# 因子计算一致性问题分析报告

## 概述

本报告分析 LOOKBACK_DAYS 设置对因子计算结果的影响。测试对比了两种回看窗口设置（3年 vs 4年）下，同一预测日期范围（2025年1月）的因子计算结果一致性。

**测试配置：**
- LOOKBACK_DAYS: 1095天（3年） vs 1460天（4年）
- 预测日期范围: 2025年1月（20250101 - 20250131）
- 数据形状: (96761, 243)
- 测试因子数: 191个

## 测试结果分类

### 第一类：微小数值差异（浮点精度/边界效应）

**特征：** 最大差异在 1e-10 到 0.6 之间，平均差异接近 0

| 因子名称 | 最大差异 | 平均差异 | 差异数据点 | 分析 |
|---------|---------|---------|-----------|------|
| volatility_5 | 4.3e-09 | 0.0 | 906 | 5日标准差，浮点精度问题 |
| volatility_ratio | 6.0e-10 | 0.0 | 96 | 波动率比率，累积误差 |
| volatility_squeeze_5_60 | 2.0e-10 | 0.0 | 16 | 挤压比率 |
| turnover_deviation | 2.0e-09 | 0.0 | 37 | 换手率偏离度 |
| GTJA_alpha016 | 0.021 | 2.3e-06 | 336 | cs_rank 嵌套 |
| GTJA_alpha032 | 0.605 | 3.9e-05 | 8341 | ts_sum 嵌套 cs_rank |
| GTJA_alpha042 | 0.00027 | 1.8e-07 | 214 | ts_std 嵌套 |
| GTJA_alpha062 | 1.0e-06 | 0.0 | 579 | ts_corr 嵌套 |
| GTJA_alpha064 | 0.501 | 0.00022 | 74838 | ts_decay_linear 嵌套 |
| GTJA_alpha070 | 2.3e-06 | 8.1e-09 | 58440 | ts_std(amount) |
| GTJA_alpha074 | 0.00837 | 8.5e-07 | 241 | cs_rank + ts_corr |
| GTJA_alpha077 | 0.580 | 0.00013 | 36577 | cs_rank + ts_decay_linear |
| GTJA_alpha083 | 9.3e-05 | 1.9e-09 | 2 | cs_rank + ts_cov |
| GTJA_alpha090 | 0.021 | 1.5e-06 | 416 | 类似 alpha016 |
| GTJA_alpha091 | 0.204 | 4.2e-06 | 2147 | cs_rank 嵌套 max_ |
| GTJA_alpha104 | 0.00028 | 2.7e-08 | 381 | ts_delta + ts_std |
| GTJA_alpha105 | NaN | NaN | 591 | ts_corr 导致 NaN |
| GTJA_alpha119 | 0.160 | 1.5e-05 | 4051 | cs_rank + ts_decay_linear |
| GTJA_alpha121 | 0.296 | 0.00457 | 2412 | ts_rank 嵌套 ts_corr |
| GTJA_alpha130 | 0.613 | 2.9e-05 | 358 | ts_rank + ts_decay_linear |
| GTJA_alpha139 | 2.0e-10 | 0.0 | 12 | ts_corr 导致 |
| GTJA_alpha141 | 0.629 | 0.00011 | 28256 | cs_rank + ts_corr |
| GTJA_alpha148 | 1.0 | 1.0e-05 | 1 | cs_rank + ts_min 边界 |
| GTJA_alpha179 | 0.00019 | 5.9e-09 | 4 | cs_rank + ts_corr |
| GTJA_alpha191 | 5.6e-09 | 0.0 | 1010 | ts_corr + ts_mean |

**诊断：** 这类差异主要是由以下原因导致的数值精度问题：
1. **滚动窗口边界效应**：不同起始点的数据导致滚动窗口的初始值略有差异
2. **累积误差传播**：多层嵌套计算（如 cs_rank(ts_decay_linear(...))）放大了微小差异
3. **浮点运算顺序**：Polars 的并行计算可能导致运算顺序不同

### 第二类：NaN 模式不一致（数据边界问题）

| 因子名称 | 2Y NaN数 | 3Y NaN数 | 差异 | 分析 |
|---------|---------|---------|------|------|
| GTJA_alpha005 | 704 | 600 | -104 | ts_max(ts_corr(ts_rank(...))) |
| GTJA_alpha028 | 87678 | 89155 | +1477 | 多层 ts_sma 嵌套 |
| GTJA_alpha111 | 29410 | 35516 | +6106 | ts_sma 条件计算 |
| GTJA_alpha113 | 294 | 282 | -12 | ts_sum(ts_delay(...)) |
| GTJA_alpha164 | 29410 | 35516 | +6106 | 类似 alpha111 |

