广西师范大学学报(自然科学版) ›› 2022, Vol. 40 ›› Issue (2): 15-26.doi: 10.16088/j.issn.1001-6600.2021020301

• • 上一篇    下一篇

基于系统关联性的高速公路大中型货车到达量多尺度预测

林培群1*, 何伙华1, 林旭坤2   

  1. 1.华南理工大学 土木与交通学院,广东 广州 510641;
    2.广东省交通运输厅 综合规划处,广东 广州 510101
  • 收稿日期:2021-02-03 修回日期:2021-03-23 发布日期:2022-05-31
  • 通讯作者: 林培群(1980—),男,广东饶平人,华南理工大学教授,博士。E-mail:pqlin@scut.edu.cn
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(52072130,U1811463);广东省自然科学基金(2020A1515010349);中央高校基本科研业务费(2020ZYGXZR085)

Multi-scale Prediction of Expressways' Arrival Volume of Large and Medium-sized Trucks Based on System Relevance

LIN Peiqun1*, HE Huohua1, LIN Xukun2   

  1. 1. School of Civil and Transportation, South China University of Technology, Guangzhou Guangdong 510641, China;
    2. Department of Transportation of Guangdong Province, Guangzhou Guangdong 510101, China
  • Received:2021-02-03 Revised:2021-03-23 Published:2022-05-31

摘要: 近年来,交通流中大中型货车流量占比逐渐增大,对城市交通的影响日愈增加,准确、及时的大中型货车到达量预测对精确的城市交通管控具有重要意义。针对该问题,本文提出了考虑系统关联性的高速公路大中型货车到达量多尺度预测方法:考虑高速公路网的系统关联性,对高速公路收费站进、出口大中型货车流量的时空关联性进行分析,构建神经网络模型学习空间权重与时间权重;每一时间步将输入与空间权重、时间权重融合,并设置偏置项修正后得到该时间步预测结果;各时间步预测结果对应求和得到最终预测结果。实验结果表明:所用方法在15、30、60 min的时间尺度下预测精度分别达到90.92%、92.48%、94.33%,优于其他对比模型,实用性和有效性均得到了保证。

关键词: 交通流预测, 系统关联性, 神经网络, 高速公路, 大中型货车流量

Abstract: In recent years, the proportion of large and medium-sized trucks in the traffic flow has gradually increased, and the impact on urban traffic is increasing day by day. Accurate and timely prediction of the arrival of large and medium-sized trucks is of great significance to accurate urban traffic control. To solve this problem, a multi-scale prediction method for the arrival volume of large and medium-sized trucks on expressway based on the system correlation is proposed: the spatio-temporal correlation of the flow of large and medium-sized trucks at the entrance and exit of expressway toll stations is analyzed, and a neural network model is constructed to learn the spatial weight and time weight. In each step of time, the input is fused with spatial weight and time weight, and the offset term is set to obtain the prediction result of the time step after correction.The final prediction result is obtained by summing the prediction results of each step of time. The experimental results show that the prediction accuracy of the method is 90.92%, 92.48% and 94.33% respectively at the time scales of 15, 30 and 60 mins, which is better than other models, and the practicability and effectiveness are guaranteed.

Key words: traffic flow prediction, system relevance, neural networks, expressways, large and medium-sized trucks volume

中图分类号: 

