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。     

基于全局时空特性的城市路网交通速度预测模型

城市路网交通速度预测是智能交通系统中的重要组成部分,其可为出行者提供实时的交通信息,对提升道路通行能力具有重要意义。现有基于图卷积网络的预测模型一定程度上加强了对一阶相邻路段间空间关联程度的挖掘,但在非一阶相邻路段关联度大于一阶相邻路段关联度的情况下,如果仍输入原始的邻接矩阵,会遗失一些相对重要的路段空间信息,无法得到较好的预测结果。为准确挖掘城市路网中的时空特性,提出一种基于全局图卷积和门控循环单元的城市路网交通速度预测模型G-GCGRU。考虑全局路网下非一阶相邻路段间的空间影响程度,利用相关性分析方法计算得到路段间的关联度矩阵,并作为新的卷积方式进一步加深对空间特征的挖掘,在此基础上,采用门控循环单元方法提取路网时间特征。使用深圳市罗湖区城市路网车速数据进行实验,结果表明,该模型预测性能优于图卷积网络（GCN）、门控循环单元（GRU）和GCN-GRU混合模型,以均方根误差为评价指标,预测精度分别提高25.3%、4.7%和2.1%。     

基于门控卷积的时空交通流预测模型

针对现有的交通流预测模型未能精确捕获交通数据的时空特征,以及大部分模型都是在单步预测中体现出良好的预测性能,在多步预测中模型的预测性能显得并不理想的问题,提出了一种基于门控卷积的时空交通流预测模型（GC-STTFPM）。首先,利用图卷积网络（GCN）结合门控循环单元（GRU）来捕获交通流数据的时空特征;然后提出了一种利用卷积门控单元对原始数据和时空特征数据进行拼接与筛选处理的方法来对时空特征数据的有效性进行校验;最后,将GRU作为解码器来对未来交通流作出准确可靠的预测。在洛杉矶公路的交通数据集上的实验结果表明,GC-STTFPM在单步预测（5 min）中与基于注意力的时空图神经网络（ASTGNN）和扩散卷积递归神经网络（DCRNN）相比,平均绝对误差（MAE）分别降低了5.9%和9.9%,均方根误差（RMSE）分别降低了1.7%和5.8%。同时,GC-STTFPM在15、30、60 min三个多步尺度下的预测精度优于大多数现有基准模型,具有较强的适应性和鲁棒性。     

基于图卷积网络和门控循环单元的多站点气温预测模型

时空预测任务在神经科学、交通、气象等领域应用广泛.气温预测作为典型的时空预测任务,需要挖掘气温数据中固有的时空特征.针对现有气温预测算法存在预测误差大、空间特征提取不充分的问题,提出一种基于图卷积网络和门控循环单元的气温预测(GCN-GRU)模型.首先,使用重新分配权重和多阶近邻连接方式修正图卷积网络(GCN),以有效...     

面向空气质量的时空混合预测模型

由于城市中各区域空气质量同时存在时间与空间维度上的相关性,而传统深度学习模型结构比较单一,并且难以从时空角度进行建模。针对该问题提出一种可以同时提取空气质量间复杂时空关系的STAQI模型用于空气质量预测。该模型由局部组件和全局组件构成,分别用于描述本地污染物浓度和邻近站点空气质量状况对目标站点空气质量预测产生的影响,并利用加权融合组件输出获得预测结果。在全局组件中,利用图卷积网络改进门控循环单元网络的输入部分,从而提取出输入数据中的空间特征。最后将STAQI模型与多种基准模型和变体模型进行对比。其中,STAQI模型与门控循环单元模型和全局组件变体模型相比,均方根误差（RMSE）分别下降约19%和16%。结果表明STAQI模型对于任意时间窗口都具有最佳预测性能,并且对不同目标站点的预测结果验证了该模型具有较强的泛化能力。     

