Multi-Scale Adaptive Graph Neural Network for Multivariate Time Series Forecasting

计算机科学 时间序列 变量(数学) 人工神经网络 图形 利用 比例(比率) 人工智能 特征(语言学) 数据挖掘 机器学习 理论计算机科学 数学 数学分析 哲学 物理 量子力学 语言学 计算机安全
作者
Ling Chen,Donghui Chen,Zongjiang Shang,Binqing Wu,Cen Zheng,Bo Wen,Wei Zhang
出处
期刊:IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:35 (10): 10748-10761 被引量:100
标识
DOI:10.1109/tkde.2023.3268199
摘要

Multivariate time series (MTS) forecasting plays an important role in the automation and optimization of intelligent applications. It is a challenging task, as we need to consider both complex intra-variable dependencies and inter-variable dependencies. Existing works only learn temporal patterns with the help of single inter-variable dependencies. However, there are multi-scale temporal patterns in many real-world MTS. Single inter-variable dependencies make the model prefer to learn one type of prominent and shared temporal patterns. In this article, we propose a multi-scale adaptive graph neural network (MAGNN) to address the above issue. MAGNN exploits a multi-scale pyramid network to preserve the underlying temporal dependencies at different time scales. Since the inter-variable dependencies may be different under distinct time scales, an adaptive graph learning module is designed to infer the scale-specific inter-variable dependencies without pre-defined priors. Given the multi-scale feature representations and scale-specific inter-variable dependencies, a multi-scale temporal graph neural network is introduced to jointly model intra-variable dependencies and inter-variable dependencies. After that, we develop a scale-wise fusion module to effectively promote the collaboration across different time scales, and automatically capture the importance of contributed temporal patterns. Experiments on six real-world datasets demonstrate that MAGNN outperforms the state-of-the-art methods across various settings.
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