时间序列数据集构建方案Pytorch

时间序列数据集构建方案

时间序列数据集TimeSeriesDataset
时间序列数据集增强EnhancedTimeSeriesDataset

时间序列数据集的构建不同于图像、传统面板数据，其需要满足多实体、动态窗口、时间连续等性质，且容易产生数据泄漏。本文介绍了一种时间序列数据集的构建方法，可以高效地产生训练数据。

一、应用场景

1.1 典型场景示例

（1）零售销量预测

• 场景描述：同时预测某连锁零售企业1000家门店、5000种商品未来7天的每日销量

• 数据特征：

  • 时间维度：3年历史数据（1095天）

  • 特征维度：销量、折扣力度、天气数据、节假日标记

  • 实体维度：store_id（1000个） × product_id（5000个）= 500万时间序列

（2）能源需求预测

• 场景描述：预测某省级电网100个变电站未来24小时的电力负荷

• 数据特征：

  • 时间粒度：每小时数据

  • 特征维度：历史负荷、温度、湿度、工作日标记

  • 实体维度：100个变电站 × 3种电压等级 = 300个时间序列

（3）服务器集群负载预测

• 场景描述：预测某数据中心500台服务器未来30分钟的CPU使用率

• 数据特征：

  • 时间粒度：5分钟间隔

  • 特征维度：CPU使用率、内存占用、网络流量

  • 实体维度：500台独立服务器

二、场景核心难点

2.1 多实体并行处理

• 挑战：

  • 每个实体（store+product组合）形成独立时间序列

  • 需要保持各序列的独立性同时实现批量处理

  • 示例：500万时间序列需高效管理内存和计算资源

• 解决方案：

  • 使用分组索引机制（对数据集按照实体id+time column排序，groups列表存储各实体的数据区间），通过预排序和建立索引可以快速定位每个实体的数据slice

  • 预计算实体边界（start/end索引），避免重复groupby操作

2.2 动态窗口切分

• 挑战：

  • 不同序列长度差异大（新商品可能只有30天数据）

  • 需要同时满足：

    • 最小训练长度要求（min_encoder_length + min_decoder_length）

    • 数据增强需求（随机采样不同历史窗口），其他数据增强策略比如反事实推断/时序随机波动等，可以在__getitem__中实现

• 解决方案：

  • 动态计算可用窗口范围：max_L = remaining - D

  • 双重随机采样机制：

  D = random.randint(min_decoder, max_decoder)  # decoder长度随机
  L = random.randint(min_encoder, max_L)        # encoder长度随机

2.3 变长序列处理

• 挑战：

  • 不同样本的encoder/decoder长度不同

  • 需要统一为固定维度张量进行批量处理，并使用mask标记

• 解决方案：

  • 双端独立padding机制：

    # Encoder padding
    padded_encoder = np.full((max_encoder_length, features), padding_value)
    padded_encoder[:L] = actual_data
    
    # Decoder padding
    padded_decoder = np.full((max_decoder_length, features), padding_value)

  • 配套MASK机制标识有效数据：

       encoder_mask = [1]*L + [0]*(max_length-L)

2.4 时间连续性保证

• 挑战：

  • 随机采样可能破坏时间序列连续性，时序预测需要保证每个实体的每个时间片段是连续的，encoder代表历史，decoder代表未来

  • 需防止数据泄露（未来信息混入历史数据）

• 解决方案：

  • 严格的时间窗口划分：

    |---- encoder ----|---- decoder ----|
    t               t+L              t+L+D

  • 三重验证机制：

    • remaining = T - t 检查剩余长度

    • t + L + D <= T 最终边界检查

    • 特征分离：确保decoder不使用未来特征

    原始数据 排序分组 静态特征编码 构建分组索引 特征索引映射

关键步骤：

• 排序分组：

  • 按group_ids + time_col排序保证时间连续性

  • 示例：df.sort_values('store_id','product_id','target_date')

• 静态特征编码：

  • 使用LabelEncoder对类别特征进行数字化

  • 存储编码器供后续使用：static_encoders字典

• 分组索引构建：

  • 遍历数据记录实体变化点

  • 存储三元组(group_key, start_idx, end_idx)