面向空气质量的时空混合预测模型

由于城市中各区域空气质量同时存在时间与空间维度上的相关性，而传统深度学习模型结构比较单一，并且难以从时空角度进行建模。针对该问题提出一种可以同时提取空气质量间复杂时空关系的STAQI模型用于空气质量预测。该模型由局部组件和全局组件构成，分别用于描述本地污染物浓度和邻近站点空气质量状况对目标站点空气质量预测产生的影响，并利用加权融合组件输出获得预测结果。在全局组件中，利用图卷积网络改进门控循环单元网络的输入部分，从而提取出输入数据中的空间特征。最后将STAQI模型与多种基准模型和变体模型进行对比。其中，STAQI模型与门控循环单元模型和全局组件变体模型相比，均方根误差（RMSE）分别下降约19%和16%。结果表明STAQI模型对于任意时间窗口都具有最佳预测性能，并且对不同目标站点的预测结果验证了该模型具有较强的泛化能力。     

基于时空网络的地铁进出站客流量预测

客流量预测是城市智能交通系统的重要组成部分,对人们出行和交通管控有着重要的指导意义。针对地铁客流量数据具有时间维度和空间维度属性的特点,提出一种可以同时捕获数据时空特征的预测模型。该模型基于编码器解码器架构设计,其中解码器和编码器均由时空预测模块组成,在该模块中利用图卷积学习地铁站的空间拓朴结构、门控循环单元来捕获数据的时间特征。此外,模型将单位时间间隔内进站和出站客流量分别构成的两个时间序列,即进出站双时间序列作为输入,最终协同预测各站点的进站与出站人数。在上海地铁一卡通数据集上进行对比实验,实验结果表明,所提出的模型在进站与出站客流量预测上均取得了更好的效果,这表明考虑空间依赖能够有效地提高模型预测精度。     

基于高阶图卷积自编码器的网络流量预测

网络流量预测是有效保障用户QoS措施之一。当前深度学习为基础的网络算法预测中没有充分利用网络拓扑信息。为此,提出了基于高阶图卷积自编码器的网络流量预测模型。该流量预测模型基于软件定义网络（SDN）架构,利用高阶图卷积网络（GCN）获取网络拓扑中的多跳邻域之间的流量相互影响关系,采用门控递归单元（GRU）获取网络的时间相关性信息,利用自编码模型来实现无监督学习和预测。在Abilene网络上采用真实数据进行了仿真对比分析试验,结果表明,提出的方法在网络流量检测方面的MAPE值为41.56%,低于其它深度学习的方法,同时预测准确率方面也达到最优。     

面向交通流量预测的多组件时空图卷积网络

流量预测一直是交通领域研究者和实践者关注的热点问题.流量数据具有高度的非线性和复杂性,对其进行精准预测具有很大的挑战,现有的预测方法大多不能很好地捕获数据的时空相关性.提出一种新颖的基于深度学习的多组件时空图卷积网络（MCSTGCN）,以解决交通流量预测问题.MCSTGCN通过3个组件分别建模流量数据的近期、日周期、周周期特性,每个组件同时利用空间维图卷积和时间维卷积有效捕获交通数据的时空相关性.在美国加利福尼亚州高速公路流量公开数据集上进行了实验,结果表明,MCSTGCN模型的预测效果优于现有的预测方法.     

基于深度残差长短记忆网络交通流量预测算法

针对多步交通流量预测任务中时间空间特征提取效果不佳和预测未来时间交通流量精度低的问题,提出一种基于长短时记忆（LSTM）网络、卷积残差网络和注意力机制的融合模型。首先,利用一种基于编解码器的架构,通过在编解码器中加入LSTM网络来挖掘不同尺度的时间域特征;其次,构建基于注意力机制挤压激励（SE）模块的卷积残差网络嵌入到LSTM网络结构中,从而挖掘交通流量数据中的空间域特征;最后,将编码器中获得的隐状态下的信息输入到解码器中,实现高精度多步交通流量的预测。基于真实交通数据进行实验测试和分析,实验结果表明,相较于原始的基于图卷积的模型,所提模型在北京和纽约两个交通流量公开数据集上的均方根误差（RMSE）分别获得了1.622和0.08的下降。所提模型能够高效且精确地对交通流量作出预测。     

