开什么玩笑？股票价格如何经得起AI的推敲？| 技术头条

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作者 | Boris B

译者 | Major

编辑 | Jane

出品 | AI科技大本营（id：rgznai100）

【导语】用深度学习预测股票价格不是一个新话题，随着技术的不断发展，大家一直在不断尝试新技术。这次教程中，作者设计了一个强强联合型模型来预测股票价格，为什么这么形容？作者设计了一个 GAN 模型，其生成网络为 LSTM 模型用来预测时间序列数据、CNN 模型作判别网络，用 BERT 模型作为情绪分析模型。带有高斯过程的贝叶斯优化和深度强化学习方法来获得 GAN 的超参数。为什么创建这样的组合？AI科技大本营都将在下面的内容中为大家进行一一解答。

这篇教程的篇幅很长，为了让大家能对重要技术内容一目了然，作者在开始加入了层级清晰的目录，主要从【背景】、【数据特征】、【GAN 模型架构】、【超参数优化】等几大方面进行全面讲解。

                                                              

下面营长对其中涉及的技术细节进行了编译：

背景

在今天的任务中，预测的是高盛公司（本文中会简称为 GS）的股票变化趋势，使用 2010 年 1 月 1 日至 2018 年 12 月 31 日的日收盘价作为训练（七年）和测试（两年）数据。

成功训练一个 GAN 最棘手的部分是获得正确的超参数。为此，作者使用 Bayesian optimisation（带有高斯过程的贝叶斯优化）和用于决定何时以及如何改变 GAN 的超参数的深层强化学习（DRL），在创建强化学习过程中，将使用一些最新技术，如 RAINBOW 和 PPO。

此外，在模型中还使用许多不同类型的输入数据。随着股票的历史交易数据和技术指标，设计了一些技术方法，如使用 NLP 中的 BERT 来创建情绪分析模型（作为基本面分析的来源），以及用傅立叶变换（Fourier transforms）提取总体趋势方向、识别其他高级特征的栈式自动编码器（ Stacked autoencoder）；采用特征投资组合寻找相关资产；采用 ARIMA 方法进行股票函数近似。实际上，这些技术都是为了尽可能多的获取关于股票的信息、模式、依赖关系等等。

开发环境和框架选择 MXNet 和其高级 API（Gluon）创建所有的神经网络，并在多个 GPU 上进行训练。

       图：完整体系结构概览

通过上面的技术背景介绍，相信大家已经感觉到想准确预测股市是一项非常复杂的任务，影响股票变化的事件、条件或因素等实在是太多了。所以，想更好的了解这些先决条件，还需要先做几个重要的假设：（1）市场不是 100% 的随机；（2）历史重复；（3）市场遵循人们的理性行为；（4）市场是“完美的”。

数据

首先，要了解什么因素会影响 GS 的股票价格波动，需要包含尽可能多的信息（从不同的方面和角度）。将使用 1585 天的日数据来训练各种算法（70% 的数据），并预测另外 680 天的结果（测试数据）。然后，将预测结果与测试数据进行比较。每种类型的数据（亦称为特征）将在后面的部分中详细解释。

简而言之，将使用的特征有：

a.相关资产：涉及商品、外汇、指数、固定收益证券等各类资产数据；影响高盛公司股票价格趋势的外部因素又有很多，并且很复杂，包括竞争对手、客户、全球经济、地缘政治形势、财政和货币政策等等，这些因素还会相互产生影响。选择合适的相关资产是非常重要的：

（1）首先是和 GS 相似的公司，如将摩根大通（JPMorgan Chase）和摩根士丹利（Morgan Stanley）等加入数据集。

（2）作为一家投资银行，高盛依赖于全球经济，需要关注全球经济指数和 libor 利率。

（3）每日波动指数(VIX)。

（4）综合指数，如 NASDAQ 和 NYSE（美国）、FTSE 100（英国）、日经指数 225（日本）、恒生指数和 BSE Sensex（APAC）指数。

（5）货币，全球贸易多次反映在货币流动中，使用一篮子货币（如美元-日元、英镑-美元等）作为特征。

总的来说，在数据集中还有 72 个其他资产（每个资产的每日价格）。

b.技术指标：许多投资人都会关注技术指标，在这里，把最受欢迎的指标作为独立特征，包括 7 天和 21 天波动平均值、指数波动平均、Momentum、MACD 等 12项技术指标。

