شماره ركورد
34777
پديد آورنده
نورس العاشور
عنوان
پيشبيني جريان ترافيك با حفظ حريم خصوصي: يك رويكرد يادگيري فدرال شبيهسازي شده
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي كامپيوتر- شبكههاي كامپيوتري
سال تحصيل
1402
تاريخ دفاع
1404/12/2
استاد راهنما
ناصر مزيني
استاد مشاور
/
دانشكده
پرديس دانشگاهي - دانشكده مهندسي كامپيوتر
چكيده
پيشبيني دقيق جريان ترافيك براي بهينهسازي سيستمهاي حملونقل هوشمند (ITS) حياتي است؛ با اين حال، مدلهاي متمركز سنتي نيازمند تجميع دادههاي خام حساس هستند كه اين امر موجب نگرانيهاي جدي در زمينه حريم خصوصي و ايجاد نقاط ضعف سيستماتيك ميشود. اين پژوهش، يك چارچوب پيشبيني جريان ترافيك با حفظ حريم خصوصي معرفي ميكند كه از يادگيري فدرال (Federated Learning) غيرمتمركز، مديريت شده از طريق يك شبكه چندلايه شبيهسازي شده، بهره ميبرد. براي استخراج موثر وابستگيهاي پيچيده مكاني-زماني بدون تبادل دادههاي خام، يك معماري يادگيري عميق بهينه بهكار گرفته شد كه شبكههاي عصبي گراف (GNN) را براي استخراج ويژگيهاي مكاني و واحدهاي حافظه طولاني كوتاهمدت (LSTM) را براي تحليل پوياييهاي زماني ادغام ميكند. علاوه بر اين، يك لايه امنيتي قدرتمند شامل «حريم خصوصي تفاضلي» (Differential Privacy) از طريق يك فرآيند دو مرحلهاي اغتشاش گراديان (شامل برشدهي و تزريق نويز لاپلاس) يكپارچهسازي شد. اين چارچوب با استفاده از شاخصهاي معتبر دنياي واقعي PeMS-BAY و METR-LA تحت ارزيابي دقيق قرار گرفت. نتايج تجربي نشاندهنده يك توازن عملي ميان حريم خصوصي و كارايي (Privacy-Utility Tradeoff) است، كه در آن مقدار اپسيلون 1.0 به عنوان بودجه ايدهآل حريم خصوصي براي برقراري تعادل ميان حفاظت در برابر استنتاج هويت و دقت عملياتي شناسايي شد. صحتسنجي متقاطع روي مجموعهدادههاي مختلف، توانايي مدل در تعميمپذيري در محيطهاي شهري گوناگون را تاييد كرد و عملكردي مشابه با بنچماركهاي متمركز را به نمايش گذاشت. بهطور خاص، روش فدرال به ميانگين خطاي مطلق (MAE) 3.7221 مايل بر ساعت در PeMS-BAY دست يافت كه نشان ميدهد طراحي مبتني بر حريم خصوصي (Privacy-by-Design) لزوماً منجر به كاهش قابلتوجه كارايي نميشود. در نتيجه، اين تحقيق پايهاي مقياسپذير و ايمن براي خدمات جابهجايي دادهمحور آتي ايجاد ميكند و بهطور موثري نياز به پيشبيني ترافيك با وضوح بالا را در عين پايبندي به الزامات سختگيرانه قانوني و اخلاقي حفاظت از دادهها برطرف ميسازد.
تاريخ ورود اطلاعات
1405/02/20
عنوان به انگليسي
PRIVACY-PRESERVING TRAFFIC FLOW PREDICTION: A SIMULATED FEDERATED LEARNING APPROACH
تاريخ بهره برداري
4/21/2026 12:00:00 AM
دانشجوي وارد كننده اطلاعات
نورس العاشور
چكيده به لاتين
In fact, the accuracy of traffic flow prediction plays a vital role in the optimization of Intelligent Transportation Systems. In this regard, the traditional centralized approach demands the aggregation of the raw data, which in turn raises serious privacy issues. In this paper, a new traffic flow prediction framework with the ability to provide a high level of privacy has been proposed using the decentralized approach of Federated Learning with the assistance of a simulated multi-tiered network. To address the issue of the complexity of the spatio-temporal relationships between the traffic flows, a new streamlined deep learning model has been employed with the assistance of Graph Neural Networks and Long Short-Term Memory units. Moreover, to provide the security requirements of the system, the model has been equipped with a robust security feature using the Differential Privacy approach with the assistance of a two-step gradient perturbation mechanism. The proposed model has been evaluated using the popular PeMS-BAY and METR-LA traffic flow datasets. From the experimental results, it is evident that a privacy-utility tradeoff is achievable, with the ideal epsilon value being 1.0 for a suitable balance in the protection of identity inference and precision in the modelʹs functionality. Moreover, the validation across datasets ensured the modelʹs ability to generalize across diverse urban environments, with performance remaining consistent with centralized benchmarks. Notably, the federated approach achieved a mean absolute error rate of 3.7221 mph on the PeMS-BAY dataset, thus demonstrating the ability for privacy-by-design without sacrificing utility in the process. This research, therefore, presents a secure framework for the development of future data-based mobility services, effectively addressing the need for precise traffic flow prediction while meeting strict regulatory and ethical guidelines for data protection.
كليدواژه هاي فارسي
يادگيري فدرال , پيشبيني جريان ترافيك , حفظ حريم خصوصي , حريم خصوصي افتراقي , مدلسازي فضايي-زماني , سيستمهاي حمل و نقل هوشمند (ITS).
كليدواژه هاي لاتين
Federated learning , Traffic flow prediction , Privacy preservation , Differential Privacy , Spatiotemporal Modeling , Intelligent Transportation Systems (ITS).
Author
Nawras AL Ashoor
SuperVisor
Naser Mozayeni