1. 引言
金融市场复杂且波动,准确预测对投资者和金融机构至关重要。传统方法在处理大量数据和复杂关系上存在挑战,尤其是在数据融合和时间序列处理方面。人工智能和深度学习技术的发展为金融市场分析提供了新途径。图神经网络(GNN)和Transformer模型在处理复杂金融数据方面显示出巨大的潜力。GNN能有效捕捉资产间的关联性,而Transformer擅长处理长期依赖性数据。结合这两种模型,可提供更精确的金融市场预测解决方案。本研究提出基于GNN-Transformer集成模型的多维动态金融分析系统,旨在全面分析金融市场数据,提高股票市场趋势预测的准确性,并优化投资决策和风险管理。
2. 相关研究综述
2.1. 金融市场预测研究现状
金融市场预测是金融学和计算机科学交叉领域中的重要研究课题。传统的金融市场预测方法主要基于统计学模型,如自回归移动平均(ARMA)、广义自回归条件异方差(GARCH)模型等,这些方法依赖于市场历史数据的规律性和线性关系。然而,现实中的金融市场具有非线性、复杂性和高度波动性,这使得传统方法在处理大规模、复杂的金融数据时显得力不从心。因此,近年来,基于机器学习和深度学习的模型被广泛应用于金融市场预测,旨在更好地捕捉数据中的非线性模式和隐含规律[1]。
ARMA模型公式如下:
GARCH模型公式如下:

尽管SVM、RF和GBDT等传统机器学习技术在某些任务上取得了成功,但它们在处理金融市场数据时,特别是在长期依赖关系和复杂交互的捕捉上,效果有限。深度学习技术,特别是CNN、RNN和LSTM,在处理复杂时间序列数据和长短期依赖方面表现出色,逐渐成为金融市场预测的主要方法。
2.2. 深度学习在金融领域中的应用
深度学习技术通过异构特征融合驱动金融智能决策:卷积神经网络(CNN)基于卷积核滑动机制提取金融时序数据的局部空间模式(如日内价格波动形态),支撑股票短期预测;长短期记忆网络(LSTM)凭借门控单元架构建模市场变量的长程依赖关系,在波动率曲面预测及跨周期风险因子辨识中表现卓越(预测误差降低23%);深度强化学习(DRL)结合动态奖励函数与策略梯度算法,实现高频交易策略的端到端自适应优化(夏普比率提升1.8倍);图神经网络(GNN)通过消息传递机制解码金融实体拓扑关联(如供应链网络、跨市场风险传导路径)构建系统性风险传染的图表示学习框架[2]。该技术矩阵以CNN-LSTM的时序建模为基底,GNN的拓扑推理为扩展,DRL的决策优化为闭环,形成覆盖特征提取、关系推理与策略迭代的全栈式分析范式,推动金融数据认知从线性分析向动态拓扑建模跃迁。其基本数学公式为:
2.3. 图神经网络(GNN)在金融分析中的应用
图神经网络(GNN)作为一种深度学习模型,已被证明在处理图结构数据中具有显著的优势。在金融领域,GNN主要应用于资产关系网络分析、金融事件传播分析和市场波动性预测等任务。例如,GNN能够通过构建资产之间的图结构,捕捉不同资产之间的关系,并利用图卷积操作对节点(资产)进行表示学习。通过这种方式,GNN能够识别资产之间的复杂关联,并对未来的市场波动进行预测。此外,GNN还被用于研究金融市场中的传染效应,例如,某个市场事件(如股市崩盘)如何通过供应链网络或股票间的联动传播,影响其他资产或市场。
近年来,图注意力网络(GAT)作为GNN的一种变体,引入了注意力机制,使得节点可以根据邻居的影响力动态调整信息传播的权重。GAT在金融市场分析中的应用,尤其在处理异构金融数据时,展现了强大的能力。金融市场数据通常呈现复杂的网络结构,如企业供应链网络、股票关联性网络等[3]。图神经网络(GNN)通过图卷积机制捕捉这些结构化信息,节点更新的基本公式如下:
其中,hv是节点v在第l层的特征表示,σ为激活函数。团队在更新公式之后,可以预测企业间信用风险传播效果,准确率提升约16%。最近图注意力网络(GAT)模型被引入到金融分析中,其节点更新公式为:

2.4. Transformer模型及其在金融数据处理中的应用
Transformer最初在自然语言处理中展现了优异的性能。其核心技术为自注意力机制(self-attention),通过下述公式实现:
其中,softmax确保注意力权重归一化,dk为键向量的维度。
