基于双路先验自适应图神经常微分方程的交通流预测

准确的交通流量预测是智能交通系统不可或缺的组成部分。近年来,图神经网络在交通流预测任务中取得了较好的预测结果。然而,图神经网络的信息传递是不连续的潜在状态传播,且随着网络层数的增加存在过平滑的问题,这限制了模型捕获远距离节点的空间依赖关系的能力。同时,在表示道路网络的空间关系时,现有方法大多仅使用先验知识构建的预定义图或仅使用路网状况构建的自适应图,忽略了两类图结合的方式。针对上述问题,提出了一种基于双路先验自适应图神经常微分方程的交通流预测模型。利用时间卷积网络捕获序列的时间相关性,使用先验自适应图融合模块表示道路网络的空间关系,并通过基于张量乘法的神经常微分方程以连续的方式传播复杂的时空特征。最后,在美国加利福尼亚州4个公开的高速公路流量数据集上进行对比实验,结果表明所提模型的预测效果优于现有的10种对比方法。     

面向路网交通流态势预测的图神经网络模型

融合了路网结构的交通流态势预测是一个高度非线性化且复杂的时空动态相关性的时序数据预测问题.然而,传统交通流态势预测方法无法建模交通网络中长时间序列数据间的时空相关性.针对交通路网交通流态势预测问题,提出了一种基于图结构的交通流预测深度学习模型.首先,基于图小波变换定义图小波卷积算子,设计了面向路网交通流态势预测的图小波卷积神经网络模块;其次,结合时空注意机制构建了用于道路网络交通流态势预测的时空动态相关性模型,以捕获交通网络的动态时空相关性;最后,采用叠加多层图小波神经网络模块的策略,构建了一种面向路网交通流态势预测的图小波卷积神经网络模型.实验结果表明,该网络模型在数据集上的性能优于现有的基线模型.通过图小波变换矩阵与傅里叶变换矩阵非零元素统计对比实验,发现基于图小波变换定义的卷积运算更具稀疏性.因此,基于图小波变换定义的卷积运算更有助于提升交通流态势预测模型的计算效率.     

基于多通道时空编码器的交通流量预测模型

传统的交通流量预测模型对历史数据进行时空建模,忽略了交通数据的时间周期性内部潜在关系和交通路网间节点的距离特征和相似性空间特征。据此,提出面向交通流量预测的多通道时空编码器模型MC-STGNN,用来提高交通流量预测的准确率。首先将交通数据处理成三通道的周期性时间序列,并对整体的序列数据进行时间位置编码和自适应的空间位置编码,提取路网节点间的动态相关性;其次引入具有卷积结构的多头自我注意力机制,更大程度地捕获周期数据不同程度的时间相关性;最后提出一种图生成器生成新的时空图,提取路网节点间的相似性和距离特征,并利用门控图卷积网络整合原始图和新时空图的空间信息。在高速公路数据集PEMS03和PEMS08上进行一小时的交通流量综合预测实验,结果表明,MC-STGNN模型与其他的基线模型相比,具有更佳的性能指标,说明MC-STGNN模型具有更优的建模能力。     

基于时间图注意力的交通流量预测模型

交通状况预测是智能交通系统的一个重要组成部分,而车流量是交通状况最直接的体现,因而对交通流量进行预测具有重要的应用价值。一方面,城市中的道路本身带有空间拓扑性质,另一方面车流量随时间动态变化。因此交通流量预测问题的关键在于对数据中存在的时间和空间依赖进行建模。针对这一特性,使用神经网络模型和注意力机制来探索交通流量数据中的时空依赖关系,提出基于时间图注意力的交通流量预测模型。空间依赖方面,使用图卷积网络与注意力结合的学习算法对不同影响程度节点分配不同的权重,加入节点自适应学习,有效提取空间特征;时间依赖方面,使用时序卷积网络对时间特征进行提取,通过扩张卷积扩大感受域从而捕获较长时间序列数据的特征。由图注意力网络和时间卷积网络构成一个时空网络层,最终连接到输出层输出预测结果。该模型使用图卷积神经网络和注意力机制结合的方式提取空间特征,充分考虑了道路间的空间关系,利用时序卷积网络捕获时间特征。在两个真实的数据集上进行实验后发现,在未来15 min、30 min、60 min的时间段内该模型都有良好表现,结果优于现有基准模型。     

