摘 要:交通流量預(yù)測是多元時(shí)空預(yù)測中的典型任務(wù),也是智能交通系統(tǒng)的重要組成部分。然而,現(xiàn)有模型很少關(guān)注交通路網(wǎng)中不同道路間的共有模式。主流模型大多基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Graph Neural Network,GNN)實(shí)現(xiàn),而GNN 隨著層數(shù)的增加,會出現(xiàn)過度平滑現(xiàn)象,即鄰接圖中表征趨于相近。為解決上述問題,提出一個神經(jīng)常微分存儲網(wǎng)絡(luò)(Neural Ordinary Differential Memory Network,NODEMN),利用模式記憶單元保留時(shí)空數(shù)據(jù)中的顯著特征,進(jìn)行模式匹配,利用神經(jīng)常微分方程改善了深度訓(xùn)練中出現(xiàn)的過度平滑問題。NODEMN 在真實(shí)數(shù)據(jù)集上進(jìn)行大量實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明,NODEMN 模型相較于基準(zhǔn)模型在預(yù)測性能上具有顯著優(yōu)勢,在3 個數(shù)據(jù)集上的平均百分比誤差(Mean AbsolutePercentage Error,MAPE)平均降低4. 09% 、平均絕對誤差(Mean Absolute Error,MAE)平均降低3. 38% 、均方差誤差(Root Mean Square Error,RMSE)平均降低2. 49% 。
關(guān)鍵詞:多元時(shí)序預(yù)測;時(shí)空數(shù)據(jù)庫;圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò);機(jī)器學(xué)習(xí);交通預(yù)測
中圖分類號:TP311 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 開放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識碼(OSID):
文章編號:1003-3114(2024)06-1215-08
0 引言
時(shí)空預(yù)測在近年來受到廣泛關(guān)注,并且成功運(yùn)用于現(xiàn)實(shí)生活中,如交通流量預(yù)測[1-2]、天氣預(yù)測[3-4]、軌跡預(yù)測[5-6]等,這些應(yīng)用在構(gòu)建智能城市中發(fā)揮著關(guān)鍵作用。因此,準(zhǔn)確的時(shí)空預(yù)測對于提高智能城市的質(zhì)量有著舉足輕重的作用。本文主要聚焦于時(shí)空預(yù)測中最具代表性的一項(xiàng),即交通流量預(yù)測,它是智能交通系統(tǒng)中不可或缺的組成部分。交通流量預(yù)測的主要任務(wù)是在給定交通路網(wǎng)和歷史交通流量的情況下,對未來交通流量進(jìn)行準(zhǔn)確的預(yù)測。
圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Graph Neural Network,GNN)因具有很強(qiáng)的非結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)處理能力,在時(shí)空預(yù)測領(lǐng)域受到了廣泛的關(guān)注。GNN 主要通過聚合相鄰節(jié)點(diǎn)信息來實(shí)現(xiàn)節(jié)點(diǎn)信息的傳遞與更新,在節(jié)點(diǎn)分類[7-8]、藥物發(fā)現(xiàn)[9-10]等領(lǐng)域取得了突出成績。利用GNN提取交通道路中的空間特征也是研究的主流方向[11],其中大部分將GNN 與循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(RecurrentNeural Network,RNN)相結(jié)合,分別獲取交通路網(wǎng)的空間信息與時(shí)間信息,并通過圖卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Graph Convolutional Network,GCN)[12]進(jìn)行改進(jìn)獲得了更好的訓(xùn)練穩(wěn)定性和預(yù)測準(zhǔn)確率。
然而,有兩個問題一直被忽視。一是,GNN 層數(shù)在超過兩層后會出現(xiàn)過度平滑現(xiàn)象,即所有節(jié)點(diǎn)表征會收斂到相同數(shù)值,從而導(dǎo)致模型性能急劇下降,因此GNN 不能簡單地通過增加層數(shù)來提高性能,難以獲得更深更豐富的隱藏特征,這限制了GNN 捕獲長期依賴的能力。二是,交通路網(wǎng)中存在不同的模式,當(dāng)前大多數(shù)方法通過劃分時(shí)間來捕獲相同道路的固有流量模式,如工作日的早、晚高峰,忽視了不同道路中存在的相同流量模式。