def get_technical_indicators(dataset):    # Create 7 and 21 days Moving Average    dataset['ma7'] = dataset['price'].rolling(window=7).mean()    dataset['ma21'] = dataset['price'].rolling(window=21).mean()        # Create MACD    dataset['26ema'] = pd.ewma(dataset['price'], span=26)    dataset['12ema'] = pd.ewma(dataset['price'], span=12)    dataset['MACD'] = (dataset['12ema']-dataset['26ema'])

    # Create Bollinger Bands    dataset['20sd'] = pd.stats.moments.rolling_std(dataset['price'],20)    dataset['upper_band'] = dataset['ma21'] + (dataset['20sd']*2)    dataset['lower_band'] = dataset['ma21'] - (dataset['20sd']*2)        # Create Exponential moving average    dataset['ema'] = dataset['price'].ewm(com=0.5).mean()        # Create Momentum    dataset['momentum'] = dataset['price']-1        return datasetdataset_TI_df = get_technical_indicators(dataset_ex_df[['GS']])dataset_TI_df.head()

       

c.基本面分析：无论股票涨跌，这都是一个非常重要的数据。分析时会用到两个特征：公司业绩报告和新闻将引导的一些趋势，因此通过分析新闻来准确预测市场的情绪也是一项非常重要的工作，所以这次的方法中，将使用 BERT 来构建情绪分析模型，提取股票新闻中的情绪倾向。最后采用 sigmoid 归一化，结果介于 0 到 1 之间，（0 表示负面情绪，1 表示正面情绪），每一天都会创建一个平均每日分数作为一个特征添加。

使用的是 MXNet 中 Gluon NLP 库中所提供的经过预训练的 BERT 模型，大家可以尝试一下。此前我们也为大家介绍过简单易上手的 Gluon，详情可参考营长亲自上手的教程。

d.傅里叶变换：利用每日收盘价，创建傅立叶变换，以获得几个长期和短期趋势。使用这些变换消除大量的噪声，获得真实股票波动的近似值。有了趋势近似，可以帮助 LSTM 网络更准确地选择其预测趋势。

data_FT = dataset_ex_df[['Date', 'GS']]close_fft = np.fft.fft(np.asarray(data_FT['GS'].tolist()))fft_df = pd.DataFrame({'fft':close_fft})fft_df['absolute'] = fft_df['fft'].apply(lambda x: np.abs(x))fft_df['angle'] = fft_df['fft'].apply(lambda x: np.angle(x))plt.figure(figsize=(14, 7), dpi=100)fft_list = np.asarray(fft_df['fft'].tolist())for num_ in [3, 6, 9, 100]:    fft_list_m10= np.copy(fft_list); fft_list_m10[num_:-num_]=0    plt.plot(np.fft.ifft(fft_list_m10), label='Fourier transform with {} components'.format(num_))plt.plot(data_FT['GS'],  label='Real')plt.xlabel('Days')plt.ylabel('USD')plt.title('Figure 3: Goldman Sachs (close) stock prices & Fourier transforms')plt.legend()plt.show()

      图：高盛股票的傅里叶变换

e.ARIMA：这是预测时间序列数据未来值的最流行技术之一。

from pandas import read_csvfrom pandas import datetimefrom statsmodels.tsa.arima_model import ARIMAfrom sklearn.metrics import mean_squared_error
X = series.valuessize = int(len(X) * 0.66)train, test = X[0:size], X[size:len(X)]history = [x for x in train]predictions = list()for t in range(len(test)):    model = ARIMA(history, order=(5,1,0))    model_fit = model.fit(disp=0)    output = model_fit.forecast()    yhat = output[0]    predictions.append(yhat)    obs = test[t]    history.append(obs)error = mean_squared_error(test, predictions)print('Test MSE: %.3f' % error)Test MSE: 10.151# Plot the predicted (from ARIMA) and real pricesplt.figure(figsize=(12, 6), dpi=100)plt.plot(test, label='Real')plt.plot(predictions, color='red', label='Predicted')plt.xlabel('Days')plt.ylabel('USD')plt.title('Figure 5: ARIMA model on GS stock')plt.legend()plt.show

