COLING 2024 | AlphaFin：基于LLM的股票预测大模型，显著提高预测能力

发布于 2024-06-13 18:31:49

目前，机器学习和深度学习算法（ML&DL）已被广泛应用于股票趋势预测，并取得了显著进展。然而，这些方法未能为预测提供理由，缺乏可解释性和推理过程。此外，它们无法整合如财经新闻或报告等文本信息。与此同时，大型语言模型（LLMs）具有出色的文本理解和生成能力。但由于金融训练数据集稀缺以及与实时知识的整合有限，LLMs仍然存在幻觉问题，并且无法跟上最新信息。

本文介绍一篇 COLING 2024 的工作，研究者提出了一个名为 AlphaFin 的金融分析框架，它结合了机器学习和深度学习算法（ML&DL）以及大型语言模型（LLMs）来提高股票趋势预测和金融问题回答的准确性和可解释性。

【论文标题】AlphaFin: Benchmarking Financial Analysis with Retrieval-Augmented Stock-Chain Framework

【论文地址】https://arxiv.org/abs/2403.12582

【论文源码】https://github.com/AlphaFin-proj/AlphaFin

论文概述

目前，基于时间序列数据的 ML&DL 已被广泛用于股票趋势预测，对行业产生了积极影响。然而，ML&DL 算法的性能有限，只能提供不确定的结果，并且无法处理复杂的文本数据。同时，它们不能为投资者提供有效的理由和分析潜在原因，这可能会破坏他们的投资信心。

为解决上述问题，研究者做了以下4个工作：

1. 正式定义了金融分析任务，旨在完成股票趋势预测以及相应的金融问答。这一任务的明确为金融领域的研究和应用提供了清晰的方向。
2. 提出了 AlphaFin 数据集，其中包含传统研究数据集、实时金融数据和手写链式思考（CoT）数据。这些数据集的引入增强了大型语言模型（LLMs）在金融分析方面的能力，使它们能够更准确地理解和处理金融信息。
3. 基于AlphaFin数据集微调了一个名为 StockGPT 的模型，并将其集成到 Stock-Chain 框架中。Stock-Chain 框架进一步通过检索增强生成（RAG）与实时金融数据库进行集成。通过与 RAG 的结合，研究者解决了 LLMs 输出中的幻觉现象和无法生成实时内容的问题，提高了模型的准确性和实用性。
4. 在 AlphaFin 数据集上进行了广泛的实验，结果表明 Stock-Chain 在所有基线方法中都表现出色，并在金融分析任务中展现出有效性。这些实验验证了 Stock-Chain 的优越性和实用性，为金融领域的研究和应用提供了新的思路和工具。

AlphaFin数据集

研究者首先发布了 AlphaFin 数据集，如图1所示，它包含四个部分：研究数据集、StockQA、财经新闻和财务报告。AlphaFin 的数据来源于十几个数据源。从表1中可以看出，传统的研究数据集表现出相对较短的标签长度，这阻碍了金融长语言模型（FinLLMs）的训练。因此，AlphaFin 解决了传统研究数据集中质量低和长度短的问题。

• 研究数据集：使用传统的金融数据集，如 FPB、FinQA、convFinQA 和 Headline，来增强模型的信息提取和总结能力。
• StockQA 数据集：包含从 Tushare 和 AKshare 获取的股票价格和其他金融数据。
• 金融新闻数据集：整合在线新闻来源，如 CCTV 和 Wall Street CN 的金融板块，提供实时金融知识。
• 财务报告数据集：通过 DataYes 构建，包含机构对公司的专业化分析和知识。

图1 提出的AlphaFin数据集的数据来源和预处理过程

表1 AlphaFin数据集的详细情况。“Input”和“Label”分别表示它们的文本长度

Stock-Chain框架

研究者将金融分析任务视为两个相辅相成的部分，即股票趋势预测和相应的金融问答。因此，提出的 Stock-Chain 框架分为两个阶段，如图2所示。

图2 Stock-Chain 框架

01

问题定义

• 第一阶段：股票趋势预测。给定一组公司和相应的知识文档，预测股票趋势。
• 第二阶段：金融问答。将多轮对话会话视为查询-响应对的序列，基于当前查询、对话历史和相关文档获得响应。

