手把手教你，利用机器学习模型，构建量化择时策略（附全流程代码）

歌神演唱会人脸识别抓逃犯，阿尔法狗战胜人类围棋手，AI绘图《太空歌剧院》惊艳艺术博览会~~~这些震撼成果的背后，都是人工智能在蓬勃发力。

既然人工智能/机器学习这么厉害，在其他领域都取得了丰硕的成果和巨大的成功，那么是不是可以让计算机帮咱预测市场大盘、选择和买卖股票/期货/外汇/大饼，解放双手，丰衣足食，岂不美哉？

已经有非常多的机构开展这方面的研究和实践了，今儿个咱也来探索一下，机器学习在量化投资当中的应用，从零开始走通基于机器学习的量化指数择时模型的开发全流程。

零. 机器学习，浅尝一下

人类发现规律一般采用的是归纳演绎法，对观察到的大量现象进行归纳，在心中形成规律，然后再遇到类似的情况，就可以迅速做出预测和判断，比如说“朝霞不出门，晚霞行千里”、“瑞雪兆丰年”、“狗打喷嚏天要晴”，这都是老祖先归纳演绎法的结晶，可能不是每回都灵验。

机器学习和人类的思考过程非常相似，把历史数据输入到模型当中，训练出一个能完成特定任务的数学模型，等到有新的数据出现时，就把新数据输入到训练好的模型当中，这就会输出一个预测的结果，特别地，机器学习在识别非线性规律方面，相较于人脑更有优势。

具体结合咱这次的目标进行说明，咱这次的任务就是利用机器学习模型，预测沪深300指数第二天的涨跌情况，输入的数据就是沪深300指数的开高低收行情数据，将这些数据输入到支持向量机（Support Vector Machine，SVM）当中进行模型训练，待SVM训练好之后，输入今天的行情数据，就能输出对第二天行情的预判。

为什么选择SVM呢？因为咱这次使用的数据集是沪深300指数的日线行情数据，它自2005年上市以来，拢共才四千多个交易日，换句话说，也才四千多个样本点，相对于几百万上千万的“大数据”来说，这充其量才算一个“小样本”，这无疑是一个非常适合SVM的应用场景。

因为在深度学习（一般需要大数据“投喂”）尚未全面兴起时，SVM由于其较高的小样本预测准确率，并且能够解决非线性分类问题，属于当时机器学习方法潮流圈中的扛把子。

SVM很能打，但本身并不是非常复杂，今儿个不抠数学细节，大白话讲讲SVM是什么有什么用，以免没开始就把大伙儿劝退了。

SVM最初的设计是用来解决二分类问题，后来扩展到多分类问题，“预测沪深300指数涨跌”就属于典型的二分类问题，“涨”是一个类别，“跌”就是另一个类别。

它通过寻找一个最大间隔超平面（上图黑斜线）将两类样本线性区分开来，并且保证两侧样本的最近边缘点到这个平面的距离是最大的，由于最大间隔超平面仅取决于两个类别的边缘点，例如上图中被红线和蓝线穿过的红点和蓝点，这些点就被称为支持向量，这就是“支持向量机”名称的由来。

但现实世界很奇妙，有线性可分的数据集，就有非线性可分的数据集，那遇到非线性可分的情况怎么办？

那也有办法，SVM引入了核函数，可以将低维不可分的数据映射到高维线性可分，如上图，二维不可分就映射到三维，常用的核函数有线性核、多项式核、高斯核（RBF核）和Sigmoid核。

但在现实当中，由于噪声和极端样本点的存在，数据集无论在低纬和高维都可能出现线性不可分的情况，于是乎，SVM当中引入了松弛变量的概念，允许了最大间隔超平面不用完美区分两个类别，允许错误分类的存在，SVM通过惩罚系数C控制这些错误分类的容忍程度，C值越高分类准确率越高，但数值过高容易导致过拟合，C值过低则会导致准确率受损。

SVM唠完了，咱来说说一般机器学习建模的流程，一般分为6步走，按照先后顺序分别是收集数据、准备数据、选择/建立模型、训练模型、测试模型和调节参数。量化，没有白走的路，每一步都算数，下文咱一步一步地走一遍~

一. 收集数据

巧妇难为无米之炊，第一步咱要获取到最原始的建模数据，对于指数的日线数据而言，有非常多的免费获取渠道，只要能获取到指数的日期（date）、开盘价（open）、最高价（high）、最低价（low）和收盘价（close）就可以了。

在此处以tushare为例，获取沪深300指数自2005年4月8日上市以来的全部行情数据，它是一个免费、开源的python财经数据接口包，网址是：http://tushare.org/。

