AAAI21最佳論文Informer：效果遠(yuǎn)超Transformer的長序列預(yù)測神器！

01 簡介

在很多實(shí)際應(yīng)用問題中，我們需要對(duì)長序列時(shí)間序列進(jìn)行預(yù)測，例如用電使用規(guī)劃。長序列時(shí)間序列預(yù)測（LSTF）要求模型具有很高的預(yù)測能力，即能夠有效地捕捉輸出和輸入之間精確的長程相關(guān)性耦合。最近的研究表明，Transformer具有提高預(yù)測能力的潛力。然而，Transformer存在一些嚴(yán)重的問題，如:

• 二次時(shí)間復(fù)雜度、高內(nèi)存使用率以及encoder-decoder體系結(jié)構(gòu)的固有限制。

為了解決這些問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一個(gè)有效的基于變換器的LSTF模型Informer，它具有三個(gè)顯著的特點(diǎn)：

• ProbSparse Self-Attention，在時(shí)間復(fù)雜度和內(nèi)存使用率上達(dá)到了，在序列的依賴對(duì)齊上具有相當(dāng)?shù)男阅堋?/section>
• self-attention 提取通過將級(jí)聯(lián)層輸入減半來突出控制注意，并有效地處理超長的輸入序列。
• 產(chǎn)生式decoder雖然概念上簡單，但在一個(gè)正向操作中預(yù)測長時(shí)間序列，而不是一步一步地進(jìn)行，這大大提高了長序列預(yù)測的推理速度。

在四個(gè)大規(guī)模數(shù)據(jù)集上的大量實(shí)驗(yàn)表明，Informer的性能明顯優(yōu)于現(xiàn)有的方法，為LSTF問題提供了一種新的解決方案。

02 背景

Intuition：Transformer是否可以提高計(jì)算、內(nèi)存和架構(gòu)效率，以及保持更高的預(yù)測能力？

原始Transformer的問題

• self-attention的二次計(jì)算復(fù)雜度，self-attention機(jī)制的操作，會(huì)導(dǎo)致我們模型的時(shí)間復(fù)雜度為;
• 長輸入的stacking層的內(nèi)存瓶頸：J個(gè)encoder/decoder的stack會(huì)導(dǎo)致內(nèi)存的使用為;
• 預(yù)測長輸出的速度驟降：動(dòng)態(tài)的decoding會(huì)導(dǎo)致step-by-step的inference非常慢。

本文的重大貢獻(xiàn)

本文提出的方案同時(shí)解決了上面的三個(gè)問題，我們研究了在self-attention機(jī)制中的稀疏性問題，本文的貢獻(xiàn)有如下幾點(diǎn)：

• 我們提出Informer來成功地提高LSTF問題的預(yù)測能力，這驗(yàn)證了類Transformer模型的潛在價(jià)值，以捕捉長序列時(shí)間序列輸出和輸入之間的單個(gè)的長期依賴性；
• 我們提出了ProbSparse self-attention機(jī)制來高效的替換常規(guī)的self-attention并且獲得了的時(shí)間復(fù)雜度以及的內(nèi)存使用率；
• 我們提出了self-attention distilling操作全縣，它大幅降低了所需的總空間復(fù)雜度；
• 我們提出了生成式的Decoder來獲取長序列的輸出，這只需要一步，避免了在inference階段的累計(jì)誤差傳播；

問題定義

在固定size的窗口下的rolling預(yù)測中，我們?cè)跁r(shí)刻的輸入為,我們需要預(yù)測對(duì)應(yīng)的輸出序列,LSTF問題鼓勵(lì)輸出一個(gè)更長的輸出,特征維度不再依賴于univariate例子().

