时间序列预测方法汇总

时序模型方法汇总
时序问题本质都是回归问题，只是回归的方式（线性回归、树模型、深度学习等）有一定的区别。

一、传统时序建模

arma 模型只能针对平稳数据进行建模，而 arima 模型需要先对数据进行差分，差分平稳后在进行建模。这两个模型能处理的问题还是比较简单，究其原因主要是以下两点：
1、arma/arima 模型归根到底还是简单的线性模型，能表征的问题复杂程度有限；
2、arma 全名是自回归滑动平均模型，它只能支持对单变量历史数据的回归，处理不了多变量的情况。
总结：
如果是处理单变量的预测问题，传统时序模型可以发挥较大的优势；
但是如果问题或者变量过多，那么传统时序模型就显得力不从心了。

二、机器学习模型方法

这类方法以 lightgbm、xgboost 为代表，一般就是把时序问题转换为监督学习，通过特征工程和机器学习方法去预测；
这种模型可以解决绝大多数的复杂的时序预测模型。支持复杂的数据建模，支持多变量协同回归，支持非线性问题。

不过特征工程能力的高低往往决定了机器学习的上限，而机器学习方法只是尽可能的逼近这个上限。特征建立好之后，就可以直接套用树模型算法 lightgbm/xgboost，这两个模型是十分常见的快速成模方法，除此之外，他们还有以下特点：

计算速度快，模型精度高；
缺失值不需要处理，比较方便；
支持 category 变量；
支持特征交叉。
总结：通过一系列特征工程后，直接使用机器学习方法，可以解决大多数的复杂时序问题；不过这方法最大的缺点是特征工程可能会较为繁琐。

三、深度学习模型方法

这类方法以 LSTM/GRU、seq2seq、wavenet、1D-CNN、transformer为主。深度学习中的 LSTM/GRU 模型，就是专门为解决时间序列问题而设计的；但是 CNN 模型是本来解决图像问题的，但是经过演变和发展，也可以用来解决时间序列问题。总体来说，深度学习类模型主要有以下特点：

不能包括缺失值，必须要填充缺失值，否则会报错；
支持特征交叉，如二阶交叉，高阶交叉等；
需要 embedding 层处理 category 变量，可以直接学习到离散特征的语义变量，并表征其相对关系；
数据量小的时候，模型效果不如树方法；但是数据量巨大的时候，神经网络会有更好的表现；
神经网络模型支持在线训练。

实际上，基于实际预测问题，可以设计出各式各样的深度学习模型架构。假如我们预测的时序问题（如预测心跳频率），不仅仅只和统计类的数据有关，还和文本（如医师意见）以及图像（如心电图）等数据有关 ，我们就可以把 MLP、CNN、bert 等冗杂在一起，建立更强力的模型。