مروری بر مدل‌های ترنسفورمر برای پیش‌بینی سری‌های زمانی چندمتغیره

نوع مقاله : مقاله مروری

نویسندگان

گروه علوم کامپیوتر- دانشکده علوم ریاضی- دانشگاه یزد- یزد- ایران

چکیده

پیش‌بینی بلندمدت سری‌های زمانی چندمتغیره، یک چالش بنیادین در حوزه یادگیری ماشین به شمار می‌رود که کاربردهای حیاتی در حوزه‌های متعددی همچون انرژی، حمل‌ونقل و بازارهای مالی دارد. پیچیدگی ذاتی این داده‌ها که ناشی از وجود الگوهای فصلی، روندهای ناپایدار و وابستگی‌های متقابل میان متغیرهاست، روش‌های سنتی پیش‌بینی را با محدودیت مواجه ساخته است. اهمیت حل این مساله در تصمیم‌گیری‌های راهبردی آشکار می‌شود، چرا که دقت و کارایی پیش‌بینی‌ها به طور مستقیم بر مدیریت منابع انرژی، کنترل ترافیک و تحلیل ریسک‌های مالی تاثیر می‌گذارد.
 
این مقاله مروری، چارچوبی جامع برای تحلیل معماری‌های پیشرفته مبتنی بر ترنسفورمر در حوزه پیش‌بینی سری‌های زمانی چندمتغیره ارائه می‌دهد. چارچوب پیشنهادی بر سه محور اصلی بنا شده است: (۱) ارزیابی کمی عملکرد مدل‌ها بر اساس مجموعه‌داده‌های استاندارد، (۲) تحلیل ملاحظات محاسباتی شامل پیچیدگی زمانی و (۳) واکاوی توانایی مدل‌ها در مواجهه با سری‌های زمانی با فراوانی بالا. بر این اساس، مدل‌های شاخصی از قبیل اتوفورمر، آی‌ترنسفورمر، جی‌تی‌فورمر، فدفورمر، ای‌تی‌اس‌فورمر و پث‌فورمر مورد بررسی و مقایسه تطبیقی قرار گرفته‌اند.
 
جمع‌بندی این مطالعه نشان می‌دهد که نوآوری‌های اخیر، از جمله به‌کارگیری پردازش در حوزه فرکانس، مکانیزم‌های خودهمبستگی، یادگیری مبتنی بر گراف و معماری‌های چندمقیاسی، توانسته‌اند به طور همزمان به بهبود دقت پیش‌بینی و کارایی محاسباتی منجر شوند. این پیشرفت‌ها، مسیر پژوهشی روشنی را برای توسعه معماری‌های آینده با تمرکز بر تفسیرپذیری بالاتر، مقیاس‌پذیری بهتر و قابلیت تعمیم گسترده‌تر ترسیم می‌کنند.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