• 特征索引映射：

  • 建立特征名称到列索引的映射

  • 示例：encoder_features = 'sale','discount' → indices 0,1

• 样本生成：

  • 在每个实体的时间序列上抽样时间切片slice
  • 格式group_id, start_idx, encoder_length, decoder_length，在group_id上切片-
    • encoder_slice=start_idx:start_idx+encoder_length
    • decoder_slice=start_idx+encoder_length:start_idx+encoder_length+decoder_length
  • 时间切片的个数就是样本数(len )，在 getitem 函数通过样本生成的切片索引切分出训练数据
  • 最后进行动态mask

三、代码

import torch
from torch.utils.data import Dataset
import pandas as pd
import numpy as np
from sklearn.preprocessing import LabelEncoder
import random

class TimeSeriesDataset(Dataset):
    def __init__(
        self,
        data: pd.DataFrame,
        time_col: str = "target_date",
        target_col: str = "sale_amount",
        group_ids: list = ["store_id", "product_id"],
        encoder_features: list = ["sale_amount", "discount", "precipitation", "temperature"],
        decoder_features: list = ["discount", "precipitation", "temperature"],
        static_features: list = ["store_id", "product_id"],
        max_encoder_length: int = 35,
        min_encoder_length: int = 14,
        max_decoder_length: int = 7,
        min_decoder_length: int = 7,
        num_samples_per_step: int = 1,
        padding_value: float = 0.0,
    ):
        """
        优化版时间序列数据集类
        
        参数新增：
        num_samples_per_step: 每个时间步生成的样本数
        max_decoder_length: decoder最大长度
        min_decoder_length: decoder最小长度
        """
        super().__init__()

        # 参数校验
        assert max_encoder_length >= min_encoder_length, "encoder长度参数非法"
        assert max_decoder_length >= min_decoder_length, "decoder长度参数非法"
        assert num_samples_per_step >= 1, "样本数需≥1"

        # 存储参数
        self.time_col = time_col
        self.target_col = target_col
        self.group_ids = group_ids
        self.encoder_features = encoder_features
        self.decoder_features = decoder_features
        self.static_features = static_features
        self.max_encoder_length = max_encoder_length
        self.min_encoder_length = min_encoder_length
        self.max_decoder_length = max_decoder_length
        self.min_decoder_length = min_decoder_length
        self.num_samples_per_step = num_samples_per_step
        self.padding_value = padding_value

        # 预处理数据
        self._preprocess_data(data)
        
        # 生成样本索引
        self.samples = self._generate_samples()

    def _preprocess_data(self, data):
        """数据预处理"""
        # 排序并建立索引
        self.data = data.sort_values(self.group_ids + [self.time_col]).reset_index(drop=True)
        
        # 编码静态特征
        self.static_encoders = {}
        for col in self.static_features:
            le = LabelEncoder()
            self.data[col] = le.fit_transform(self.data[col])
            self.static_encoders[col] = le

        # 构建分组索引
        self.groups = []
        current_group = None
        start_idx = 0
        group_values = self.data[self.group_ids].values
        
        for idx in range(len(group_values)):
            group_key = tuple(group_values[idx])
            if group_key != current_group:
                if current_group is not None:
                    self.groups.append( (current_group, start_idx, idx) )
                current_group = group_key
                start_idx = idx
        self.groups.append( (current_group, start_idx, len(group_values)) )

        # 特征索引映射
        self.all_features = list(set(self.encoder_features + self.decoder_features))
        self.encoder_feature_indices = [self.all_features.index(col) for col in self.encoder_features]
        self.decoder_feature_indices = [self.all_features.index(col) for col in self.decoder_features]

    def _generate_samples(self):
        """样本生成"""
        samples = []
        
        # 按预存索引访问分组数据
        for group_key, start, end in self.groups:
            dynamic_values = self.data[self.all_features].iloc[start:end].values
            target_values = self.data[self.target_col].iloc[start:end].values
            static_values = self.data[self.static_features].iloc[start].values
            T = end - start  # 时间序列长度
            
            # 生成有效时间窗口
            min_required = self.min_encoder_length + self.min_decoder_length
            if T < min_required:
                continue
                
