【深度学习】时空图卷积网络（STGCN），预测交通流量

news2024/11/16 7:35:13

论文地址：https://arxiv.org/abs/1709.04875

Spatio-Temporal Graph Convolutional Networks: A Deep Learning Framework for Traffic Forecasting

文章目录

一、摘要
二、数据集介绍
- 美国洛杉矶交通数据集 METR-LA 介绍
- 美国加利福尼亚交通数据集 PEMS-BAY 介绍
- 美国加利福尼亚交通数据集 PEMSD7-M 介绍
- 数据集含义
三、任务目标
四、训练过程
- 基础推理过程
- 邻接矩阵
- 注意力机制
五、总结

一、摘要

准时准确的交通预测对城市交通控制和引导至关重要。由于交通流的高非线性和复杂性，传统方法无法满足中长期预测任务的要求，并且通常忽视空间和时间依赖关系。本文提出了一种新颖的深度学习框架，即时空图卷积网络（STGCN），用于解决交通领域的时间序列预测问题。我们不是应用常规的卷积和循环单元，而是在图上制定问题，并利用完整的卷积结构构建模型，这使得训练速度更快，参数更少。实验证明，我们的模型STGCN通过建模多尺度交通网络有效地捕获了全面的时空相关性，并在各种真实世界的交通数据集上始终优于最先进的基线模型。

二、数据集介绍

美国洛杉矶交通数据集 METR-LA 介绍

T-GCN文章选取了该数据集2012年3月1日至3月7日期间的207个传感器及其交通速度。每5分钟汇总一次交通速度。**相似性，数据总结出一个邻接矩阵和一个特征矩阵。邻接矩阵是由交通网络中传感器之间的距离计算出来的。**由于Los-loop数据集包含一些缺失的数据，使用线性插值法来填补缺失值.

SOTA算法：

https://paperswithcode.com/sota/traffic-prediction-on-metr-la

目前第一名是Spatio-Temporal Graph Mixformer for Traffic Forecasting，而本文的STGCN只能排18。

在这里插入图片描述

美国加利福尼亚交通数据集 PEMS-BAY 介绍

PEMS-BAY 数据集由加利福尼亚大学伯克利分校的交通实验室发布。该数据集包含了旧金山湾区高速公路网络上 325 个传感器的实时交通流量数据。这个数据帮助对基于多源数据的交通预测算法进行评估和比较，并被广泛用于交通预测、拥堵控制、出行决策等领域的研究中。

SOTA:

https://paperswithcode.com/sota/traffic-prediction-on-pems-bay

在这里插入图片描述

美国加利福尼亚交通数据集 PEMSD7-M 介绍

SOTA:
https://paperswithcode.com/sota/traffic-prediction-on-pemsd7-m

PEMSD7-M 数据集由美国加州大学洛杉矶分校的智能交通系统实验室发布。该数据集收集了洛杉矶城市高速公路上的交通流量数据，包含了 228 个传感器（探头）每 5 分钟采样一次的方式收集数据。这个数据集旨在帮助进行基于不同时间尺度的交通预测研究，以提高道路网络可持续性和安全性。

在这里插入图片描述

数据集含义

以pems-bay为例，两个csv文件就是2个矩阵。

vel.csv的形状是(16384, 325)，代表了16384次观测数据，每次数据都是325个传感器的数据（可能是车流量或者车速的一种综合表达的数据）：

在这里插入图片描述
adj.mat.csv的形状是(325, 325)，表示了传感器之间的关系，比如距离关系，是邻接矩阵，邻接矩阵是对角阵：

三、任务目标

还是以pems-bay数据集为例子，我们有16384次时序的观测数据，任务的目标就是预测这325个传感器的后续数据走向，看看哪个模型预测得准。

交通流量是一个很实际的问题，325个传感器分布在地区的各个要点中，邻接矩阵表达了各个传感器之间的关联性，而16384次时序观测数据也表达了传感器随时间变化采集到的数据。如果有一个模型可以很好预测传感器的后续数据，说明模型能很好预测出交通流量走势，这可以应用到交通疏通中或者预测拥堵的应用里去。

