Deep Spatial–Temporal 3D Convolutional Neural Networks for Traffic Data Forecasting

计算机科学 块(置换群论) 数据挖掘 卷积神经网络 光栅图形 深度学习 交通拥挤 智能交通系统 人工智能 数据建模 空间分析 地理 工程类 数学 遥感 数据库 土木工程 运输工程 几何学
作者
Shengnan Guo,Youfang Lin,Shijie Li,Zhaoming Chen,Huaiyu Wan
出处
期刊:IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:20 (10): 3913-3926 被引量:339
标识
DOI:10.1109/tits.2019.2906365
摘要

Reliable traffic prediction is critical to improve safety, stability, and efficiency of intelligent transportation systems. However, traffic prediction is a very challenging problem because traffic data are a typical type of spatio-temporal data, which simultaneously shows correlation and heterogeneity both in space and time. Most existing works can only capture the partial properties of traffic data and even assume that the effect of correlation on traffic prediction is globally invariable, resulting in inadequate modeling and unsatisfactory prediction performance. In this paper, we propose a novel end-to-end deep learning model, called ST-3DNet, for traffic raster data prediction. ST-3DNet introduces 3D convolutions to automatically capture the correlations of traffic data in both spatial and temporal dimensions. A novel recalibration (Rc) block is proposed to explicitly quantify the difference of the contributions of the correlations in space. Considering two kinds of temporal properties of traffic data, i.e., local patterns and long-term patterns, ST-3DNet employs two components consisting of 3D convolutions and Rc blocks to, respectively, model the two kinds of patterns and then aggregates them together in a weighted way for the final prediction. The experiments on several real-world traffic datasets, viz., traffic congestion data and crowd flows data, demonstrate that our ST-3DNet outperforms the state-of-the-art baselines.
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