基于自适应门控图神经网络的交通流预测

交通流预测是智能交通系统中的重要组成部分,由于交通数据的复杂性,长期而又准确的交通流预测一直是时间序列预测中最具挑战性的任务之一。近年来,研究人员将基于图神经网络的时空图建模方法应用于交通流预测任务,并取得了良好的预测性能。然而,现有的图建模方法仅通过预定义的邻接结构反映道路网络中的空间依赖关系,忽略了各节点之间的序列关联关系对预测的重要性。针对这一局限性,提出了一种自适应门控图神经网络（Ada-GGNN）,其核心为通过空间传递模块同时捕获道路网络的空间结构及自适应的时序相关性,并通过门控机制学习节点上的时间序列特征。在两个真实交通网络数据集PeMSD7和Los-loop上的实验结果证明了该模型具有更优越的性能。     

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.     

日交通流预测的编码器-解码器深度学习模型研究

精准的日交通流预测是智能交通领域的重要研究内容之一。目前已有的日交通流预测模型大多在短期预测模型的基础上通过多步预测或者多目标预测的方式改进而来。这两种改进方案中,前者对误差的传播更为敏感,而后者则忽视了预测结果的时序关系,导致预测模型精度偏低。提出了一种用于日交通流预测的编码器-解码器深度学习模型,首先将长短时记忆网络（long short-term memory,LSTM）作为编码器-解码器模型的基本单元以提高模型捕捉长期依赖关系的能力,其次引入注意力机制调节编码向量的权重以进一步提高模型的预测精度。新的模型是一种典型的序列到序列预测模型,与传统的序列到点的模型相比更加契合日交通流预测的需求。为验证模型的有效性,取美国5号州际公路西雅图段的实际交通流数据进行实验,实验结果表明,提出的预测模型在平均车流密度大于40?辆/km的时间段中,其预测结果的平均绝对百分比误差（mean absolute percentage error,MAPE）与LSTM、门控循环单元（gated recurrent unit,GRU）、反向传播（back propagation,BP）神经网络、卷积神经网络（convolutional neural network,CNN）、图卷积网络（graph convolution network,GCN）传统预测模型相比,分别减小了19%、20%、25%、16%、25%。     

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.     

基于两级筛选机制及深度学习组合模型实现短时交通流预测

准确实时的短时交通流预测对现代交通管理服务体系的构建至关重要.为了充分挖掘并利用不同路段短时交通流交互作用而表现出的时空特性,构建由自相关函数、互相关函数和KNN算法组成的两级筛选机制评估与目标路段的相关性优化路段组合,实现空间信息深度挖掘;提出一种GCN-GRU组合预测模型,利用图卷积网络(GCN)全局处理路段拓扑信息的优势进一步捕捉短时交通流的空间特性,并借助门控循环单元(GRU)对时间信息的长时记忆能力提取其时间特性.利用实测高速公路短时交通流数据进行验证,仿真结果表明,采用两级筛选机制对路段进行有效筛选并引入深度学习组合模型,预测性能明显改善,优于堆栈式自编码网络(SAEs)和GRU等经典模型.     

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.     

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。     

基于时空图卷积循环神经网络的交通流预测

针对交通流预测模型中路网空间结构刻画和交通流时空特性挖掘不充分的问题,构建一种新型的有向时空图,通过定义节点相对临近度来表征路网结构关系,通过学习邻域节点对预测节点的影响权重来表征节点间时空维度的作用关系,从而能更好表达交通流的时空特性.将时空图作为预测模型的输入,采用图卷积获取交通流数据空间依赖关系,采用门控循环神经...