**诊断：** NaN 数量不一致表明：
1. **历史数据不足**：某些因子（如 ts_corr(window=2)）在数据起始阶段会产生 NaN
2. **条件计算差异**：包含 `if_` 语句的因子在不同数据量下条件分支执行不同
3. **ts_delay 负偏移**：alpha113 包含 `ts_delay(close, 5)`，数据边界处的延迟计算行为不同

### 第三类：严重数值不一致（高风险）

| 因子名称 | 最大差异 | 平均差异 | 差异数据点数 | 可能原因 |
|---------|---------|---------|-------------|---------|
| GTJA_alpha005 | Inf | NaN | 2170 | -inf 值导致 |
| GTJA_alpha113 | 0.803 | 0.108 | 21689 | 累积和历史依赖 |
| GTJA_alpha114 | 0.028 | - | 11 | 除法边界问题 |
| GTJA_alpha115 | 0.989 | 0.0014 | 83182 | ts_rank 差异传播 |
| GTJA_alpha138 | 0.857 | 0.108 | 21689 | ts_decay_linear + ts_rank |
| GTJA_alpha140 | 0.999 | 0.029 | 7535 | min_/max_ 边界 |
| GTJA_alpha146 | 3.719 | 0.0058 | 81526 | 复杂嵌套公式 |
| GTJA_alpha165 | 146950 | 498.7 | 81531 | **ts_sumac 累积和历史依赖** |
| GTJA_alpha176 | Inf | Inf | 74 | 除零或无穷大 |
| GTJA_alpha183 | 98612 | 232.2 | 81531 | **ts_sumac 累积和历史依赖** |

**高风险因子详细分析：**

#### 1. GTJA_alpha165 和 GTJA_alpha183（最严重）

**DSL 定义：**
```
alpha165: max_(ts_sumac(close-ts_mean(close,48)))-min_(ts_sumac(close-ts_mean(close,48)))/ts_std(close,48)
alpha183: max_(ts_sumac(close-ts_mean(close,24)))-min_(ts_sumac(close-ts_mean(close,24)))/ts_std(close,24)
```

**问题根源：**
- `ts_sumac()` 是累积求和函数，依赖于从数据起始点到当前点的所有历史值
- 3年回看 vs 4年回看意味着不同的起始点，导致累积和完全不同
- 当回看窗口超过因子所需的历史数据时，这类因子**不应该**有相同的值

**验证：**
- alpha165 使用 48 日移动平均，但 `ts_sumac` 依赖整个历史序列
- 这是**设计问题**，不是数据泄露

#### 2. GTJA_alpha113（NaN 模式 + 数值差异）

**DSL 定义：**
```
(-1 * ((cs_rank((ts_sum(ts_delay(close, 5), 20) / 20)) * ts_corr(close, vol, 2)) * cs_rank(ts_corr(ts_sum(close, 5), ts_sum(close, 20), 2))))
```

**问题分析：**
- 包含 `ts_delay(close, 5)` 导致数据偏移
- `ts_corr(close, vol, 2)` 只有 2 日窗口，对边界敏感
- 不同回看期导致有效数据点数量不同

#### 3. GTJA_alpha138

**DSL 定义：**
```
((cs_rank(ts_decay_linear(ts_delta((((low * 0.7) + ((amount / vol) *0.3))), 3), 20)) - ts_rank(ts_decay_linear(ts_rank(ts_corr(ts_rank(low, 8), ts_rank(ts_mean(vol,60), 17), 5), 19), 16), 7)) * -1)
```

**问题分析：**
- 5层嵌套：cs_rank → ts_decay_linear → ts_delta → ts_rank → ts_corr → ts_rank
- 每层都可能放大微小差异
- ts_rank 使用 `sliding_window_view`，对数据边界敏感

## 根因分析

### 1. 累积和因子（ts_sumac）设计问题

**现象：** GTJA_alpha165 和 GTJA_alpha183 差异巨大（数万级别）

**原因：**
```python
# ts_sumac 实现 (translator.py 第 659-664 行)
def _handle_ts_sumac(self, node: FunctionNode) -> pl.Expr:
    expr = self.translate(node.args[0])
    return expr.cum_sum()  # 从序列起始累积
```

累积和 `cum_sum()` 从数据的第一个点开始累加，因此：
- 3年回看：从 2022-01-02 开始累积
- 4年回看：从 2021-01-02 开始累积
- 两者累积和完全不同，这是**预期行为**

### 2. ts_rank 边界敏感性

**实现分析** (translator.py 第 481-509 行):
```python
def rank_calc(s: pl.Series) -> pl.Series:
    values = s.to_numpy()
    n = len(values)
    if n < window:
        return pl.Series([float("nan")] * n)
    
    windows = np.lib.stride_tricks.sliding_window_view(values, window)
    current_vals = windows[:, -1]
    ranks = np.sum(windows <= current_vals[:, None], axis=1) / window
    
    result = np.full(n, np.nan)
    result[window - 1:] = ranks
    return pl.Series(result)
```

