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『Moonshot is all you need』 01 - 5分钟上手极简量化回测框架

#Moonshot   #回测   #研报  

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Table of Content

做基本面策略回测，不想用 backtrader 这样的框架，但 Alphalens 也不适合日线；另外，作为初学者，希望能从零开始实现一个策略回测，有助于了解策略回测的原理。这个想法也没错，关键是，要如何实现？

这一系列文章，将以中金2023年的一期研报为例，介绍如何实现一个较复杂的策略回测。我们将学习到如何获取各种数据，如何进行数据预处理，如何设计回测框架等关键技术。

图1 中金研报

这个策略从股息收益、资本利得和风险规避三大维度入手，综合了事件选股和因子选股的手段，最终回测结果表明，近5年年化收益率达到29%。

图2 基本面策略构建思路

我们将实现一个可用于月度调仓策略的普适性框架，它有这些特点：

• 按月调仓 适用于基本面策略
• 模块职责划分清晰 易于叠加组合
• 简单易上手

核心驱动框架

往简单里说，回测就是在指定的时间段（过去）里：

1. 根据当时能得到的数据，发出交易信号
2. 根据交易信号进行调仓
3. 计算策略的每个交易期的收益
4. 策略评估与可视化

一般来说，第一步是策略的核心。策略不同，要使用的数据也不同，构建的因子，以及决策逻辑也不同。但其它部分可以做到重复使用。特别是第4步，策略的评估与可视化，我们将使用 Quantstats 来实现。

Tip

使用知名的第三方框架来进行策略评估的好处不仅仅是省事，更重要的是便于策略之间进行比较。尽管算法都是公开的，但不同的策略评估框架在对缺失值的处理方式、默认参数的选择上还是存在差异。

我们先介绍如何实现第2步和第3步，即调仓和收益计算。

假设我们已经获取了股票的日线行情数据。由于我们的策略是按月调仓，所以，我们将行情数据重采样成了月线数据。

现在，这份数据看起来如下图所示：

图3 月行情数据

对月度调仓策略，先将数据重采样到月是一个重要的技巧。如果不这样，你就要先确定每个月的调仓日（每个月还不固定），再根据这个调仓日，去查找个股当天的因子数据和收盘价。一旦调仓日有个股停牌，就会出现数据缺失。

另一个好处是，现在我们可以在上月发出调仓信号后，按下月的开盘价买入，下月的收盘价卖出，这样严格地避开了未来数据。一些策略在计算收益时，仅使用收盘价，这样不可避免地要么引入未来数据，或者信号响应不及时。

现在，计算收益就变得很简单。比如，计算基准收益就是：

```{code-block} python df.groupby("month").apply(lambda x: (x.close / x.open - 1).mean())

<div style='width:50%;text-align:center;margin: 0 auto 1rem'>
<img src='https://cdn.jsdelivr.net/gh/zillionare/imgbed2@main/images/2025/08/20250806133629.png'>
<span style='font-size:0.8em;display:inline-block;width:100%;text-align:center;color:grey'>图4 基准收益计算</span>
</div>

如果要计算组合的收益率呢？我们需要增加一列，先标记出哪些股票在当月的股票池中：

<div style='width:50%;text-align:center;margin: 0 auto 1rem'>
<img src='https://cdn.jsdelivr.net/gh/zillionare/imgbed2@main/images/2025/08/20250806135848.png'>
<span style='font-size:0.8em;display:inline-block;width:100%;text-align:center;color:grey'>图5 组合收益计算</span>
</div>

在图5中，我们增加了3列。其中 filter_1 是用来筛选股票的基础数据，比如，研报要求按每月筛选出股息率前 500 的股票，这一列就可以是股息率数据。

flag 列是根据 filter_1 列的数据，按照规则生成的『个股是否在股票池』的标记。在图中，假定规则是，如果 filter_1 大于零，则该个股在下个月的股票池中。这样我们就得到了2023年2月的股票池。

现在，我们计算策略收益时，只需要按月执行：

$$
\frac{\sum(returns \times flag)}{\sum flag}
$$

就能得到每月的策略收益。这一步相当于执行代码：

```{code-block} python
df.groupby("month").apply(lambda group: group[group["flag"] == 1]["returns"].mean())

