?今天給大家介紹一篇2023.1發(fā)在arixv的多元時序預(yù)測文章，出發(fā)點比較有趣：如何提升多變量時間序列的公平性。文中采用的建模方法都是之前在時空預(yù)測、Domain Adaptation等中使用過的常規(guī)操作，但是對于多變量公平性這個點的提出比較新穎。

• 論文標(biāo)題：Learning Informative Representation for Fairness-aware Multivariate Time-series Forecasting: A Group-based Perspective
• 下載地址：https://arxiv.org/pdf/2301.11535.pdf

1.多元時間序列的公平性

公平性問題，在機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域中是一個宏觀的概念。機(jī)器學(xué)習(xí)中公平性的一種理解是，一個模型對于不同的樣本的擬合效果的一致程度。如果一個模型在某些樣本上效果很好，另一些樣本上效果不好，那么這個模型的公平性就比較差。例如，一個常見的場景是推薦系統(tǒng)中，模型對于頭部樣本的預(yù)測效果優(yōu)于尾部樣本，這就體現(xiàn)了模型對于不同樣本的預(yù)測效果存在不公平性。

回到多元時間序列預(yù)測問題中，公平性指的是模型是否對各個變量的預(yù)測效果都比較好。如果模型對于不同變量的預(yù)測效果差異很大，那么這個多元時間序列預(yù)測模型是不公平的。例如下圖中的例子，第一行表格是各種模型在各個變量上預(yù)測效果MAE的方差，可以看到不同模型多存在一定程度的不公平性。下圖的序列是一個例子，一些序列的預(yù)測效果比較好，而另一些序列的預(yù)測效果較差。

2.不公平現(xiàn)象的成因和解法

為什么會造成不公平性呢？無論是在多元時間序列中，還是在其他機(jī)器學(xué)習(xí)領(lǐng)域，造成不同樣本預(yù)測效果差異較大的一大原因是，不同樣本的特點不同，模型在訓(xùn)練過程中可能被某些樣本的特點主導(dǎo)，導(dǎo)致模型對主導(dǎo)訓(xùn)練的樣本預(yù)測效果好，而對于非主導(dǎo)樣本的預(yù)測效果差。

在多元時間序列中，不同的變量，其序列pattern可能存在很大的差異。例如上面圖的例子，大部分序列都是平穩(wěn)的，主導(dǎo)了模型的訓(xùn)練過程。而少數(shù)序列呈現(xiàn)出了和其他序列不同的波動性，導(dǎo)致模型在這部分序列上預(yù)測效果較差。

如何解決多元時間序列中的不公平現(xiàn)象呢？一種思路是，既然造成不公平現(xiàn)象的原因是不同序列的特點不同，如果能將各個序列之間的共性，以及各個序列之間的差異性分解開，獨立進(jìn)行建模，就能緩解上述問題。

這篇文章就建立在這個思路之上，整體架構(gòu)是利用聚類的方法將多變量序列分組，并得到每組的共性特征；進(jìn)一步使用對抗學(xué)習(xí)的方法，從原始表示中剝離掉各個組特有的信息，得到公共的信息。通過上述過程，實現(xiàn)來了公共信息和序列特有信息的剝離，再基于這兩個部分信息進(jìn)行最終預(yù)測。

3、實現(xiàn)細(xì)節(jié)

整體的模型結(jié)構(gòu)主要包括4個模塊：多變量序列關(guān)系學(xué)習(xí)、時空關(guān)系網(wǎng)絡(luò)、序列聚類、分解學(xué)習(xí)。

多變量序列關(guān)系學(xué)習(xí)

多元時間序列的一個重點是學(xué)習(xí)各個序列之間的關(guān)系。本文采用的是Spatial-Temporal的方法學(xué)習(xí)這個關(guān)系。由于多元時間序列不像很多時空預(yù)測任務(wù)，各個變量之間的關(guān)系可以預(yù)先定義好，因此這里使用了鄰接矩陣的自動學(xué)習(xí)方法。具體的計算邏輯為，為每個變量生成一個隨機(jī)初始化的embedding，然后使用embedding的內(nèi)積，以及一些后處理，計算兩兩變量之間的關(guān)系，作為鄰接矩陣對應(yīng)位置上的元素，公式如下：

