GMAN解读（论文+代码）

一、注意力机制

        注意力机制与传统的卷积神经网络不同的是，前者擅长捕获全局依赖和长程关系，权重会动态调整。而后者对于所有特征都使用同一个卷积核。关于更多注意力机制内容，详见：

注意力机制、自注意力机制、多头注意力机制、通道注意力机制、空间注意力机制超详细讲解-CSDN博客

        而本论文基于空间注意力机制，提出了空间和时间注意力机制，以建模动态的时空相关性。 

二、GMAN 模型

 

1. 时空嵌入（Sptio-Tempoal Embedding，STE）

        STE 的作用是将图结构和时间信息融入多注意力机制中。

        空间嵌入采用Node2Vec方法将N个顶点编码为保留图结构信息的向量，然后将其输入两层全连接神经网络中以进行联合训练。从而可以得到一个 RD 的向量。

        时间嵌入而是将每个时间步编码为向量。首先将将一天划分为 T 个时间步，并对每个时间步的“周几”和“时间段”进行独热编码。然后通过两层全连接网络将时间特征也转换为一个 RD 的向量。

        最后，对于顶点 vi 和时间步 tj ，STE定义为

2.  时空注意力模块（ST-Attention Block）

2.1 空间注意力（Spatial Attention）

        在传统图卷积GCN中，隐藏状态通过以下方式计算：

        其中，A代表图的邻接矩阵，W代表权重。但在实际场景中，不同邻居对目标节点的重要性可能不同。因此，在注意力机制中，通过一个注意力分数 α 表示顶点 v 对顶点 vi 的重要性。那么加入注意力机制后的隐藏状态计算方式如下：

        注意力分数 α 的计算方式如下所示：

                    

        式中，|| 表示拼接，<  ，> 表示左右两个元素点乘。e 也就是上一步的时空嵌入（STE）。 其代码如下所示：

X = tf.concat((X, STE), axis = -1)query = FC(X, units = D, activations = tf.nn.relu, bn = bn, bn_decay = bn_decay, is_training = is_training)
key = FC(X, units = D, activations = tf.nn.relu, bn = bn, bn_decay = bn_decay, is_training = is_training)# 多头分解（K代表有几个头）
query = tf.concat(tf.split(query, K, axis = -1), axis = 0)
key = tf.concat(tf.split(key, K, axis = -1), axis = 0)# 计算注意力分数
attention = tf.matmul(query, key, transpose_b = True)
attention /= (d ** 0.5)
attention = tf.nn.softmax(attention, axis = -1)

2.2 时间注意力（Temporal Attention） 

        时间注意力和空间注意力的实现方法类似。只有一点不同，空间注意力在空间维度（N）中捕捉节点间的依赖。而时间注意力在时间维度（num_step）中捕捉时间步间的依赖。

        作者在这一块的代码部分加入了可选的掩码（mask）。它与因果卷积的作用相同，都是为了解决时间序列建模中的因果性问题，防止未来信息泄露。不同点如下所示：

2.3 门控融合（Gated Fusion）

        在某些情况下，交通状况可能主要受空间因素影响（如附近道路拥堵）。在另一些情况下，时间因素可能更为关键（如高峰期的规律性变化）。为了平衡空间和时间注意力的贡献，使得模型可以在不同时空条件下动态调整两者的重要性，作者在这里使用了门控机制。Hs 代表空间注意力机制，Ht 代表时间注意力机制。

        z 是一个门控权重，z 越接近 1，模型越依赖空间注意力输出。反之越接近 0 ，模型越依赖时间注意力输出。其中 z 通过以下公式计算：

        其算法代码如下， 

XS = FC(HS, units = D, activations = None,bn = bn, bn_decay = bn_decay,is_training = is_training, use_bias = False)
XT = FC(HT, units = D, activations = None,bn = bn, bn_decay = bn_decay,is_training = is_training, use_bias = True)
z = tf.nn.sigmoid(tf.add(XS, XT))
H = tf.add(tf.multiply(z, HS), tf.multiply(1 - z, HT))

3. 编码器-解码器结构

        编码器会接收历史交通数据（比如过去 1 小时的交通流量），将这些时间序列的信息“浓缩”为一个隐藏表示，这个表示概括了所有历史时间步的信息。解码器接收编码器生成的隐藏表示，结合目标预测的要求（比如未来 1 小时的交通流量），逐步生成未来时间步的预测值。

4. 转换注意力（Transform Attention） 

        在长时间交通预测中，我们不仅需要知道历史的交通状况，还要明白历史的哪些时刻对未来的影响更重要。而转换注意力的作用就是把历史信息直接“映射”到未来，建立一种历史时间步和未来时间步之间的直接联系。比如，要想预测明天早上的交通状况，就要先知道今天早上的交通状况和昨天晚上的交通状况。如果昨天晚上有交通事故，那么一定会影响今天早上的交通状况。最后就可以建立映射关系：

        昨天晚上——>今天早上，那么今天晚上——>明天早上。

        转换注意力会计算每个历史时间步和每个未来时间步之间的“相关性分数”。这个分数告诉我们某个历史时刻对未来有多重要。然后根据计算出的相关性分数，为未来时间步选择最重要的历史时间步，提取它们的特征信息。最后把这些选出来的历史特征送到解码器，直接生成未来的预测值。

        在代码上，transformAttention 和 temporalAttention、spatialAttention 的写法类似，只不过传入的参数有所不同。具体来说，也就是 Query、Key、Value 不同。transformAttention 使用历史时间步（STE_P）和预测时间步（STE_Q） 构建 Query-Key 机制，实现时间序列的转换。