大模型做时序预测也很强！华人团队激活LLM新能力，超越一众传统模型实现SOTA

大语言模型潜力被激发——

无需训练大语言模型就能实现高精度时序预测，超越一切传统时序模型。

蒙纳士大学、蚂蚁和IBM研究院联合开发了一种通用框架，成功推动了大语言模型跨模态处理序列数据的能力。该框架已经成为一项重要的技术创新。

时序预测有益于城市、能源、交通、遥感等典型复杂系统的决策制定。

自此，大模型有望彻底改变时序/时空数据挖掘方式。

通用大语言模型重编程框架

研究团队提出了一个通用框架，将大语言模型轻松用于一般时间序列预测，而无需做任何训练。

主要提出两大关键技术：时序输入重编程；提示做前缀。

Time-LLM首先使用文本原型（Text Prototypes）对输入的时间数据进行重编程，通过使用自然语言表征来表示时间数据的语义信息，进而对齐两种不同的数据模态，使大语言模型无需任何修改即可理解另一种数据模态背后的信息。同时，通过大语言模型不需要任何特定的训练数据集，即可理解不同的数据模态的背后信息。这种方法不仅能够提高模型的准确性，还能够简化数据预处理过程。

为了更好地处理输入时序数据和对应任务的解析，作者提出了Prompt-as-Prefix（PaP）的范式。该范式通过在时序数据表征前添加额外的上下文信息和任务指令，充分激活LLM在时序任务上的处理能力。这种方法可以在时序任务上实现更精细的解析，并且通过在时序数据表格前添加额外的上下文信息和任务指令，充分激活LLM在时序任务上的处理能力。

主要贡献包括：

• 提出了通过重编程大型语言模型用于时序分析的全新概念，无需对主干语言模型做任何修改。
• 提出一个通用语言模型重编程框架Time-LLM，它包括将输入时序数据重新编程为更自然的文本原型表示，并通过声明性提示（例如领域专家知识和任务说明）来增强输入上下文，以指导LLM进行有效的跨域推理。
  
• 在主流预测任务中的表现始终超过现有最好的模型性能，尤其在少样本和零样本场景中。此外，Time-LLM在保持出色的模型重编程效率的同时，能够实现更高的性能。大大释放LLM在时间序列和其他顺序数据方面尚未开发的潜力。

具体来看这一框架，首先，输入时序数据先通过RevIN归一化操作，然后被切分成不同patch并映射到隐空间。

时序数据和文本数据在表达方式上存在显著差异，两种属于不同的模态。

时间序列既不能直接编辑，也不能无损地用自然语言描述。因此，我们需要将时序输入特征对齐到自然语言文本域上。

而对齐不同模态的一个常见方式是cross-attention，但是LLM固有的词汇表很大，因此无法有效直接将时序特征对齐到所有词上，而且也并不是所有词都和时间序列有对齐的语义关系。

为了解决这个问题，这项工作对词汇表进行了线形组合来获取文本原型，其中文本原型的数量远小于原始词汇量，组合起来可以用于表示时序数据的变化特征。

而为了充分激活LLM在指定时序任务上的能力，这项工作提出了提示做前缀的范式。

通俗点说，就是把时间序列数据集的一些先验信息，以自然语言的方式，作为前缀prompt，和对齐后的时序特征拼接喂给LLM，是不是能够提升预测效果？

在实践中，作者确定了构建有效提示的三个关键组件：

数据集上下文；（2）任务指令，让LLM适配不同的下游任务；（3）统计描述，例如趋势、时延等，让LLM更好地理解时序数据的特性。

团队在长程预测上经典的8大公开数据集上进行了全面的测试。

结果Time-LLM在基准比较中显著超过此前领域最优效果，比如对比直接使用GPT-2的GPT4TS，Time-LLM有明显提升，表明了该方法的有效性。

此外，在zero-shot场景中也表现了很强的预测能力。

本项目获得蚂蚁集团智能引擎事业部旗下AI创新研发部门NextEvo支持。

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论文链接https://arxiv.org/abs/2310.01728。