引言：探索時(shí)間序列生成的重要性和挑戰(zhàn)

時(shí)間序列數(shù)據(jù)的生成是當(dāng)前數(shù)據(jù)科學(xué)領(lǐng)域中的一個(gè)重要而具有挑戰(zhàn)性的研究方向。時(shí)間序列數(shù)據(jù)廣泛存在于各種重要領(lǐng)域，如醫(yī)療健康、金融市場(chǎng)、氣象預(yù)測(cè)等，這些數(shù)據(jù)的有效生成可以極大地推動(dòng)相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。例如，醫(yī)療領(lǐng)域中的生命體征數(shù)據(jù)可以用于診斷和監(jiān)測(cè)病人的健康狀況；金融領(lǐng)域中的股票市場(chǎng)數(shù)據(jù)用于預(yù)測(cè)股價(jià)的漲跌；氣象數(shù)據(jù)的分析可以預(yù)警危險(xiǎn)天氣，從而減少可能的災(zāi)害損失。

盡管時(shí)間序列數(shù)據(jù)的重要性不言而喻，但在生成模型的研究與應(yīng)用上，相較于圖像、文本等數(shù)據(jù)的生成，時(shí)間序列的生成方法研究相對(duì)較少。這一研究的不足限制了深度學(xué)習(xí)在時(shí)間序列領(lǐng)域的應(yīng)用，因?yàn)樯疃葘W(xué)習(xí)模型通常需要大量的數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練。此外，時(shí)間序列數(shù)據(jù)的隱私保護(hù)、數(shù)據(jù)共享等問(wèn)題也促使研究者尋找能夠有效生成時(shí)間序列數(shù)據(jù)的新方法。

生成模型的發(fā)展為時(shí)間序列數(shù)據(jù)的生成提供了新的可能性。特別是變換器神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Transformer Neural Network, TNN）的出現(xiàn)，為處理時(shí)間序列數(shù)據(jù)提供了新的工具。TNN的并行訓(xùn)練能力和對(duì)大數(shù)據(jù)集的適應(yīng)性使其在生成模型中占據(jù)了重要位置。然而，TNN在時(shí)間序列生成方面的應(yīng)用還不夠廣泛，這一領(lǐng)域的開(kāi)放性和多樣性為未來(lái)的研究提供了廣闊的空間。

本文旨在探討TNN在時(shí)間序列生成中的應(yīng)用，并通過(guò)文獻(xiàn)綜述的形式，分析現(xiàn)有研究的不足與潛力，為未來(lái)的研究方向提供指導(dǎo)。

論文標(biāo)題：A Survey of Transformer Enabled Time Series Synthesis

機(jī)構(gòu)：Mississippi State University, Engineer Research and Development Center, Department of Defence

論文鏈接：??https://arxiv.org/pdf/2406.02322.pdf??

時(shí)間序列數(shù)據(jù)的普遍性和重要性

時(shí)間序列數(shù)據(jù)無(wú)處不在，對(duì)于現(xiàn)代社會(huì)的運(yùn)作至關(guān)重要。從醫(yī)療健康的生命體征監(jiān)測(cè)，到氣象站的天氣預(yù)報(bào)，再到可穿戴設(shè)備中的加速度計(jì)數(shù)據(jù)用于跌倒檢測(cè)，時(shí)間序列數(shù)據(jù)的應(yīng)用范圍廣泛。在金融市場(chǎng)中，時(shí)間序列模型用于股票交易；在生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)中，用于預(yù)測(cè)物種存活；在工業(yè)生產(chǎn)中，用于預(yù)測(cè)機(jī)械故障。這些應(yīng)用顯示了時(shí)間序列數(shù)據(jù)在日常生活和工作中的重要性。

對(duì)于數(shù)據(jù)科學(xué)實(shí)踐者而言，時(shí)間序列生成的價(jià)值日益增加。它不僅可以在數(shù)據(jù)匱乏的時(shí)間域問(wèn)題中支持深度學(xué)習(xí)，還可以在數(shù)據(jù)共享時(shí)保護(hù)隱私，并且有助于創(chuàng)建更可解釋、更經(jīng)得起測(cè)試的系統(tǒng)。盡管時(shí)間序列的生成方法已經(jīng)存在一段時(shí)間，但使用現(xiàn)代生成AI的方法比傳統(tǒng)算法更為優(yōu)越，應(yīng)當(dāng)盡可能地被采用。

