本發(fā)明涉及一種基于深度特征提取網(wǎng)絡(luò)的交通流量預(yù)測(cè)時(shí)序方法，屬于交通流量預(yù)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

城市交通是城市社會(huì)經(jīng)濟(jì)活動(dòng)的命脈，對(duì)促進(jìn)城市經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、便捷人們的出行都具有重要的意義，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步和工業(yè)的發(fā)展，城市中交通量激增，原始的交通方式已不能滿足要求；同時(shí)，由于工業(yè)發(fā)展為城市交通提供的各種交通工具越來(lái)越多，從而加速了城市交通事業(yè)的發(fā)展。

但是城市發(fā)展的同時(shí)，也造成了交通堵塞、交通事故頻發(fā)等一系列的問(wèn)題。而交通事故的頻發(fā)往往在交通擁堵的路段，因此，預(yù)測(cè)下一個(gè)時(shí)間周期的交通流就顯得尤為重要。

目前國(guó)內(nèi)外在大規(guī)模的交通流量預(yù)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域的研究還不夠深入，尤其是在進(jìn)行公路建設(shè)項(xiàng)目可行性研究，往往只考慮有直接影響的某一條或幾條線路，缺乏對(duì)所建公路在公路網(wǎng)整體中的作用進(jìn)行研究，往往造成預(yù)測(cè)交通量與實(shí)際交通量相差太遠(yuǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提供一種基于深度特征提取網(wǎng)絡(luò)的交通流量預(yù)測(cè)時(shí)序方法，運(yùn)用深度學(xué)習(xí)來(lái)預(yù)測(cè)交通流量，可以對(duì)交通流量進(jìn)行實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)。

為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種基于深度特征提取網(wǎng)絡(luò)的交通流量預(yù)測(cè)時(shí)序方法，包括以下步驟：

1)獲取隨著時(shí)間傳遞的交通流量相關(guān)度動(dòng)態(tài)語(yǔ)義圖；

2)在步驟1)獲得交通流量相關(guān)度語(yǔ)義圖的基礎(chǔ)上，應(yīng)用深度特征提取網(wǎng)絡(luò)的交通流量時(shí)序模型預(yù)測(cè)下一時(shí)間周期的交通流量，具體步驟如下：

2-1)假設(shè)某一系列時(shí)刻t的交通流量x^t為：

其中，為第i個(gè)路段在系列時(shí)刻t的交通流量，n表示路段數(shù)，n表示時(shí)刻數(shù)，第k個(gè)路段的交通流量受到與它相連的上一個(gè)路段的交通流量的影響，假設(shè)與它相連的上一個(gè)路段有m段，每一段與其相連的交通流量都貢獻(xiàn)交通流量給第k個(gè)路段，則有：

其中，為第k個(gè)路段在系列時(shí)刻t預(yù)測(cè)的交通流量，是與第k個(gè)路段相連的所有上一個(gè)路段貢獻(xiàn)給的交通流量之和，是第j個(gè)路段的輔助參數(shù)，上標(biāo)t-1為系列時(shí)刻t的前一個(gè)系列時(shí)刻，是第j個(gè)路段在系列時(shí)刻t-1的交通流量，εt是系列時(shí)刻的噪音，εt的分布是正態(tài)分布，即為方差；

2-2)估計(jì)輔助參數(shù)和的參數(shù)值；

2-3)優(yōu)化輔助參數(shù)并預(yù)測(cè)交通流量。

前述的交通流量相關(guān)度動(dòng)態(tài)語(yǔ)義圖是指定義同一時(shí)間周期內(nèi)，如果一個(gè)路段的交通流量在一定程度上影響另一個(gè)路段的交通流量，則這兩個(gè)路段路段之間具有相關(guān)度，把有相關(guān)度的路段彼此連接起來(lái)，每過(guò)一個(gè)時(shí)間周期動(dòng)態(tài)更新實(shí)際觀察到的交通流量，即可獲得實(shí)時(shí)的交通流量動(dòng)態(tài)語(yǔ)義圖。

前述的時(shí)序模型是指對(duì)某一個(gè)或一組變量進(jìn)行觀察測(cè)量，并在一系列時(shí)刻t1,t2,...,tn按照時(shí)間次序排列，用于解釋變量和一系列時(shí)刻之間的相互關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

前述的深度特征提取網(wǎng)絡(luò)是指從一個(gè)輸入中產(chǎn)生一個(gè)輸出所涉及的計(jì)算可通過(guò)一個(gè)流向圖來(lái)表示，流向圖是一種能夠表示計(jì)算的圖，在這種圖中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)基本的計(jì)算以及一個(gè)計(jì)算的值，計(jì)算的結(jié)果被應(yīng)用到這個(gè)節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)的值。