            # 滑动窗口生成多个样本
            for t in range(T - min_required + 1):
                # 每个时间步生成多个样本
                for _ in range(self.num_samples_per_step):
                    # 动态计算最大可用长度
                    remaining = T - t
                    
                    # 随机选择decoder长度
                    max_D = min(remaining - self.min_encoder_length, self.max_decoder_length)
                    if max_D < self.min_decoder_length:
                        continue
                    D = random.randint(self.min_decoder_length, max_D)
                    
                    # 根据D确定encoder长度范围
                    max_L = remaining - D
                    if max_L < self.min_encoder_length:
                        continue
                    L = random.randint(self.min_encoder_length, max_L)
                    
                    # 有效性验证
                    if t + L + D > T:
                        continue
                    
                    samples.append({
                        "group_id": group_key,
                        "start_idx": t,
                        "encoder_length": L,
                        "decoder_length": D,
                        "static": static_values,
                        "dynamics": dynamic_values,
                        "targets": target_values,
                    })
        return samples

    def __len__(self):
        return len(self.samples)

    def __getitem__(self, idx):
        sample = self.samples[idx]
        L = sample["encoder_length"]
        D = sample["decoder_length"]
        t = sample["start_idx"]
        
        # Encoder部分处理
        encoder_data = sample["dynamics"][t:t+L, self.encoder_feature_indices]
        padded_encoder = np.full((self.max_encoder_length, len(self.encoder_features)), self.padding_value)
        padded_encoder[:L] = encoder_data
        encoder_mask = np.zeros(self.max_encoder_length)
        encoder_mask[:L] = 1.0
        
        # Decoder部分处理
        decoder_start = t + L
        decoder_end = decoder_start + D
        decoder_data = sample["dynamics"][decoder_start:decoder_end, self.decoder_feature_indices]
        padded_decoder = np.full((self.max_decoder_length, len(self.decoder_features)), self.padding_value)
        padded_decoder[:D] = decoder_data
        decoder_mask = np.zeros(self.max_decoder_length)
        decoder_mask[:D] = 1.0
        
        # 目标值处理
        target = sample["targets"][decoder_start:decoder_end]
        padded_target = np.full(self.max_decoder_length, self.padding_value)
        padded_target[:D] = target

        return {
            # Encoder部分
            "encoder_input": torch.FloatTensor(padded_encoder),
            "encoder_mask": torch.FloatTensor(encoder_mask),
            # Decoder部分
            "decoder_input": torch.FloatTensor(padded_decoder),
            "decoder_mask": torch.FloatTensor(decoder_mask),
            # 目标值
            "target": torch.FloatTensor(padded_target),
            # 静态特征
            "static_features": torch.LongTensor(sample["static"]),
            # 实际长度（可选）
            "actual_lengths": (L, D)
        }

# 使用示例
if __name__ == "__main__":
    # 生成测试数据
    dates = pd.date_range(start="2023-01-01", periods=90, name="target_date")
    example_data = pd.DataFrame({
        "store_id": np.repeat([1, 2], 45),
        "product_id": np.repeat([101, 102], 45),
        "target_date": np.tile(dates, 2),
        "sale_amount": np.random.randint(0, 100, 180),
        "discount": np.random.rand(180),
        "precipitation": np.random.rand(180),
        "temperature": np.random.rand(180),
    })

    # 初始化数据集
    dataset = TimeSeriesDataset(
        data=example_data,
        max_encoder_length=35,
        min_encoder_length=14,
        max_decoder_length=14,  # 扩展decoder长度范围
        min_decoder_length=7,
        num_samples_per_step=3,  # 每个时间步生成3个样本
    )
    
    # 验证样本
    sample = dataset[0]
    print(f"Encoder输入形状: {sample['encoder_input'].shape}")
    print(f"Decoder输入形状: {sample['decoder_input'].shape}")
    print(f"有效Decoder长度: {sample['actual_lengths'][1]}")
    print(f"Mask矩阵示例:\nEncoder: {sample['encoder_mask'][:5]}\nDecoder: {sample['decoder_mask'][:5]}")