Adaptive Graph Convolutional Recurrent Network for Traffic Forecasting 论文理解+机翻

背景：快速的城市化带来了人口的增长，并带来了巨大的流动性和挑战性。在这些挑战中，智能交通系统是一个重要领域，交通预测是城市交通管理的重要部分。

问题描述：论文关注的是如何准确的预测未来的交通状况，例如交通流量和速度、乘客需求等。

方法：传统的预测方法采用时间序列模型，它们无法捕捉到大规模交通的非线性相关性和复杂的时空模式。论文提出了一种叫做 Adaptive Graph Convolutional Recurrent Network （AGCRN）的方法。它结合了图卷积神经网络（GCN）和循环神经网络(RNN）的思想，用于捕获不同时间段交通流量数据之间相互依赖的关系。

图卷积神经网络 （GCN）：GCN用于捕获不同交通节点之间的关系，节点可以表示城市中不同交通路口或者区域。GCN通过学习临近节点的信息来预测未来的交通情况。

循环神经网络（RNN）：RNN用于捕获时间序列中的时间依赖性。它可以帮助模型理解过去交通数据如何影响未来的数据。

实验和结果：在真实世界交通数据集上进行实验验证了AGCRN模型的性能。实验结果表明，AGCRN在交通预测方面有很高的准确性。

1 Introduction

交通预测的复杂性

交通预测具有复杂的内部依赖性（即一个交通序列内部的时间相关性）和外部依赖性（即来自己不同源头的多个相关交通序列之间的空间相关性）。这些依赖由不同来源产生。例如，用于交通流量和交通速度预测的不同环路检测器/交叉口，以及用于乘客需求预测的各种站点/区域。

传统方法的限制

传统的交通预测方法简单的采用时间序列模型，例如自回归综合移动平均模型（ARIMA）和向量自回归模型（VAR）。然后，它们无法捕捉大规模交通数据中的非线性相关性和复杂的时空模式。这些方法往往忽略了不同交通序列之间的相互影响以及空间相关性，因此在处理这些挑战时表现不佳。传统方法在处理这些问题时存在限制。因此，需要采用更先进的方法来应对这些挑战，以提高交通预测的准确性和可靠性。

研究趋势

最近的研究趋势是采用深度学习方法，专注设计新的神经网络结构，以捕获所有交通数据序列共享的显著时空模式。时间依赖性采用循环神经网络（RNN）和时间卷积模块（TCN）进行建模，空间相关性采用基于图卷积神经网络（GCN）进行建模。

问题

虽然深度学习的方法取得了令人满意的结果，但是对于不同数据序列的特定细粒度模式并不准确，因为它们过于偏向捕捉共享模式。此外，现有的GCN方法需要预先定义一个相似度或者距离度量来生成连接图，这需要大量的领域知识，并且对图的质量非常敏感。

提出的解决方法和模型

作者提出了两种机制来改进现有GCN构建块，来分别解决上述问题。

1）提出了一个节点自适应参数学习(NAPL)模块，用于学习每个交通序列特定模式。

2）提出了数据自适应图生成(DAGG)模块，用于从数据中推断节点嵌入属性，并在训练过程中生成图。

NAPL：这个模块允许模型为每个节点学习特定的模式或参数，而不是共享全局参数。它使用了矩阵分解的思想，将参数学习分解为两个较小的参数矩阵，从而可以为每个节点生成特定的参数。

 DAGG：这个模块允许模型根据数据自动生成图结构，而不是依赖于预定义的图。它使用了节点嵌入和权重池来动态生成图，以更好地捕捉交通数据中的空间关系。

作者将这两个模块与循环神经网络相结合，提出了一个统一的交通预测模型AGCRN。AGCRN能够捕捉交通数据中的细粒度节点特定的时空相关性，并统一了修正后的GCN中的节点嵌入属性。

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