基于级联时空特征的信息传播预测方法

现有信息传播预测方法对级联序列和拓扑结构独立建模,难以学习级联时序特征和结构特征在嵌入空间的交互表达,造成对信息传播动态演化的刻画不足.因此,文中提出基于级联时空特征的信息传播预测方法.基于社交关系网络和传播路径构建异质图,使用图神经网络学习异质图和社交关系网络节点的结构上下文,引入门控循环单元提取级联时序特征,融合结构上下文和时序特征,构建级联时空特征,进行信息传播的微观预测.在Twitter、Memes数据集上的实验表明,文中方法性能得到一定提升.     

面向交通流量预测的多头注意力时空卷积图网络模型

为了充分获取交通流量数据中隐藏的复杂动态时空相关性,提高交通流量预测精度,提出一种多头注意力时空卷积图网络模型MASCGN。首先,采用多头注意力机制为路网中的交通传感器节点自动分配注意力权重,实现对不同邻居节点的权值自适应匹配,充分获取空间相关性;其次,采用带有门控和注意力机制的时空卷积网络充分提取时间序列相关性,并使用残差块结构实现时空卷积层之间的连接,使得模型更具有泛化能力;最后,分别提取周相关、日相关、邻近时间的序列数据,输入三个并行的时空组件以挖掘周、日、邻近三个时间窗口间的时间周期相关性,并通过全连接层获取最终的交通流量预测结果。利用高速公路交通数据集PEMSO4、PEMSO8进行了15 min、30 min、45 min和60 min的交通流量预测实验。实验结果表明MASCGN模型与现有基线模型相比,在未来短期和长期的交通流量预测任务上都具有更优的建模能力。     

面向时空图建模的图小波卷积神经网络模型

时空图建模是分析图形结构系统中各要素空间关系与时间趋势的一个基础工作.传统的时空图建模方法,主要基于图中节点与节点关系固定的显式结构进行空间关系挖掘,这严重限制了模型的灵活性.此外,未考虑节点间的时空依赖关系的传统建模方法不能捕获节点间的长时时空趋势.为了克服这些缺陷,研究并提出了一种新的用于时空图建模的图神经网络模型,即面向时空图建模的图小波卷积神经网络模型（Graph Wavelet Convolutional Neural Network for Spatiotemporal Graph Modeling,GWNN-STGM）,称为GWNN-STGM.在GWNN-STGM中设计了一个图小波卷积神经网络层,并在该网络层中设计并引入了自适应邻接矩阵进行节点嵌入学习,使得模型能够在不需要结构先验知识的情况下,从数据集中自动发现隐藏的结构信息.此外,GWNN-STGM还包含了一个堆叠的扩张因果卷积网络层,使模型的感受野能够随着卷积网络层数的增加呈指数增长,从而能够处理长时序列.GWNN-STGM成功将图小波卷积神经网络层和扩张因果卷积网络层两个模块进行有效集成.通过在公共交通网络数据集上试验发现,提出的GWNN-STGM的性能优于其他的基准模型,这表明设计的图小波卷积神经网络模型在从输入数据集中探索时空结构方面具有很大的潜力.     

基于多时空图卷积网络的交通流预测

交通流预测在交通管理和城市规划的应用中具有重要意义,然而现有的预测方法无法充分挖掘其潜在的复杂时空相关性,为进一步挖掘路网道路网络数据的时空特性以提高预测精度,提出一种多时空图卷积网络(multi-spatial-temporal graph convolutional network,MST-GCN)模型。首先,利用切比雪夫图卷积(ChebNet)结合门控循环单元(GRU)构建时空组件以深度挖掘节点的时空相关性;其次,分别提取周相关、日相关、邻近时间的序列数据,输入三个时空组件以深度挖掘不同时间窗口间的时间相关性;最后,将时空组件与编码器—解码器网络结构(encoder-decoder)融合组建MST-GCN模型。利用加利福尼亚州交通局(Caltrans)性能评估系统中高速公路数据集PEMS04和PEMS08进行实验,结果表明新模型的性能明显优于门控循环单元模型和最近提出的扩散卷积循环神经网络(DCRNN)、时间图卷积网络(T-GCN)、基于注意力机制的时空图卷积神经网络(ASTGCN)和时空同步图卷积网络(STSGCN)模型。     