到这一步为止，我们已经明确了要实现一个极简的月度回测框架，大致上要做的事情如下：

1. 获取行情数据，重采样成为月度数据
2. 根据策略要求，获取相关数据，构建因子
3. 将第2步中构建的因子 (factor) 也重采样成为月度数据，附加到1中生成的 DataFrame 中
4. 根据策略逻辑，将 factor 列转换成为 flag 列。
5. 按月计算基准收益和策略收益
6. 调用 quantstats 生成回测报告。

Moonshot 的实现

我们把这个极简框架命名为 Moonshot，因为它更适合固定按月调仓换股的策略。它的核心是一个名为 Moonshot 的类：

class Moonshot:
    def __init__(self, daily_bars: pd.DataFrame):
        self.data: pd.DataFrame = resample_to_month(
            daily_bars, open="first", close="last"
        )
        self.data["flag"] = 1

        self.strategy_returns: pd.Series | None = None
        self.benchmark_returns: pd.Series | None = None
        self.analyzer: StrategyAnalyzer | None = None

    def append_factor(
        self, data: pd.DataFrame, factor_col: str, resample_method: str | None = None
    ) -> None:
        """将因子数据添加到回测数据(即self.data)中。

        如果resample_method参数不为None, 则需要重采样为月频，并且使用resample_method指定的方法。
        否则，认为因子已经是月频的，将直接添加到回测数据中。

        使用本方法，一次只能添加一个因子。

        Args:
            data: 因子数据，需包含'date'和'asset'列
            factor_col: 因子列名
            resample_method: 如果需要对因子重采样，此列为重采样方法。
        """
        if resample_method is not None:
            factor_data = resample_to_month(data, **{factor_col: resample_method})
        else:
            data_copy = data.copy()

            # 确保date列是datetime类型
            if not pd.api.types.is_datetime64_any_dtype(data_copy["date"]):
                data_copy["date"] = pd.to_datetime(data_copy["date"])

            data_copy["month"] = data_copy["date"].dt.to_period("M")

            # 检查是否有重复的(month, asset)组合
            duplicates = data_copy.duplicated(subset=["month", "asset"])
            if duplicates.any():
                duplicate_count = duplicates.sum()
                raise ValueError(
                    f"发现 {duplicate_count} 个重复的(month, asset)组合。"
                    "当resample_method=None时，传入的数据必须是无重复的月度数据。"
                    "如果您的数据是日频或有重复记录，请指定resample_method参数，"
                    "如：resample_method='last'、'mean'、'first'等"
                )

            factor_data = data_copy.set_index(["month", "asset"])[[factor_col]]

        self.data = self.data.join(factor_data, how="left")

    def screen(self, screen_method, **kwargs) -> "Moonshot":
        """应用股票筛选器

        Args:
            screen_method: 筛选方法（可调用对象）
            **kwargs: 筛选器参数

        Returns:
            Moonshot: 返回自身以支持链式调用
        """
        if callable(screen_method):
            flags = screen_method(**kwargs)

            # 当月选股，下月开仓
            flags = flags.groupby(level="asset").shift(1).fillna(0).astype(int)

            # 与现有flag进行逻辑与运算
            self.data["flag"] = self.data["flag"] & flags

        return self


def calculate_returns(self) -> "Moonshot":
    """计算策略收益率和基准收益率（向量化实现）

    使用向量化操作计算：
    1. 策略收益：每月flag=1的股票的等权平均收益
    2. 基准收益：每月所有股票的等权平均收益
    """
    # 计算所有股票的月收益率 (close - open) / open
    self.data["monthly_return"] = (self.data["close"] - self.data["open"]) / self.data[
        "open"
    ]

    # 按月分组计算策略收益（flag=1的股票等权平均）
    def calculate_strategy_return(group):
        selected = group[group.get("flag", 0) == 1]
        if len(selected) > 0:
            return selected["monthly_return"].mean()
        else:
            return 0.0

    strategy_returns = self.data.groupby("month").apply(calculate_strategy_return)
    strategy_returns.name = "strategy_returns"

    # 向量化计算基准收益（所有股票等权平均）
    benchmark_returns = self.data.groupby("month")["monthly_return"].mean()
    benchmark_returns.name = "benchmark_returns"