• Encoder-decoder框架：許多流行的模型被設(shè)計(jì)對(duì)輸入表示進(jìn)行編碼，將編碼為一個(gè)隱藏狀態(tài)表示并且將輸出的表示解碼.在推理的過程中設(shè)計(jì)到step-by-step的過程(dynamic decoding),decoder從前一個(gè)狀態(tài)計(jì)算一個(gè)新的隱藏狀態(tài)以及第步的輸出，然后對(duì)個(gè)序列進(jìn)行預(yù)測；
• 輸入表示：為了增強(qiáng)時(shí)間序列輸入的全局位置上下文和局部時(shí)間上下文，給出了統(tǒng)一的輸入表示。

03 方法

現(xiàn)有時(shí)序方案預(yù)測可以被大致分為兩類：

高效的Self-Attention機(jī)制

傳統(tǒng)的self-attention主要由(query,key,value)組成，,其中;第個(gè)attention被定義為核平滑的概率形式：

self-attention需要的內(nèi)存以及二次的點(diǎn)積計(jì)算代價(jià)，這是預(yù)測能力的主要缺點(diǎn)。我們首先對(duì)典型自我注意的學(xué)習(xí)注意模式進(jìn)行定性評(píng)估。“稀疏性” self-attention得分形成長尾分布，即少數(shù)點(diǎn)積對(duì)主要注意有貢獻(xiàn)，其他點(diǎn)積對(duì)可以忽略。那么，下一個(gè)問題是如何區(qū)分它們？

Query Sparsity評(píng)估

我們定義第個(gè)query sparsity第評(píng)估為：

第一項(xiàng)是在所有keys的Log-Sum-Exp(LSE)，第二項(xiàng)是arithmetic均值。

ProbSparse Self-attention

其中是和q相同size的稀疏矩陣，它僅包含稀疏評(píng)估下下Top-u的queries，由采樣factor 所控制，我們令, 這么做self-attention對(duì)于每個(gè)query-key lookup就只需要計(jì)算的內(nèi)積，內(nèi)存的使用包含,但是我們計(jì)算的時(shí)候需要計(jì)算沒對(duì)的dot-product，即，,同時(shí)LSE還會(huì)帶來潛在的數(shù)值問題，受此影響，本文提出了query sparsity 評(píng)估的近似，即：

這么做可以將時(shí)間和空間復(fù)雜度控制到

04 方法Encoder + Decoder

1. Encoder: Allowing for processing longer sequential inputs under the memory usage limitation

encoder被設(shè)計(jì)用來抽取魯棒的長序列輸入的long-range依賴，在第個(gè)序列輸入被轉(zhuǎn)為矩陣

Self-attention Distilling

作為ProbSparse Self-attention的自然結(jié)果，encoder的特征映射會(huì)帶來值的冗余組合，利用distilling對(duì)具有支配特征的優(yōu)勢特征進(jìn)行特權(quán)化，并在下一層生成focus self-attention特征映射。它對(duì)輸入的時(shí)間維度進(jìn)行了銳利的修剪，如上圖所示，n個(gè)頭部權(quán)重矩陣（重疊的紅色方塊）。受擴(kuò)展卷積的啟發(fā)，我們的“distilling”過程從第j層往推進(jìn):

其中包含Multi-Head ProbSparse self-attention以及重要的attention block的操作。為了增強(qiáng)distilling操作的魯棒性，我們構(gòu)建了halving replicas，并通過一次刪除一層（如上圖）來逐步減少自關(guān)注提取層的數(shù)量，從而使它們的輸出維度對(duì)齊。因此，我們將所有堆棧的輸出串聯(lián)起來，并得到encoder的最終隱藏表示。

2. Decoder: Generating long sequential outputs through one forward procedure

此處使用標(biāo)準(zhǔn)的decoder結(jié)構(gòu)，由2個(gè)一樣的multihead attention層，但是，生成的inference被用來緩解速度瓶頸，我們使用下面的向量喂入decoder：

