transformer generative-models anomaly-detection pre-training forecasting time-series large-models imputation
Abstract
Deep learning has contributed remarkably to the advancement of time series analysis. Still, deep models can encounter performance bottlenecks in real-world data-scarce scenarios, which can be concealed due to the performance saturation with small models on current benchmarks. Meanwhile, large models have demonstrated great powers in these scenarios through large-scale pre-training. Continuous progress has been achieved with the emergence of large language models, exhibiting unprecedented abilities such as few-shot generalization, scalability, and task generality, which are however absent in small deep models. To change the status quo of training scenario-specific small models from scratch, this paper aims at the early development of large time series models (LTSM). During pre-training, we curate large-scale datasets with up to 1 billion time points, unify heterogeneous time series into single-series sequence (S3) format, and develop the GPT-style architecture toward LTSMs. To meet diverse application needs, we convert forecasting, imputation, and anomaly detection of time series into a unified generative task. The outcome of this study is a Time Series Transformer (Timer), which is generative pre-trained by next token prediction and adapted to various downstream tasks with promising capabilities as an LTSM. Code and datasets are available at: https://github.com/thuml/Large-Time-Series-Model.
한국어 요약
한 줄 요약
Timer는 대규모 사전학습을 통해 생성적 타임시리즈 모델로, 다양한 분석 작업을 통합 처리한다.
핵심 기여도
- 10억 개 이상의 타임포인트를 포함한 UTSD 데이터셋을 구축.
- 이질적 타임시리즈를 S3 형식으로 통일하여 GPT 스타일의 디코더-온리 트랜스포머로 사전학습.
- 예측, 보간, 이상 탐지 작업을 생성적 작업으로 통합하여 Timer 모델 제안.
- ETTh1에서 1% 샘플만 사용해 기존 최고 성능을 14.7% 개선.
핵심 아이디어
기존 타임시리즈 모델은 데이터가 부족한 상황에서 성능 저하가 심각하며, 대규모 사전학습을 통한 생성적 모델이 이 문제를 해결할 수 있다는 통찰이 핵심이다. Timer는 자연어 모델(GPT)의 성공을 모방하여, 이질적 타임시리즈를 S3 형식으로 통일하고, 디코더-온리 트랜스포머 구조를 사용해 생성적 사전학습을 수행한다. 이는 타임시리즈의 자동회귀 특성을 활용해 토큰 단위로 다음 값을 예측하는 방식으로, 다양한 작업을 통합 처리할 수 있다. 특히, 사전학습된 모델은 소수 샘플에서도 뛰어난 일반화 능력을 보인다.
기술적 접근법
- **모델 아키텍처**: 디코더-온리 트랜스포머를 사용하여, 토크 타임 시리즈를 자동회귀 방식으로 생성.
- **데이터셋**: UTSD(10억 개 이상의 타임포인트 포함)를 구축.
- **토큰화**: S3(Single-Series Sequence) 형식으로 이질적 시계열을 통일.
- **학습 전략**: 다음 토큰 예측(NEXT-TOKEN PREDICTION)을 기반으로 사전학습.
- **하이퍼파라미터**: 모델 차원(D=256), 레이어 수(L=6)를 고정하며, 파라미터 수를 1M~4M 범위로 확장.
주요 결과
- **ETTh1**: 1% 샘플 사용 시 기존 최고 모델 대비 14.7% 개선.
- **Traffic**: 5% 샘플 사용 시 20.6% 성능 향상.
- **PEMS03**: 1% 샘플 사용 시 56.8%의 보간 설정에서 Timer가 기존 최고 모델을 상회.
- **Anomaly Detection**: Timer는 3% 퀀타일 내에서 100% 이상 탐지 성공률 달성.
의의 및 한계
Timer는 대규모 사전학습을 통해 타임시리즈 분석의 새로운 패러다임을 제시하며, 소수 샘플에서도 뛰어난 성능을 보이는 것이 학술적·실용적 가치를 높인다. 특히, 다양한 작업을 통합한 생성적 접근법은 기존 모델의 작업별 설계 제약을 극복한다. 그러나, UTSD 데이터셋이 공개된 타임시리즈만 포함되어 있어 특정 도메인에 대한 일반화 능력은 제한될 수 있다. 또한, 모델 크기 확장 시 성능 향상 폭이 감소하는 현상도 관찰되었다.
실용적 활용
Timer는 의료, 금융, IoT 등 데이터가 제한적인 산업 분야에서 타임시리즈 예측, 보간, 이상 탐지를 통합적으로 처리할 수 있다. 특히, 사전학습된 모델을 미세 조정(fine-tuning)하여 신속한 도메인 적응이 필요한 상황에 유용하다.