导入tushare包之后，使用它的get_k_data函数，就可以获得沪深300指数的历史K线数据，返回的数据格式是dataframe，咱只选取开高低收数据，并将日期（字符串格式）设置为索引。

import numpy as np
import pandas as pd
import talib
import warnings
warnings.filterwarnings('ignore')
import tushare as ts

data = ts.get_k_data(code='hs300', start='2005-04-08', end='2022-11-08', ktype='D')
data = data.set_index('date')
data = data[['open', 'high', 'low', 'close']]
print('样本数目：%d' %data.shape[0])
print(data.head(10))
print(45*'-')
print(data.tail(10))

二. 数据准备

有了原始数据之后，咱还要进一步进行加工和处理，主要工作是变量选择、确认标签和数据清洗。

变量选择在量化投资当中叫“因子选择”，就是用哪些因子（factor）进行选股择时那些，在机器学习领域一般叫“特征选择”，指定用哪些特征（feature）来作为算法模型的输入。

在这里咱用到因子分别是EMA值（ema）、价格波动率（stddev）、价格斜率（slope）、RSI值（rsi）和威廉指标值（wr），此处咱利用talib包丝滑地完成计算，它是一款量化圈驰名、彪悍强大的第三方技术分析指标计算包。

data['ema'] = talib.EMA(data['close'].values, timeperiod=20)
data['stddev']= talib.STDDEV(data['close'].values, timeperiod=20, nbdev=1)
data['slope'] = talib.LINEARREG_SLOPE(data['close'].values, timeperiod=5)
data['rsi'] = talib.RSI(data['close'].values, timeperiod = 14)
data['wr'] = talib.WILLR(data['high'].values, data['low'].values, data['close'].values, timeperiod=7)
data.tail(10)

确认标签呢，就是给这个样本点打上类别标签，由于咱是预测指数第二天的涨跌情况，于是，咱先计算出每个样本第二天的涨幅（pct），如果第二天上涨，则设置标签（rise）为1，反之为0。

由于指数数据一般异常情况不是很多，如果有空值，咱把空值删除就好了。

data['pct'] = data['close'].shift(-1) / data['close'] - 1.0
data['rise'] = data['pct'].apply(lambda x: 1 if x>0 else 0)
#删除缺失值
data = data.dropna()
data.tail(10)

三. 选择/建立模型

选择/建立模型就是需要确定自己这次使用哪种机器学习模型，是支持向量机SVM呢，还是神经网络NN呢，亦或是随机森林RF呢，或者其他的模型。

在之前已经说过了，咱是用SVM模型，原因和原理不再赘述，为了方(tou)便(lan)实现和建立模型，咱可以直接从Scikit-learn（简称sklearn）中导入，它是非常流行的Python免费机器学习库 ，具有各种分类、回归和聚类算法，一般配合numpy数据格式使用。

四. 训练模型

在这里，咱需要把整个数据集分拆为训练集和测试集，因为除了训练模型之外，咱还要留出一部分数据来验证训练出来模型的优劣。

一般来说，将完整数据集80%的样本作为训练集，剩余20%的样本作为测试集，要注意的是，这里要将dataframe中的因子数据转换成numpy的ndarray数组格式，因为这种数据类型更适配sklearn。

# 划分训练集和测试集
num_train = round(len(data)*0.8)
data_train = data.iloc[:num_train, :]
data_test = data.iloc[num_train:, :]
# 训练集数据和标签
X_train = data_train[['ema', 'stddev', 'slope', 'rsi', 'wr']].values
y_train = data_train['rise']
# 测试集数据和标签
X_test = data_test[['ema', 'stddev', 'slope', 'rsi', 'wr']].values
y_test = data_test['rise']
print(X_train[:10])
print(45*'-')
print(X_test[:10])

在划分数据集之后，还有非常重要的一步，那就是对数据进行标准化处理，这是因为每个因子的数值量纲差别太大，例如指数EMA的均值是2919.6，而RSI的均值是52.7，这样会造成SVM对某些因子的“偏心”。

在此处，采用“(原始值 - 均值) / 标准差”的方法对数据进行标准化处理，处理过后，每个因子的均值都会变为0，标准差变为1.0。

from sklearn.preprocessing import StandardScaler

print('---标准化之前---')
print('训练集的均值：')
print(X_train.mean(axis=0))
print('训练集的标准差：')
print(X_train.std(axis=0))

# 对数据进行标准化
scaler = StandardScaler()
X_train = scaler.fit_transform(X_train)
X_test = scaler.transform(X_test)

print('---标准化之后---')
print('训练集的均值：')
print(X_train.mean(axis=0))
print('训练集的标准差：')
print(X_train.std(axis=0))

