近年来，图形神经网络（GNN）与复发性神经网络（RNN）的变体相结合，在时空预测任务中达到了最先进的性能。对于流量预测，GNN模型使用道路网络的图形结构来解释链接和节点之间的空间相关性。最近的解决方案要么基于复杂的图形操作或避免预定义的图。本文提出了一种新的序列结构，以使用具有稀疏体系结构的GNN-RNN细胞在多个抽象的抽象上提取时空相关性，以减少训练时间与更复杂的设计相比。通过多个编码器编码相同的输入序列，并随着编码层的增量增加，使网络能够通过多级抽象来学习一般和详细的信息。我们进一步介绍了来自加拿大蒙特利尔的街道细分市场流量数据的新基准数据集。与高速公路不同，城市路段是循环的，其特征是复杂的空间依赖性。与基线方法相比，一小时预测的实验结果和我们的MSLTD街道级段数据集对我们的模型提高了7％以上，同时将计算资源要求提高了一半以上竞争方法。

准确的交通预测对于智能城市实现交通控制，路线计划和流动检测至关重要。尽管目前提出了许多时空方法，但这些方法在同步捕获流量数据的时空依赖性方面缺陷。此外，大多数方法忽略了随着流量数据的变化而产生的道路网络节点之间的动态变化相关性。我们建议基于神经网络的时空交互式动态图卷积网络（STIDGCN），以应对上述流量预测的挑战。具体而言，我们提出了一个交互式动态图卷积结构，该结构将序列划分为间隔，并通过交互式学习策略同步捕获流量数据的时空依赖性。交互式学习策略使StidGCN有效地预测。我们还提出了一个新颖的动态图卷积模块，以捕获由图生成器和融合图卷积组成的流量网络中动态变化的相关性。动态图卷积模块可以使用输入流量数据和预定义的图形结构来生成图形结构。然后将其与定义的自适应邻接矩阵融合，以生成动态邻接矩阵，该矩阵填充了预定义的图形结构，并模拟了道路网络中节点之间的动态关联的产生。在四个现实世界流量流数据集上进行的广泛实验表明，StidGCN的表现优于最先进的基线。

Spatiotemporal forecasting has various applications in neuroscience, climate and transportation domain. Traffic forecasting is one canonical example of such learning task. The task is challenging due to (1) complex spatial dependency on road networks, (2) non-linear temporal dynamics with changing road conditions and (3) inherent difficulty of long-term forecasting. To address these challenges, we propose to model the traffic flow as a diffusion process on a directed graph and introduce Diffusion Convolutional Recurrent Neural Network (DCRNN), a deep learning framework for traffic forecasting that incorporates both spatial and temporal dependency in the traffic flow. Specifically, DCRNN captures the spatial dependency using bidirectional random walks on the graph, and the temporal dependency using the encoder-decoder architecture with scheduled sampling. We evaluate the framework on two real-world large scale road network traffic datasets and observe consistent improvement of 12% -15% over state-of-the-art baselines.

由于流量大数据的增加，交通预测逐渐引起了研究人员的注意力。因此，如何在交通数据中挖掘复杂的时空相关性以预测交通状况更准确地成为难题。以前的作品组合图形卷积网络（GCNS）和具有深度序列模型的自我关注机制（例如，复发性神经网络），分别捕获时空相关性，忽略时间和空间的关系。此外，GCNS受到过平滑问题的限制，自我关注受到二次问题的限制，导致GCN缺乏全局代表能力，自我注意力效率低下捕获全球空间依赖性。在本文中，我们提出了一种新颖的交通预测深入学习模型，命名为多语境意识的时空关节线性关注（STJLA），其对时空关节图应用线性关注以捕获所有时空之间的全球依赖性节点有效。更具体地，STJLA利用静态结构上下文和动态语义上下文来提高模型性能。基于Node2VEC和单热编码的静态结构上下文丰富了时空位置信息。此外，基于多头扩散卷积网络的动态空间上下文增强了局部空间感知能力，并且基于GRU的动态时间上下文分别稳定了线性关注的序列位置信息。在两个现实世界交通数据集，英格兰和PEMSD7上的实验表明，我们的Stjla可以获得高达9.83％和3.08％，在最先进的基线上的衡量标准的准确性提高。