圖1：生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)主要由兩個(gè)模塊組成，即生成器和判別器。訓(xùn)練好的生成器滿足用戶的需求。為了施加進(jìn)化壓力，判別器被訓(xùn)練以區(qū)分合成樣本和真實(shí)樣本。對(duì)抗游戲訓(xùn)練生成器更好地欺騙判別器，產(chǎn)生逼真的樣本。理想的收斂情況是，判別器只能對(duì)呈現(xiàn)的實(shí)例的真實(shí)性進(jìn)行猜測(cè)（50-50）。如果需要的話，可以在多個(gè)點(diǎn)提供條件信息。

Transformer神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（TNN）與時(shí)間序列生成

Transformer神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Transformer Neural Network, TNN）與最近生成AI的進(jìn)步密切相關(guān)。TNN適用于并行訓(xùn)練方案，并且可以處理從網(wǎng)絡(luò)上抓取的大規(guī)模數(shù)據(jù)集，這使得大型TNN模型成為近期大多數(shù)前沿生成模型的支柱。盡管TNN在圖像和多模態(tài)任務(wù)中得到了廣泛應(yīng)用，它在時(shí)間序列預(yù)測(cè)中也顯示出了潛力，但在時(shí)間序列生成方面的應(yīng)用還不夠廣泛。

文獻(xiàn)調(diào)查顯示，關(guān)于TNN與時(shí)間序列生成的研究相對(duì)較少。盡管與其他網(wǎng)絡(luò)架構(gòu)如生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)（GANs）、擴(kuò)散網(wǎng)絡(luò)和變分自編碼器等相比，TNN在時(shí)間序列生成領(lǐng)域的應(yīng)用還比較少，但已有的研究表明，純TNN或與其他架構(gòu)混合的TNN都顯示出了良好的潛力。這種多樣性以及該領(lǐng)域的開(kāi)放性為進(jìn)一步的創(chuàng)造性研究提供了可能。

盡管TNN在其他領(lǐng)域的應(yīng)用比較成熟，但在時(shí)間序列生成領(lǐng)域仍有很大的發(fā)展空間。這種差距與時(shí)間域任務(wù)的特殊需求相符，深度學(xué)習(xí)實(shí)踐者將是這種更好生成方法的主要受益者。因此，未來(lái)的研究需要更多地關(guān)注如何將TNN更有效地應(yīng)用于時(shí)間序列數(shù)據(jù)的生成中。

圖 2：Transformer 包含兩個(gè)堆棧，編碼器（左）和解碼器（右），源自早期的序列到序列模型。兩種堆棧類(lèi)型都由連續(xù)塊組成，在這里僅顯示每個(gè)堆棧中的一個(gè)塊。關(guān)鍵-查詢-值 注意力機(jī)制 將查詢?cè)醋鳛橹翟吹囊粋€(gè)函數(shù)投影為與鍵源的相關(guān)性。自注意使用所有三個(gè)源的相同序列，而編解碼器注意使用編碼器堆棧輸出作為鍵和值源。Vaswani 等人使用了“后標(biāo)準(zhǔn)化”操作，在每個(gè)主要操作之后放置歸一化。最近的研究表明，“前規(guī)范”配置更優(yōu)。

深入探討TNN在時(shí)間序列生成中的應(yīng)用

Transformer Neural Networks (TNN) 已經(jīng)在多種數(shù)據(jù)生成領(lǐng)域顯示出其強(qiáng)大的能力，尤其是在圖像、聲音、文本和視頻生成中。然而，相較于其他領(lǐng)域，TNN在時(shí)間序列生成中的應(yīng)用相對(duì)較少。時(shí)間序列數(shù)據(jù)的重要性不言而喻，它們廣泛存在于醫(yī)療、氣象預(yù)警、金融市場(chǎng)等關(guān)鍵領(lǐng)域。因此，探索和擴(kuò)展TNN在時(shí)間序列生成中的應(yīng)用顯得尤為重要。

