Dynamic graph structure learning for multivariate time series forecasting

计算机科学 杠杆(统计) 图形 多元统计 时间序列 嵌入 动态网络分析 邻接矩阵 邻接表 人工智能 算法 数据挖掘 理论计算机科学 机器学习 计算机网络
作者
Zhuolin Li,Gao Wei Zhang,Jie Yu,Ling Yu Xu
出处
期刊:Pattern Recognition [Elsevier BV]
卷期号:138: 109423-109423 被引量:59
标识
DOI:10.1016/j.patcog.2023.109423
摘要

Multivariate time series forecasting is a challenging task because the dynamic spatio-temporal dependencies between variables are a combination of multiple unknown association patterns. Existing graph neural networks typically model multivariate relationships with a predefined spatial graph or a learned fixed adjacency graph, which fails to handle the aforementioned challenges. In this study, we decompose association patterns into stable long-term and dynamic short-term patterns and propose a novel framework, named the static and dynamic graph learning network (SDGL), for modeling unknown patterns. Our approach infers two types of graph structures, from the data simultaneously: static and dynamic graphs. A static graph is developed to capture the fixed long-term pattern via node embedding, and we leverage graph regularity to control its learning direction. Dynamic graphs, which are time-varying matrices based on changing node-level features, are used to model dynamic dependencies over the short term. To effectively capture local dynamic patterns, we integrate the learned long-term pattern as an inductive bias. Experiments on six benchmark datasets show the state-of-the-art performance of our method. Analysis of the learned graphs reveals that the model succeeds in modeling dynamic spatio-temporal dependencies.
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