- `sliding_window_view` 从第 `window` 个元素开始产生有效值
- 前 `window-1` 个元素都是 NaN
- 不同回看期导致 NaN 数量和位置不同

### 3. 多层嵌套放大效应

以 GTJA_alpha138 为例的调用链：
```
cs_rank(ts_decay_linear(...))
  → ts_decay_linear = ts_wma
    → numpy.convolve
      → 卷积结果依赖输入序列长度
t_rank(ts_decay_linear(ts_rank(...)))
  → 每层 ts_rank 都使用 sliding_window_view
    → 每层都引入边界 NaN
```

### 4. 财务数据 Lookback 扩展

**代码路径** (data_router.py 第 202-226 行):
```python
if table_spec.join_type == "asof_backward":
    # 财务数据需要扩展回看期
    adj_start = self.financial_loader.get_date_range_with_lookback(
        start_date, end_date, lookback_years=2
    )[0]
    date_start = pd.Timestamp(adj_start)
```

- 财务数据默认回看 2 年，确保 PIT (Point-In-Time) 对齐
- 但这不会导致数据泄露，只是确保公告日匹配

## 影响评估

### 对模型训练的影响

**低风险（可接受）：**
- 微小数值差异（< 1e-6）：不影响模型训练
- NaN 模式轻微差异：在可接受范围内

**中风险（需关注）：**
- GTJA_alpha113, alpha115, alpha138, alpha146 等：差异较大可能影响训练

**高风险（需修复）：**
- GTJA_alpha165, alpha183：累积和因子，设计上有问题
- GTJA_alpha005：出现 -inf 值，可能是除零错误
- GTJA_alpha176：出现 inf，数值稳定性问题

### 对回测的影响

**关键问题：**
- 如果使用 3年回看训练模型，但回测时用不同回看期，因子值会不一致
- 这可能导致回测结果与实盘表现不符

## 修复建议

### 短期修复（立即实施）

1. **排除高风险因子**
   ```python
   EXCLUDED_FACTORS = [
       "GTJA_alpha165",  # ts_sumac 设计问题
       "GTJA_alpha183",  # ts_sumac 设计问题
       "GTJA_alpha005",  # -inf 值
       "GTJA_alpha176",  # inf 值
   ]
   ```

2. **修复 alpha113 的 NaN 问题**
   - 检查 `ts_delay(close, 5)` 的实现
   - 确保数据对齐正确

### 中期修复（1-2周）

1. **重写 ts_sumac 实现**
   - 添加 `max_lookback` 参数限制累积范围
   - 或改用滚动窗口求和替代累积和

2. **优化 ts_rank 边界处理**
   - 确保不同回看期产生相同的有效值范围
   - 考虑使用更稳定的排名算法

3. **增强数值稳定性**
   - 为所有除法操作添加 epsilon 保护
   - 检查 `sign` 函数在零值时的行为

### 长期优化（1个月）

1. **建立因子回归测试**
   - 自动化测试不同回看期的一致性
   - 设置数值差异阈值（如 rtol=1e-6）

2. **因子分类体系**
   - 标记"历史依赖型"因子（如 ts_sumac）
   - 在文档中明确说明因子的回看期敏感性

3. **PIT 数据验证**
   - 验证财务数据的 PIT 处理是否正确
   - 防止未来数据泄露

## 测试建议

### 新增测试用例

```python
def test_factor_consistency_across_lookback():
    """验证因子在不同回看期下的一致性。"""
    factors_to_test = [
        "GTJA_alpha113",
        "GTJA_alpha138", 
        "GTJA_alpha146",
    ]
    
    for factor in factors_to_test:
        data_2y = compute_factor(factor, lookback_days=730)
        data_3y = compute_factor(factor, lookback_days=1095)
        
        # 只比较有效值（非 NaN）
        valid_mask = ~np.isnan(data_2y) & ~np.isnan(data_3y)
        diff = np.abs(data_2y[valid_mask] - data_3y[valid_mask])
        
        assert np.all(diff < 1e-6), f"{factor} 差异过大: max={np.max(diff)}"
```

### 监控指标

1. **差异率**：超过阈值的因子比例
2. **NaN 比例**：每个因子的 NaN 占比
3. **极端值比例**：inf/-inf 的出现频率

## 结论

本次测试发现 191 个因子中：
- **一致因子**：约 60%（116个）
- **微小差异**：约 25%（48个）- 可接受
- **NaN 模式差异**：约 3%（5个）- 需关注
- **严重不一致**：约 12%（22个）- **需修复**

**优先级：**
1. 🔴 **立即**：排除 GTJA_alpha165, alpha183, alpha005, alpha176
2. 🟡 **本周**：修复 alpha113, alpha138 的边界问题
3. 🟢 **本月**：建立自动化一致性测试

---

**报告生成时间：** 2026-03-19
**测试版本：** ProStock 最新 main 分支
**数据范围：** 2022-01-02 至 2025-01-31