TNN的并行訓(xùn)練能力和處理大規(guī)模數(shù)據(jù)集的能力使其成為生成模型的理想選擇。盡管如此，目前關(guān)于TNN在時(shí)間序列生成方面的研究還相對(duì)較少，這也意味著在這一領(lǐng)域還有很大的研究和應(yīng)用空間。

1. Informer: 高效的時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型

Informer模型是一個(gè)基于TNN的時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型，它通過(guò)概率稀疏注意力機(jī)制來(lái)提高模型的預(yù)測(cè)效率和準(zhǔn)確性。這種方法可以有效避免在關(guān)鍵矩陣中進(jìn)行大量的點(diǎn)乘運(yùn)算，從而加快計(jì)算速度并減少資源消耗。Informer不僅在多個(gè)時(shí)間序列預(yù)測(cè)任務(wù)中表現(xiàn)優(yōu)異，而且其生成式的預(yù)測(cè)風(fēng)格也為后續(xù)的生成任務(wù)提供了可能。

2. AST: 結(jié)合輔助判別器的混合預(yù)測(cè)模型

AST模型是一個(gè)結(jié)合了輔助判別器的混合時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型。它使用了一種特殊的稀疏注意力機(jī)制，并通過(guò)與判別器的對(duì)抗訓(xùn)練來(lái)進(jìn)一步提升預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性。這種結(jié)合預(yù)測(cè)和生成壓力的模型不僅能夠提高預(yù)測(cè)性能，還能在一定程度上模擬條件生成模型的功能。

3. GenF: 混合生成預(yù)測(cè)模型

GenF模型是一個(gè)旨在解決自回歸預(yù)測(cè)中誤差累積問(wèn)題的混合生成預(yù)測(cè)模型。該模型通過(guò)數(shù)學(xué)上的優(yōu)化，平衡了自回歸預(yù)測(cè)和直接預(yù)測(cè)之間的關(guān)系，有效減少了預(yù)測(cè)誤差。這種方法的創(chuàng)新之處在于它可以在預(yù)測(cè)一定時(shí)間范圍內(nèi)的值時(shí)，自動(dòng)生成部分時(shí)間序列，從而提高整體預(yù)測(cè)的準(zhǔn)確性和效率。

4. TTS-GAN: 純TNN生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)

TTS-GAN是一個(gè)完全基于TNN的生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)，專(zhuān)注于生物信號(hào)數(shù)據(jù)的生成。該模型利用TNN的強(qiáng)大功能，通過(guò)對(duì)抗訓(xùn)練的方式生成高質(zhì)量的時(shí)間序列數(shù)據(jù)。TTS-GAN的成功應(yīng)用展示了TNN在純生成任務(wù)中的潛力，也為相關(guān)領(lǐng)域的研究提供了新的方向。

5. MTS-CGAN: 條件生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)

MTS-CGAN是在TTS-GAN基礎(chǔ)上進(jìn)一步發(fā)展的條件生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)。這個(gè)模型可以接受類(lèi)標(biāo)簽和時(shí)間序列投影作為條件，通過(guò)調(diào)整條件和潛在空間樣本的權(quán)重來(lái)生成特定條件下的時(shí)間序列數(shù)據(jù)。MTS-CGAN的開(kāi)發(fā)不僅提高了生成數(shù)據(jù)的質(zhì)量，還為條件生成模型的研究提供了新的思路。

6. Time-LLM: 利用大型語(yǔ)言模型進(jìn)行時(shí)間序列預(yù)測(cè)

Time-LLM模型通過(guò)重新編程預(yù)訓(xùn)練的大型語(yǔ)言模型（LLM），將其應(yīng)用于時(shí)間序列預(yù)測(cè)任務(wù)。這一創(chuàng)新的應(yīng)用不僅展示了預(yù)訓(xùn)練模型在非語(yǔ)言任務(wù)中的潛力，還為時(shí)間序列預(yù)測(cè)提供了一種新的方法。Time-LLM的成功實(shí)踐表明，將大型預(yù)訓(xùn)練模型應(yīng)用于時(shí)間序列生成和預(yù)測(cè)是一個(gè)有前景的研究方向。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