准确预测网络范围的交通状况对于智能运输系统至关重要。在过去十年中，机器学习技术已被广泛用于此任务，导致最先进的性能。我们提出了一种新颖的深入学习模型，图卷积出的经常性神经网络（GCGRNN），预测网络范围，多步交通量。 GCGRNN可以在历史流量数据中自动捕获交通传感器和时间依赖性之间的空间相关性。我们已经使用加利福尼亚州洛杉矶的150个传感器中提取的两个交通数据集进行了评估我们的模型，分别在一小时和15分钟的时间分辨率。结果表明，我们的模型在预测准确性方面优于其他五个基准模型。例如，与使用每小时数据集的最新的扩散卷积经常性神经网络（DCRNN）模型相比，我们的模型将MAE减少25.3％，RMSE以29.2％，并用20.2％的MAPE。我们的模型还可以比DCRNN更快的培训达52％。 GCGRNN的数据和实现可以在https://github.com/leilin-research/gcgrnn找到。

交通流量预测是智能运输系统的重要组成部分，从而受到了研究人员的关注。但是，交通道路之间的复杂空间和时间依赖性使交通流量的预测具有挑战性。现有方法通常是基于图形神经网络，使用交通网络的预定义空间邻接图来建模空间依赖性，而忽略了道路节点之间关系的动态相关性。此外，他们通常使用独立的时空组件来捕获时空依赖性，并且不会有效地对全局时空依赖性进行建模。本文提出了一个新的时空因果图形注意网络（STCGAT），以解决上述挑战。在STCGAT中，我们使用一种节点嵌入方法，可以在每个时间步骤中自适应生成空间邻接子图，而无需先验地理知识和对不同时间步骤动态生成图的拓扑的精细颗粒建模。同时，我们提出了一个有效的因果时间相关成分，其中包含节点自适应学习，图形卷积以及局部和全局因果关系卷积模块，以共同学习局部和全局时空依赖性。在四个真正的大型流量数据集上进行的广泛实验表明，我们的模型始终优于所有基线模型。

使用图形卷积网络（GCN）构建时空网络已成为预测交通信号的最流行方法之一。但是，当使用GCN进行交通速度预测时，常规方法通常将传感器之间的关系作为均匀图，并使用传感器累积的数据来学习邻接矩阵。但是，传感器之间的空间相关性并未指定为一个，而是从各种观点方面定义不同。为此，我们旨在研究流量信号数据中固有的异质特征，以以各种方式学习传感器之间的隐藏关系。具体而言，我们设计了一种方法来通过将传感器之间的空间关系分为静态和动态模块来构造每个模块的异质图。我们提出了一个基于网络分散注意力的基于异质性 - 感知图形卷积网络（HAGCN）方法，该方法通过在异质图中考虑每个通道的重要性来汇总相邻节点的隐藏状态。实际流量数据集的实验结果验证了所提出的方法的有效性，比现有模型取得了6.35％的改善，并实现了最先进的预测性能。

流量预测是智能交通系统中时空学习任务的规范示例。现有方法在图形卷积神经操作员中使用预定的矩阵捕获空间依赖性。但是，显式的图形结构损失了节点之间关系的一些隐藏表示形式。此外，传统的图形卷积神经操作员无法在图上汇总远程节点。为了克服这些限制，我们提出了一个新型的网络，空间 - 周期性自适应图卷积，并通过注意力网络（Staan）进行交通预测。首先，我们采用自适应依赖性矩阵，而不是在GCN处理过程中使用预定义的矩阵来推断节点之间的相互依存关系。其次，我们集成了基于图形注意力网络的PW注意，该图形是为全局依赖性设计的，而GCN作为空间块。更重要的是，在我们的时间块中采用了堆叠的散布的1D卷积，具有长期预测的效率，用于捕获不同的时间序列。我们在两个现实世界数据集上评估了我们的Staan，并且实验验证了我们的模型优于最先进的基线。

