自适应轻量级时态卷积网络结合上下文感知下采样策略用于交通流预测

【字体: 时间:2025年05月22日 来源:Engineering Applications of Artificial Intelligence 7.5

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  针对交通流预测中时空特征复杂、计算成本高及时间特征提取粗粒度问题,研究人员提出 ALTCN-CD 模型。通过上下文感知下采样和自适应轻量级时态卷积模块,在多数据集验证其有效性,为智能交通系统提供轻量化方案。

  
交通出行是现代城市的命脉,早高峰的拥堵、晚高峰的缓行,背后是复杂多变的交通流数据在 “作祟”。准确预测交通流能让红绿灯调度更智能、让通勤路线选择更高效,更是智能交通系统(ITS)的核心难题。然而,现有的时空模型虽然性能亮眼,却像 “笨重的大象”—— 计算成本高昂,在硬件资源有限的边缘设备上难以施展;同时,它们对交通流中每天出现的多时段模式(如早高峰的激增、平峰期的稳定)处理粗糙,仿佛用 “放大镜” 看细节,却始终不够清晰。如何让模型既 “轻盈” 又 “敏锐”,成为摆在研究者面前的关键挑战。

为了攻克这两大难题,国内研究团队开展了一项突破性研究。他们提出了一种名为自适应轻量级时态卷积网络结合上下文感知下采样策略(ALTCN-CD)的新模型,相关成果发表在《Engineering Applications of Artificial Intelligence》。该研究旨在打造一个能在有限硬件上高效运行,同时精准捕捉交通流多维度特征的 “智能预测器”。

研究人员主要采用了以下关键技术方法:

  1. 上下文感知下采样策略:在时间维度对交通流数据进行下采样,减少输入序列长度,同时为每个时间步提供上下文信息,在降低计算量的同时保留关键特征。
  2. 自适应轻量级时态卷积模块(ALTCM):以轻量、细粒度的方式自适应更新模型参数,提升处理交通流多时间模式的能力。
  3. 时空嵌入技术:通过数据驱动的方式高效学习交通流潜在的时空模式,无需先验知识,具备良好的扩展性。

性能评估


研究通过四个公共交通流预测基准数据集和一个私有交通速度数据集,系统评估了 ALTCN-CD 的性能,回答了六个关键研究问题:

  • RQ1:与近期先进模型相比,ALTCN-CD 在公共数据集上展现出更优的预测精度,验证了其有效性。
  • RQ2:在训练和推理时间上,ALTCN-CD 显著优于同类模型,凸显了其轻量级优势,满足实时处理需求。
  • RQ3:通过消融实验发现,上下文感知下采样策略和 ALTCM 模块均对模型性能有显著提升,二者协同作用使模型兼具效率与准确性。
  • RQ4(原文未完整呈现,基于上下文推测):隐藏层设计对模型捕捉时空特征的深度至关重要,合理的网络结构优化可进一步提升预测能力。

结论与讨论


ALTCN-CD 的提出为交通流预测领域带来了双重突破:一方面,通过上下文感知下采样策略,模型成功 “瘦身”,计算成本大幅降低,使其能在边缘设备等硬件资源有限的场景中部署,为实时交通管理提供了可能;另一方面,自适应轻量级时态卷积模块如同 “精密探测器”,以细粒度的方式解析交通流的多时间模式,打破了传统模型粗粒度处理的局限,显著提升了特征提取的深度和精度。

实验结果表明,该模型在不同规模、不同类型的交通数据集上均表现出稳健的性能,不仅为智能交通系统提供了一个高效、轻量化的解决方案,也为时空预测领域(如能源消耗预测、气候模型等)提供了可借鉴的方法论。随着智慧城市建设的推进,ALTCN-CD 有望在交通拥堵缓解、动态路径规划等实际应用中发挥重要作用,推动智能交通从 “数据感知” 向 “精准决策” 迈进。

这项研究不仅解决了交通流预测中的实际痛点,更展现了轻量级深度学习模型在时空数据处理中的潜力。未来,通过进一步优化网络结构和扩展应用场景,ALTCN-CD 可能成为连接理论研究与工程实践的桥梁,为智能交通领域的技术革新注入新动力。

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