[1] D. Cao and S. Zhang, AD-autoformer: Decomposition transformers with attention distilling for long sequence time-series forecasting, The Journal of Supercomputing, 2024 1–21.
[2] P. Chen, Y. Zhang, Y. Cheng, Y. Shu, Y. Wang, Q. Wen, B. Yang and C. Guo, Pathformer: Multi-scale transformers with adaptive pathways for time series forecasting, arXiv preprint arXiv:2402.05956, 2024.
[3] W. Chen, W. Wang, B. Peng, Q. Wen, T. Zhou and L. Sun, Learning to rotate: Quaternion transformer for complicated periodical time series forecasting, Proceedings of the 28th ACM SIGKDD Conference on Knowledge Discovery and Data Mining, (2022) 146–156.
[4] Y. Chen, S. Liu, J. Yang, H. Jing, W. Zhao and G. Yang, A Joint Time-Frequency Domain Transformer for multivariate time series forecasting, Neural Networks, 176 (2024) 106334.
[5] Z. Chen, M. Ma, T. Li, H. Wang and C. Li, Long sequence time-series forecasting with deep learning: A survey, Information Fusion, 97 (2023) 101819.
[6] R.-G. Cirstea, C. Guo, B. Yang, T. Kieu, X. Dong and S. Pan, Triformer: Triangular, Variable-Specific Attentions for Long Sequence Multivariate Time Series Forecasting–Full Version, arXiv preprint arXiv:2204.13767, 2022.
[7] W. Guan, I. Smetannikov and T. Man, Survey on automatic text summarization and transformer models applicability, Proceedings of the 2020 1st International Conference on Control, Robotics and Intelligent System, (2020) 176–184.
[8] K. Han, Y. Wang, H. Chen, X. Chen, J. Guo, Z. Liu, Y. Tang, A. Xiao, C. Xu, Y. Xu, et al., A survey on vision transformer, IEEE Transactions on Pattern Analysis and Machine Intelligence, 45 no. 1 (2022) 87–110.
[9] N. Kitaev, Ł. Kaiser and A. Levskaya, Reformer: The efficient transformer, arXiv preprint arXiv:2001.04451,2020.
[10] S. Li, X. Jin, Y. Xuan, X. Zhou, W. Chen, Y.-X. Wang and X. Yan, Enhancing the locality and breaking the memory bottleneck of transformer on time series forecasting, Advances in Neural Information Processing Systems, 32 (2019) 5243–5253.
[11] A. Liang, X. Chai, Y. Sun and M. Guizani, GTformer: Graph-Based Temporal-Order-Aware Transformer for Long-Term Series Forecasting, IEEE Internet of Things Journal, (2024) 31467–31478.
[12] B. Lim, S. Ö. Arık, N. Loeff and T. Pfister, Temporal fusion transformers for interpretable multi-horizon time series forecasting, International Journal of Forecasting, 37 no. 4 (2021) 1748–1764.
[13] Y. Lin, I. Koprinska and M. Rana, SSDNet: State space decomposition neural network for time series forecasting, 2021 IEEE International Conference on Data Mining (ICDM), (2021) 370–378.
[14] S. Liu, H. Yu, C. Liao, J. Li, W. Lin, A. X. Liu and S. Dustdar, Pyraformer: Low-complexity pyramidal attention for long-range time series modeling and forecasting, The Tenth International Conference on Learning Representations (ICLR), (2022).
[15] X. Liu and W. Wang, Deep Time Series Forecasting Models: A Comprehensive Survey, Mathematics, 12 no. 10 (2024) 1504.
[16] Y. Liu, T. Hu, H. Zhang, H. Wu, S. Wang, L. Ma and M. Long, iTransformer: Inverted Transformers Are Effective for Time Series Forecasting, The Twelfth International Conference on Learning Representations, (2024).
[17] Y. Liu, H. Wu, J. Wang and M. Long, Non-stationary transformers: Exploring the stationarity in time series forecasting, Advances in Neural Information Processing Systems, 35 (2022) 9881–9893.
[18] Y. Liu, H. Zhang, C. Li, X. Huang, J. Wang and M. Long, Timer: Generative Pre-trained Transformers Are Large Time Series Models, Forty-first International Conference on Machine Learning, (2024).
[19] Q. Ma, Z. Liu, Z. Zheng, Z. Huang, S. Zhu, Z. Yu and J. T. Kwok, A survey on time-series pre-trained models, IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering, (2024) 7536–7555.
[20] J. A. Miller, M. Aldosari, F. Saeed, N. H. Barna, S. Rana, I. B. Arpinar and N. Liu, A survey of deep learning and foundation models for time series forecasting. arXiv 2024, arXiv preprint arXiv:2401.13912, (2024).
