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"""
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模块功能：
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本模块核心功能是实现向量自回归（VAR）预测模型的训练和运行。
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函数:
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- convert_timestamp_index(data, to_period): 转换时间序列数据的时间索引至DatetimeIndex或PeriodIndex。
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- train_VAR_model(data, max_lags): 利用输入的时间序列数据训练 VAR 模型。
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- run(input_data, steps): 执行时间索引转换、模型训练和数据预测等步骤，并返回预测结果。
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"""
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import pandas as pd
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import statsmodels.api as sm
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from typing import List
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def convert_timestamp_index(data: pd.DataFrame,
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to_period: bool) -> pd.DataFrame:
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"""
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根据to_period参数，选择将数据的时间索引转换为DatetimeIndex或PeriodIndex。
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Args:
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data (pd.DataFrame): 输入的数据。
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to_period (bool): 如果为True，则将DatetimeIndex转换为PeriodIndex；
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如果为False，则将PeriodIndex转换为DatetimeIndex。
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Returns:
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pd.DataFrame: 索引被转换后的数据。
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"""
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if to_period:
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data.index = pd.DatetimeIndex(data.index).to_period('D')
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else:
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data.index = data.index.to_timestamp()
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return data
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def train_VAR_model(data: pd.DataFrame, max_lags: int = 30):
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"""
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利用输入的时间序列数据训练VAR模型，通过比较BIC值确定最优滞后阶数。
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Args:
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data (pd.DataFrame): 用于模型训练的时间序列数据。
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max_lags (int, default=30): 最大滞后阶数，默认为 30。
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Returns:
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VARResultsWrapper: 训练得到的VAR模型。
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"""
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model = sm.tsa.VAR(data)
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criteria = []
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lags = range(1, max_lags + 1)
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# 通过比较每个滞后阶数模型的BIC值，选择最优滞后阶数
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for lag in lags:
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result = model.fit(maxlags=lag)
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criteria.append(result.bic)
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# 使用最优滞后阶数再次训练模型
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best_lag = lags[criteria.index(min(criteria))]
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results = model.fit(maxlags=best_lag)
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return results
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def run(input_data: pd.DataFrame,
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forecast_target: str,
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_: List[str],
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steps: int = 20) -> pd.DataFrame:
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"""
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运行函数，执行一系列步骤，包括索引转换、训练模型、数据预测。
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Args:
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input_data (pd.DataFrame): 输入的DataFrame数据。
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forecast_target (str): 需要被预测的目标变量的列名。
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_ (List[str]): 占位参数，用于保持和其他模型函数的接口一致性。
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steps (int, default=20): 预测步数。
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Returns:
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pd.DataFrame: 预测结果的DataFrame对象。
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"""
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# 将DataFrame对象的时间索引转换为PeriodIndex
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input_data = convert_timestamp_index(input_data, to_period=True)
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# 训练 VAR 模型
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model = train_VAR_model(input_data, max_lags=60)
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# 将DataFrame对象的时间索引转回原样
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input_data = convert_timestamp_index(input_data, to_period=False)
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# 利用VAR模型进行预测
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pred = model.forecast(input_data.values[-model.k_ar:], steps=steps)
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forecast_df = pd.DataFrame(
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pred,
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index=pd.date_range(start=input_data.index.max() +
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pd.Timedelta(days=1),
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periods=steps),
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columns=input_data.columns)
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return forecast_df[forecast_target]
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