基于时序注意力与交互动态图卷积的交通流预测
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Traffic Flow Prediction Based on Temporal Attention and Interactive Dynamic Graph Convolution
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    摘要:

    交通流预测是智能交通管理和缓解拥堵的重要任务. 传统预测方法主要依赖统计方法, 难以捕捉交通流中复杂的时空相关性. 近年来, 图神经网络(GNN)作为一种强有力的工具, 在建模和预测交通流方面取得了显著进展. 然而, 现有的基于GNN的方法在捕捉交通流的动态时空相关性及其隐性交互关系上存在一定的局限性, 影响了模型的预测精度. 本文提出了一种基于时序注意力和交互动态图卷积网络(TAIDGCN)的方法, 通过时序注意力层(TAL)和扩张时序卷积层(DTCN)捕捉动态时间相关性, 采用交互式动态图卷积网络(IDGCN)捕捉空间相关性, 并结合多组分结构进一步提升模型的时空建模能力. 具体来说, TAL和DTCN在时间维度上提取近期、日周期和周周期的时间特征, 改善了中期和长期的时空预测能力, 而IDGCN通过交互学习机制捕捉交通流中的动态空间关系. 在两个真实世界的开放高速公路数据集上对模型进行验证, 结果表明, 所提TAIDGCN模型能够有效提取动态时空信息, 且预测精度超过当前10个基准模型, 证明了该方法在交通流预测任务中的优越性和应用潜力.

    Abstract:

    Traffic flow prediction is an important task for intelligent transportation systems and congestion mitigation. Traditional methods mainly rely on statistical approaches, which fail to capture the complex spatiotemporal correlations within traffic flow. In recent years, graph neural networks (GNN) have shown remarkable performance in modeling and predicting traffic flow. However, existing GNN-based methods face limitations in capturing the dynamic spatiotemporal dependencies and latent interactive relationships, which hinders prediction accuracy. To address this issue, a novel method named temporal attention and interactive dynamic graph convolutional network (TAIDGCN) is proposed. Dynamic temporal dependencies are captured using a temporal attention layer (TAL) and a dilated temporal convolution layer (DTCN), while spatial dependencies are modeled through an interactive dynamic graph convolution network (IDGCN). A multi-component structure is further integrated to enhance the overall spatiotemporal modeling capability. Specifically, TAL and DTCN extract temporal features from recent patterns, daily cycles, and weekly cycles, thus improving mid- and long-term spatiotemporal prediction accuracy. Meanwhile, IDGCN leverages an interactive learning mechanism to capture dynamic spatial relationships in traffic flow. The proposed model is validated on two real-world open highway datasets. Experimental results demonstrate that TAIDGCN effectively captures dynamic spatiotemporal information and outperforms ten benchmark models in prediction accuracy, highlighting its superiority and potential for traffic flow prediction applications.

    参考文献
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    引证文献
引用本文

姚佳禹,徐文进,杨洪宁,杜珍珍.基于时序注意力与交互动态图卷积的交通流预测.计算机系统应用,2025,34(9):141-150

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  • 收稿日期:2025-02-12
  • 最后修改日期:2025-03-14
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  • 在线发布日期: 2025-07-25
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