四、训练过程

基础推理过程

输入模型的x大小是，32是batchsize，12是时序步数，325是传感器维度。
在这里插入图片描述
输出的是下一次时序里的数据：

而训练数据条数一共有13108条：
在这里插入图片描述
13090/32
409.0625

所以每次训练是410个iter迭代步数。

x进去后，由self.st_blocks（一系列小波图运算）运算得到了x_stbs ,

在这里插入图片描述

而后 self.output 得到了预测结果。

    def forward(self, x):
        x_stbs = self.st_blocks(x)
        # [2, 1, 12, 207]->[2, 64, 4, 207]
        if self.Ko > 1:
            x_out = self.output(x_stbs)

邻接矩阵

在上述推理过程中，在哪里使用到邻接矩阵了？

在最开始用wavelet_basis来确定了小波基矩阵。

在这里插入图片描述

这个函数wavelet_basis的主要作用是根据输入的交通流量传感器的邻接矩阵adj（表示传感器之间的连接关系），以及参数s（小波尺度参数）和threshold（阈值），来计算并返回一组小波基矩阵，用于后续在图卷积过程中对信号进行多尺度分析。这个过程涉及图信号处理的核心步骤，包括拉普拉斯矩阵的计算、特征分解、小波变换的构建、阈值化处理和L1范数归一化。下面是各部分的详细解析：

计算拉普拉斯矩阵:
- 函数首先调用calculate_laplacian_matrix来计算图的拉普拉斯矩阵L。拉普拉斯矩阵是图论中的重要概念，广泛用于图信号处理和图的谱分析，能体现图的拓扑结构。
特征分解:
- 接着，使用fourier函数对拉普拉斯矩阵L进行特征分解，得到特征值lamb和特征向量矩阵U。这一步是图傅里叶变换的基础，用于将信号映射到频域进行分析。
构建图小波:
- 利用weight_wavelet函数基于小波尺度s、特征值lamb和特征向量U计算小波权重矩阵Weight，以及通过weight_wavelet_inverse计算逆小波权重矩阵inverse_Weight。这两个矩阵是构建小波基的关键，用于对信号进行多尺度分解和重构。
阈值化处理:
- 根据给定的threshold，将Weight和inverse_Weight中小于该阈值的元素设为0，这是一种常见的去噪操作，可以减少噪声影响，提升模型的稳健性。
L1范数归一化:
- 对Weight和inverse_Weight进行L1范数归一化，确保每个行的绝对值之和为1，这有助于保持能量守恒，并使后续的操作（如图卷积）更加稳定。
转换格式:
- 最后，将矩阵转换为稀疏矩阵格式coo_matrix，以节省存储空间和加速后续的矩阵运算。

整个函数的输出t_k = (Weight, inverse_Weight)是一对小波基矩阵，它们在基于小波变换的图卷积神经网络（如之前提到的Graph_WaveletsConv）中扮演核心角色，用于捕捉不同尺度的图信号特征，增强模型对复杂时空数据的理解能力。

注意力机制

小波变换真是复杂的作用机制，大体来说，是将有用信息用小波变换方式给入到了模型前向传导。

为了引入自注意力机制，就得找一些层引入，小波卷积层是一个不错的层。

定义一个AttentionModule，它接受节点特征作为输入，通过两层全连接层和ReLU激活函数计算每个节点的注意力分数，然后通过softmax函数标准化这些分数，确保所有节点的注意力权重之和为1。在Graph_WaveletsConvWithAttention中，首先使用原有的小波图卷积操作处理输入，然后将得到的特征传递给注意力模块，实现特征的自适应加权。

在这里插入图片描述

整体结构在多个尺度会调用上注意力块Graph_WaveletsConvWithAttention：

效果是没有提升，没提升是正常的，如果一个简单的改进就能得到提升，那大家都好发论文了：

在这里插入图片描述

又试了一下没加注意力之前的模型，如论文所写，的确小波加进去，MAE为1.81：

在这里插入图片描述

五、总结

综合来看，以普通方式改进STGCN是很难有提升的，而目前的SOTA算法非常厉害，比如
STD-MAE算法（Spatial-Temporal-Decoupled Masked Pre-training for Spatiotemporal Forecasting）在PEMS-BAY的指标MAE为 1.77，或许要尝试一些别的改进方式才行，我这里就不再进行额外尝试了。

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