這種自動學(xué)習(xí)鄰接矩陣的方法，在時空預(yù)測中很常用，在Connecting the Dots: Multivariate Time Series Forecasting with Graph Neural Networks（KDD 2020）、REST: Reciprocal Framework for Spatiotemporal-coupled Prediction（WWW 2021）等文章中，都采用了這種方式。我在星球文章KDD2020經(jīng)典時空預(yù)測模型MTGNN代碼解析中詳細(xì)介紹過相關(guān)模型的原理實現(xiàn)，感興趣的同學(xué)可以進(jìn)一步閱讀。

時空關(guān)系網(wǎng)絡(luò)

有了鄰接矩陣后，文中采用了圖時序預(yù)測模型，對多變量時間序列進(jìn)行時空編碼，得到每個變量序列的表示。具體的模型結(jié)構(gòu)很類似于DCRNN，在GRU基礎(chǔ)上，每個單元的計算引入了GCN模塊?？梢岳斫鉃?，在正常GRU的每個單元的計算過程中，引入了鄰居節(jié)點的向量做一次GCN，得到更新后的表示。關(guān)于DCRNN的實現(xiàn)代碼原理，可以參考DCRNN模型源碼解析這篇文章。

序列聚類

在得到每個變量時間序列的表示后，下一步是將這些表示聚類，以此得到各個變量序列的分組，進(jìn)而提取每組變量特有的信息。文中引入下面的損失函數(shù)來指導(dǎo)聚類過程，其中H表示每個變量序列的表示，F(xiàn)表示每個變量的序列跟K個類別的從屬關(guān)系。

這個損失函數(shù)的更新過程需要采用EM算法，即固定序列表示H，優(yōu)化F，以及固定F，優(yōu)化H。文中采用的方法是，訓(xùn)練幾輪模型得到表示H后，使用SVD更新一次矩陣F。

分解學(xué)習(xí)

分解學(xué)習(xí)模塊的核心是將各個類別變量的公共表示和私有表示區(qū)分開，公共表示指的是各個類簇變量的序列共有的特點，私有表示指的是每個類簇內(nèi)變量序列獨有的特點。為了實現(xiàn)這個目的，文中采用了分解學(xué)習(xí)和對抗學(xué)習(xí)的思路，將各個類簇的表示，從原始的序列表示中剝離開。類簇表示代表每個類的特性，剝離后的表示代表所有序列的共性，利用這個共性的表示進(jìn)行預(yù)測，可以實現(xiàn)對各個變量預(yù)測的公平性。

文中利用對抗學(xué)習(xí)的思路，直接計算公共表示和私有表示（也就是聚類得到的每個類簇的表示）的L2距離，以此作為loss反向優(yōu)化，讓公共部分表示和私有表示的差距盡可能拉大。此外，還會增加一個正交約束，讓公共表示和私有表示的內(nèi)積接近0。

4、實驗結(jié)果

文中的實驗主要從公平性和預(yù)測效果兩個方面進(jìn)行了對比，對比的模型包括基礎(chǔ)時序預(yù)測模型（LSTNet、Informer）、圖時序預(yù)測模型等。在公平性上，采用的是不同變量預(yù)測結(jié)果的方差，通過對比，本文的方法公平性相比其他模型要有比較明顯的提升（如下表）。

在預(yù)測效果上，本文提出的模型也基本能夠取得和SOTA相當(dāng)?shù)男Ч?/p>

5、總結(jié)

如何保證模型的公平性，是機(jī)器學(xué)習(xí)很多場景都面臨的問題。本文將這一維度的問題引入到了多元時間序列預(yù)測中，并利用時空預(yù)測、對抗學(xué)習(xí)的方法進(jìn)行了比較好的解決。