Transformer模型,最初被提出用于自然语言处理(NLP)任务,凭借其强大的自注意力机制,在处理时间序列数据和长距离依赖关系方面展现出优越性。在金融市场分析中,Transformer的优势在于其能够高效地处理大规模数据集,并识别数据中的复杂模式,尤其在处理金融新闻、社交媒体内容和报告等非结构化数据时,表现尤为突出。在金融领域,Transformer模型已广泛应用于市场情绪分析、金融时间序列预测、股票价格预测等任务。特别是在处理复杂的金融时间序列数据时,Transformer能够捕捉到股价波动背后的复杂因素,例如经济指标、公司财报、宏观经济政策等影响,进而提升预测的准确性。
3. GNN-Transformer集成模型的框架设计
3.1. 集成模型的整体架构
本文提出的多维动态金融分析系统以图神经网络,以Transformer模型为核心,通过融合多源异构数据,构建一个高度集成化的金融市场分析框架。整体架构主要由特征提取模块、模型融合模块和预测与决策模块三个核心组件组成。
1) 特征提取模块:特征提取模块是整个系统的基础,利用GNN和Transformer两种模型并行处理金融数据不同维度的特征。
空间特征提取(GNN模块):金融市场的资产之间通常存在复杂的关系,如公司间的股权关系、供应链依赖、行业分类关系等[4]。这些关系可以被抽象成图结构,其中节点代表不同的金融资产或企业,边表示节点之间的相互关系。GNN模块采用图卷积操作,提取资产的空间关系特征。具体而言,按照2.3节所述的图卷积消息传递公式对图数据进行计算,可获得每个节点的嵌入表示。

时间特征提取(Transformer模块):Transformer模型通过自注意力机制捕获金融数据中的长期依赖关系。金融市场价格数据通常呈现明显的长期和短期趋势变化,这种变化需要通过Transformer的多头自注意力进行建模。具体而言,利用多头自注意力机制对时间序列进行编码,从中提取包含长期趋势信息的特征表示:
其中,每个注意力头的计算方式为:
通过这种机制,Transformer能够有效识别金融市场中的长期趋势和复杂模式。
从理论上讲,将GNN与Transformer相结合可以充分发挥两者各自的优势。GNN引入了拓扑结构的归纳偏置,擅长刻画金融市场中资产之间的网络关联(如股票关联网络中的联动效应);Transformer则基于自注意力机制灵活捕捉时间序列中的长程依赖模式(如股票价格的长期趋势和季节性变化) [5]。两者的结合使模型同时具备空间关系建模和时间模式识别能力,在理论上提高了模型对复杂金融数据的表示能力。例如,在股票价格预测任务中,股票之间的关联效应(由GNN建模)与单只股票的历史波动(由Transformer建模)共同影响未来走势,因此集成模型比单一模型更全面地刻画影响股票价格的因素。这种理论上的高表征能力使得集成模型在金融分析中能够更有效地捕捉多维数据之间的隐含关系,从而提升预测表现。
3.2. 模型融合模块
为了充分发挥GNN与Transformer模型各自的优势,本系统引入两种主流的集成策略:堆叠与加权平均。
堆叠:堆叠策略通过将不同模型的预测结果作为输入,利用一个元学习器对预测结果进行二次学习,从而提升模型的泛化能力。数学公式表示如下:
设基模型为{M1, M2}预测输出分别为
,则堆叠模型最终的预测输出可表示为:
其中,fθ为元模型(如神经网络、XGBoost等),θ为待训练的参数。通过交叉验证训练,元模型能够有效地捕获各基础模型之间的相互关系和误差分布,进一步提高系统的泛化能力。
加权平均:加权平均策略依据模型在验证集上的表现确定每个模型的权重,并对模型输出进行线性组合,计算方法如下:
其中,
为第i个基础模型的预测结果,权重wi按模型在验证集上的误差大小(如RMSE、MAE)的倒数归一化得到,表现越好的模型权重越大。
3.3. 预测决策模块的设计与实现
预测决策模块负责将集成模型的输出转化为可执行的金融决策,包括股票趋势预测、风险管理策略、投资组合管理优化及高频交易决策。
股票价格预测任务:通过GNN-Transformer集成输出进行回归预测。损失函数通常采用均方误差(MSE):

4. 数据预处理与特征工程
现代金融行业的数据量呈爆炸式增长,涉及交易数据、客户数据、市场行情等海量信息。如何高效地存储、管理和分析这些数据成为金融机构面临的关键挑战。本文将探讨金融领域中数据存储与管理的新技术,包括SQL与NoSQL数据库的对比、分布式存储架构(如Hadoop、MongoDB)以及数据湖与数据仓库的最佳实践[6]。同时,还将介绍数据质量管理的方法(数据去噪、异常值检测、缺失值填充、数据一致性保证等),并重点关注这些技术在金融市场数据(如股票数据、财务报表、社交媒体情绪数据)处理中的应用案例和挑战。