本文提出的神經(jīng)常微分存儲網(wǎng)絡(luò)(NeuralOrdinary Differential Memory Network,NODEMN)模型提出了兩個新穎的模塊來解決上述兩個問題。首先利用模式記憶單元,保存一定數(shù)量具有顯著特征的節(jié)點(diǎn)模式,這種記憶單元使模型可以區(qū)分不同道路上的交通模式;其次通過在GCN 的層與層結(jié)構(gòu)中添加殘差結(jié)構(gòu),將神經(jīng)常微分方程(Neural OrdinaryDifferential Equation,NODE)推廣至NODEMN,以避免過度平滑問題。本文的主要貢獻(xiàn)總結(jié)如下:
① 提出了一種新的模式記憶單元,通過存儲交通路網(wǎng)中的典型樣本可以有效捕獲不同節(jié)點(diǎn)之間的流量模式。
② 將NODE 推廣至NODEMN 中,突破了GNN深度的限制,提高了捕獲遠(yuǎn)距離時(shí)空依賴的能力。
③ 在3 個真實(shí)世界數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了廣泛的實(shí)驗(yàn),在平均百分比誤差(Mean Absolute PercentageError,MAPE)、平均絕對誤差(Mean Absolute Error,MAE)、均方差誤差(Root Mean Square Error,RMSE)3 個指標(biāo)上結(jié)果優(yōu)于現(xiàn)有基線模型,驗(yàn)證了NODEMN 的有效性。
1 背景知識及相關(guān)工作
1. 1 交通流量預(yù)測
隨著大數(shù)據(jù)時(shí)代的到來,構(gòu)建智能交通系統(tǒng)成為促進(jìn)智能城市發(fā)展的重要一環(huán),其中交通流量預(yù)測任務(wù)是構(gòu)建智能城市中的關(guān)鍵問題,學(xué)者們對其進(jìn)行了大量研究。交通流量預(yù)測是利用各種傳感器收集的歷史時(shí)空數(shù)據(jù)來預(yù)測未來交通狀態(tài)的時(shí)空預(yù)測任務(wù)。交通流量預(yù)測的主要困難在于交通網(wǎng)絡(luò)中存在復(fù)雜的長期時(shí)空依賴,即兩個間隔較遠(yuǎn)的道路會存在空間依賴,這種現(xiàn)象主要源自不同人群的出行距離有很大差距[13]。并且一個節(jié)點(diǎn)不僅地理上的鄰居相連,還可能與遠(yuǎn)處的節(jié)點(diǎn)相連,即存在相同模式,如圖1 所示,節(jié)點(diǎn)A 與C 并不直接相連,但由于均在加油站旁,所以可能具有相同模式。此外,復(fù)雜外部因素導(dǎo)致交通流量數(shù)據(jù)表現(xiàn)出了多樣化的時(shí)間模式。
經(jīng)典的統(tǒng)計(jì)學(xué)習(xí)方法包括自回歸綜合移動平均法、K 近鄰算法,但上述方法只能考慮時(shí)間信息,忽略了空間信息[14],在建模復(fù)雜時(shí)空關(guān)系上具有局限性。隨著深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的提出,涌現(xiàn)出多種模型用于交通預(yù)測,如文獻(xiàn)[15]提出利用殘差卷積單元來預(yù)測交通流量,文獻(xiàn)[16]使用皮爾遜相關(guān)系數(shù)法構(gòu)造三維殘差網(wǎng)絡(luò)來捕獲交通路網(wǎng)的時(shí)空相關(guān)性。但是上述方法都是針對網(wǎng)格數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)的,難以運(yùn)用于具有圖數(shù)據(jù)的交通場景。
1. 2 GNN
GNN 用于圖表征學(xué)習(xí)的框架,主要通過鄰域聚合實(shí)現(xiàn)信息傳遞,期中節(jié)點(diǎn)的表征通過對相鄰節(jié)點(diǎn)的表征進(jìn)行采樣和聚合來實(shí)現(xiàn)更新。由于交通數(shù)據(jù)是典型的非歐式結(jié)構(gòu)化數(shù)據(jù),因此GNN 在交通預(yù)測中已經(jīng)進(jìn)行了大量研究。例如Zhang 等[17]提出對抗性對比學(xué)習(xí)范式,它自動提取關(guān)鍵的多視圖自監(jiān)督信息,以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)健的時(shí)空圖擴(kuò)充并更好地進(jìn)行自我監(jiān)督,增強(qiáng)了表示辨別能力和穩(wěn)健性。Wang 等[18]提出了一種易于實(shí)現(xiàn)的時(shí)空圖建模策略,通過評估高級特征空間中每個節(jié)點(diǎn)的學(xué)習(xí)難度,去掉困難的節(jié)點(diǎn),以確保模型在開始時(shí)只處理基本的時(shí)空關(guān)系,逐漸轉(zhuǎn)向困難的關(guān)系。Wu 等[19]提出一種新的消息遍歷機(jī)制來獲取每個節(jié)點(diǎn)不斷發(fā)展的時(shí)空依賴關(guān)系。
