Spatiotemporal Propagation Learning for Network-Wide Flight Delay Prediction

计算机科学 透视图(图形) 水准点(测量) 图形 数据挖掘 卷积(计算机科学) 人工智能 机器学习 理论计算机科学 人工神经网络 大地测量学 地理
作者
Yuankai Wu,Hongyu Yang,Yi Lin,Hong Liu
出处
期刊:IEEE Transactions on Knowledge and Data Engineering [Institute of Electrical and Electronics Engineers]
卷期号:36 (1): 386-400 被引量:19
标识
DOI:10.1109/tkde.2023.3286690
摘要

Accurate and interpretable delay predictions are vital for decision-making in the aviation industry. However, effectively incorporating spatiotemporal dependencies and external factors related to delay propagation remains a challenge. To address this challenge, we propose the SpatioTemporal Propagation Network (STPN), a novel space-time separable graph convolutional network that models delay propagation by considering both spatial and temporal factors. STPN uses a multi-graph convolution model that considers both geographic proximity and airline schedules from a spatial perspective, while employing a multi-head self-attention mechanism that can be learned end-to-end and explicitly accounts for various types of temporal dependencies in delay time series from a temporal perspective. Experiments on two real-world delay datasets show that STPN outperforms state-of-the-art methods for multi-step ahead arrival and departure delay prediction in large-scale airport networks. Additionally, the counterfactuals generated by STPN provide evidence of its ability to learn explainable delay propagation patterns. Comprehensive experiments also demonstrate that STPN sets a robust benchmark for general spatiotemporal forecasting. The code for STPN is available at https://github.com/Kaimaoge/STPN .
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