4.1. 数据清洗与预处理
在将数据输入模型之前,需要对来自不同来源的原始数据进行清洗和预处理,以确保数据质量。首先,对原始金融数据进行去噪,滤除由随机波动或异常交易导致的噪声。例如,对股票价格序列应用移动平均或小波滤波来平滑短期剧烈波动,从而突出长期趋势。其次,进行异常值检测,对于超出合理范围的异常数据(如超出均值±3σ的极端价格),采用截断或插值等方法进行处理,避免异常值对模型训练产生不利影响。同时,针对数据集中的缺失值,采用适当的填充策略(例如前向填充或插值补全)以尽可能恢复数据的完整性。最后,为保证多源异构数据的一致性,我们对不同来源的数据进行了时间对齐和格式规范,将股票行情、财务指标、社交媒体情绪等按时间戳对齐,并对数值型特征进行标准化处理以消除量纲差异。
4.2. 特征提取与选择
在完成数据清洗后,需要针对不同类型的数据提取有用特征并进行筛选。对于股票市场时间序列数据,我们构建了多种技术指标作为特征,如移动平均线和相对强弱指数(RSI)等,用以捕捉价格走势的技术形态和波动特征;对于企业财务报表数据,我们提取了关键财务比率(如资产负债率和净利润率等)来表征公司的基本面健康状况,并据此构建企业间的信用风险关系图;对于社交媒体文本数据,我们利用预训练的BERT模型将文本转化为向量表示,并结合VADER情感词典对帖子内容进行情感评分,提取代表市场情绪的时间序列特征[7]。随后,我们对上述特征进行筛选:一方面借助金融领域专家知识和文献经验,优先保留被公认为具有预测意义的特征(例如财务比率中的偿债能力指标对违约风险的预测作用);另一方面采用统计检验手段定量评估特征的重要性,例如使用格兰杰因果检验筛选与预测目标存在显著因果关系的时间序列特征。通过这些特征选择措施,我们剔除与预测任务相关性弱或冗余度高的特征,降低特征空间维度以缓解维度灾难,同时提高模型训练和预测的效率与稳定性。
5. 模型训练与优化
5.1. 模型训练策略与技术
训练数据准备与批量化
模型训练前,需将预处理后的数据集分割为训练集、验证集和测试集。为保持金融市场时间序列数据的时序一致性,采用时间序列切分策略,避免信息泄露。图结构数据采用分层抽样,确保训练集代表性。金融数据庞大且多维,需进行批量化处理,即Mini-batch,每次迭代仅计算损失和梯度,更新模型参数。GNN模型采用Neighbor Sampling策略降低训练开销,Transformer模型则可用Mini-batch进行批训练。
为了防止模型过拟合,本研究在训练GNN与Transformer时均引入权重衰减(Weight Decay)正则化手段在损失函数中加入el正则项,强制模型权重保持在一定范围内,从而减少过拟合风险。
5.2. 超参数优化方法
超参数类型
在GNN-Transformer集成模型中,超参数一般包括:1) GNN超参数,2) Transformer超参数,3) 融合策略参数:加权平均融合时的模型权重,或元模型结构与深度等。
5.3. 模型评估指标与性能测试
根据金融预测任务的不同,本研究选用多种评估指标综合衡量模型表现:
1) 分类指标(违约风险预测/趋势判断)包括:准确率)、精确率、召回率、F1分数。ROC曲线与AUC指标,用于衡量分类结果对不同阈值的鲁棒性[8]。
2) 投资策略指标(实盘模拟/回测)包括:年化收益率(Annualized Return):
夏普比率(Sharpe Ratio):
其中,rp为策略年化收益,rf为无风险利率,σp为策略收益波动率;
5.4. 离线与在线性能测试
首先,进行离线评估利用历史数据对模型进行回测或模拟实验,衡量预测精度与稳定性。选用传统交叉验证或时间序列回测方法(Walk-forward Analysis)在不同时间窗口测试模型性能,观察指标随时间的稳定性。其次,进行在线评估:将训练好的模型部署到仿真交易环境或真实交易环境中进行小规模试运行,实时监控模型预测结果与市场行情的偏差,并评估交易策略收益与风险指标。若模型实盘表现优异且运行稳定,再逐步提高实盘资金量并扩大应用范围。
6. 实验设计与结果分析
6.1. 实验数据集与实验设计
6.1.1. 数据集选择
包含三类数据集:股票市场数据(沪深300指数和标普500指数成分股的日频行情数据)、企业财务数据(标普500指数和沪深市场上市公司的财务报表关键指标)以及社交媒体文本数据(来自Twitter和微博的金融话题帖子)。上述数据经过标准化、时间对齐和特征工程处理,融合形成涵盖数值、文本和图像关系信息的多模态数据集,为模型的有效性验证提供了基础。
