ChatTime:连接数值与文本数据的统一多模态时间序列基础模型

目录

简单概括

人类专家通常会整合数值和文本多模态信息来分析时间序列。然而,大多数传统的深度学习预测模型仅依赖单模态的数值数据 ,在单个数据集上使用固定长度的窗口进行训练和预测,无法适应不同的场景。性能强大的预训练大型语言模型为时间序列分析带来了新的机遇。但现有的方法要么训练效率低下,要么无法处理文本信息,要么缺乏零样本预测能力 。在本文中,我们创新性地将时间序列建模为一种"外语 ",并构建了ChatTime------一个用于时间序列和文本处理 的统一框架。作为一款即开即用的多模态时间序列基础模型,ChatTime具备零样本预测能力,并支持时间序列和文本的双模态输入/输出 。我们设计了一系列实验,以验证ChatTime在多个任务和场景中的卓越性能,并创建了四个多模态数据集来填补数据空白。实验结果证明了ChatTime的潜力和实用性。

复制代码
论文:ChatTime: A Unified Multimodal Time Series Foundation Model Bridging Numerical and Textual Data
作者:hengsen Wang1* Qi Qi1* Jingyu Wang1 2
Haifeng Sun1 Zirui Zhuang1 Jinming Wu1 Lei Zhang3 Jianxin Liao1
单位: 北京邮电大学  ,鹏城实验室  ,中国联合网络通信股份有限公司
代码:https://github.com/ForestsKing/ChatTime

请各位同学给我点赞,激励我创作更好、更多、更优质的内容!^_^

关注微信公众号 ,获取更多资讯

ChatTime:统一多模态时间序列基础模型研究总结

一、研究背景与问题

  1. 时间序列分析现状:时间序列数据在金融、交通、能源等多领域至关重要,但传统深度学习预测模型存在局限------仅依赖单模态数值数据,采用固定长度窗口在单一数据集上训练预测,无法适应不同场景;且当前单模态方法性能接近饱和,简单线性模型常能媲美复杂模型。
  2. 现有LLM相关方法缺陷:预训练大语言模型(LLM)为时间序列分析带来新可能,但现有方法存在不足:部分从 scratch 训练效率低且无法处理文本信息;部分整合LLM权重但需针对每个数据集重新微调,无零样本预测能力,且不能输出文本,难以应对时间序列问答、总结等场景。
  3. 研究目标:构建支持零样本推理、可处理时间序列与文本双模态输入输出的多模态时间序列基础模型。

二、核心创新:ChatTime模型设计

1. 核心理念

将时间序列视为"外语",通过词汇扩展使预训练LLM能处理时间序列,无需从头训练或修改模型架构,实现时间序列与文本的统一处理。

2. 模型架构(图1)

  • 关键修改:一是引入"黄色插件",支持时间序列实值与"外语"互转;二是扩展"灰色分词器"词汇表,容纳时间序列"外语"。
  • 时间序列转"外语"流程 :
    1. 归一化:用min-max缩放将时间序列实值映射到-1至1范围,考虑预测序列可能超出历史序列范围,实际将历史序列缩放到-0.5至0.5,预留缓冲区间。
    2. 离散化:将-1至1区间均匀划分为10K个区间,每个缩放后的值映射到对应区间,以区间中心值作为离散值,并固定精度为4位。
    3. 构建"外语词汇":在离散值前后添加标记"###"形成"外语词汇"(如###0.2835###),同时添加"###Nan###"处理缺失值,大幅降低token消耗(表2)。

3. 训练流程

  • 持续预训练(图1b) :
    1. 数据来源:从Monash和TFB两个开源时间序列库选取约100个子数据集,排除后续评估用数据集,通过滑动窗口(表3)生成切片,经K-means聚类筛选1M高质量切片。
    2. 训练任务:基于LLaMA-2-7B-Base模型,以自回归预测为任务进行预训练,得到ChatTime-1-7B-Base,同时训练嵌入层、输出头与Transformer层。
  • 指令微调(图1c) :
    1. 数据与任务:用4类任务数据集(各25K样本,共100K)微调,包括文本问答(Alpaca数据集)、单模态时间序列预测(预训练阶段筛选的切片)、上下文引导预测(3个自建数据集)、时间序列问答(自建数据集)。
    2. 输出模型:仅微调Transformer层,得到最终模型ChatTime-1-7B-Chat。

三、实验设计与结果

1. 实验设置

  • 硬件:单NVIDIA GeForce RTX 4090显卡,借助Unsloth工具实现训练。
  • 参数:持续预训练与指令微调均用4位量化模型+LoRA(rank=8,alpha=16),批处理大小256(梯度累积32),预训练2轮(8K步),微调4轮(1.6K步)。

2. 零样本时间序列预测(ZSTSF)

  • 数据集:8个真实基准数据集(4个ETT数据集+Electric、Exchange、Traffic、Weather),涵盖能源、金融、交通、气候4领域。
  • 基线模型:分两类------单数据集固定窗口模型(DLinear、iTransformer、GPT4TS、TimeLLM);零样本基础模型(TimeGPT、Moirai、TimesFM、Chronos)。
  • 结果(表4) :
    1. ChatTime仅用4%预训练数据,达到SOTA模型Chronos 99.9%的零样本预测精度。
    2. 相比单模态全样本模型,达到SOTA模型GPT4TS 90.9%的精度。
    3. 平均MAE为0.2515,平均排名4.4688,在零样本模型中表现优异。

