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基于聯邦學習與異步圖卷積網絡的交通流預測模型FLAGCN:優化時空依賴性與計算效率的創新框架
《Array》:Predicting Traffic Flow with Federated Learning and Graph Neural with Asynchronous Computations Network
【字體: 大 中 小 】 時間:2025年05月08日 來源:Array 2.7
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本研究針對智能交通系統(ITS)中實時交通流預測的精度與效率平衡難題,提出融合聯邦學習(FL)與異步圖卷積網絡(AGCN)的FLAGCN模型。通過創新的子圖劃分策略和GraphFL參數更新機制,在METR-LA/PEMS08數據集上實現RMSE降低6.85%、訓練時間縮短至5.02秒的突破,為分布式交通預測提供了兼顧準確性(R2=0.91)與部署效率的解決方案。
隨著城市化進程加速,交通擁堵已成為困擾現代社會的頑疾。傳統交通管理系統面臨兩大核心挑戰:一方面,集中式深度學習模型如DCRNN需要海量數據傳輸,導致高昂的通信成本;另一方面,現有聯邦學習方案難以捕捉交通數據中復雜的時空關聯性。這些瓶頸嚴重制約了智能交通系統(ITS)的實時響應能力。
為解決這一難題,國內研究人員開發了名為FLAGCN的創新框架。該模型創造性地將聯邦學習(FL)與異步圖卷積網絡(AGCN)相結合,通過三項關鍵技術突破:采用Metis/Graclu算法進行拓撲感知的子圖劃分,設計GraphFL策略實現參數分層聚合,構建自適應異步時空相關矩陣(ASTCM)來捕捉動態依賴關系。在METR-LA和PEMS08數據集上的實驗表明,FLAGCN在保持預測精度(R2=0.91)的同時,將訓練時間壓縮至傳統模型的3.6%,相關成果發表在《Array》期刊。
研究方法上,團隊首先利用圖聚類算法將交通網絡劃分為9-10個子圖,每個子圖作為獨立訓練客戶端。通過異步時空圖卷積層處理局部數據,采用門控融合機制防止過平滑現象。全局模型通過加權聚合各子圖參數,其中創新性地引入張量分解技術將ASTCM參數從O(m2)降至O(m)。實驗設置包含6-20個子圖數量對比,最終選擇在通信成本(降低47%)與精度間取得平衡的配置。
研究結果部分顯示:1)在模型架構驗證中,8個空間圖構建的異步時空圖展現出最佳性能,MAE降至2.17;2)子圖劃分實驗證實,9子圖配置使METR-LA數據集推理時間縮短至0.45秒;3)橫向對比中,FLAGCN的MAPE指標較最優基線降低20.45%,同時訓練效率提升27倍;4)消融研究表明,GraphFL策略有效保留了92.3%的局部空間相關性。
討論部分指出,該研究的創新性體現在三個方面:首次將異步計算引入交通預測的聯邦學習框架,提出基于拓撲結構的動態子圖劃分方法,開發參數高效的時空相關性建模技術。盡管當前模型在固定路網場景表現優異,作者也坦承其在動態拓撲適應性和異構設備兼容性方面的局限。未來工作將探索實時圖重連機制與多模態交通數據融合,推動智慧城市管理系統向更高效、更魯棒的方向發展。這項研究不僅為分布式交通預測設立了新基準,其提出的GraphFL框架更為圖數據處理領域的聯邦學習提供了普適性解決方案。
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