DolphinDB机器学习案例教程：实时实际波动率预测
本教程使用上证50成分股2020年的level2快照数据，构建频率为10分钟的高频交易特征（价差、深度不平衡指标、加权平均价格、买卖压力指标、实际波动率）作为模型输入，将未来10分钟的波动率作为模型输出，利用DolphinDB内置机器学习框架中支持分布式计算的adaBoostRegressor算法构建回归模型，使用根均方百分比误差（Root Mean Square Percentage Error，RMSPE）作为评价指标，最终实现了测试集RMSPE=1.701的拟合效果，下图展示了中信建投部分波动率预测结果。本教程示例代码必须在1.30.18及以上版本和2.00.6及以上版本的DolphinDB server上运行。
将训练后的模型持久化在DolphinDB服务端，结合DolphinDB流数据处理框架，实时预测上证50成分股未来十分钟的实际波动率。本教程包含内容可在左侧目录快速浏览。
1. Snapshot数据文件结构
本教程应用的数据源为上交所level2快照数据（Snapshot），每幅快照间隔时间为3秒或5秒，数据文件结构如下：
| 字段 | 含义 | 字段 | 含义 | 字段 | 含义 |
|---|---|---|---|---|---|
| SecurityID | 证券代码 | LowPx | 最低价 | BidPrice[10] | 申买十价 |
| DateTime | 日期时间 | LastPx | 最新价 | BidOrderQty[10] | 申买十量 |
| PreClosePx | 昨收价 | TotalVolumeTrade | 成交总量 | OfferPrice[10] | 申卖十价 |
| OpenPx | 开始价 | TotalValueTrade | 成交总金额 | OfferOrderQty[10] | 申卖十量 |
| HighPx | 最高价 | InstrumentStatus | 交易状态 | …… | …… |
2. 数据预处理
2020年上交所所有证券的Snapshot数据已经提前导入至DolphinDB数据库中，一共约28.75亿条快照数据，导入方法见股票行情数据导入实例，一共174列。
2.1 数据样本选择
本教程用到的字段为Snapshot中的部分字段，包括: 股票代码、快照时间、申买十价，申买十量，申卖十价，申卖十量。
样本为2020年上证50指数的成分股：
- 股票代码
601318,600519,600036,600276,601166,600030,600887,600016,601328,601288,
600000,600585,601398,600031,601668,600048,601888,600837,601601,601012,
603259,601688,600309,601988,601211,600009,600104,600690,601818,600703,
600028,601088,600050,601628,601857,601186,600547,601989,601336,600196,
603993,601138,601066,601236,601319,603160,600588,601816,601658,600745- 股票名称
中国平安、贵州茅台、招商银行、恒瑞医药、兴业银行、中信证券、伊利股份、民生银行、交通银行、农业银行、
浦发银行、海螺水泥、工商银行、三一重工、中国建筑、保利地产、中国中免、海通证券、中国太保、隆基股份、
药明康德、华泰证券、万华化学、中国银行、国泰君安、上海机场、上汽集团、海尔智家、光大银行、三安光电、
中国石化、中国神华、中国联通、中国人寿、中国石油、中国铁建、山东黄金、中国重工、新华保险、复星医药、
洛阳钼业、工业富联、中信建投、红塔证券、中国人保、汇顶科技、用友网络、京沪高铁、邮储银行、闻泰科技2.2 特征工程
- Bid Ask Spread(BAS)：用于衡量买单价和卖单价的价差
- Weighted Averaged Price(WAP)：加权平均价格
- Depth Imbalance(DI)：深度不平衡
- Press：买卖压力指标
特征数据重采样（10min窗口，并聚合计算实际波动率）
重采样利用group by SecurityID, interval( TradeTime, 10m, "none" )方法
Realized Volatility(RV)：实际波动率定义为对数收益率的标准差
股票的价格始终是处于买单价和卖单价之间，因此本项目用加权平均价格来代替股价进行计算
由于日常用法为年化的股票波动率，因此需要对其进行年化，得到年化实际波动率
使用的数据频率是snapshot级别，其年化方法需要将标准差乘以全年的snapshot数的平方根。
2.3 数据预处理效率
2.3.1 OLAP存储引擎
数据预处理效率：
- 分布式表数据总量：2,874,861,174
- 上证50指数的成分股数据量：58,257,708
- 处理后的结果表数据量：267,490
- 逻辑CPU核数：8
- 耗时：450秒
2.3.2 TSDB存储引擎
TSDB存储引擎作为DolphinDB2.00新特性，分布式表的数据类型支持了Array Vector。与OLAP存储引擎相比，在TSDB分布式表中，申买十价、申买十量、申卖十价、申卖十量可以使用Array Vector存储，原40列数据合并为4列存储，在数据压缩率、数据查询和计算性能上都会有大幅提升。
数据预处理效率：
- 分布式表数据总量：2,874,861,174
- 上证50指数的成分股数据量：58,257,708
- 处理后的结果表数据量：267,490
- 逻辑CPU核数：8
- 耗时：40秒
由测试结果可以看出，采用TSDB存储引擎的Array Vector存储申买十价、申买十量、申卖十价、申卖十量，计算速度是OLAP的11倍。
3. 模型构建
评价指标：根均方百分比误差（Root Mean Square Percentage Error， RMSPE）
注意事项：