     

       

f.Stacked autoencoders （栈式自动编码器）：上面提到的一些特征是研究人员经过几十年的研究发现的，但是还是会忽视一些隐藏的关联特征，由此，Stacked autoencoders  就可以解决这个问题，通过学习每个隐藏层，发现更多新特征（可能有些是我们无法发现，理解的）。这次没有把 RELU 作为激活函数，而是使用了 GELU，也可以用于 BERT 模型中。至于为什么选择 GELU，大家可以在原文中看到作者给出的和 RELU 对比的实例。

g.深度无监督学习：用于期权定价中的异常检测，将再使用一个特征：每天都会增加高盛股票90天看涨期权的价格。期权定价本身结合了很多数据。期权合约的价格取决于股票的未来价值(分析师也试图预测价格，以便为看涨期权得出最准确的价格)。使用深度无监督学习(自组织映射)，尝试发现出现异常的每日价格。异常(如价格的剧烈变化)可能表明出现了一个事件，这有助于LSTM了解整体股票模式。

from utils import *
import timeimport numpy as np
from mxnet import nd, autograd, gluonfrom mxnet.gluon import nn, rnnimport mxnet as mximport datetimeimport seaborn as sns
import matplotlib.pyplot as plt%matplotlib inlinefrom sklearn.decomposition import PCA
import math
from sklearn.preprocessing import MinMaxScalerfrom sklearn.metrics import mean_squared_errorfrom sklearn.preprocessing import StandardScaler
import xgboost as xgbfrom sklearn.metrics import accuracy_scoreimport warningswarnings.filterwarnings("ignore")context = mx.cpu(); model_ctx=mx.cpu()mx.random.seed(1719)
Note: The purpose of this section (3. The Data) is to show the data preprocessing and to give rationale for using different sources of data, hence I will only use a subset of the full data (that is used for training).
def parser(x):    return datetime.datetime.strptime(x,'%Y-%m-%d')dataset_ex_df = pd.read_csv('data/panel_data_close.csv', header=0, parse_dates=[0], date_parser=parser)dataset_ex_df[['Date', 'GS']].

接下来，有了这么多特征，还需要执行几个重要步骤：

h.对数据的“质量”进行统计检查：确保数据质量对模型来说非常重要，因此要执行以下几个简单的检验，如异方差、多重共线性、Serial correlation 等。

i.确定特征重要性：采用 XGBoost 算法。这么多的特征，必须考虑是否所有这些都真正地指示了 GS 股票波动方向。例如，数据集中包括其变化可能意味着经济变化的 LIBOR，而这又可能暗示 GS 股票将会发生波动，因此需要对此预测进行测试，在众多的测试方法中，本教程中选择了 XGBoost，其在分类和回归问题上都提供了很好的结果。

def get_feature_importance_data(data_income):    data = data_income.copy()    y = data['price']    X = data.iloc[:, 1:]        train_samples = int(X.shape[0] * 0.65)     X_train = X.iloc[:train_samples]    X_test = X.iloc[train_samples:]
    y_train = y.iloc[:train_samples]    y_test = y.iloc[train_samples:]        return (X_train, y_train), (X_test, y_test)# Get training and test data(X_train_FI, y_train_FI), (X_test_FI, y_test_FI) = get_feature_importance_data(dataset_TI_df)regressor = xgb.XGBRegressor(gamma=0.0,n_estimators=150,base_score=0.7,colsample_bytree=1,learning_rate=0.05)xgbModel = regressor.fit(X_train_FI,y_train_FI, \                         eval_set = [(X_train_FI, y_train_FI), (X_test_FI, y_test_FI)], \                         verbose=False)eval_result = regressor.evals_result()training_rounds = range(len(eval_result['validation_0']['rmse']))