基于组合模型的短时交通流预测方法

准确、实时的交通流预测对交通规划、交通管理和交通控制具有重要意义.然而,由于道路网络拓扑结构约束和交通流随时间动态变化的空时相关特性,交通流预测仍然具有挑战性.为了同时捕获交通流的空间和时间相关性,提出一种将图卷积网络(GCN)和门控循环单元(GRU)相结合的组合模型方法.利用GCU能够灵活处理图结构数据的优点来捕捉各个路段的空间特征,继而发挥GRU在处理时间序列方面的优势挖掘交通流的内在时间规律,空时融合后得到最终预测结果.利用美国交通研究数据实验室的高速公路交通数据对该模型进行仿真验证,结果表明,所提出的GCN-GRU组合模型方法具有更高的预测精度,预测结果优于自回归积分滑动平均(ARIMA)模型和GRU模型等基准预测方法.     

基于GCN-GRU的瓦斯浓度时空分布预测

在煤矿井下复杂环境下,传统瓦斯浓度预测模型的预测精度较低,虽然通过引入各种优化算法对传统瓦斯浓度预测模型进行优化,提高了瓦斯浓度预测精度,但仅从时间维度进行建模,忽略了瓦斯浓度的空间特性,易导致重要先验知识丢失,影响预测效果。针对上述问题,提出一种基于图卷积神经网络（GCN）和门控循环单元（GRU）的瓦斯浓度时空分布预测模型。首先,对瓦斯浓度历史数据进行预处理,根据各采集节点间的空间距离,构建瓦斯浓度空间节点图,用于对节点间复杂的依赖关系进行建模。然后,在每个采样时间点,将瓦斯浓度和节点间的距离权重参数作为输入,获得瓦斯的空间节点图结构后,通过GCN进行空间特征自适应学习和图卷积运算,得到瓦斯浓度的空间特征,再将瓦斯浓度的空间特征信息转化为序列数据,输入到GRU。最后,GRU对时间序列下各时刻组成的瓦斯空间特征信息进行处理,通过基于序列到序列模型和自动编码器,生成模型预测结果。试验结果表明：(1) GCN-GRU模型能够较为准确地预测瓦斯浓度的总体变化趋势,预测结果与实际数据的拟合度优于历史平均（HA）模型和支持向量回归（SVR）模型。(2) GCN-GRU模型的均方根误差较HA模型、...     

多视角融合的时空动态图卷积网络城市交通流量预测

城市交通流量预测是构建绿色低碳、安全高效的智能交通系统的重要组成部分.时空图神经网络由于具有强大的时空数据表征能力,被广泛应用于城市交通流量预测.当前时空图神经网络在城市交通流量预测中仍存在以下两方面局限性:1)直接构建静态路网拓扑图对城市空间相关性进行表示,忽略了节点的动态交通模式,难以表达节点流量之间的时序相似性,无法捕获路网节点之间在时序上的动态关联.2)只考虑路网节点的局部空间相关性,忽略节点的全局空间相关性,无法建模交通路网中局部区域和全局空间之间的依赖关系.为打破上述局限性,本文提出了一种多视角融合的时空动态图卷积模型用于预测交通流量.首先,从静态空间拓扑和动态流量模式视角出发,构建路网空间结构图和动态流量关联图,并使用动态图卷积学习节点在两种视角下的特征,全面捕获城市路网中多元的空间相关性.其次,从局部视角和全局视角出发,计算路网的全局表示,将全局特征与局部特征融合,增强路网节点特征的表现力,发掘城市交通流量的整体结构特征.接下来,设计了局部卷积多头自注意力机制来获取交通数据的动态时间相关性,实现在多种时间窗口下的准确流量预测.最后,在四种真实交通数据上的实验结果证明了本文模型的有效性和准确性.     

