Multivariate signals are prevalent in various domains, such as healthcare, transportation systems, and space sciences. Modeling spatiotemporal dependencies in multivariate signals is challenging due to (1) long-range temporal dependencies and (2) complex spatial correlations between sensors. To address these challenges, we propose representing multivariate signals as graphs and introduce GraphS4mer, a general graph neural network (GNN) architecture that captures both spatial and temporal dependencies in multivariate signals. Specifically, (1) we leverage Structured State Spaces model (S4), a state-of-the-art sequence model, to capture long-term temporal dependencies and (2) we propose a graph structure learning layer in GraphS4mer to learn dynamically evolving graph structures in the data. We evaluate our proposed model on three distinct tasks and show that GraphS4mer consistently improves over existing models, including (1) seizure detection from electroencephalography signals, outperforming a previous GNN with self-supervised pretraining by 3.1 points in AUROC; (2) sleep staging from polysomnography signals, a 4.1 points improvement in macro-F1 score compared to existing sleep staging models; and (3) traffic forecasting, reducing MAE by 8.8% compared to existing GNNs and by 1.4% compared to Transformer-based models.


翻译:多变量信号在保健、运输系统和空间科学等不同领域普遍存在。多变量信号的模拟时空依赖性在多变量信号中具有挑战性,因为:(1) 远程时间依赖性和(2) 传感器之间的复杂空间相关性。为了应对这些挑战,我们提议将多变量信号作为图表,并引入GreagS4mer,这是一个通用的图形神经网络结构,它捕捉多变量信号的空间和时间依赖性。具体地说,(1) 我们利用结构化国家空间模型(S4),即最新顺序模型,以捕捉长期时间依赖性,(2) 我们在GreagS4mer中提议一个图形结构学习层,以在数据中学习动态变化的图形结构结构。我们根据三项不同的任务评估我们提议的模型,并表明GregS4mer不断改进现有模型,包括:(1) 从电子脑图学信号中检测缉获情况,超过以前的GNNN,在AUROC中进行自我监控的预培训分数为3.1分;(2) 从多式摄影信号中进行睡眠转换,在GIM1模型中进行4.1点改进,与MF1相比,通过现有模型将M-F1等级变换为0.8。

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