FastSTI: A Fast Conditional Pseudo Numerical Diffusion Model for Spatio-Temporal Traffic Data Imputation

计算机科学 插补(统计学) 统计物理学 数据挖掘 物理 机器学习 缺少数据
作者
Shaokang Cheng,Nada Osman,Shiru Qu,Lamberto Ballan
出处
期刊:IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:: 1-14
标识
DOI:10.1109/tits.2024.3469240
摘要

High-quality spatiotemporal traffic data is crucial for intelligent transportation systems (ITS) and their data-driven applications. Inevitably, the issue of missing data caused by various disturbances threatens the reliability of data acquisition. Recent studies of diffusion probability models have demonstrated the superiority of deep generative models in imputation tasks by precisely capturing the spatio-temporal correlation of traffic data. One drawback of diffusion models is their slow sampling/denoising process. In this work, we aim to accelerate the imputation process while retaining the performance. We propose a fast conditional diffusion model for spatiotemporal traffic data imputation (FastSTI). To speed up the process yet, obtain better performance, we propose the application of a high-order pseudo-numerical solver. Our method further revs the imputation by introducing a predefined alignment strategy of variance schedule during the sampling process. Evaluating FastSTI on two types of real-world traffic datasets (traffic speed and flow) with different missing data scenarios proves its ability to impute higher-quality samples in only six sampling steps, especially under high missing rates (60\% $\sim$ 90\%). The experimental results illustrate a speed-up of $\textbf{8.3} \times$ faster than the current state-of-the-art model while achieving better performance.

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