長期時(shí)空依賴關(guān)系作為交通狀態(tài)中的固有屬性,卻難以通過更深層GNN 來探索,因?yàn)椋牵危?的過度平滑現(xiàn)象[20]導(dǎo)致了GNN 層數(shù)超過兩層后會出現(xiàn)相似的節(jié)點(diǎn)表征,進(jìn)而損害模型性能。本文通過引入神經(jīng)常微分網(wǎng)絡(luò)以解決這一問題。
1. 3 神經(jīng)常微分網(wǎng)絡(luò)
NODE 將離散序列進(jìn)行了連續(xù)動態(tài)的建模。連續(xù)圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Continuous Graph Neural Network,CGNN)[21]首次將這種方法擴(kuò)展到了圖結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù),通過證明GNN 可以視作一種離散化的常微分方程(Ordinary Differential Equation,ODE),獲得了節(jié)點(diǎn)表征的連續(xù)動態(tài),并且在節(jié)點(diǎn)分類任務(wù)上取得了較好性能。
1. 4 預(yù)備知識
定義1 (交通網(wǎng)絡(luò)G)交通網(wǎng)絡(luò)G=(U,M,A),其中U 表示屬性圖中節(jié)點(diǎn)的集合,M 表示邊的集合,A∈RN×N表示鄰接矩陣,N 表示G 中節(jié)點(diǎn)的數(shù)量。
定義2 (交通流量矩陣X)X = {X1,X2,…,Xt}∈RT×N 表示G 中所有節(jié)點(diǎn)在所有時(shí)刻的流量值。其中Xt = {xi1,xi2,…,xNt}表示G 中所有節(jié)點(diǎn)在t 時(shí)刻的流量值。
2 NODEMN 模型架構(gòu)
圖2 展示了NODEMN 的整體架構(gòu),主要由3 個模塊組成:編碼器、ODE 解碼器以及模式記憶單元,其中編碼器包含若干個門控卷積單元(Gate Convolutional Recurrent Unit,GCRU),解碼器由若干個GCRU 與ODE 求解單元構(gòu)成。
2. 1 GCRU
在沒有先驗(yàn)知識的前提下,GCN 可以通過節(jié)點(diǎn)自適應(yīng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,該方法基于矩陣分解,可以讓模型自主學(xué)習(xí)節(jié)點(diǎn)中的流量模式[22]。本文使用GCN 替換GRU 中的多層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層,構(gòu)建了時(shí)空圖卷積模塊來學(xué)習(xí)多元時(shí)序數(shù)據(jù)的時(shí)空特征,通過疊加多個GCRU 來學(xué)習(xí)流量序列的時(shí)空特征,最終輸出預(yù)測結(jié)果。替換后的單個GRU 實(shí)現(xiàn)如式(1)~式(5)所示:
式中:P 表示樣本數(shù),m1 和m2 分別表示記憶存儲器中與Q(i) t 相似度最高的前兩個樣本,· 2 表示L2范數(shù),α 表示邊界距離,本文將其設(shè)置為1。
將L1、L2 與MAE 損失結(jié)合可以得到NODEMN的訓(xùn)練損失函數(shù)Ltotal:
式中:Yt 為真實(shí)值,Y^ t 為預(yù)測值。
3 實(shí)驗(yàn)與分析
3. 1 數(shù)據(jù)集及實(shí)驗(yàn)設(shè)置
本文在PeMSD3、PeMSD4、PeMSD8 三個標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)集上進(jìn)行實(shí)驗(yàn),3 個數(shù)據(jù)集均采集自美國加利福尼亞州,其中PeMSD3 數(shù)據(jù)集收集了358 個傳感器2018 年9 月—11 月的道路流量信息;PeMSD4 數(shù)據(jù)集收集了307 個傳感器2018 年1 月—2 月的道路流量信息;PeMSD8 數(shù)據(jù)集收集了170 個傳感器2016 年7 月—8 月的道路流量信息。每個數(shù)據(jù)集中60% 的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集,20% 的數(shù)據(jù)作為有效集,20% 的數(shù)據(jù)作為測試集。值得注意的是,本文將深度學(xué)習(xí)中的隨機(jī)種子固定為10,以確保實(shí)驗(yàn)的易復(fù)現(xiàn)性。此外,模型初始學(xué)習(xí)率為0. 003,epoch 為100,GCRU 單元數(shù)為64。