数据标准化处理之后，就可以将训练集数据输入SVM当中，代码实现很简单，从sklearn的svm模块当中导入SVM分类器SVC，创建实例对象后，将训练集因子数据和对应标签塞进fit函数就行了，SVM模型的惩罚系数使用默认值1.0，核函数也用默认的RBF核函数，训练过程非常快，不用一个东的时间，就把SVM分类器训练好了。

from sklearn.svm import SVC

classifier = SVC(C=1.0, kernel='rbf')
classifier.fit(X_train, y_train)
print(classifier)

五. 测试模型

至此，SVM分类器已经训练好了，把因子数据塞进predict函数，就能输出每个样本的预测值，咱分别把训练集和测试集的预测标签插回到原来的数据集当中，用来计算预测的准确率。

y_train_pred = classifier.predict(X_train)
y_test_pred = classifier.predict(X_test)
data_train['pred'] = y_train_pred
data_test['pred'] = y_test_pred
accuracy_train = 100 * data_train[data_train.rise==data_train.pred].shape[0] / data_train.shape[0]
accuracy_test = 100 * data_test[data_test.rise==data_test.pred].shape[0] / data_test.shape[0]
print('训练集预测准确率：%.2f%%' %accuracy_train)
print('测试集预测准确率：%.2f%%' %accuracy_test)

输出结果：

训练集预测准确率：57.52%
测试集预测准确率：52.35%

从结果当中看出，训练集的预测准确率明显比测试集的高，这是因为整个模型都是在训练集数据上训练出来的，对测试集数据则还很“陌生”，这就相当于高考数学考卷都是你们学校的数学老师出的，整体来看，你们的平均分就非常可能比其他同级别的学校高。

光看准确率还不够直观，咱还要看一下如果纯粹按照这个择时模型的预测结果进行投资，能获得多少收益，此处只使用测试集进行模拟。

假设指数可以多空交易，如果模型预测为1（上涨），第二天策略的收益率就是指数的涨幅，如果模型预测为0（下跌），第二天策略的收益率就是指数的涨幅的相反数，有了每天的日收益率之后，通过dataframe自带的累乘函数cumprod，就可以得到择时策略和沪深300指数的净值曲线，为了方(tou)便(lan)起见，不考虑交易费率，以及按照收盘价成交。

import matplotlib.pyplot as plt

#策略日收益率
data_test['strategy_pct'] = data_test.apply(lambda x: x.pct if x.pred>0 else -x.pct, axis=1)
#策略和沪深300的净值
data_test['strategy'] = (1.0 + data_test['strategy_pct']).cumprod()
data_test['hs300'] = (1.0 + data_test['pct']).cumprod()
# 粗略计算年化收益率
annual_return = 100 * (pow(data_test['strategy'].iloc[-1], 250/data_test.shape[0]) - 1.0)
print('SVM 沪深300指数择时策略的年化收益率：%.2f%%' %annual_return)

#将索引从字符串转换为日期格式，方便展示
data_test.index = pd.to_datetime(data_test.index)
ax = data_test[['strategy','hs300']].plot(figsize=(16,9), color=['SteelBlue','Red'],
                                          title='SVM 沪深300指数择时策略净值  by 量化君')
plt.show()

六. 调节参数

从上一步的测试当中看出，训练集和测试集的预测准确率只有57%和52%，不算理想，说明还有很大的提升空间，还可以对模型进行优化改进。

比如说，现在使用的5个因子，还没有反应到价格波动的本质，还可以增改更多的因子。

还比如说，SVM模型当中的惩罚系数C过小，对错误样本的容忍度过高，RBF核函数不适合作为这个数据集的映射转换函数。

再比如说，甚至连SVM模型本身也是一个参数，也可以更改，比如说可以换成其他的机器学习分类模型。

也就是说到这调节参数这一步，如果训练好的模型结果不能让自己满意，就可以重新将前5步走一遍。

咱终于吭哧吭哧走完了，利用机器学习构建量化择时策略的全流程，相信大伙儿对机器学习相关概念和建模流程也有了初步的了解，基于这个建模框架流程，将来的你可以玩得更花，可以采用更高频的数据、更鲁棒的模型、更多的交易标的、更有效的因子、更有趣的预测任务，以及~~~遇见更好的自己。

参考资料

周志华，2016年1月，书籍《机器学习》

华泰金工，2017年8月，研报《人工智能选股之支持向量机模型》

阿泽，2020年6月，知乎《【机器学习】支持向量机 SVM（非常详细）》

我是 @quantkoala，一枚大写的量化/程序化策略源码捕手，喜欢全方位收集分享市面上主流的策略源码（股票+期货+外汇），在『量化藏经阁』和『量化藏经阁Max』社群（入口）中，持续分享量化策略源码和量化知识等干货（目前已分享200+套精品策略），欢迎关注点赞&联系沟通，探讨共赢&成果共享，相互交流&共同进步！！！
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