最后一步，使用主成分分析（PCA）创建特征组合，以减少自动编码器生成特征的维数。在自动编码器中创建了 112 个特征，不过高维特征对我们的价值更大，所以在这 112 个特征的基础上通过 PCA 创建高维的特征组合，减少数据维度。不过，这也是我们提出的实验性方法。

plt.figure(figsize=(15, 5))plt.subplots_adjust(left=None, bottom=None, right=None, top=None, wspace=.5, hspace=None)
ranges_ = (-10, 3, .25)
plt.subplot(1, 2, 1)plt.plot([i for i in np.arange(*ranges_)], [relu(i) for i in np.arange(*ranges_)], label='ReLU', marker='.')plt.plot([i for i in np.arange(*ranges_)], [gelu(i) for i in np.arange(*ranges_)], label='GELU')plt.hlines(0, -10, 3, colors='gray', linestyles='--', label='0')plt.title('Figure 7: GELU as an activation function for autoencoders')plt.ylabel('f(x) for GELU and ReLU')plt.xlabel('x')plt.legend()
plt.subplot(1, 2, 2)plt.plot([i for i in np.arange(*ranges_)], [lrelu(i) for i in np.arange(*ranges_)], label='Leaky ReLU')plt.hlines(0, -10, 3, colors='gray', linestyles='--', label='0')plt.ylabel('f(x) for Leaky ReLU')plt.xlabel('x')plt.title('Figure 8: LeakyReLU')plt.legend()
plt.sho

       

让我们看一下过去 9 年的股价变化。虚线表示训练数据和测试数据之间的分割线。

plt.figure(figsize=(14, 5), dpi=100)plt.plot(dataset_ex_df['Date'], dataset_ex_df['GS'], label='Goldman Sachs stock')plt.vlines(datetime.date(2016,4, 20), 0, 270, linestyles='--', colors='gray', label='Train/Test data cut-off')plt.xlabel('Date')plt.ylabel('USD')plt.title('Figure 2: Goldman Sachs stock price')plt.legend()plt.show()

       图：过去9年高盛股价的波动

num_training_days = int(dataset_ex_df.shape[0]*.7)print('Number of training days: {}. Number of test days: {}.'.format(num_training_days, \                                                                    dataset_ex_df.shape[0]-num_training_days))Number of training days: 1585. Number of test days: 680.

生成对抗性网络(GAN)

       图：GAN 架构

1、为什么采用GAN进行股市预测？

GAN 最多被应用在创作逼真的图像、画作和视频剪辑等。对预测时间序列数据的应用并不多。但这两者的思想都是类似的。我们希望预测未来的股票价格，GS 的股票波动和行为应该大致相同(除非开始以完全不同的方式运作，或者经济急剧变化)。因此，希望“生成”的数据与已经拥有的历史交易数据分布相似，当然不是完全相同。在这个例子中将使用 LSTM 作为时间序列生成模型，CNN 作为判别模型。

2、Metropolis-Hastings GAN 和 Wasserstein GAN

（1）Metropolis-Hastings GAN：与传统的 GAN 相比，Uber 团队最近提出一种新改进的 GAN 模型——Metropolis-Hastings GAN （MHGAN），它有点类似于谷歌和加州大学伯克利分校提出的Discriminator Rejection Sampling。通常情况下，在训练完GAN之后就不再使用 D 了。然而，MHGAN 和 DRS 试图使用 D 来选择由 G 生成的接近真实的样本。

（2）Wasserstein GAN：训练 GAN 是相当困难的。模型可能永远不会收敛，模式崩溃也很容易发生。，通过 Wasserstein GAN 尝试解决这个问题。KL 距离和 JS 距离是两种常用的分布，而 WGAN 使用的是 Wasserstein distanc。

3、生成模型：单层RNN

（1）LSTM 还是 GRU？

关于 RNN、LSTM 等模型的基础介绍这里不多做赘述，主要聚焦在 RNN 在时间序列数据上的应用，因为它们可以跟踪所有以前的数据点，并且可以捕获经过时间发展的模式。可以通过裁剪解 RNN 梯度消失或梯度爆炸问题。

在精度方面，LSTM 和 GRU 的结果相差不多，但是 GRU 使用的训练参数要比 LSTM 少，计算强度也要小。

（2）LSTM 体系结构

LSTM架构非常简单：一个LSTM层，包含112个输入单元(数据集中有112个特征)和500个隐藏单元；一个以每日股价为输出的 Dense 层；采用 Xavier 初始化，使用 L1 损失函数