交通预测是智能交通系统的问题（ITS），并为个人和公共机构是至关重要的。因此，研究高度重视应对准确预报交通系统的复杂的时空相关性。但是，有两个挑战：1）大多数流量预测研究主要集中在造型相邻传感器的相关性，而忽略远程传感器，例如，商务区有类似的时空模式的相关性; 2）使用静态邻接矩阵中曲线图的卷积网络（GCNs）的现有方法不足以反映在交通系统中的动态空间依赖性。此外，它采用自注意所有的传感器模型动态关联细粒度方法忽略道路网络分层信息，并有二次计算复杂性。在本文中，我们提出了一种新动态多图形卷积递归网络（DMGCRN），以解决上述问题，可以同时距离的空间相关性，结构的空间相关性，和所述时间相关性进行建模。那么，只使用基于距离的曲线图来捕获空间信息从节点是接近距离也构建了一个新潜曲线图，其编码的道路之间的相关性的结构来捕获空间信息从节点在结构上相似。此外，我们在不同的时间将每个传感器的邻居到粗粒区域，并且动态地分配不同的权重的每个区域。同时，我们整合动态多图卷积网络到门控重复单元（GRU）来捕获时间依赖性。三个真实世界的交通数据集大量的实验证明，我们提出的算法优于国家的最先进的基线。

最近的研究侧重于制定流量预测作为一种时空图形建模问题。它们通常在每个时间步骤构造静态空间图，然后将每个节点连接在相邻时间步骤之间以构造时空图形。在这样的图形中，不同时间步骤的不同节点之间的相关性未明确地反映，这可以限制图形神经网络的学习能力。同时，这些模型在不同时间步骤中使用相同的邻接矩阵时，忽略节点之间的动态时空相关性。为了克服这些限制，我们提出了一种时空关节图卷积网络（StJGCN），用于交通预测在公路网络上的几个时间上限。具体地，我们在任何两个时间步长之间构造预定的和自适应时空关节图（STJG），这代表了全面和动态的时空相关性。我们进一步设计了STJG上的扩张因果时空关节图卷积层，以捕获与多个范围不同的视角的时空依赖关系。提出了一种多范围注意机制来聚合不同范围的信息。四个公共交通数据集的实验表明，STJGCN是计算的高效和优于11个最先进的基线方法。

我们都取决于流动性，车辆运输会影响我们大多数人的日常生活。因此，预测道路网络中流量状态的能力是一项重要的功能和具有挑战性的任务。流量数据通常是从部署在道路网络中的传感器获得的。关于时空图神经网络的最新建议通过将流量数据建模为扩散过程，在交通数据中建模复杂的时空相关性方面取得了巨大进展。但是，直观地，流量数据包含两种不同类型的隐藏时间序列信号，即扩散信号和固有信号。不幸的是，几乎所有以前的作品都将交通信号完全视为扩散的结果，同时忽略了固有的信号，这会对模型性能产生负面影响。为了提高建模性能，我们提出了一种新型的脱钩时空框架（DSTF），该框架以数据驱动的方式将扩散和固有的交通信息分开，其中包含独特的估计门和残差分解机制。分离的信号随后可以通过扩散和固有模块分别处理。此外，我们提出了DSTF的实例化，分离的动态时空图神经网络（D2STGNN），可捕获时空相关性，还具有动态图学习模块，该模块针对学习流量网络动态特征的学习。使用四个现实世界流量数据集进行的广泛实验表明，该框架能够推进最先进的框架。

Modeling multivariate time series has long been a subject that has attracted researchers from a diverse range of fields including economics, finance, and traffic. A basic assumption behind multivariate time series forecasting is that its variables depend on one another but, upon looking closely, it's fair to say that existing methods fail to fully exploit latent spatial dependencies between pairs of variables. In recent years, meanwhile, graph neural networks (GNNs) have shown high capability in handling relational dependencies. GNNs require well-defined graph structures for information propagation which means they cannot be applied directly for multivariate time series where the dependencies are not known in advance. In this paper, we propose a general graph neural network framework designed specifically for multivariate time series data. Our approach automatically extracts the uni-directed relations among variables through a graph learning module, into which external knowledge like variable attributes can be easily integrated. A novel mix-hop propagation layer and a dilated inception layer are further proposed to capture the spatial and temporal dependencies within the time series. The graph learning, graph convolution, and temporal convolution modules are jointly learned in an end-to-end framework. Experimental results show that our proposed model outperforms the state-of-the-art baseline methods on 3 of 4 benchmark datasets and achieves on-par performance with other approaches on two traffic datasets which provide extra structural information. CCS CONCEPTS• Computing methodologies → Neural networks; Artificial intelligence.

