How to Build a Graph-Based Deep Learning Architecture in Traffic Domain: A Survey

论文简介

原文标题:How to Build a Graph-Based Deep Learning Architecture in Traffic Domain: A Survey
简介:这是一篇关于交通方面的综述,文章介绍了交通方面的几个方向、挑战、和技术等。

问题

交通方面的问题主要包括以下几类,交通拥堵、旅行需求、交通安全、交通监管和自动驾驶,它们对应的研究方向如蓝色方框所示。
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交通问题存在相同的挑战,时间相关性和空间相关性。
空间相关性:可以是相邻的区域也可以是距离远的区域,一般来说,交通流量预测或速度预测更多关注相邻区域,交通需求预测还需关注地区的功能相似性,如POI信息等。
时间相关性:交通时空序列数据存在周期性、邻近性等特性。
外部特征:如节假日、天气信息等。
以往的工作通常用CNN来提取空间信息,用RNN来提取时间信息,CNN只能对相邻的区域进行加权,数据建模为欧式空间下的数据,RNN存在梯度消失和迭代耗时长的问题。
本文重点对近两年提出的GNN方法做出总结,文章认为,GNN可以提取到图中的拓扑信息,这有利于更好的提取特征。下图是文章总结的挑战和技术
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问题定义如下图所示,给定一串历史时空数据χ和外部信息ε,学习一个映射函数来预测未来一个时刻或多个时刻的交通状态:在这里插入图片描述
G为交通图,G=(V,E,A),V为节点集合,E为边集合(可以是带权的也可是无权的),A是邻接矩阵。预测问题用图表述如下
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方法

文章就不同的数据集讨论了不同建图方法,第一类是传感器数据,典型的数据集有美国高速公路数据集PEMS,传感器可以收集道路车辆的速度、车流量等信息,这类工作把传感器当作图中的节点,传感器之间的距离当作边上的权重;也可以把传感器之间的路段当作节点;
第二类是GPS数据,GPS数据由多个车辆的轨迹组成,通常包含时间戳、经纬度、速度信息,每个GPS记录可以划分到最近的路段,一条路可以通过交叉口划分成多个路段,可以建立路段图或交叉口图
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第三类是打车数据集,可以分为出租车订单数据集或共享单车数据集,反映的是移动模式或出行需求,以往的工作通常是把城市划分成多个规则的网格,每个网格代表一个区域,然后预测未来每个网格内的乘车需求量。
第四类是城市轨道交通数据集,如地铁线路或公交线路的数据集,这类数据集都有固定的站点,通常把单位时间站内的上车、下车人数作为结点特征。

文章详细讨论了邻接矩阵的构建,邻接矩阵用来提取拓扑信息,每个元素ai,j可以是二值的(0或1),也可是离散的数来表示权重。根据不同的应用场景,邻接矩阵也可分为固定邻接矩阵和动态邻接矩阵,
固定的邻接矩阵也即静态邻接矩阵,在训练过程中不会发生变化,以往的工作提出了下面几种静态邻接矩阵
功能相似性图:衡量两个节点的城市功能的相似性,如居民区和商业区
交通连通图:19年AAAI一篇论文提出的多图时空卷积网络,路段之间否联通
语义图:19KDD一篇做出租车OD预测提出的,指的是两个区域之间存在的出租车需求量,(这里应该是一个动态图因为OD模式会随时间发生变化,邻接矩阵也会随之变化 )
常见的功能或距离图用的是欧式距离,通过带阈值高斯核来确定aij
在这里插入图片描述
动态邻接矩阵:
一些论文指出据会因交通拥堵一些下游的传感器数值为0,因此有必要构建一个动态的邻接矩阵来表示结点之间的依赖关系,以下几篇论文都构建了动态邻接矩阵
“Graph wavenet for deep spatial-temporal graph modeling”
“Stochastic weight completion for road networks using graph convolutional networks”
“Dynamic spatial-temporal graph convolutional neural networks for traffic forecasting”
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上图中,由原始的区域图可以划分出节点的空间位置图,节点交通连同图和结点功能相似图。(这些图的划分依赖与给定的数据,是否能反映出节点间边的特性)

文章接下来介绍了用于交通的预测的图卷积神经网络,第一种是谱图卷积SGC(Spectral Graph Convolution),作用于无向图,通过傅里叶变化,把卷积计算从空域变换到谱域(也称频域);另一种是扩散卷积DGC(Diffusion Graph Convolution),SGC适合无向图,DGC适用于动态图。

文章还提到了其他一些用于交通时空数据预测的算法,RNN及其变体GRU、LSTM,TCN(通过扩散卷积堆叠而成)代替RNN,越高层的节点感受域越大
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以及Seq2Seq和GAN。
对文章的总结如下图:
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