面向交通预测的窗口时空注意力建模方法
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国家自然科学基金 (62301159); 福建省自然科学基金面上项目 (2023J01229)


Window Spatio-temporal Attention Modeling Approach for Traffic Prediction
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    摘要:

    在目前交通预测中, 基于深度学习的时空分离建模方法难以有效地表达数据中的时空耦合相关性, 时空联合建模方法虽然可以一定程度上弥补时空分离建模的缺点, 但是其在构建时空超图时存在表达能力不足、计算复杂度高等问题, 为此提出一种改进的窗口时空注意力网络 (window spatial-temporal attention network, W-STANet) 的时空联合建模方法. W-STANet 主要由数据嵌入层、时空相关性建模层、预测头 3 部分组成. 时空相关性建模层通过堆叠多个时空注意力块实现对交通数据时空相关性特征的学习; 同时, 通过引入局部窗口计算方式以及数据移位和交换操作, 大幅度降低了建模过程中的计算复杂度, 并实现了在时空图中局部视角和全局视角的建模. 在5个真实交通公共数据集上的实验结果表明, 相比其他时空联合建模方法有着更好的预测性能. 与其他时空分离建模方法相比, 在大规模路网的数据集上的预测性能较优.

    Abstract:

    Currently, in traffic prediction, deep learning-based spatio temporal separation modeling methods have difficulty in expressing spatio-temporal coupling correlations in data effectively. Although spatio-temporal joint modeling methods can compensate for the shortcomings of spatio-temporal separation modeling to some extent, there are deficiencies such as insufficient express ability and high computational complexity in constructing spatio-temporal hypergraphs. To address these issues, this study proposes an improved spatio-temporal joint modeling method, window spatial-temporal attention network (W-STANet). W-STANet mainly comprises three parts: a data embedding layer, a spatio-temporal correlation modeling layer, and a prediction head. The spatio-temporal correlation modeling layer learns spatio-temporal correlation features of traffic data by stacking multiple spatio-temporal attention blocks. Meanwhile, by introducing the local window calculation method, data shifting and permutation operations, the computational complexity in the modeling process is greatly reduced, and the modeling from both local and global perspectives within the spatio temporal graph is achieved. Experimental results on five real traffic public datasets demonstrate superior prediction performance compared to other spatio-temporal joint modeling methods. Compared with spatio-temporal separation modeling methods, it has superior prediction performance on large-scale road network datasets.

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    引证文献
引用本文

王嘉俊,李勇,欧丽云.面向交通预测的窗口时空注意力建模方法.计算机系统应用,,():1-9

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  • 收稿日期:2024-10-17
  • 最后修改日期:2024-11-08
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  • 在线发布日期: 2025-02-26
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