Traffic state prediction in a transportation network is paramount for effective traffic operations and management, as well as informed user and system-level decision-making. However, long-term traffic prediction (beyond 30 minutes into the future) remains challenging in current research. In this work, we integrate the spatio-temporal dependencies in the transportation network from network modeling, together with the graph convolutional network (GCN) and graph attention network (GAT). To further tackle the dramatic computation and memory cost caused by the giant model size (i.e., number of weights) caused by multiple cascaded layers, we propose sparse training to mitigate the training cost, while preserving the prediction accuracy. It is a process of training using a fixed number of nonzero weights in each layer in each iteration. We consider the problem of long-term traffic speed forecasting for a real large-scale transportation network data from the California Department of Transportation (Caltrans) Performance Measurement System (PeMS). Experimental results show that the proposed GCN-STGT and GAT-STGT models achieve low prediction errors on short-, mid- and long-term prediction horizons, of 15, 30 and 45 minutes in duration, respectively. Using our sparse training, we could train from scratch with high sparsity (e.g., up to 90%), equivalent to 10 times floating point operations per second (FLOPs) reduction on computational cost using the same epochs as dense training, and arrive at a model with very small accuracy loss compared with the original dense training

Reliable forecasting of traffic flow requires efficient modeling of traffic data. Different correlations and influences arise in a dynamic traffic network, making modeling a complicated task. Existing literature has proposed many different methods to capture the complex underlying spatial-temporal relations of traffic networks. However, methods still struggle to capture different local and global dependencies of long-range nature. Also, as more and more sophisticated methods are being proposed, models are increasingly becoming memory-heavy and, thus, unsuitable for low-powered devices. In this paper, we focus on solving these problems by proposing a novel deep learning framework - STLGRU. Specifically, our proposed STLGRU can effectively capture both local and global spatial-temporal relations of a traffic network using memory-augmented attention and gating mechanism. Instead of employing separate temporal and spatial components, we show that our memory module and gated unit can learn the spatial-temporal dependencies successfully, allowing for reduced memory usage with fewer parameters. We extensively experiment on several real-world traffic prediction datasets to show that our model performs better than existing methods while the memory footprint remains lower. Code is available at \url{https://github.com/Kishor-Bhaumik/STLGRU}.

交通速度预测是运输系统中的核心问题之一。为了进行更准确的预测，最近的研究不仅开始使用时间速度模式，还开始使用图形卷积网络上的道路网络上的空间信息。即使由于其非欧亚人和方向性特征，道路网络非常复杂，但以前的方法主要集中于仅使用距离对空间依赖性进行建模。在本文中，我们确定了两个基本的预测中的基本空间依赖性，除了距离，方向和位置关系，以将基本的图形元素设计为基本构建块。我们建议使用构建块，建议DDP-GCN（距离，方向和位置关系图卷积网络）将三个空间关系纳入深神经网络。我们使用两个大型现实世界数据集评估了提出的模型，并在高度复杂的城市网络中找到了长期预测的积极改进。通勤时间的改进可能会更大，但也可以限制短期预测。

Accurate spatial-temporal traffic flow forecasting is essential for helping traffic managers to take control measures and drivers to choose the optimal travel routes. Recently, graph convolutional networks (GCNs) have been widely used in traffic flow prediction owing to their powerful ability to capture spatial-temporal dependencies. The design of the spatial-temporal graph adjacency matrix is a key to the success of GCNs, and it is still an open question. This paper proposes reconstructing the binary adjacency matrix via tensor decomposition, and a traffic flow forecasting method is proposed. First, we reformulate the spatial-temporal fusion graph adjacency matrix into a three-way adjacency tensor. Then, we reconstructed the adjacency tensor via Tucker decomposition, wherein more informative and global spatial-temporal dependencies are encoded. Finally, a Spatial-temporal Synchronous Graph Convolutional module for localized spatial-temporal correlations learning and a Dilated Convolution module for global correlations learning are assembled to aggregate and learn the comprehensive spatial-temporal dependencies of the road network. Experimental results on four open-access datasets demonstrate that the proposed model outperforms state-of-the-art approaches in terms of the prediction performance and computational cost.