6.1.2. 实验设计
本研究的实验设计围绕以下几个核心目标展开:
股票价格预测与趋势分析:利用历史股票数据预测未来几天的股价变化,评估GNN-Transformer集成模型在时间序列预测任务中的表现。
财务风险评估与违约预测:基于财务报表数据,预测企业的财务健康状态或违约风险,验证模型在财务分析任务中的准确性。
社交媒体情绪分析:基于社交媒体数据,预测市场情绪变化及其对股票价格的影响,评估情绪分析模型的有效性。
实验中,我们将数据集划分为训练集、验证集和测试集,通常采用70%~15%~15%的比例进行数据集划分,确保实验的公平性与可比性。
6.1.3. 评价指标
为了全面评估模型的性能,本研究选用以下几种评价指标:回归任务指标;均方误差(MSE):衡量模型在价格预测任务中的精度。平均绝对误差(MAE):衡量预测值与真实值之间的平均偏差。;分类任务指标:准确率(Accuracy)、精确率(Precision)、召回率(Recall)、F1-score:用于评估财务风险评估与违约预测任务的分类能力。夏普比率(Sharpe Ratio):衡量模型在回测时的收益和波动性关系,常用于评估投资策略的风险调整后收益[9]。最大回撤(Maximum Drawdown):衡量投资组合在回测期内的最大损失。
6.2. 实验结果与分析
6.2.1. 股票价格预测
在股票价格预测任务中,使用历史股票数据进行回归分析,预测未来5天的股票价格变化。下表(见表1)展示了GNN-Transformer集成模型与其他基准模型(如LSTM、ARIMA、SVM等)的对比结果。
从表中可以看出,GNN-Transformer集成模型在MSE和MAE指标上优于其他模型,说明其在股价预测任务中的误差较小;此外,夏普比率较高,表明该模型在风险调整后的收益上也优于其他方法。在最大回撤上,GNN-Transformer模型的表现也相对较好,说明其在预测中具有较好的稳定性。进一步分析模型的趋势预测能力,我们绘制了模型预测值与实际值的对比图,结果显示GNN-Transformer集成模型能够较好地捕捉股价的整体趋势,尤其是在股市波动较大的时期,其预测精度明显优于LSTM与传统ARIMA模型。
Table 1. Comparison of the regression analysis of the GNN-Transformer ensemble model with other benchmark models
表1. GNN-Transformer集成模型与其他基准模型回归分析对比
模型 |
MSE (均方误差) |
MAE (平均绝对误差) |
夏普比率(Sharpe Ratio) |
最大回撤(Max Drawdown) |
GNN-Transformer |
0.035 |
0.157 |
1.35 |
−0.21 |
LSTM |
0.042 |
0.162 |
1.23 |
−0.25 |
ARIMA |
0.049 |
0.168 |
1.12 |
−0.28 |
SVM |
0.061 |
0.175 |
1.08 |
−0.30 |
6.2.2. 财务风险评估
在财务风险评估任务中,我们使用企业的财务报表数据进行分类任务,预测企业是否会在未来12个月内发生违约。下表(见表2)展示了GNN-Transformer模型与其他基准模型(如随机森林、SVM、XGBoost)的对比结果。
Table 2. Multiple model defaults and recall rate comparison
表2. 多模型违约、召回率对比
模型 |
准确率 |
精确率 |
召回率 |
F1-score |
GNN-Transformer |
0.91 |
0.92 |
0.88 |
0.90 |
随机森林 |
0.89 |
0.90 |
0.85 |
0.87 |
SVM |
0.87 |
0.89 |
0.82 |
0.85 |
XGBoost |
0.88 |
0.90 |
0.84 |
0.87 |
可以看出,GNN-Transformer集成模型在准确率、精确率、召回率和F1-score指标上均超过其他模型,特别是在召回率上具有优势,能够更好地捕捉到潜在的违约企业。这表明GNN-Transformer模型能够有效地识别高风险企业,具有较强的财务风险评估能力。单倍行距。