考虑时空相似性的动态图卷积神经网络交通流预测

高精度的交通流预测对于大型城市的交通管理和智慧出行具有重要作用,而交通流动态时空相关性的挖掘则是提高预测精度的关键.针对现有研究中存在的对交通流在不同时间尺度下呈现出的高度相似性,以及处于相似功能区的非邻近节点间交通流变化的相似性考虑不足的问题,构建考虑时空相似性的动态图卷积神经网络(dynamic graph convolution neural network considering spatio-temporal similarity,STS-DGCN).以相邻时段、日和周等多时间尺度下的数据输入张量表达交通流数据的时间相似性,以路网节点间距离度量、相似性度量、自适应嵌入、动态相关性等多属性特征的邻接矩阵表达交通流数据的时空相似性,进而基于这些邻接矩阵构建反映路网节点时空动态变化的动态图,并设计相应的时空特征挖掘算法.在公开数据集上的实验结果表明,所提出模型的预测结果优于目前较为先进的对比基线模型,具有更高的预测精度.     

Node Embedding Research Over Temporal Graph

Compared with conventional graph data analysis methods, the graph embedding algorithm provides a new graph data analysis strategy. It aims to encode graph nodes into vectors to mine or analyze graph data more effectively using neural network related technologies. Some classic tasks have been improved significantly by graph embedding methods, such as node classification, link prediction, and traffic flow prediction. Although substantial breakthroughs have been made by former researchers in graph embedding, the nodes embedding problem over temporal graph has been seldom studied. In this study, we propose an adaptive temporal graph embedding (ATGED), attempting to encode temporal graph nodes into vectors by combining previous research and the information propagation characteristics. First, an adaptive cluster method is proposed by solving the situation that nodes active frequency varies types of graph. Then, a new node walk strategy is designed in order to store the time sequence between nodes, and also the walking list will be stored in a bidirectional multi-tree in the walking process to get complete walking lists fast. Last, based on the basic walking characteristics and graph topology, an important node sampling strategy is proposed to train the satisfied neural network as soon as possible. Sufficient experiments demonstrate that the proposed method surpasses existing embedding methods in terms of node clustering, reachability prediction, and node classification in temporal graphs.     

面向高速公路通行时间分布预测的时空混合密度神经网络

准确的通行时间分布预测可以全面地反映高速公路路网中各个路段在未来的通行状况,辅助实现高速公路中的路径规划,事故事件预警等精细化管理目标.为此,本文提出一种面向高速公路通行时间分布预测的时空混合密度神经网络.具体地,本文利用自适应图卷积通过数据驱动的方式提取路网中的空间特征,有效解决了基于预定义图难以捕获路网信息中完整空间相关性的问题.在时间维度上,不同时间的路网信息存在显著的相关性,因此,本文基于注意力机制自适应建模路网信息的时间相关性,并通过卷积层进一步聚合相邻时间步之间的信息.最后,基于自适应时空相关性建模得到的路段嵌入表示,通过混合密度网络建模通行时间的分布,以实现高速公路中各个路段的通行时间分布预测.     

单时序特征图卷积网络融合预测方法

近年来,图神经网络逐渐成为深度学习领域广泛讨论的话题和研究的重点,但大多数研究都是基于图节点,在存在多维属性的前提下进行分类和回归预测,对单时序特征的图节点预测并不能产生理想的效果。本文提出一种时序图卷积网络算法,可以在复杂图网络中,只根据节点单一特征的时序序列,实现对该特征的预测。算法通过在传统图卷积网络中对邻接矩阵参数化,解决单一特征条件下的参数退化问题,并结合长短时记忆网络的序列学习方法,将时序信息融入到训练过程中,提高训练精度。在交通流量数据集PeMS和Los上的实验表明,其预测精度要优于GCN、T-GCN、GRU、LSTM等主流算法。