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Online Spatio-Temporal Correlation-Based Federated Learning for Traffic Flow Forecasting

计算机科学 流量(计算机网络) 智能交通系统 在线学习 相关性 人工智能 运输工程 计算机网络 工程类 万维网 数学 几何学
作者
Qingxiang Liu,Sheng Sun,Min Liu,Yuwei Wang,Bo Gao
出处
期刊:IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:25 (10): 13027-13039 被引量:33
标识
DOI:10.1109/tits.2024.3429533
摘要

Traffic flow forecasting (TFF) is of great importance to the construction of Intelligent Transportation Systems. To mitigate communication burden and tackle with the problem of privacy leakage aroused by centralized forecasting methods, Federated Learning (FL) has been applied to TFF. However, existing FL-based approaches employ batch learning manner, which makes the pre-trained models inapplicable to subsequent traffic data, thus exhibiting subpar prediction performance. In this paper, we perform the first study of forecasting traffic flow adopting online learning manner in FL framework and then propose a novel prediction method named Online Spatio-Temporal Correlation-based Federated Learning (FedOSTC), aiming to guarantee performance gains regardless of traffic fluctuation. Specifically, clients employ Gated Recurrent Unit (GRU)-based encoders to obtain the internal temporal patterns inside traffic data sequences. Then, the central server evaluates spatial correlation among clients via Graph Attention Network (GAT), catering to the dynamic changes of spatial closeness caused by traffic fluctuation. Furthermore, to improve the generalization of the global model for upcoming traffic data, a period-aware aggregation mechanism is proposed to aggregate the local models which are optimized using Online Gradient Descent (OGD) algorithm at clients. We perform comprehensive experiments on two real-world datasets to validate the efficiency and effectiveness of our proposed method and the numerical results demonstrate the superiority of FedOSTC.
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