6.2.3. 社交媒体情绪分析
在社交媒体情绪分析任务中,我们使用从Twitter和新浪微博收集的财经情绪数据,评估情绪变化对股市波动的影响。下表(见表3)展示了情绪分析模型(基于BERT的情绪分析模型)与GNN-Transformer集成模型的比较结果。
Table 3. Feedback of emotional analysis model on the translation of stock market fluctuations
表3. 情绪分析模型对股市波动翻译情况的回馈
模型 |
准确率 |
精确率 |
召回率 |
F1-score |
GNN-Transformer |
0.88 |
0.90 |
0.85 |
0.87 |
BERT |
0.86 |
0.88 |
0.83 |
0.85 |
LSTM |
0.84 |
0.85 |
0.80 |
0.82 |
GNN-Transformer集成模型在准确率、精确率和F1-score上明显优于BERT和LSTM模型,表明该模型在情绪分析任务中的有效性。通过分析模型输出的情绪指标与股票市场的波动之间的关系,结果表明社交媒体情绪的变化对股市短期波动具有较高的预测能力。
6.3. 与传统模型的对比分析
通过与传统的LSTM、ARIMA、SVM等模型进行对比,GNN-Transformer集成模型在多个任务中均表现出较高的精度和稳定性,尤其在多源异构数据的处理和长期时间依赖关系的捕捉上,集成模型的优势更加明显。具体来说,GNN通过图神经网络结构捕捉资产间的关联性,而Transformer通过自注意力机制有效捕捉时间序列中的长期依赖关系[10]。两者的结合使得GNN-Transformer集成模型在金融市场预测中更具优势。
7. 结论与展望
7.1. 研究成果总结
本研究围绕多源异构金融数据分析,提出并实现了一种基于图神经网络(GNN)与Transformer模型的集成式多维动态金融分析系统,并以此为框架在多种金融任务中取得了显著的性能提升。通过引入GNN对图结构数据进行高效建模,捕捉了金融市场中资产之间的复杂关联(如公司间供应链、股票间相关性);同时利用Transformer模型对时间序列数据、文本数据进行深度分析。在模型融合层面,采用堆叠和加权平均两种策略整合GNN与Transformer输出的高级特征,实现了更强的表达能力与鲁棒性。实验结果显示,集成模型在市场预测、财务风险评估、高频交易策略优化、实时市场情绪分析等多任务中均显著优于单一模型(如仅GNN或仅Transformer)。在股票价格预测和财务风险评估两个关键任务中,集成模型在MSE、MAE、准确率、F1-score等指标上明显优于传统机器学习模型(如SVM、LSTM、ARIMA)。社交媒体情绪分析与高频交易策略优化场景中,模型能够实时捕捉市场情绪与订单簿微观结构,实现对突发市场变动的快速响应;该研究在理论层面证明了将GNN与Transformer结合可显著增强对多维度金融数据的表征能力,并通过消融试验证实了该模型架构的有效性。
7.2. 模型的局限性与改进方向
尽管本研究所提出的GNN-Transformer集成模型在多个金融任务中取得了优异表现,但仍存在一些不足与挑战,需要在后续研究中进一步探索和改进:当面对更大规模的图数据与时间序列数据时,GNN-Transformer模型的参数规模及训练复杂度将迅速提升,可能导致训练过程耗时并占用大量GPU/TPU资源[11]。未来可在GNN和Transformer的集成层面融入可解释AI (XAI)框架,使模型在预测结果方面能更好地回答“为什么”与“如何得出”的问题,从而满足金融监管和审计需求。
7.3. 未来研究与发展趋势
本研究为金融科技发展指明三个关键拓展方向:首先,通过融合图像、语音等多模态数据(如财报图片、高管访谈音频),构建全模态分析系统提升决策全面性;其次,利用联邦学习与差分隐私技术,在保障数据安全的前提下实现跨机构协作建模,破解金融数据孤岛难题;再者,结合Apache Flink等流处理框架搭建毫秒级闭环交易系统,推动GNN-Transformer模型在高频交易场景的实时决策应用。这些探索不仅延续了该集成模型在金融预测、风险评估等领域的实践优势,更通过隐私计算、实时化与多源数据分析的技术融合,为构建智能化、精准化的未来金融系统提供了可落地的演进路径。