Parallel spatio-temporal attention-based TCN for multivariate time series prediction

计算机科学 循环神经网络 多元统计 系列(地层学) 任务(项目管理) 时间序列 窗口(计算) 人工智能 卷积神经网络 机器学习 人工神经网络 古生物学 管理 经济 生物 操作系统
作者
Jin Fan,Ke Zhang,Yipan Huang,Yifei Zhu,Baiping Chen
出处
期刊:Neural Computing and Applications [Springer Science+Business Media]
卷期号:35 (18): 13109-13118 被引量:294
标识
DOI:10.1007/s00521-021-05958-z
摘要

As industrial systems become more complex and monitoring sensors for everything from surveillance to our health become more ubiquitous, multivariate time series prediction is taking an important place in the smooth-running of our society. A recurrent neural network with attention to help extend the prediction windows is the current-state-of-the-art for this task. However, we argue that their vanishing gradients, short memories, and serial architecture make RNNs fundamentally unsuited to long-horizon forecasting with complex data. Temporal convolutional networks (TCNs) do not suffer from gradient problems and they support parallel calculations, making them a more appropriate choice. Additionally, they have longer memories than RNNs, albeit with some instability and efficiency problems. Hence, we propose a framework, called PSTA-TCN, that combines a parallel spatio-temporal attention mechanism to extract dynamic internal correlations with stacked TCN backbones to extract features from different window sizes. The framework makes full use parallel calculations to dramatically reduce training times, while substantially increasing accuracy with stable prediction windows up to 13 times longer than the status quo.
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