Explainable Spatio-Temporal Graph Neural Networks

计算机科学 可解释性 图形 瓶颈 编码器 人工智能 机器学习 数据挖掘 理论计算机科学 嵌入式系统 操作系统
作者
Jiabin Tang,Lianghao Xia,Chao Huang
标识
DOI:10.1145/3583780.3614871
摘要

Spatio-temporal graph neural networks (STGNNs) have gained popularity as a powerful tool for effectively modeling spatio-temporal dependencies in diverse real-world urban applications, including intelligent transportation and public safety. However, the black-box nature of STGNNs limits their interpretability, hindering their application in scenarios related to urban resource allocation and policy formulation. To bridge this gap, we propose an Explainable Spatio-Temporal Graph Neural Networks (STExplainer) framework that enhances STGNNs with inherent explainability, enabling them to provide accurate predictions and faithful explanations simultaneously. Our framework integrates a unified spatio-temporal graph attention network with a positional information fusion layer as the STG encoder and decoder, respectively. Furthermore, we propose a structure distillation approach based on the Graph Information Bottleneck (GIB) principle with an explainable objective, which is instantiated by the STG encoder and decoder. Through extensive experiments, we demonstrate that our STExplainer outperforms state-of-the-art baselines in terms of predictive accuracy and explainability metrics (i.e., sparsity and fidelity) on traffic and crime prediction tasks. Furthermore, our model exhibits superior representation ability in alleviating data missing and sparsity issues. The implementation code is available at: https://github.com/HKUDS/STExplainer.
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