- DolphinDB机器学习函数中除了ols、pca、multinomialNB、kmeans、knn外，输入均为通用sqlDS函数生成的数据源。sqlDS指定的数据源对象可以是内存表，也可以是存储在磁盘上的分布式表。对于支持分布式计算的机器学习训练函数，sqlDS指定分布式表为数据源时，系统会自动将计算任务拆解到数据所在服务器，调用集群资源完成分布式计算。
- adaBoostRegressor训练返回结果为字典，包含以下key：numClasses、minImpurityDecrease、maxDepth、numBins、numTrees,、maxFeatures、 model、modelName、xColNames、learningRate、algorithm 。其中model是一个元组，保存了训练生成的树；modelName为”AdaBoost Classifier“。
- adaBoostRegressor生成的模型可以作为predict函数的输入进行预测应用。
3.1 建立训练集和测试集
本项目中没有设置验证集，训练集测试集划分：train:test = 172029:73726
login("admin", "123456")
dbName = "dfs://sz50VolatilityDataSet"
tbName = "sz50VolatilityDataSet"
dataset = select * from loadTable(dbName, tbName) where date(TradeTime) between 2020.01.01 : 2020.12.31
def trainTestSplit(x, testRatio) {
xSize = x.size()
testSize =( xSize * (1-testRatio))$INT
return x[0: testSize], x[testSize:xSize]
}
Train, Test = trainTestSplit(dataset, 0.3)
3.2 训练及评价
def RMSPE(a,b)
{
return sqrt( sum( ((a-b)\a)*((a-b)\a) ) \a.size() )
}
model = adaBoostRegressor(sqlDS(<select * from Train>), yColName=`targetRV, xColNames=`BAS`DI0`DI1`DI2`DI3`DI4`Press`RV, numTrees=30, maxDepth=16, loss=`square)
predicted = model.predict(Test)
Test[`predict]=predicted
print("RMSPE="+RMSPE(Test.targetRV,predicted))
运行结果：
RMSPE=1.701
模型训练耗时：25s调参记录表
| RMSPE | trainTime(ms) | treeNum | maxDepth | features |
|---|---|---|---|---|
| 4.915 | 73240.025 | 60 | 20 | BAS,DI0-4,Press |
| 2.494 | 204696.819 | 60 | 32 | BAS,DI0-9,Press,RV |
| 2.778 | 323223.908 | 100 | 32 | BAS,DI0-9,Press,RV |
| 4.841 | 177327.831 | 60 | 32 | BAS,DI0-9,Press |
| 2.636 | 158605.04 | 60 | 32 | BAS,DI0-4,Press,RV |
| 1.974 | 51815.428 | 60 | 16 | BAS,DI0-4,Press,RV |
| 1.701 | 24782.163 | 30 | 16 | BAS,DI0-4,Press,RV |
| 1.878 | 13719.563 | 16 | 16 | BAS,DI0-4,Press,RV |
| 2.152 | 6854.556 | 8 | 16 | BAS,DI0-4,Press,RV |
回归模型预测性能
| 数据量（条） | 模型预测时间（ms） |
|---|---|
| 1 | 0.614 |
| 10 | 2.271 |
| 100 | 11.446 |
| 1000 | 96.713 |
| 10000 | 959.438 |
通过如上统计可以得出数据量越大，利用DolphinDB进行数据处理及模型预测的优势越明显，在实时流处理场景中，可以在短时间内得到计算结果。
3.3 结果数据可视化
将Test表随机选择一支股票，展示2020.10.19~2020.10.23期间波动率预测情况。
stock_id=(select distinct(SecurityID) from Test)[rand(50,1)[0]].distinct_SecurityID
plot((select targetRV,predict from Test where SecurityID=stock_id, date(TradeTime) between 2020.10.19 : 2020.10.23), title="The realized volatility of "+stock_id,extras={multiYAxes: false})红色线条为真实值
蓝色线条为预测值
复星医药[600196] 部分实际波动率预测结果
三安光电[600703] 部分实际波动率预测结果
4. 实时波动率预测
4.1 流处理流程
第一个订阅：实时获取snapshotStream表中的数据，利用DolphinDB内置时序聚合计算引擎，进行窗口为10分钟，步长为1分钟的滑动窗口计算，核心代码为：
- 注册时间序列聚合计算引擎
createTimeSeriesEngine(name="aggrFeatures10min", windowSize=600000, step=60000, metrics=metrics, dummyTable=snapshotStream, outputTable=aggrFeatures10min, timeColumn=`TradeTime, useWindowStartTime=true, keyColumn=`SecurityID)- 订阅snapshotStream流数据表中的实时增量数据
