。深度學(xué)習(xí)方法不假設(shè)數(shù)據(jù)的基本模式，而且對(duì)噪聲(在時(shí)間序列數(shù)據(jù)中很常見(jiàn))的魯棒性更強(qiáng)，是時(shí)間序列分析的首選方法。

數(shù)據(jù)處理

在繼續(xù)進(jìn)行預(yù)測(cè)之前，重要的是首先以數(shù)學(xué)模型可以理解的形式處理數(shù)據(jù)。通過(guò)使用滑動(dòng)窗口切出數(shù)據(jù)點(diǎn)，可以將時(shí)間序列數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為監(jiān)督學(xué)習(xí)問(wèn)題。然后，每個(gè)滑動(dòng)窗口的預(yù)期輸出是窗口結(jié)束后的時(shí)間步長(zhǎng)。

循環(huán)網(wǎng)絡(luò)

循環(huán)網(wǎng)絡(luò)一種復(fù)雜的深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)。它們可以記住過(guò)去，因此是序列處理的首選。RNN單元是循環(huán)網(wǎng)絡(luò)的骨干。

RNN單元具有2個(gè)傳入連接，即輸入和先前狀態(tài)。同樣，它們還具有2個(gè)傳出連接，即輸出和當(dāng)前狀態(tài)。這種狀態(tài)有助于他們結(jié)合過(guò)去和當(dāng)前輸入的信息。

一個(gè)簡(jiǎn)單的RNN單元太簡(jiǎn)單了，無(wú)法統(tǒng)一用于跨多個(gè)域的時(shí)間序列分析。因此，多年來(lái)提出了各種各樣的變體，以使循環(huán)網(wǎng)絡(luò)適應(yīng)各個(gè)領(lǐng)域，但核心思想保持不變！、

RNN上的LSTM

LSTM單元格是特殊的RNN單元格，其中帶有“門(mén)”，其本質(zhì)上是介于0到1之間的值，對(duì)應(yīng)于狀態(tài)輸入。這些門(mén)背后的直覺(jué)是忘記或保留過(guò)去的信息，這使他們不僅可以記住過(guò)去，還可以記住更多。

CNN-LSTMs

由于狀態(tài)信息要經(jīng)過(guò)每一個(gè)步長(zhǎng)，所以RNNs只能記住最近的過(guò)去。

另一方面，像LSTM和GRU這樣的門(mén)控網(wǎng)絡(luò)可以處理相對(duì)較長(zhǎng)的序列，但是即使這些網(wǎng)絡(luò)也有其局限性?。榱烁玫乩斫膺@一問(wèn)題，還可以研究消失和爆炸的梯度。

那么如何處理很長(zhǎng)的序列呢?最明顯的解決辦法就是縮短它們!!但如何?一種方法是丟棄信號(hào)中呈現(xiàn)的細(xì)粒度時(shí)間信息。

這可以通過(guò)將一小組數(shù)據(jù)點(diǎn)累積在一起并從中創(chuàng)建特征來(lái)完成，然后將這些特征像單個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)一樣傳遞給LSTM。

多尺度分層LSTMs

看看CNN-LSTM架構(gòu)，有一件事浮現(xiàn)在我的腦海中……為什么要使用CNNs來(lái)合并那些組?為什么不使用不同的LSTM呢!多尺度分層LSTMs是基于相同的思想構(gòu)建的。

輸入是在多個(gè)尺度上處理的，每個(gè)尺度都致力于做一些獨(dú)特的事情。適用于更細(xì)粒度輸入的較低標(biāo)度專注于提供細(xì)粒度（但僅是最近的）時(shí)間信息。

另一方面，較高的比例集中在提供完整的圖片（但沒(méi)有細(xì)粒度的細(xì)節(jié)）上。多個(gè)刻度可以一起更好地理解時(shí)間序列。

下一步是什么？

時(shí)間序列分析是一個(gè)非常古老的領(lǐng)域，包含各種跨學(xué)科的問(wèn)題，每種陳述問(wèn)題都有其自身的挑戰(zhàn)。

然而，盡管每個(gè)領(lǐng)域都根據(jù)自己的要求調(diào)整了模型，但是時(shí)間序列分析中仍然有一些一般性的研究方向需要加以改進(jìn)。

例如，從最基本的RNN單元到多尺度分層LSTM的每項(xiàng)開(kāi)發(fā)都以某種方式專注于處理更長(zhǎng)的序列，但是即使最新的LSTM修改也有其自身的序列長(zhǎng)度限制，并且目前仍然沒(méi)有一種架構(gòu)可以真正處理極長(zhǎng)的序列。