Decoupled dynamic spatial-temporal graph neural network for traffic forecasting

计算机科学 图形 人工神经网络 人工智能 理论计算机科学
作者
Zezhi Shao,Zhao Zhang,Wei Wei,Fei Wang,Yongjun Xu,Xin Cao,Christian S. Jensen
出处
期刊:Proceedings of the VLDB Endowment [Association for Computing Machinery]
卷期号:15 (11): 2733-2746 被引量:194
标识
DOI:10.14778/3551793.3551827
摘要

We all depend on mobility, and vehicular transportation affects the daily lives of most of us. Thus, the ability to forecast the state of traffic in a road network is an important functionality and a challenging task. Traffic data is often obtained from sensors deployed in a road network. Recent proposals on spatial-temporal graph neural networks have achieved great progress at modeling complex spatial-temporal correlations in traffic data, by modeling traffic data as a diffusion process. However, intuitively, traffic data encompasses two different kinds of hidden time series signals, namely the diffusion signals and inherent signals. Unfortunately, nearly all previous works coarsely consider traffic signals entirely as the outcome of the diffusion, while neglecting the inherent signals, which impacts model performance negatively. To improve modeling performance, we propose a novel Decoupled Spatial-Temporal Framework (DSTF) that separates the diffusion and inherent traffic information in a data-driven manner, which encompasses a unique estimation gate and a residual decomposition mechanism. The separated signals can be handled subsequently by the diffusion and inherent modules separately. Further, we propose an instantia-tion of DSTF, Decoupled Dynamic Spatial-Temporal Graph Neural Network (D2 STGNN), that captures spatial-temporal correlations and also features a dynamic graph learning module that targets the learning of the dynamic characteristics of traffic networks. Extensive experiments with four real-world traffic datasets demonstrate that the framework is capable of advancing the state-of-the-art.
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