在下面的代码中，采用adam作为优化器，学习率为 0.01。

gan_num_features = dataset_total_df.shape[1]sequence_length = 17

class RNNModel(gluon.Block):    def __init__(self, num_embed, num_hidden, num_layers, bidirectional=False, \                 sequence_length=sequence_length, **kwargs):        super(RNNModel, self).__init__(**kwargs)        self.num_hidden = num_hidden        with self.name_scope():            self.rnn = rnn.LSTM(num_hidden, num_layers, input_size=num_embed, \                                bidirectional=bidirectional, layout='TNC')                        self.decoder = nn.Dense(1, in_units=num_hidden)        def forward(self, inputs, hidden):        output, hidden = self.rnn(inputs, hidden)        decoded = self.decoder(output.reshape((-1, self.num_hidden)))        return decoded, hidden        def begin_state(self, *args, **kwargs):        return self.rnn.begin_state(*args, **kwargs)    lstm_model = RNNModel(num_embed=gan_num_features, num_hidden=500, num_layers=1)lstm_model.collect_params().initialize(mx.init.Xavier(), ctx=mx.cpu())trainer = gluon.Trainer(lstm_model.collect_params(), 'adam', {'learning_rate': .01})loss = glu

（3）学习率调度器

学习率是非常重要的参数之一，每个优化器设置学习率，如 SGD、Adam 或 RMSProp 在训练神经网络时至关重要，因为它既控制着网络的收敛速度，又控制着网络的最终性能，接下来就要确定每个阶段的学习率。

class TriangularSchedule():    def __init__(self, min_lr, max_lr, cycle_length, inc_fraction=0.5):             self.min_lr = min_lr        self.max_lr = max_lr        self.cycle_length = cycle_length        self.inc_fraction = inc_fraction            def __call__(self, iteration):        if iteration <= self.cycle_length*self.inc_fraction:            unit_cycle = iteration * 1 / (self.cycle_length * self.inc_fraction)        elif iteration <= self.cycle_length:            unit_cycle = (self.cycle_length - iteration) * 1 / (self.cycle_length * (1 - self.inc_fraction))        else:            unit_cycle = 0        adjusted_cycle = (unit_cycle * (self.max_lr - self.min_lr)) + self.min_lr        return adjusted_cycle
class CyclicalSchedule():    def __init__(self, schedule_class, cycle_length, cycle_length_decay=1, cycle_magnitude_decay=1, **kwargs):        self.schedule_class = schedule_class        self.length = cycle_length        self.length_decay = cycle_length_decay        self.magnitude_decay = cycle_magnitude_decay        self.kwargs = kwargs        def __call__(self, iteration):        cycle_idx = 0        cycle_length = self.length        idx = self.length        while idx <= iteration:            cycle_length = math.ceil(cycle_length * self.length_decay)            cycle_idx += 1            idx += cycle_length        cycle_offset = iteration - idx + cycle_length                schedule = self.schedule_class(cycle_length=cycle_length,**self.kwargs)        return schedule(cycle_offset) *self.magnitude_decay**cycle_idx

（4）防止过拟合与偏差-方差权衡

防止过拟合，注意总损失也是要在训练模型中非常重要的一个问题。不仅在生成器中的 LSTM 模型，判别器中的 CNN 模型、自动编码器中都使用了几种防止过拟合的技术：

a.确保数据质量

b.正则化，或权重惩罚：最常用的两种正则化技术是L1 和 L2 正则法。L1对离散值更有鲁棒性，当数据稀疏时使用，可得到特征重要性。因此，在股票价格预测这个应用案例中将使用 L1 正则法。

c.Dropout。Dropout层随机删除隐藏层中的节点。

d.Dense-sparse-dense training

e.提前停止.