1. 實(shí)驗(yàn)結(jié)果概述

在本次研究中，我們調(diào)查了基于Transformer的時(shí)間序列生成模型，并對(duì)12種不同的方法進(jìn)行了深入分析。這些方法涵蓋了從純生成模型到混合預(yù)測(cè)模型的多種類(lèi)型，每種方法都針對(duì)特定的時(shí)間序列數(shù)據(jù)和任務(wù)進(jìn)行了優(yōu)化。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，雖然這些方法在設(shè)計(jì)和訓(xùn)練穩(wěn)定性方面各有優(yōu)勢(shì)，但仍存在一些共同的挑戰(zhàn)，如訓(xùn)練復(fù)雜性、生成數(shù)據(jù)的質(zhì)量評(píng)估以及模型的泛化能力。

2. 詳細(xì)分析

• Informer和AST模型在多時(shí)間范圍的預(yù)測(cè)任務(wù)中表現(xiàn)突出，特別是在處理長(zhǎng)序列數(shù)據(jù)時(shí)，展示了其高效的處理能力。
• TTS-GAN和TsT-GAN等生成對(duì)抗網(wǎng)絡(luò)在生成逼真的時(shí)間序列數(shù)據(jù)方面表現(xiàn)優(yōu)異，尤其是在生物信號(hào)數(shù)據(jù)的合成上。
• Time-LLM通過(guò)重編程大型語(yǔ)言模型來(lái)處理時(shí)間序列預(yù)測(cè)，展示了預(yù)訓(xùn)練模型在非語(yǔ)言任務(wù)中的潛力。
• Time Weaver和MTS-CGAN等條件生成模型在特定條件下生成數(shù)據(jù)的能力方面表現(xiàn)出色，為復(fù)雜場(chǎng)景下的數(shù)據(jù)生成提供了有效的解決方案。

3. 總結(jié)

盡管各模型在其特定領(lǐng)域內(nèi)表現(xiàn)良好，但整體上時(shí)間序列生成領(lǐng)域仍然缺乏一個(gè)統(tǒng)一的性能評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)，這導(dǎo)致了方法間的直接比較困難。此外，模型的泛化能力和訓(xùn)練穩(wěn)定性也是未來(lái)需要進(jìn)一步研究的關(guān)鍵問(wèn)題。

總結(jié)：TNN在時(shí)間序列生成中的影響

1. TNN與時(shí)間序列生成的現(xiàn)狀

Transformer Neural Networks（TNN）已經(jīng)在多個(gè)領(lǐng)域顯示出其強(qiáng)大的生成能力，尤其是在自然語(yǔ)言處理（NLP）中。然而，在時(shí)間序列生成的應(yīng)用中，TNN的潛力尚未被充分挖掘。時(shí)間序列數(shù)據(jù)的重要性不言而喻，它涉及到從醫(yī)療健康監(jiān)測(cè)到金融市場(chǎng)分析等多個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。盡管如此，相較于其他領(lǐng)域，如圖像和文本，時(shí)間序列生成領(lǐng)域中關(guān)于TNN的研究相對(duì)較少。

2. TNN在時(shí)間序列生成中的應(yīng)用

盡管TNN在時(shí)間序列生成中的應(yīng)用相對(duì)較少，但已有的研究表明，TNN能夠有效處理時(shí)間序列數(shù)據(jù)的生成任務(wù)。TNN的并行處理能力和對(duì)長(zhǎng)序列的處理能力使其成為處理時(shí)間序列數(shù)據(jù)的有力工具。此外，TNN的自注意力機(jī)制能夠捕捉時(shí)間序列中的長(zhǎng)距離依賴，這對(duì)于預(yù)測(cè)未來(lái)的時(shí)間點(diǎn)或生成整個(gè)時(shí)間序列尤為重要。

本文轉(zhuǎn)載自 ??AI論文解讀??，作者：柏企