[21] Y. Nie, N. H. Nguyen, P. Sinthong and J. Kalagnanam, A time series is worth 64 words: Long-term forecasting with transformers, arXiv preprint arXiv:2211.14730, (2022).
[22] K. Olorunnimbe and H. Viktor, Ensemble of temporal Transformers for financial time series, Journal of Intelligent Information Systems, (2024) 1–25.
[23] X. Piao, Z. Chen, T. Murayama, Y. Matsubara and Y. Sakurai, Fredformer: Frequency debiased transformer for time series forecasting, Proceedings of the 30th ACM SIGKDD Conference on Knowledge Discovery and Data Mining, (2024) 2400–2410.
[24] A. Shabani, A. Abdi, L. Meng and T. Sylvain, Scaleformer: Iterative multi-scale refining transformers for time series forecasting, arXiv preprint arXiv:2206.04038, (2022).
[25] D. V. da Silva, V. Estevam and D. Menotti, Towards a realistic Libras to Portuguese translation, 2023 36th SIBGRAPI Conference on Graphics, Patterns and Images (SIBGRAPI), (2023) 1–6.
[26] J. Tong, L. Xie, W. Yang, K. Zhang and J. Zhao, Enhancing time series forecasting: A hierarchical transformer with probabilistic decomposition representation, Information Sciences, 647 (2023) 119410.
[27] A. Vaswani, N. Shazeer, N. Parmar, J. Uszkoreit, L. Jones, A. N. Gomez, L. U. Kaiser and I. Polosukhin, Attention is all you need, Advances in Neural Information Processing Systems, 30 (2017) 1–15.
[28] Y. Wang, H. Wu, J. Dong, Y. Liu, M. Long and J. Wang, Deep time series models: A comprehensive survey and benchmark, arXiv preprint arXiv:2407.13278, (2024).
[29] Q. Wen, T. Zhou, C. Zhang, W. Chen, Z. Ma, J. Yan and L. Sun, Transformers in time series: A survey, arXiv preprint arXiv:2202.07125, (2022).
[30] G. Woo, C. Liu, D. Sahoo, A. Kumar and S. Hoi, CoST: Contrastive Learning of Disentangled Seasonal-Trend Representations for Time Series Forecasting, International Conference on Learning Representations, (2022).
[31] G. Woo, C. Liu, D. Sahoo, A. Kumar and S. Hoi, Etsformer: Exponential smoothing transformers for time-series forecasting, arXiv preprint arXiv:2202.01381, (2022).
[32] H. Wu, J. Xu, J. Wang and M. Long, Autoformer: Decomposition transformers with auto-correlation for long-term series forecasting, Advances in Neural Information Processing Systems, 34 (2021) 22419–22430.
[33] Y. Yu, R. Ma and Z. Ma, Robformer: A robust decomposition transformer for long-term time series forecasting, Pattern Recognition, 153 (2024) 110552.
[34] A. Zeng, M. Chen, L. Zhang and Q. Xu, Are transformers effective for time series forecasting?, Proceedings of the AAAI Conference on Artificial Intelligence, 37 no. 9 (2023) 11121–11128.
[35] J. Zhang, H. Luan, M. Sun, F. Zhai, J. Xu, M. Zhang and Y. Liu, Improving the Transformer Translation Model with Document-Level Context, Proceedings of the 2018 Conference on Empirical Methods in Natural Language Processing, (2018) 533–542.
[36] Y. Zhang, L. Ma, S. Pal, Y. Zhang and M. Coates, Multi-resolution Time-Series Transformer for Long-term Forecasting, International Conference on Artificial Intelligence and Statistics, (2024) 4222–4230.
[37] Y. Zhang and J. Yan, Crossformer: Transformer utilizing cross-dimension dependency for multivariate time series forecasting, The Eleventh International Conference on Learning Representations, (2023).
[38] H. Zhou, S. Zhang, J. Peng, S. Zhang, J. Li, H. Xiong and W. Zhang, Informer: Beyond efficient transformer for long sequence time-series forecasting, Proceedings of the AAAI Conference on Artificial Intelligence, 35 no. 12 (2021) 11106–11115.
[39] T. Zhou, Z. Ma, Q. Wen, X. Wang, L. Sun and R. Jin, Fedformer: Frequency enhanced decomposed transformer for long-term series forecasting, International Conference on Machine Learning, (2022) 27268–27286.
[40] S. Bandyopadhyay and S. N. Lahiri, Asymptotic properties of discrete Fourier transforms for spatial data, Sankhyā: The Indian Journal of Statistics, Series A, 71 no. 2 (2009) 221–259.
[41] R. S. Tsay, Analysis of Financial Time Series, 2nd ed., Hoboken, NJ: Wiley-Interscience [John Wiley & Sons], 2005, ISBN 978-0-471-69074-0, doi: 10.1002/0471746193.