subscribeTable(tableName="snapshotStream", actionName="aggrFeatures10min", offset=-1, handler=getStreamEngine("aggrFeatures10min"), msgAsTable=true, batchSize=2000, throttle=1, hash=0, reconnect=true)第二个订阅：实时获取处理完的aggrFeatures10min表中的特征数据，利用已训练好的模型进行波动率预测，并将最终结果写入result1min表中，核心代码为：
def predictRV(mutable result1min, model, msg){
startTime = now()
predicted = model.predict(msg)
temp = select TradeTime, SecurityID, predicted as PredictRV, (now()-startTime) as CostTime from msg
result1min.append!(temp)
}
subscribeTable(tableName="aggrFeatures10min", actionName="predictRV", offset=-1, handler=predictRV{result1min, model}, msgAsTable=true, hash=1, reconnect=true)第三个订阅：实时将计算结果表result1min中的数据推送给外部消费者消费。
4.2 快速复现流处理
为了方便用户快速复现实时波动率预测的演示，本教程提供了模型、数据及快速复现流处理代码。下载相关文件后，将模型和数据文件存储在DolphinDB服务端，然后修改代码中的相关路径参数，就可以快速复现上述流处理过程。
- 训练好的模型(请根据实际server版本进行选择)：v1.30.18v2.00.6
- snapshot数据：2020年10月19日601319，600519两只股票共9507条数据
- 快速复现流处理代码
快速复现流处理代码中需要修改模型文件和数据文件的路径
/**
modified location 1: modelSavePath, csvDataPath
*/
modelSavePath = "/hdd/hdd9/machineLearning/realizedVolatilityModel_1.30.18.bin"
//modelSavePath = "/hdd/hdd9/machineLearning/realizedVolatilityModel_2.00.6.bin"
csvDataPath = "/hdd/hdd9/machineLearning/testSnapshot.csv"4.3 Grafana实时监控
Grafana中的Query代码：
select gmtime(TradeTime), PredictRV from result1min where SecurityID=`600519因为Grafana和DolphinDB server的时间存在8个小时时区的差异，所以Grafana中的Query需要用到gmtime函数进行时区的转换。
4.4 实时预测延时统计
在上证50成分股实时预测波动率的实际应用场景中，快照数据的产生频率约为每分钟1000条记录，可以对结果表result1min执行下述语句进行延时统计：
select avg(CostTime) as avgCostTime, min(CostTime) as minCostTime, max(CostTime) as maxCostTime from result1min查询结果：
| avgCostTime | minCostTime | maxCostTime |
|---|---|---|
| 13ms | 7ms | 18ms |
5. 总结
本教程通过使用DolphinDB强大的数据处理能力、易用的机器学习框架和流处理框架，实现了股票波动率的实时预测。与Python等传统数据处理、模型构建方法相比，DolphinDB依靠数据存储引擎和计算引擎的高度融合，在数据预处理和模型训练阶段，方便地实现了分布式并行计算，不仅节约了内存资源，同时也提高了计算效率。
结合DolphinDB内置的流计算处理框架，为实际生产环境的类似需求（数据处理、模型训练、实时预测）提供了一套完整高效的解决方案。在本教程中，订阅了上证50成分股level2快照数据，随着真实数据的产生，可以在13ms内完成对每只股票未来10min的波动率的预测计算，从而对交易策略做出指导。
附录
注意事项：
本教程示例代码必须在1.30.18及以上版本和2.00.6及以上版本的DolphinDB server上运行。
脚本
模型
数据
开发环境
- CPU类型：Intel(R) Xeon(R) Silver 4216 CPU @ 2.10GHz
- 逻辑CPU总数：8
- 内存：64GB
- OS：64位 CentOS Linux 7 (Core)
- 磁盘：SSD盘，最大读写速率为520MB/s
- server版本：1.30.18、2.00.6
- server部署模式：单节点
- 1.30配置文件：dolphindb.cfg（volumes、persistenceDir需要根据实际环境磁盘路径修改）
- 2.00配置文件：dolphindb.cfg（volumes、persistenceDir、TSDBRedoLogDir需要根据实际环境磁盘路径修改）
- 单节点部署教程：单节点部署
- 来源
https://zhuanlan.zhihu.com/p/513846153
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