    # 存储结果
    self.strategy_returns = strategy_returns
    self.benchmark_returns = benchmark_returns

    self.analyzer = StrategyAnalyzer(
        strategy_returns=self.strategy_returns, benchmark_returns=self.benchmark_returns
    )

    return self

Moonshot 的使用方法如下：

```{code-block}python daily_bars = ... ms = Moonshot(daily_bars)

构建因子并加入到模型中

ms.append_factor(...)

回测

ms.screen(screen_func, **kwargs).calculate_returns().report()

Moonshot 在初始化时，就要求我们传入日线行情数据，以便它可以构建最基础的数据结构（图3）。然后，我们可以通过 append_factor将因子加入模型中。

接下来，我们需要定义转换函数 screen_func，用来实现通过因子按月筛选股票，即实现图5中所示的转换。

我们把 screen 方法定义为链式调用，这样如果一个策略存在多个筛选条件，使用者只需要定义好各种筛选条件(screen_func)，再依次调用 screen 方法即可。

最后，screen 方法返回 Moonshot 实例，我们可以在此基础上调用计算收益和输出报告等方法。

在 Moonshot 中，我们还调用了一个名为 resample_to_month 的方法，这个方法将时间序列数据重新采样到月度级别。

在 pandas 中，已经提供了 resample 方法：

```{code-block} python
df.groupby("asset").resample("ME").agg({"open": "first", "close": "last"})

但是，在数据量较大时（比如50万条记录左右），这个方法就比较慢，在一次运行中，我大约等待了10多秒。原因是 pandas 的聚合操作一直是它的性能短板，这也是像 polars 或者 duckdb 的优势所在。

在这里，我们给出一个 polars 的实现：

def resample_to_month(data: pd.DataFrame, **kwargs) -> pd.DataFrame:
    """按月重采样，支持多列同时重采样

    Example:
        >>> resample_to_month(data, close='last', high='max', low='min', open='first', volume='sum')

    参数:
        data: DataFrame，需包含'date'和'asset'列。数据不要求有序。
        **kwargs: 关键字参数，格式为"列名=聚合方式"
                支持的聚合方式：'first'（首个值）、'last'（最后一个值）、
                                'mean'（平均值）、'max'（最大值）、'min'（最小值）

    返回:
        重采样后的DataFrame
    """
    df = pl.from_pandas(data)
    df = df.with_columns(pl.col("date").cast(pl.Datetime))

    df = df.with_columns(
        pl.concat_str(
            [
                pl.col("date").dt.year().cast(pl.Utf8),
                pl.lit("-"),
                pl.col("date").dt.month().cast(pl.Utf8).str.pad_start(2, fill_char="0"),
            ]
        ).alias("month")
    )

    # 定义支持的聚合方式映射（列名 -> 聚合表达式）
    agg_methods = {
        "first": lambda col: col.sort_by(pl.col("date")).first(),
        "last": lambda col: col.sort_by(pl.col("date")).last(),
        "mean": lambda col: col.mean(),
        "max": lambda col: col.max(),
        "min": lambda col: col.min(),
        "sum": lambda col: col.sum(),
    }

    # 构建聚合表达式列表
    agg_exprs = []
    for col_name, method in kwargs.items():
        if col_name not in df.columns:
            raise ValueError(f"数据中不存在列: {col_name}")

        # 检查聚合方式是否支持
        if method not in agg_methods:
            raise ValueError(
                f"不支持的聚合方式: {method}，支持的方式为: {list(agg_methods.keys())}"
            )

        # 添加聚合表达式
        agg_exprs.append(agg_methods[method](pl.col(col_name)).alias(col_name))

    if not agg_exprs:
        raise ValueError("至少需要指定一个列的聚合方式（如open='first'）")

    result = (
        df.group_by(pl.col("asset"), pl.col("month"))
        .agg(agg_exprs)
        .sort(pl.col("month"), pl.col("asset"))
    )

    result = result.to_pandas()
    result["month"] = pd.PeriodIndex(result["month"], freq="M")

    return result.set_index(["month", "asset"])

这个函数接受 dataframe 作为输入，最后也返回一个 dataframe，只在中间过程中使用polars。额外的数据格式转换会有可以忽略的性能损失，但是，坚持使用 dataframe 作为各个模块、各个方法之间的数据传递格式，会大大降低 coding 的难度。

现在，我们使用真实的数据，构造一个 Moonshot 对象，看看 resample_to_month() 函数的运行结果如何。

start = datetime.date(2018, 1, 1)
end = datetime.date(2023, 12, 31)

barss = load_bars(start, end, 100)
ms = Moonshot(barss.reset_index())

ms.data

现在我们看到，数据确实被重采样成了月度数据，并且索引是已经被设置为月度时间戳。

这一期内容就到这里。下一期我们将实现研报中的第一个筛选器 -- 股息率。我们将完整地实现获取数据、定义筛选器方法，并且进行一个完整的回测。