交通预测在智能交通系统中很重要，有利于交通安全，但由于现实世界交通系统中的复杂和动态的时空依赖性，这是非常具有挑战性的。先前的方法使用预定义或学习的静态图来提取空间相关性。但是，基于静态图形的方法无法挖掘交通网络的演变。研究人员随后为每次切片生成动态图形以反映空间相关性的变化，但它们遵循独立建模的时空依赖性的范例，忽略了串行空间影响。在本文中，我们提出了一种新的基于跨时动态图形的深度学习模型，名为CDGNet，用于交通预测。该模型能够通过利用横行动态图来有效地捕获每个时切片和其历史时片之间的串联空间依赖性。同时，我们设计了稀疏横行动态图的浇注机制，符合现实世界中的稀疏空间相关性。此外，我们提出了一种新颖的编码器解码器架构，用于结合基于交叉时间动态图形的GCN，用于多步行量预测。三个现实世界公共交通数据集的实验结果表明CDGNET优于最先进的基线。我们还提供了一种定性研究来分析我们建筑的有效性。

Traffic forecasting has attracted widespread attention recently. In reality, traffic data usually contains missing values due to sensor or communication errors. The Spatio-temporal feature in traffic data brings more challenges for processing such missing values, for which the classic techniques (e.g., data imputations) are limited: 1) in temporal axis, the values can be randomly or consecutively missing; 2) in spatial axis, the missing values can happen on one single sensor or on multiple sensors simultaneously. Recent models powered by Graph Neural Networks achieved satisfying performance on traffic forecasting tasks. However, few of them are applicable to such a complex missing-value context. To this end, we propose GCN-M, a Graph Convolutional Network model with the ability to handle the complex missing values in the Spatio-temporal context. Particularly, we jointly model the missing value processing and traffic forecasting tasks, considering both local Spatio-temporal features and global historical patterns in an attention-based memory network. We propose as well a dynamic graph learning module based on the learned local-global features. The experimental results on real-life datasets show the reliability of our proposed method.

Accurate short-term traffic prediction plays a pivotal role in various smart mobility operation and management systems. Currently, most of the state-of-the-art prediction models are based on graph neural networks (GNNs), and the required training samples are proportional to the size of the traffic network. In many cities, the available amount of traffic data is substantially below the minimum requirement due to the data collection expense. It is still an open question to develop traffic prediction models with a small size of training data on large-scale networks. We notice that the traffic states of a node for the near future only depend on the traffic states of its localized neighborhoods, which can be represented using the graph relational inductive biases. In view of this, this paper develops a graph network (GN)-based deep learning model LocaleGN that depicts the traffic dynamics using localized data aggregating and updating functions, as well as the node-wise recurrent neural networks. LocaleGN is a light-weighted model designed for training on few samples without over-fitting, and hence it can solve the problem of few-sample traffic prediction. The proposed model is examined on predicting both traffic speed and flow with six datasets, and the experimental results demonstrate that LocaleGN outperforms existing state-of-the-art baseline models. It is also demonstrated that the learned knowledge from LocaleGN can be transferred across cities. The research outcomes can help to develop light-weighted traffic prediction systems, especially for cities lacking historically archived traffic data.

多变量时间序列（MTS）预测在许多智能应用中引起了很多关注。它不是一个琐碎的任务，因为我们需要考虑一个可变的依赖关系和可变间依赖关系。但是，现有的作品是针对特定场景设计的，需要很多域知识和专家努力，这难以在不同的场景之间传输。在本文中，我们提出了一种尺度意识的神经结构，用于MTS预测（SNAS4MTF）的搜索框架。多尺度分解模块将原始时间序列转换为多尺度子系列，可以保留多尺度的时间模式。自适应图形学习模块在没有任何先前知识的情况下，在不同的时间尺度下递送不同的变量间依赖关系。对于MTS预测，搜索空间旨在在每次尺度上捕获可变的可变依赖性和可变间依赖关系。在端到端框架中共同学习多尺度分解，自适应图学习和神经架构搜索模块。两个现实世界数据集的大量实验表明，与最先进的方法相比，SNAS4MTF实现了有希望的性能。