（5）权衡偏差-方差

建立复杂神经网络时，另一个重要的考虑因素是偏差-方差权衡。训练网络的误差基本上是偏差、方差和不可约误差 σ(噪声和随机性引起的误差)的函数。

最简单的权衡公式是：误差=偏差^2+方差+σ.

a.偏差（Bias）：偏差衡量一个经过训练的（训练数据集）算法对未见数据的概括能力。高偏差(欠拟合)意味着模型在隐藏数据上不能很好地工作。

b.方差（Variance）：方差衡量模型对数据集变化的敏感性。高方差意味着过拟合。

4、 一维 CNN 判别模型

（1）为何采用CNN作为判别模型？

CNN 网络在提取隐藏特征等工作上具有优势，那如何应用于这个任务中？大家不妨尝试一下，数据点行程小趋势，小趋势行程大趋势，趋势反之形成模式，而 CNN 在此用检测特征的能力来提取 GS 股价趋势中的模式信息。

       图：本文提出的 CNN 模型的体系结构。

超参数优化

（1）跟踪和优化的超参数是：

batch_size：LSTM 和 CNN 的 Batch 大小

cnn_lr：CNN 的学习率

strides：CNN 的跨步卷积数

lrelu_alpha：GAN 中 LeakyReLU 的 Alpha 值

batchnorm_momentum：CNN Batch 正则化的 momentum

padding：CNN 中的 Padding

kernel_size：1 CNN 的内核大小

dropout：LSTM 中的 Dropout 层

filters：过滤器的初始数目

epoch = 200

（2）超参数优化

经过 200 次 GAN 训练后，将记录 MAE（LSTM、GG 中的误差函数）并作为奖励值传递给强化学习（RL）模型，以决定是否用同一组超参数来改变保持训练的超参数，如果RL决定更新超参数，它将调用 Bayes 优化库。

（3）超参数优化中的强化学习

为什么在超参数优化中使用强化学习？股票市场一直在变化。即使能够训练  GAN 和 LSTM 来创造非常精确的结果，结果也只能在一定的时间内有效。也就是说，我们需要不断优化整个过程。为了优化这一过程，可以添加或删除特征，或改进深度学习模型。改进模型的最重要的方法之一就是通过超参数。一旦找到了一组特定的超参数，就需要决定何时修改它们，以及何时使用已经知道的集合(探索或利用)。此外，股票市场代表了一个依赖于数百万参数的连续空间。

（4）强化学习理论

使用无模型的 RL 算法，原因很明显，我们不知道整个环境，因此没有关于环境如何工作的定义模型（如果存在，就不需要预测股票价格的变化）。使用两个细分的无模型RL：策略优化（Policy Optimization）和 Q-Learning。构建 RL 算法的一个关键方面是精确设置奖励。它必须捕捉环境的所有方面以及代理与环境的交互。

a.Q-Learning：一种基于Q-Learning的非策略深度强化学习算法，它将7种算法结合在一起：DQN、Double Q Learning（双QL）、Prioritized replay、决斗网络(Dueling networks)、多步学习、分布式RL、噪声网络（Noisy Nets）。在Q-Learning中，学习价值从某一状态采取行动。Q 值采取行动后的预期回报。

b.策略优化：这里采用近端策略优化（Proximal Policy Optimization, PPO），在决策优化中，学习从某一状态采取的行动。(如果使用诸如Actor/Critic之类的方法，也会了解处于给定状态的价值。

（5）贝叶斯优化

使用贝叶斯优化，不采用网格搜索，因为可能需要很长时间才能找到超参数的最佳组合。

       图：贝叶斯超参数优化的高斯过程

5、结果

最后，使用测试数据作为不同阶段的输入，LSTM 的输出与实际股价进行比较：

（1）绘制第一次训练之后的结果

     

（2）绘制 50 次训练后的结果。

       

（3）绘制 200 次训练后的结果。

     

RL 运行了 10 eposide ，本文定义一个 eposide 是 GAN 完整训练 200 次后，下图是得到的最终的结果。

     

总结

可见，作者在把各路强模型联合打造的结果还是非常优秀的。不过作者还尝试创建一个 RL 环境，用于测试决定何时以及如何进行交易的交易算法。GAN 的输出将是此环境中的一个参数，虽然这些都不能完全做到预测的作用，但是在实际任务中不断尝试新技术还是很有意义的，期待作者后续工作可以带来更好的结果。完整详细教程还可以访问 Github 项目：

https://github.com/borisbanushev/stockpredictionai

（本文为AI科技大本营编译文章，转载请微信联系1092722531）

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