  • U491
[1] 美国交通研究委员会. 道路通行能力手册[M]. 任福田, 刘小明, 荣建, 等译. 北京: 人民交通出版社, 2007: 56-150.
[2] 刘欣, 王洪涛, 林洋. 交通量预测研究方法评述[J]. 吉林建筑工程学院学报, 2009, 26(4): 35-38. DOI: 10.3969/j.issn.1009-0185.2009.04.010.
[3] 唐秋生,王川. 基于云遗传算法优化BP神经网络的轨道客流预测[J]. 桂林理工大学学报,2021,41(2):403-408.
[4] 刘铭, 鱼昕. 基于改进LSTM算法的短时交通流量预测[J]. 桂林理工大学学报, 2021, 41(2):409-414.
[5] 林培群, 陈丽甜, 雷永巍. 基于K近邻模式匹配的地铁客流量短时预测[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2018, 46(1): 50-57. DOI: 103969/jissn1000-565X201801007.
[6] ZHENG Z D, SU D C. Short-term traffic volume forecasting: A k-nearest neighbor approach enhanced by constrained linearly sewing principle component algorithm[J]. Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 2014, 43(Part 1): 143-157. DOI: 10.1016/j.trc.2014.02.009.
[7] CHENG S F, LU F, PENG P, et al. Short-term traffic forecasting: An adaptive ST-KNN model that considers spatial heterogeneity[J]. Computers, Environment and Urban Systems, 2018, 71: 186-198. DOI: 10.1016/j.compenvurbsys.2018.05.009.
[8] HABTEMICHAEL F G, CETIN M. Short-term traffic flow rate forecasting based on identifying similar traffic patterns[J]. Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 2016, 66: 61-78. DOI: 10.1016/j.trc.2015.08.017.
[9] WILLIAMS B M, HOEL L A. Modeling and forecasting vehicular traffic flow as a seasonal ARIMA process: Theoretical basis and empirical results[J]. Journal of Transportation Engineering, 2003, 129(6):664-672. DOI: 10.1061/(ASCE)0733-947X(2003)129: 6(664).
[10] VAN DER VOORT M, DOUGHERTY M, WATSON S. Combining Kohonen maps with ARIMA time series models to forecast traffic flow[J]. Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 1996, 4(5): 307-318. DOI: 10.1016/S0968-090X(97)82903-8.
[11] SMITH B L, WILLIAMS B M, OSWALD R K. Comparison of parametric and nonparametric models for traffic flow forecasting[J]. Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 2002, 10(4): 303-321. DOI: 10.1016/S0968-090X(02)00009-8.
[12] JEONG Y S, BYON Y J, CASTRO-NETO M M, et al. Supervised weighting-online learning algorithm for short-term traffic flow prediction[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2013, 14(4): 1700-1707. DOI: 10.1109/TITS.2013.2267735.
[13] 徐永俊. 基于混沌和SVR的短时交通流预测方法研究[D]. 成都: 西南交通大学, 2011.
[14] 刘剑, 刘丽华, 赵悦. 基于KPCA与SVM的混合核交通流数据检测[J]. 沈阳建筑大学学报(自然科学版), 2018, 34(5): 921-928. DOI: 10.11717/j.issn:2095-1922.2018.05.19.
[15] 谈苗苗. 基于LSTM和灰色模型集成的短期交通流预测[D]. 南京: 南京邮电大学, 2017.
[16] 王嘉琪. 基于CNN和LSTM的城市区域交通流量预测[D]. 大连: 大连理工大学, 2019.
[17] ZHANG D, KABULA M R. Combining weather condition data to predict traffic flow: a GRU-based deep learning approach[J]. IET Intelligent Transport Systems, 2018, 12(7): 578-585. DOI: 10.1049/iet-its.2017.0313.
[18] 于德新, 邱实, 周户星, 等. 基于GRU-RNN模型的交叉口短时交通流预测研究[J]. 公路工程, 2020, 45(4): 109-114. DOI: 10.19782/j.cnki.1674-0610.2020.04.018.
[19] 李朝阳, 李琳, 陶晓辉. 面向动态交通流预测的双流图卷积网络[EB/OL]. (2020-11-06)[2021-03-23]. http://kns.cnki.net/kcms/detail/11.5602.TP.20201105.1009.008.html.
[20] LV M Q, HONG Z X, CHEN L, et al. Temporal multi-graph convolutional network for traffic flow prediction[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2021, 22(6): 3337-3348. DOI: 10.1109/TITS.2020.2983763.
[21] GUO K, HU Y L, QIAN Z, et al. Dynamic graph convolution network for traffic forecasting based on latent network of Laplace matrix estimation[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2022, 23(2): 1009-1018. DOI: 10.1109/TITS.2020.3019497.
[22] 黄子敬. 基于时空注意力机制的高速公路多收费站多时段出口流量预测方法研究[D]. 广州: 华南理工大学, 2020.
[23] COHEN J, COHEN P, WEST S G, et al. Applied multiple regression/correlation analysis for the behavioral sciences[M]. 3rd ed. London: Routledge, 2013: 52-138.
[24] 扬波尔斯基 A P. 双曲函数[M]. 邢富冲, 译. 北京: 中央民族学院出版社, 1987: 23-96.
[25] NAIR V, HINTON G E. Rectified linear units improve restricted Boltzmann machines[C]// Proceedings of the 27th International Conference on Machine Learning. NY, New York: Association for Computing Machinery, 2010: 807-814.
[26] ANDERSEN L N, LARSEN J, HANSEN L K, et al. Adaptive regularization of neural classifiers[C]// Neural Netwrorks for Signal Processing VII: Proceedings of the 1997 IEEE Signal Processing Society Workshop. Piscataway, NJ: IEEE, 1997: 24-33. DOI: 10.1109/NNSP.1997.622380.
[27] 袁华, 陈泽濠. 基于时间卷积神经网络的短时交通流预测算法[J]. 华南理工大学学报(自然科学版), 2020, 48(11): 107-113, 122.
[28] 贾俊平, 何晓群, 金勇进. 统计学[M]. 4版. 北京: 中国人民大学出版社, 2009: 1-165.
[29] YU B, YIN H T, ZHU Z X. Spatio-temporal graph convolutional networks: A deep learning framework for traffic forecasting[C]// Proceedings of the Twenty-Seventh International Joint Conference on Artificial Intelligence. California: International Joint Conferences on Artificial Intelligence Organization, 2018: 3634-3640. DOI: 10.24963/ijcai.2018/505.
[30] BAI L, YAO L N, LI C, et al. Adaptive graph convolutional recurrent network for traffic forecasting[EB/OL]. (2020-07-06)[2021-03-23]. https://arxiv.org/pdf/2007.02842v1.pdf.
[1] 周圣凯, 富丽贞, 宋文爱. 基于深度学习的短文本语义相似度计算模型[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2022, 40(3): 49-56.
[2] 彭涛, 唐经, 何凯, 胡新荣, 刘军平, 何儒汉. 基于多步态特征融合的情感识别[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2022, 40(3): 104-111.
[3] 马新娜, 赵猛, 祁琳. 基于卷积脉冲神经网络的故障诊断方法研究[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2022, 40(3): 112-120.
[4] 段美玲, 潘巨龙. 基于双向LSTM神经网络可穿戴跌倒检测研究[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2022, 40(3): 141-150.
[5] 孔亚钰, 卢玉洁, 孙中天, 肖敬先, 侯昊辰, 陈廷伟. 面向强化当前兴趣的图神经网络推荐算法研究[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2022, 40(3): 151-160.
[6] 马铖旭, 曾上游, 赵俊博, 陈红阳. 基于卷积神经网络的逆光图像增强研究[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2022, 40(2): 81-90.
[7] 谭凯, 李永杰, 潘海明, 黄可馨, 邱杰, 陈庆锋. 基于多信息集成的药物靶标预测方法研究[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2022, 40(2): 91-102.
[8] 朱恩文, 朱安麒, 王洁丹, 刘玉娇. 基于EEMD-GA-BP模型的风电功率短期预测研究[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2022, 40(1): 166-174.
[9] 田晟, 李成伟, 黄伟, 王蕾. 疫情下基于GC-rBPNN模型的公路货运量预测方法[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2021, 39(6): 24-32.
[10] 翁小雄, 谢志鹏. 基于多层复杂网络的高速公路节点重要性研究[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2021, 39(5): 78-88.
[11] 陈文康, 陆声链, 刘冰浩, 李帼, 刘晓宇, 陈明. 基于改进YOLOv4的果园柑橘检测方法研究[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2021, 39(5): 134-146.
[12] 杨州, 范意兴, 朱小飞, 郭嘉丰, 王越. 神经信息检索模型建模因素综述[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2021, 39(2): 1-12.
[13] 邓文轩, 杨航, 靳婷. 基于注意力机制的图像分类降维方法[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2021, 39(2): 32-40.
[14] 马玲, 罗晓曙, 蒋品群. 一种基于PNN的点阵喷码字符识别方法[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2020, 38(4): 32-41.
[15] 徐建闽, 杨招波, 马莹莹. 面向移动瓶颈的高速公路流量控制模型研究[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2020, 38(3): 1-10.
Viewed
Full text