對所有模型,采用MAPE、MAE、RMSE 三個誤差指標(biāo)進(jìn)行性能評估,具體如式(22)~ 式(24)所示:
3. 2 對比試驗(yàn)
本文選取了7 個模型進(jìn)行對比試驗(yàn):① STFGNN(Spatial-Temporal Fusion Graph Neural Network)[25]通過融合時(shí)間圖和空間圖有效地學(xué)習(xí)交通流的時(shí)空特征;② STSGCN (Spatial-Temporal SynchronousGraph Convolutional Network)[26]將時(shí)間特征分為3 類:最近時(shí)刻、天、周,并對每一類時(shí)間特征使用卷積運(yùn)算和注意力機(jī)制來捕捉交通流的時(shí)空相關(guān)性;③ DCRNN(Diffusion Convolutional Recurrent NeuralNetwork)[27]使用擴(kuò)散卷積運(yùn)算來捕捉交通流的時(shí)空相關(guān)性,并利用隨機(jī)游走來進(jìn)行節(jié)點(diǎn)信息的擴(kuò)散;④ STGODE(Spatial-Temporal Graph Ordinary Differen-tial Equation Network)[13]首次將NODE 運(yùn)用在了多變量時(shí)序預(yù)測中;⑤ AutoSTG (Automated Spatio-Temporal Graph Network)[28]利用自動網(wǎng)格搜索空間技術(shù)進(jìn)行時(shí)空預(yù)測任務(wù);⑥ AGCRN(Adaptive GraphConvolutional Recurrent Network)[22]使用自適應(yīng)參數(shù)來捕捉節(jié)點(diǎn)的模式,利用圖卷積操作捕捉交通流的時(shí)空相關(guān)性;⑦ Z-GCNETS(Time Zigzags at GraphConvolutional Network)[29]在GCN 中加入了鋸齒狀持久性的概念。
表1 給出了NODEMN 模型與7 種基準(zhǔn)模型在3 個數(shù)據(jù)集上60 min 的平均預(yù)測性能??梢钥闯觯冢?個數(shù)據(jù)集的3 種評估指標(biāo)上NODEMN 均優(yōu)于基準(zhǔn)方法,而DCRNN 效果最差,因?yàn)樗m然利用擴(kuò)散卷積來捕獲交通特征,但由于結(jié)構(gòu)限制不能捕捉空間特征;STSGCN 通過構(gòu)造多個局部時(shí)空圖來捕獲細(xì)粒度的時(shí)空特征,從而提高了預(yù)測性能;STFGNN 將時(shí)間圖與空間圖拼接,雖然學(xué)習(xí)到了時(shí)空關(guān)聯(lián)性,但是拼接圖中的非對角線元素包含了冗余信息,限制了預(yù)測性能;STGODE 僅簡單地將ODE求解器嵌入至?xí)r域卷積網(wǎng)絡(luò)中,在PeMSD4 和PeMSD8 上性能有一定提升,但在PeMSD3 這個較大數(shù)據(jù)集上性能較差;Z-GCNETS 利用之字形拓?fù)鋵訉W(wǎng)絡(luò)進(jìn)行增強(qiáng),可以很好地學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)中的拓?fù)涮卣?,進(jìn)而提高了模型性能;AutoSTG 利用自動網(wǎng)絡(luò)搜索提升模型性能;AGCRN 通過自適應(yīng)圖來學(xué)習(xí)每個節(jié)點(diǎn)的特有模式,提高了預(yù)測性能。而本文提出的NODEMN 利用模式記憶單元對路網(wǎng)中的典型模式進(jìn)行了存儲,并且將GCN 推廣到連續(xù)形式,克服了GNN 由于層數(shù)過高導(dǎo)致的過渡平滑問題,使得模型更好地?cái)M合真實(shí)狀態(tài),從而提高了預(yù)測性能。
圖3 展示了DCRNN、AGCRN 和本文提出的NODEMN 在PeMSD8 數(shù)據(jù)集上60 min 內(nèi)每隔5 min的預(yù)測誤差??梢钥闯?,NODEMN 在每個預(yù)測時(shí)間的輸出誤差都最小,并且隨著預(yù)測時(shí)間越長,NODEMN 的優(yōu)勢越明顯。說明NODEMN 無論是短期預(yù)測還是長期預(yù)測均存在優(yōu)勢。