02

股票趋势预测

如图2的左半部分所示，第一阶段是股票趋势预测。这一阶段使用 LLMs 和 AlphaFin 数据集来维护一个股票预测系统，以给出公司股票趋势的预测。

1）知识处理

• 检索相关文档。
• 设计提示模板（Prompt1），将提示与文档连接，形成输入 Ii。

2）StockGPT 微调

• 使用 AlphaFin 的所有财务报告数据集进行训练。
• 使用手动创建的报告 CoT 数据集引导模型逐步思考。
• 通过两步微调，获得 StockGPTstage1，它能够更准确地基于文档

预测公司

的股票趋势，并提供详细分析和解释。

3）预测和后处理

• 使用 StockGPT 预测股票的涨跌。
• 手动提取预测结果，并选择所有预测为“上涨”的股票作为投资组合。

03

金融问答

除了股票趋势预测外，提出的 Stock-Chain 还具有金融问答的能力，这对投资者来说可能更有建设性。给定一个对话历史、用户查询，以及与相关的检索文档，对话系统可以给出响应。研究者采用 RAG（Retriever-Augmented Generation）来增强 LLMs 的问答能力，这通常包括三个部分：向量数据库（DB）构建、知识检索和响应生成。

1）向量数据库构建

• 知识提取：使用 ChatGPT 进行文档级总结和 RefGPT 进行实体级对话生成。
• 知识嵌入：使用句子嵌入模型获得嵌入向量并存储在数据库中。
• 持续更新：通过在线数据回流不断更新数据库中的报告、市场数据和金融新闻。

2）知识检索

• 使用相同的句子嵌入模型获取用户查询的嵌入向量，并选择与查询余弦相似度最高的文档作为外部知识。

3）LLMs 微调

• 在第一阶段的基础上，继续在 AlphaFin 的研究数据集、金融新闻和 StockQA 数据集上训练 StockGPTstage1，获得 StockGPTstage2。

4）响应生成

• 给定对话历史、用户查询和相关文档，使用提示模板 Prompt2 生成响应。

实验情况

研究者在 AlphaFin 数据集上进行了广泛实验，以验证 Stock-Chain 完成财务分析任务的能力。由于框架的结构影响，实验可以分为两个部分：一是主要考察模型的年化收益率和准确性；二是通过人类与 GPT-4 的偏好评估、消融研究和案例研究来展示 Stock-Chain 的性能。

图3：从2020年1月到2023年7月，财务报告数据集测试集下每个基准模型的累积回报（AR）。该图显示了部分基准模型的曲线。

如图3所示，曲线代表每种方法的年化收益率（AR）。StockChain 实现了最高的年化收益率，并从 2023 年开始保持上升趋势，这表明 StockChain 在投资中的有效性。

表2：AlphaFin-Test数据集上的主要实验结果

参考表2，Stock-Chain 实现了最高的 30.8% 的年化收益率（ARR），这进一步证明了其有效性。因此，研究者得出以下结论：

• 机器学习和深度学习在股票趋势预测方面具有一定的分析能力，取得了较出色的年化收益率。
• 在将报告数据与市场数据相结合后，大型语言模型（LLMs）普遍超越了机器学习和深度学习，提高了股票趋势预测能力。ChatGPT 实现了 14.3% 的年化收益率。尽管 LLMs 在大量文本数据上进行训练，但它们缺乏对金融领域的优化。因此，通过针对金融领域进行微调，金融领域的大型语言模型（FinLLMs）可以提高股票趋势预测能力。FinGPT 模型实现了 17.5% 的年化收益率。
• 基于财务报告内容数据对 StockChain 进行微调后，实现了 30.8% 的年化收益率和 55.63% 的准确率（ACC）。AlphaFin 数据集在 LLMs 的训练中发挥了关键作用。通过利用全面的金融数据进行微调，提高了预测准确率和收益率，从而验证了 StockChain 的性能。

总结

在这项工作中，研究者正式定义了财务分析的任务，并提出用 AlphaFin 数据集来增强大型语言模型（LLMs）的能力，并在其基础上对 StockGPT 进行了微调。然后，又提出了 Stock-Chain 框架，该框架通过实时金融数据库（RAG）进行集成，以解决 LLMs 输出中的幻觉问题以及 LLMs 无法生成实时内容的问题。研究者在提出的 AlphaFin 数据集上进行了广泛的实验，以及一些补充实验，如消融研究、GPT4 与人类偏好评估以及案例研究，以揭示 Stock-Chain 在所有基线方法中的卓越表现，并展示了其在财务分析任务中的有效性。