时序分析｜01时序数据分析和处理技能入门

用户4434621

发布于 2024-09-18 16:41:10

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发布于 2024-09-18 16:41:10

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写在前面

我博士毕业之后去了公司工作，但等安稳下来经常会想，既然接受8年的科学研究培养，如果就此搁下科研未免太对不起自己过去的付出。自那开始，我有空就开始琢磨继续独立做点什么研究。首先，我排除了CV和NLP，其一个是没显卡；其二，这些领域实在是太卷了，神仙的战场凡人还是不要参与了。

经过一段时间的摸索，我决定选定时间序列预测作为业余的研究方向。相比之下，时序的研究算是不冷不热，对显卡需求没那么高。更重要的是，我对量化投资一直非常有兴趣，数字货币、股票、外汇这些都有参与。但我从没赚过钱，事实上读书期间我陆续赔掉了2万多块钱，不过好在我的热情一直没有消减。我想有兴趣做驱动，应该能在时序的路上能走的更远一些。过去我一直是手动交易赔钱，我未来期望至少也要让模型替我亏钱，而我则能在赔钱过程中收获技能的成长和乐趣。

最后，如你所见，在时序领域我也是新人。我期望通过记录自己的学习过程，包括：时序论文阅读分享、时序数据分析技巧，能让所看、所做的工作有所积淀。当然，如果我的笔记能帮助到后来者则是更好的。

So，让我们从Kaggle竞赛的数字货币可视化和基本预处理分析开始吧！

数据集导入

今天记录的是时序数据可视化和基本分析的入门篇，数据来源Kaggle竞赛（G-Research Crypto forecasting competition），包含train，supplemental_train，asset_details这三个核心数据文件。各位可到官网去了解学习，本文的代码大量来自上面。赛题要求参赛者运用机器学习专业知识来预测比特币、以太坊等14种热门加密货币的短期回报。数据集包含数百万行自2018年以来的真实市场数据，不过今天我们不做建模，只进行数据基本分析和可视化。

首先，导入train.csv数据结构，发现数据包含时间戳、货币ID、收盘、开盘价、最低、最高价、预期收益率（Target）等特征。其中预期收益率Target的计算，我们在之后的博客中详细讲。

import pandas as pd
df_train = pd.read_csv('量化数据/train.csv')
df_train.head()

我们继续导入asset_details.csv数据集，查看都有哪些数字货币对。实际总共包含14种货币，这里只显示出了前五种，可以看到asset_details中中间有一列Weight特征，这个特征表示每种货币的在市场中的权重，之后我们计算Target时，还会用到该特征。

asset_details = pd.read_csv('量化数据/asset_details.csv')
asset_details

蜡烛图

蜡烛图表是一种以开盘价、最高价、最低价和收盘价为基础的市场数据聚合形式。我们可以通过常用的蜡烛图表来可视化这些数据，并对盘中数值进行技术分析。我们使用 plotly 库可视化比特币价格数据的一部分，绘图的底部显示一个范围滑块，我们可以使用它来放大绘图。

以比特币（Asset_ID=1）的数据为例，我们选取最近的200条数据

btc = crypto_df[crypto_df["Asset_ID"]==1].set_index("timestamp") # Asset_ID = 1 for Bitcoin
btc_mini = btc.iloc[-200:] # Select recent data rows

使用plotly 库函数，绘制比特币的蜡烛图

import plotly.graph_objects as go
import cufflinks as cf
# 不加下两行，图表可能显示空白
cf.go_offline()
cf.set_config_file(offline=True, world_readable=True)

fig = go.Figure(data=[go.Candlestick(x=btc_mini.index, open=btc_mini['Open'], high=btc_mini['High'], low=btc_mini['Low'], close=btc_mini['Close'])])
fig.show()

结果如下所示，注意该图表是可交互的，通过拖动下方滑块可以放大缩小。

数据预处理

像这类时序数据，有缺失值是常见的，接下来我们以以太坊ETH为例，查看缺失值并进行填补处理。可以看到以太坊货币对的Target特征行数少于其他特征，表明有缺失值。

eth = crypto_df[crypto_df["Asset_ID"]==6].set_index("timestamp") # Asset_ID = 6 for Ethereum
eth.info(show_counts =True)

使用.isna()和.sum()函数可以具体统计缺失值的数量，可以看到在这个时间范围内，以太坊Target缺少340条数据。

eth.isna().sum()

继续进行分析，我们把时间戳转换为正常时间格式，并查看数据的时间横跨范围。

beg_btc = btc.index[0].astype('datetime64[s]')
end_btc = btc.index[-1].astype('datetime64[s]')
beg_eth = eth.index[0].astype('datetime64[s]')
end_eth = eth.index[-1].astype('datetime64[s]')

print('BTC data goes from ', beg_btc, 'to ', end_btc)
print('Ethereum data goes from ', beg_eth, 'to ', end_eth)

由于缺失的资产数据是直接成行的缺失，因此我们可以检查连续行之间的时间戳差异，看看是否有丢失的数据。正常情况下，数据是连续的，两行数据相减应为60，如果两行相见大于60，则说明缺行。

(eth.index[1:]-eth.index[:-1]).value_counts().head()

