本文介绍了一种基于全连接神经网络（Fully Connected Network, FCN）的股票K线数据预测策略。具体步骤包括数据预处理、模型构建与训练、以及模型的验证和预测。

数据预处理

数据预处理是时间序列预测中的关键步骤。我们从历史K线数据中提取特征并生成标签。以下是主要的预处理步骤：

数据加载与格式转换

首先加载历史K线数据，并将其转换为浮点型数组。

import numpy as np
import torch
import torch.nn as nn
import torch.optim as optim
from torch.utils.data import DataLoader, TensorDataset, random_split# 数据路径和参数
data_path = "dataset/BTCUSDT-2018_09_01-2024_06_01-15.npy"  # 替换为实际的文件路径
data_name = os.path.basename(data_path).split('.')[0]
data_resolution = int(data_name.split("-")[-1])# 加载数据并转换为浮点型
data = np.load(data_path)[:, :4]  # [时间, (开盘价, 最高价, 最低价, 收盘价)]
data = np.float32(data)

特征与标签生成

使用滑动窗口方法生成特征和标签。特征窗口大小为96（即过去一天的数据），标签窗口大小为16（即未来4小时的数据）。同时，我们使用快速傅里叶变换（FFT）提取频域特征。

def create_windows_with_labels(data, window_size, step_size, label_size, use_freq=True, increase_rate=0.005):"""使用滑动窗口生成特征和标签。参数:data (numpy array): 历史K线数据window_size (int): 特征窗口大小step_size (int): 滑动步长label_size (int): 标签窗口大小use_freq (bool): 是否使用频域特征increase_rate (float): 涨幅阈值返回:features (numpy array): 特征数据labels (numpy array): 标签数据"""num_windows = (len(data) - window_size - label_size) // step_size + 1features = np.zeros((num_windows, window_size), dtype='float32')labels = np.zeros((num_windows, 1), dtype='float32')for i in range(num_windows):left_start_idx = i * step_sizeleft_end_idx = left_start_idx + window_sizeright_start_idx = left_end_idxright_end_idx = right_start_idx + label_size# 提取收盘价并进行归一化处理close_prices = data[left_start_idx:left_end_idx, 3]latest_close_price = close_prices[-1]normalized_prices = (close_prices - np.mean(close_prices)) # 提取频域特征if use_freq:normalized_prices = np.abs(np.fft.fft(normalized_prices))features[i] = normalized_prices# 生成标签right_windows = data[right_start_idx:right_end_idx]if right_windows[:, 1].max() >= (1 + increase_rate) * latest_close_price:labels[i][0] = 1return features, labels# 定义窗口大小、滑动步长和标签窗口大小
window_size = 96  # 1天
step_size = 4  # 1小时
label_size = 16 # 4小时# 生成特征和标签
features, labels = create_windows_with_labels(data, window_size, step_size, label_size, use_freq=True, increase_rate=0.01)
print("label_ratio:", sum(labels[:,0])/len(labels))# 打乱数据
indices = np.arange(len(features))
np.random.shuffle(indices)
features = features[indices]
labels = labels[indices]# 转换为 PyTorch 张量
features_tensor = torch.tensor(features, dtype=torch.float32)  # [N, T]
labels_tensor = torch.tensor(labels, dtype=torch.float32)  # [N, 1]
print(features.shape, labels.shape)

数据集划分

将数据划分为训练集和验证集，训练集占比为90%。

# 创建数据集和数据加载器
dataset = TensorDataset(features_tensor, labels_tensor)
train_size = int(0.9 * len(dataset))
val_size = len(dataset) - train_size
train_dataset, val_dataset = random_split(dataset, [train_size, val_size])train_loader = DataLoader(train_dataset, batch_size=128, shuffle=True)
val_loader = DataLoader(val_dataset, batch_size=32, shuffle=False)

模型构建

我们构建了一个全连接神经网络模型，包含三层全连接层，每层后面接一个ReLU激活函数和Batch Normalization层。

# 定义全连接网络模型
class FullyConnectedNetwork(nn.Module):def __init__(self, input_dim):super(FullyConnectedNetwork, self).__init__()self.model = nn.Sequential(nn.Linear(input_dim, 1024),nn.ReLU(),nn.BatchNorm1d(1024),nn.Linear(1024, 1024),nn.ReLU(),nn.BatchNorm1d(1024),nn.Linear(1024, 1),nn.BatchNorm1d(1),nn.Sigmoid())def forward(self, x):return self.model(x)

模型训练

使用二元交叉熵损失函数（BCELoss）和Adam优化器对模型进行训练。训练过程中记录每个epoch的训练损失和验证损失，同时计算验证集的准确率。

# 初始化模型、损失函数和优化器
input_dim = features_tensor.shape[1]
model = FullyConnectedNetwork(input_dim=input_dim)
criterion = nn.BCELoss()
optimizer = optim.Adam(model.parameters(), lr=0.001)# 训练模型
num_epochs = 100
for epoch in range(num_epochs):model.train()running_loss = 0.0for i, (inputs, targets) in enumerate(train_loader):optimizer.zero_grad()outputs = model(inputs)loss = criterion(outputs, targets)loss.backward()optimizer.step()running_loss += loss.item() * inputs.size(0)epoch_loss = running_loss / train_sizeprint(f"Epoch [{epoch+1}/{num_epochs}], Training Loss: {epoch_loss:.4f}")model.eval()val_loss = 0.0correct_predictions = 0total_predictions = 0with torch.no_grad():for inputs, targets in val_loader:outputs = model(inputs)loss = criterion(outputs, targets)val_loss += loss.item() * inputs.size(0)predicted = (outputs > 0.5).float()correct_predictions += (predicted == targets).sum().item()total_predictions += targets.size(0)val_loss /= val_sizeaccuracy = correct_predictions / total_predictionsprint(f"Epoch [{epoch+1}/{num_epochs}], Validation Loss: {val_loss:.4f}, Validation Accuracy: {accuracy:.4f}")

模型预测

对训练集和验证集进行预测，并输出一些预测结果以供分析。

# 进行预测
def predict(model, data_loader):model.eval()predictions = []with torch.no_grad():for inputs, _ in data_loader:outputs = model(inputs)predictions.extend(outputs.numpy())return np.array(predictions)train_predictions = predict(model, train_loader)
val_predictions = predict(model, val_loader)# 打印一些预测结果
print("Train Predictions:", train_predictions[:10])
print("Validation Predictions:", val_predictions[:10])

总结

本文介绍了一种基于全连接神经网络的股票K线数据预测策略，并使用历史K线数据进行了回测。通过特征工程、模型构建与训练，我们可以实现对未来价格走势的预测。未来的工作可以包括优化模型结构、调整超参数以及引入更多的特征以提高预测精度。

希望本文对您有所帮助，如果有任何问题或建议，欢迎在评论区留言讨论！

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