3. 上下文引导时间序列预测(CGTSF)

  • 数据集:自建3个多模态数据集------墨尔本太阳能发电(MSPG)、伦敦电力使用(LEU)、巴黎交通流量(PTF),包含时间序列与文本辅助信息(背景、天气、日期,无未来信息泄露)。
  • 基线模型:在ZSTSF基线基础上增加TGForecaster(支持文本信息),并设置无文本输入的ChatTime-作为对比。
  • 结果(表5) :
    1. ChatTime平均MAE 0.5884,平均排名2.5833,优于所有基线,包括数据集专用模型与零样本模型。
    2. ChatTime显著优于ChatTime-,证明文本上下文对预测的辅助作用;且超越TGForecaster,体现双模态融合优势。

4. 时间序列问答(TSQA)

  • 数据集:基于4类时间序列特征(趋势、波动性、季节性、异常值),用KernelSynth生成变长问答数据集,排除微调用样本作为测试集。
  • 基线模型:通用预训练LLM(GPT4、GPT3.5、GLM4、LLaMA3-70B)。
  • 结果(表6) :
    1. ChatTime平均准确率0.7605,平均排名1.0,远超所有通用LLM(平均准确率最高的GPT4仅0.5567)。
    2. 在4类特征问答中均表现最优,证明其对时间序列特征的理解能力。

5. 消融实验(图2)

验证模型关键设计的必要性:

  • 无自回归持续预训练(w/o AR):零样本推理能力大幅下降,虽在CGTSF和TSQA略有提升,但模型难以掌握时间序列基础特征。
  • 无切片聚类(w/o CL):用随机采样的低质量切片,模型对时间序列理解不足,三类任务性能均下降,且易过拟合。
  • 无文本问答微调(w/o TQA):模型推理能力受损,三类任务性能下降,尤其在多模态任务(CGTSF、TSQA)中更明显。

四、数据集贡献

为填补多模态时间序列数据空白,构建4个数据集:

  1. 上下文引导预测数据集(3个):MSPG(15分钟粒度,太阳能发电)、LEU(30分钟粒度,家庭用电)、PTF(1小时粒度,交通流量),均包含时间序列与对齐的文本辅助信息。
  2. 时间序列问答数据集:涵盖4类特征(趋势、波动性、季节性、异常值),每类特征3个类别,时间序列切片长度为64、128、256、512,共48000样本。

五、结论与未来展望

1. 结论

  1. 提出的ChatTime模型,通过将时间序列视为"外语",实现了零样本推理与双模态输入输出,在ZSTSF、CGTSF、TSQA三类任务中均表现优异。
  2. 大幅降低训练成本(训练token仅1B,表1),同时保留文本处理能力,相比现有模型更高效、通用。
  3. 构建的4个多模态数据集,为后续研究提供了重要资源。

2. 未来方向

  1. 利用更多数据与计算资源,进一步提升模型性能,探索模型饱和状态。
  2. 扩展适用任务范围,如时间序列异常检测、分类、总结等。

六、关键对比与优势(表1)

模型 零样本预测 缺失值支持 训练token 可训练参数
TimesFM ✓ ✗ 3T 200M
Moirai ✓ ✓ 150B 300M
TimeGPT ✓ ✓ 100B 未知
MOMENT ✗ ✓ 100B 300M
Timer ✗ ✗ 50B 50M
Chronos ✓ ✓ 25B 700M
ChatTime ✓ ✓ 1B 350M

ChatTime在训练成本(训练token仅1B)、功能完整性(零样本+缺失值支持+双模态)上综合优势显著。

相关推荐
星夜离尘5611 小时前
MATLAB 多传感器时间对齐 用 interp1 建立公共时间网格并限制外推
matlab·插值·传感器·时间序列·interp1
sbjdhjd16 小时前
从 preg_replace 规则到缓存绕过:一次授权 PHP 防护实验中的图片载荷、回调检测与哈希碰撞复盘
网络安全·数据挖掘·php·文件包含·宝塔·哈希·火绒
墨天梦16 小时前
D21_第三周系统功能回归
人工智能·数据挖掘·回归
shujudang17 小时前
金融行业数据分析平台选型:客户视图、转化诊断与权限管理
大数据·金融·数据挖掘·数据分析
郝学胜-神的一滴18 小时前
金融数据分析实战:从数据清洗到策略回测,Python全链路落地
开发语言·python·程序人生·金融·数据挖掘·数据分析
larance1 天前
DecisionTree 二分类
人工智能·分类·数据挖掘
我的愿望是成为富婆1 天前
2027届秋招简历:把SQL与统计知识写成可验证的数据分析能力
数据挖掘·数据分析
gis92 天前
小O物流通:计算地址点位是否在多边形范围(配送区域)内(地理围栏)
数据挖掘·交通物流·地图标点·地理围栏
shujudang2 天前
AI会员运营的数据实践:人群预测、等级策略与效果分析
大数据·人工智能·数据挖掘·数据分析
2603_965148112 天前
终极清单:构建自动化选品比价系统的所有组件与资源
大数据·运维·数据库·数据挖掘·自动化