上面的结果显示数据中存在许多空白。为了使用时间序列连续，我们应该将数据预处理为没有时间间隙的格式。我们固定时间戳的开始和结尾，使用 .reindex() 方法进行前向填充，填充代码如下，填充完毕再次进行检查，现在我们发现数据变成连续的固定时间间隔了。

eth = eth.reindex(range(eth.index[0],eth.index[-1]+60,60),method='pad')
(eth.index[1:]-eth.index[:-1]).value_counts().head(

数据可视化分析

上面使用了蜡烛图进行可视化分析，由于收盘价非常关键，我们这里首先可视化两种资产的收盘价。

import matplotlib.pyplot as plt

# plot vwap time series for both chosen assets
f = plt.figure(figsize=(15,4))

# fill missing values for BTC
btc = btc.reindex(range(btc.index[0],btc.index[-1]+60,60),method='pad')

ax = f.add_subplot(121)
plt.plot(btc['Close'], label='BTC')
plt.legend()
plt.xlabel('Time')
plt.ylabel('Bitcoin')

ax2 = f.add_subplot(122)
ax2.plot(eth['Close'], color='red', label='ETH')
plt.legend()
plt.xlabel('Time')
plt.ylabel('Ethereum')

plt.tight_layout()
plt.show()

从折线图可以看出来，两种资产价格差异很大，并且历史数据的变化幅度也有差异，我们进一步检查最近两种资产的变化幅度。选取2021年6月-2021年7月的数据，并绘制图表。

import time

# auxiliary function, from datetime to timestamp
totimestamp = lambda s: np.int32(time.mktime(datetime.strptime(s, "%d/%m/%Y").timetuple()))

# create intervals
btc_mini_2021 = btc.loc[totimestamp('01/06/2021'):totimestamp('01/07/2021')]
eth_mini_2021 = eth.loc[totimestamp('01/06/2021'):totimestamp('01/07/2021')]

在选定的短时间间隔内，我们可以直观地看到两种资产之间的似乎有一些潜在相关性（同涨同跌）。接下来，我们要做的是定量刻画这种相关性的强弱。然而，不同的资产的价格规模不同，因此价格实际不具有可比性。我们可以通过对数函数log对收盘价进行处理，然后计算相邻时间价格差，即每个时刻的return。

这里使用了.diff()函数，该函数是在给定周期periods后，求该周期的差值，如periods=1，就是相邻数值求差。

Log return

# define function to compute log returns
def log_return(series, periods=1):
    return np.log(series).diff(periods=periods)

接下来可视化两种资产的对数回报（相当于在这一分钟买入，下一分钟卖出），由于取了对数，数值变化幅度在基本在较小区间内，重合度很高。

import scipy.stats as stats

lret_btc = log_return(btc_mini_2021.Close)[1:]
lret_eth = log_return(eth_mini_2021.Close)[1:]
lret_btc.rename('lret_btc', inplace=True)
lret_eth.rename('lret_eth', inplace=True)

plt.figure(figsize=(8,4))
plt.plot(lret_btc);
plt.plot(lret_eth);
plt.show()

两种资产的相关性

那么，两种资产变化的相关性到底如何呢，现在让我们更详细地检查一下。先使用之前定义的log_return获取每个时间点的return，然后使用concat拼接，注意axis=1是左右拼，默认为0是上下拼。

# join two asset in single DataFrame

lret_btc_long = log_return(btc.Close)[1:]
lret_eth_long = log_return(eth.Close)[1:]
lret_btc_long.rename('lret_btc', inplace=True)
lret_eth_long.rename('lret_eth', inplace=True)
two_assets = pd.concat([lret_btc_long, lret_eth_long], axis=1)

# group consecutive rows and use .corr() for correlation between columns
corr_time = two_assets.groupby(two_assets.index//(10000*60)).corr().loc[:,"lret_btc"].loc[:,"lret_eth"]

corr_time.plot();
plt.xticks([])
plt.ylabel("Correlation")
plt.title("Correlation between BTC and ETH over time");

如果你不理解上面关于corr_time的计算，我特意在下方写了一个分步骤的小例子，看完应该差不多能懂。

这样，我们就算出了比特币和以太坊return的相关性，可以看到越到后期，两者的相关性越强，一般来说相关性系数超过0.8，已经是非常相关了。接下来通过可视化相关矩阵来检查所有资产之间的相关性。我们可以看到某些资产的成对相关性比其他资产高得多，这也许是潜在的投资机会。

# create dataframe with returns for all assets
all_assets_2021 = pd.DataFrame([])
for asset_id, asset_name in zip(asset_details.Asset_ID, asset_details.Asset_Name):
  asset = crypto_df[crypto_df["Asset_ID"]==asset_id].set_index("timestamp")
  asset = asset.loc[totimestamp('01/01/2021'):totimestamp('01/05/2021')]
  asset = asset.reindex(range(asset.index[0],asset.index[-1]+60,60),method='pad')
  lret = log_return(asset.Close.fillna(0))[1:]
  all_assets_2021 = all_assets_2021.join(lret, rsuffix=asset_name, how="outer")

算出结果，就可以可视化的显示出来了

plt.imshow(all_assets_2021.corr());
plt.yticks(range(14), asset_details.Asset_Name.values);
plt.xticks(range(14), asset_details.Asset_Name.values, rotation='vertical');
plt.colorbar();