Abstract

Cited

  Shared   
  Discussed   
[1] 胡锦铭, 韦笃取. 不同阶次分数阶永磁同步电机的混合投影同步[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2021, 39(4): 1 -8 .
[2] 武康康, 周鹏, 陆叶, 蒋丹, 闫江鸿, 钱正成, 龚闯. 基于小批量梯度下降法的FIR滤波器[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2021, 39(4): 9 -20 .
[3] 刘东, 周莉, 郑晓亮. 基于SA-DBN的超短期电力负荷预测[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2021, 39(4): 21 -33 .
[4] 张伟彬, 吴军, 易见兵. 基于RFB网络的特征融合管制物品检测算法研究[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2021, 39(4): 34 -46 .
[5] 王金艳, 胡春, 高健. 一种面向知识编译的OBDD构造方法[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2021, 39(4): 47 -54 .
[6] 逯苗, 何登旭, 曲良东. 非线性参数的精英学习灰狼优化算法[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2021, 39(4): 55 -67 .
[7] 李莉丽, 张兴发, 李元, 邓春亮. 基于高频数据的日频GARCH模型估计[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2021, 39(4): 68 -78 .
[8] 李松涛, 李群宏, 张文. 三自由度碰撞振动系统的余维二擦边分岔与混沌控制[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2021, 39(4): 79 -92 .
[9] 赵红涛, 刘志伟. λ重完全二部3-一致超图λK(3)n,n分解为超图双三角锥[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2021, 39(4): 93 -98 .
[10] 李梦, 曹庆先 , 胡宝清. 1960—2018年广西大陆海岸线时空变迁分析[J]. 广西师范大学学报(自然科学版), 2021, 39(4): 99 -108 .
版权所有 © 广西师范大学学报(自然科学版)编辑部
地址:广西桂林市三里店育才路15号 邮编:541004
电话:0773-5857325 E-mail: gxsdzkb@mailbox.gxnu.edu.cn
本系统由北京玛格泰克科技发展有限公司设计开发