其中，是start tocken, ?～～是一個(gè)placeholder，將Masked multi-head attention應(yīng)用于ProbSparse self-attention，將mask的點(diǎn)積設(shè)置為。它可以防止每個(gè)位置都關(guān)注未來的位置，從而避免了自回歸。一個(gè)完全連接的層獲得最終的輸出，它的超大小取決于我們是在執(zhí)行單變量預(yù)測還是在執(zhí)行多變量預(yù)測。

Generative Inference

我們從長序列中采樣一個(gè)，這是在輸出序列之前的slice。以圖中預(yù)測168個(gè)點(diǎn)為例（7天溫度預(yù)測），我們將目標(biāo)序列已知的前5天的值作為“start token”，并將，輸入生成式推理解碼器。包含目標(biāo)序列的時(shí)間戳，即目標(biāo)周的上下文。注意，我們提出的decoder通過一個(gè)前向過程預(yù)測所有輸出，并且不存在耗時(shí)的“dynamic decoding”。

Loss Function

此處選用MSE 損失函數(shù)作為最終的Loss。

05 實(shí)驗(yàn)

1. 實(shí)驗(yàn)效果

從上表中,我們發(fā)現(xiàn)：

• 所提出的模型Informer極大地提高了所有數(shù)據(jù)集的推理效果（最后一列的獲勝計(jì)數(shù)），并且在不斷增長的預(yù)測范圍內(nèi)，它們的預(yù)測誤差平穩(wěn)而緩慢地上升。
• query sparsity假設(shè)在很多數(shù)據(jù)集上是成立的；
• Informer在很多數(shù)據(jù)集上遠(yuǎn)好于LSTM和ERNN

2. 參數(shù)敏感性

從上圖中,我們發(fā)現(xiàn)：

• Input Length：當(dāng)預(yù)測短序列（如48）時(shí)，最初增加編碼器/解碼器的輸入長度會(huì)降低性能，但進(jìn)一步增加會(huì)導(dǎo)致MSE下降，因?yàn)樗鼤?huì)帶來重復(fù)的短期模式。然而，在預(yù)測中，輸入時(shí)間越長，平均誤差越低：信息者的參數(shù)敏感性。長序列（如168）。因?yàn)檩^長的編碼器輸入可能包含更多的依賴項(xiàng)；
• Sampling Factor:我們驗(yàn)證了冗余點(diǎn)積的查詢稀疏性假設(shè)；實(shí)踐中，我們把sample factor設(shè)置為5即可，即;
• Number of Layer Stacking:Longer stack對(duì)輸入更敏感，部分原因是接收到的長期信息較多

3. 解耦實(shí)驗(yàn)

從上表中我們發(fā)現(xiàn),

• ProbSparse self-attention機(jī)制的效果：ProbSparse self-attention的效果更好，而且可以節(jié)省很多內(nèi)存消耗；
• self-attention distilling：是值得使用的，尤其是對(duì)長序列進(jìn)行預(yù)測的時(shí)候；
• generative stype decoderL：它證明了decoder能夠捕獲任意輸出之間的長依賴關(guān)系，避免了誤差的積累；

4. 計(jì)算高效性

• 在訓(xùn)練階段，在基于Transformer的方法中，Informer獲得了最佳的訓(xùn)練效率。
• 在測試階段，我們的方法比其他生成式decoder方法要快得多。

06 小結(jié)

本文研究了長序列時(shí)間序列預(yù)測問題，提出了長序列預(yù)測的Informer方法。具體地：

• 設(shè)計(jì)了ProbSparse self-attention和提取操作來處理vanilla Transformer中二次時(shí)間復(fù)雜度和二次內(nèi)存使用的挑戰(zhàn)。
• generative decoder緩解了傳統(tǒng)編解碼結(jié)構(gòu)的局限性。
• 通過對(duì)真實(shí)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了Informer對(duì)提高預(yù)測能力的有效性
  
  

參考文獻(xiàn)：Informer: Beyond Efficient Transformer for Long Sequence Time-Series Forecasting：https://arxiv.org/pdf/2012.07436.pdf