论文笔记： One Fits All:Power General Time Series Analysis by Pretrained LM

1 intro

• 时间序列领域预训练模型/foundation 模型的研究还不是很多
  • 主要挑战是缺乏大量的数据来训练用于时间序列分析的基础模型
• ——>论文利用预训练的语言模型进行通用的时间序列分析
  • 为各种时间序列任务提供了一个统一的框架

 

• 论文还调查了为什么从语言领域预训练的Transformer几乎不需要任何改动就可以适应时间序列分析
  • —预训练Transformer中的自注意模块通过训练获得了执行某些非数据相关操作的能力
  • 这些操作与输入模式上的主成分分析（PCA）密切相关

2 模型

2.1 模型架构

•  利用自然语言处理预训练的Transformer的参数进行时间序列分析
  • 重点关注GPT-2模型
• 还尝试了其他模型，如BERT和BEiT，以进一步证明跨领域知识传递的通用性存在于广泛的预训练模型中

2.1.1 冻结的预训练块

• 由于自注意层和前馈神经网络（FFN）包含了来自预训练语言模型的大部分学习知识，因此我们选择在微调时冻结他们

2.1.2 位置嵌入和层归

        

• 为了以最小的努力增强下游任务，我们微调了位置嵌入和layer normalization层
  • layer normalization 计算均值和方差也是用神经网络计算的，所以也需要微调
• 机器学习笔记：神经网络层的各种normalization_relu 和 batchnorm的神经元数目一样吗_UQI-LIUWJ的博客-CSDN博客

2.1.3  输入embedding

• 重新设计和训练输入嵌入层，以将NLP预训练模型应用于各种任务和新的模态
  • 将时间序列数据投影到特定预训练模型所需的维度
  • 使用linear probing

2.1.4 归一化

• 数据归一化对于各种模态的预训练模型至关重要
  • 除了预训练LM中使用的Layer Normalization外，还加入了一个简单的数据归一化块，即反向实例归一化（reverse instance norm）
  • 简单地使用均值和方差对输入时间序列进行归一化，然后将它们添加回输出中

2.1.5 patching

• 为了提取局部语义信息，论文利用分块（Patching）
  • 通过聚合相邻的时间步骤来形成一个基于Patch的Token
  • 在normalization 后进行patching

4 实验

4.1 主要结论

4.2 补全

 4.3 分类

 4.4 异常检测

 4.5 长期预测

 4.6 短期预测

 4.7 few shot 预测

只使用很少的一部分训练数据（10%，5%)

 4.8 zero-shot 预测

在A数据集上训练，在B数据集上测试

 5 消融实验

5.1 模型的选择

• 分析了GPT2层数和微调参数的选择。
• 附录H中的结果表明，与完整或少量层数相比，具有6层的GPT2是一个合理的选择，并且部分冻结可以避免灾难性遗忘，使微调能够在不过拟合的情况下进行。

5.2 预训练的有效性

• GPT2（6）在时间序列任务中表现优于GPT2（0）和GPT2随机初始化
  • ——>具有预训练参数的GPT2可以在时间序列任务上取得改进
• 此外，GPT2（6）的表现也优于GPT2非冻结，表明部分冻结也有所帮助。

• 附录H.2中的结果显示，随机初始化的GPT2（6）在冻结情况下表现不佳，预训练知识对于时间序列任务至关重要。

 6  预训练模型在跨领域知识转移方面的普遍性

• 对BERT和图像预训练领域的BEiT进行了实验
  • 知识转移的能力不仅限于基于GPT2的预训练语言模型

 7 预训练模型中的Transformer和PCA 对应

证明略