【论文阅读】基于深度学习的时序预测——Informer

这篇文章是北航提出的一篇预测论文，在实际预测过程中，大多数需要基于长期的数据，否则根据短期数据预测出来的结果是不置信的，近年来的研究表明，transformer在时序序列预测上的潜力。但是单纯使用transformer存在二次时间复杂度、高内存使用量和编码器-解码器体系结构固有的局限性，基于这个背景作者提出了一个新模型Informer，具体创新点如下：

ProbSparse self-attention：传统的self-attention会将每个点位和其他点位一起做权重分布计算，但在实际预测过程中，真正对当前点位预测造成影响的只有小部分，因此提出了一种概率稀疏注意力机制，把关注点关注在对当前值影响较大的点位上，以消除长尾数据的影响，权重计算复杂度从 O ( L 2 ) O(L^2) O(L2)降低至 O ( l ∗ l o g L ) O(l*logL) O(l∗logL)，具体计算步骤如下：
(1) 为每个 q u e r y query query都随机采样部分 k e y key key，默认为 5 ∗ l n L 5*lnL 5∗lnL;
(2) 计算每个 q u e r y query query稀疏性得分， M ( q i ∗ k ) M(q_i*k) M(qi∗k)；
(3) 选择得分最高的 N N N个 q u e r y query query， N N N默认值为 5 ∗ l n L 5*lnL 5∗lnL;
(4) 只计算topN的 q u e r y query query和 k e y key key的点积结果，从而得到attention的结果；
(5) 剩下的 L − N L-N L−N个 q u e r y query query就采用均值 m e a n ( V ) mean(V) mean(V)作为输出，来保证大小的一致性；
该部分值用在了self-attention部分，没有用在cross-attention部分；

作者表明，对于其他的self-attention机制而言，当前机制相当于对于每个head进行基于采样的稀疏表示，相当于针对每个head的优化策略就存在差异，这种处理比常规的相同的处理更具优势；
一步Decoder：正常情况下，多点预测会基于上一个点的预测结果去预测下一个点位，但是当前模型可以一次性输出多个点位的预测结果；在预测时会将历史数据作为Decoder的输入的一部分，包括数据的位置信息和时间点信息，将向量输入全连接层得到预测结果，placeholder位置就会有对应的输出值，计算损失的时候只计算预测部分的位置对应损失；

在Decoder中是双层的结构。在第一层掩码稀疏自注意力模块中，采用了掩码机制避免预测数据的时候关注到未来点位的信息，在对当前点位进行预测时，未来点位的数据设置为 − ∞ -\infty −∞，这样计算注意力的时候就不会关注到未来点位的信息，避免了自回归；第二层为一个多头交叉注意力模块，用于输出最终同维度的向量，进行目标序列和源序列的交互（512->2048->512）；