圖4 給出了NODEMN 中編解碼器在不同層數(shù)的預(yù)測誤差,可以看出,NODEMN 有效克服了GNN深度增加而導(dǎo)致的過度平滑問題,在PeMSD4 和PeMSD8 數(shù)據(jù)集上,最佳層數(shù)均為6,當(dāng)層數(shù)為8 時(shí)性能出現(xiàn)略微下降,這是由于模型過擬合導(dǎo)致的,因此在更大數(shù)據(jù)集或真實(shí)環(huán)境中運(yùn)用時(shí)可以適當(dāng)增加層數(shù)。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,記憶存儲單元可以有效存儲交通圖中典型樣本,并對未來模式進(jìn)行匹配;將GNN 由離散態(tài)推廣至連續(xù)性有助于克服GNN 由于深度而導(dǎo)致的過度平滑。
3. 3 消融實(shí)驗(yàn)
本文共設(shè)計(jì)了兩個模型變體以驗(yàn)證模塊的有效性:① 不包含記憶存儲模塊和ODE 模塊的NODEMN-V1;② 不包含ODE 模塊的NODEMN-V2。消融實(shí)驗(yàn)在PeMSD4、PeMSD8 數(shù)據(jù)集上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表2 所示,可以看出NODEMN 性能最佳,NODEMN-V2 次之,驗(yàn)證了本文提出的兩個模塊的有效性。
此外,圖5 給出了NODEMN 及其兩個變體在PeMSD8 數(shù)據(jù)集上60 min 內(nèi)每5 min 的預(yù)測誤差??梢钥闯?,NODEMN 和NODEMN-V2 遠(yuǎn)遠(yuǎn)優(yōu)于NODEMN-V1,而NODEMN-V2 與NODEMN 在短期預(yù)測(預(yù)測時(shí)間低于30 min)時(shí)二者性能相差不大。這說明了ODE 解碼器在交通流量預(yù)測中對長期預(yù)測更有幫助。
4 結(jié)束語
本文提出了一個NODEMN,將GCN 由離散狀態(tài)推廣到了連續(xù)形式,以緩解在增加網(wǎng)絡(luò)層數(shù)時(shí)出現(xiàn)的過度平滑現(xiàn)象,并通過記憶存儲單元對交通路網(wǎng)中的典型模式進(jìn)行存儲,有效解決了共有模式的提取問題。在PeMSD3、PeMSD4、PeMSD8 數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了大量實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明NODEMN 相較于最先進(jìn)地基準(zhǔn)模型具有更優(yōu)的預(yù)測性能,驗(yàn)證了模型的有效性。
未來的工作將進(jìn)一步討論NODE 在長期時(shí)空預(yù)測中的運(yùn)用,以及通過提升GNN 層數(shù)與參數(shù)量來進(jìn)一步提高預(yù)測性能。
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作者簡介:
薛 騏 男,(1999—),碩士研究生。主要研究方向:時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘。
(*通信作者)喬少杰 男,(1981—),博士后,教授。主要研究方向:人工智能、數(shù)據(jù)挖掘。
彭鈺寒 男,(1999—),碩士研究生。主要研究方向:人工智能數(shù)據(jù)庫。
于 泳 男,(1998—),碩士研究生。主要研究方向:知識圖譜、時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘。
謝添丞 男,(1997—),碩士研究生。主要研究方向:軌跡預(yù)測、時(shí)空數(shù)據(jù)挖掘。
基金項(xiàng)目:國家自然科學(xué)基金(62272066);四川省科技計(jì)劃(25NSFSC0293,25GJHZ0297,2023YFG0027);教育部人文社會科學(xué)研究規(guī)劃基金(22YJAZH088);網(wǎng)絡(luò)空間安全教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室及河南省網(wǎng)絡(luò)空間態(tài)勢感知重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開放基金課題(KLCS20240106);成都市技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)項(xiàng)目(重點(diǎn)項(xiàng)目)(2024-YF08-00029-GX);成都市區(qū)域科技創(chuàng)新合作項(xiàng)目(2023-YF11-00020-HZ);成都市技術(shù)創(chuàng)新研發(fā)項(xiàng)目(2024-YF05-01217-SN);大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目(202410621195,202410621183)