前述的步驟2-2)中，估計(jì)輔助參數(shù)和的參數(shù)值的方法如下：

假設(shè)表示第1路段在系列時(shí)刻t-1的交通流量，表示第2路段在系列時(shí)刻t-1的交通流量，表示第3路段在系列時(shí)刻t的交通流量，表示第4路段在系列時(shí)刻t的交通流量，第1路段和第2路段與第3路段有相關(guān)度，第1路段和第2路段與第4路段有相關(guān)度；

設(shè)第1路段和第2路段流向第3路段的輔助參數(shù)為和第1路段和第2路段流向第4路段的輔助參數(shù)為和則根據(jù)公式(2)有：

又由于第1路段和第2路段的交通流和都分配給了第3路段和第4路段，則有：

則

則

將式(3)兩邊乘以得：

將式(4)兩邊乘以得：

則有式(7)＝(8)，將和看成變量，則有：

聯(lián)立式(5)和(9)得：

聯(lián)立式(6)和(10)得：

按照這樣的方法即可求出參數(shù)

是模型殘差序列{εt}的方差，故有：

估計(jì)出即可按上式估計(jì)出

前述的優(yōu)化輔助參數(shù)的過(guò)程為：將一個(gè)系列時(shí)刻的與第k路段相連的路段的上一系列時(shí)刻t-1的交通流量代入到模型中，計(jì)算得到即為第k路段的預(yù)測(cè)值，選取多天同一系列時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行多次預(yù)測(cè)，每一次預(yù)測(cè)值與對(duì)應(yīng)的歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)作運(yùn)算，取的值最小時(shí)對(duì)應(yīng)的作為優(yōu)化后的輔助參數(shù)。

前述的為了不使預(yù)測(cè)值和歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)完全相等，在公式(2)的基礎(chǔ)上，再引進(jìn)一個(gè)常數(shù)c來(lái)矯正以防過(guò)擬合，則有：

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明應(yīng)用于交通出行的最優(yōu)路線設(shè)計(jì)過(guò)程中，可以對(duì)交通堵塞問(wèn)題起到一定的緩解作用；本發(fā)明提供的基于深度特性提取網(wǎng)絡(luò)的交通流量預(yù)測(cè)時(shí)序模型，通過(guò)對(duì)大型交通流數(shù)據(jù)的分析可以更加準(zhǔn)確地預(yù)測(cè)每一條路段的當(dāng)前交通流。

附圖說(shuō)明

圖1為交通流相關(guān)度動(dòng)態(tài)語(yǔ)義圖；

圖2為時(shí)序模型示例；

圖3為深度特征提取網(wǎng)絡(luò)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。以下實(shí)施例僅用于更加清楚地說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，而不能以此來(lái)限制本發(fā)明的保護(hù)范圍。

本發(fā)明的基于深度特征提取網(wǎng)絡(luò)的交通流量預(yù)測(cè)時(shí)序方法，步驟如下：

步驟一：獲取隨著時(shí)間傳遞的交通流相關(guān)度動(dòng)態(tài)語(yǔ)義圖：

設(shè)每一個(gè)路段在一定的時(shí)間內(nèi)通過(guò)的車輛數(shù)目x為這個(gè)時(shí)間段的交通流，因此，每一個(gè)路段在每個(gè)時(shí)間段都會(huì)有一個(gè)特定的交通流，如x,y,z等。如果各個(gè)路段互不干擾的話，則在一定的時(shí)間周期內(nèi)，每個(gè)路段的交通流都是一定的，但實(shí)際上，每個(gè)路段都會(huì)受到其他與其相通的路段的交通流的影響，從而自身路段的交通流也隨之改變，定義同一時(shí)間周期內(nèi)，如果一個(gè)路段的交通流在一定程度上影響另一個(gè)路段的交通流，則這兩個(gè)路段路段之間具有相關(guān)度。把有相關(guān)度的路段彼此連接起來(lái)，每過(guò)一個(gè)時(shí)間周期t動(dòng)態(tài)更新實(shí)際觀察到的交通流，即可以獲得實(shí)時(shí)的交通流動(dòng)態(tài)語(yǔ)義圖。

如圖1所示：圖中描述了從下到上4個(gè)時(shí)間周期以及每個(gè)時(shí)間周期內(nèi)a、b、c、d四個(gè)路段的交通流，圖中最底層為第一個(gè)時(shí)間周期，路段為a1、b1、c1、d1，對(duì)應(yīng)的交通流分別為a1、b1、c1、d1，上一層為第二個(gè)時(shí)間周期，路段為a2、b2、c2、d2，對(duì)應(yīng)的交通流分別為a2、b2、c2、d2，同理，再上一層為第三個(gè)時(shí)間周期，路段為a3、b3、c3、d3，對(duì)應(yīng)的交通流分別為a3、b3、c3、d3，再上一層為第四個(gè)時(shí)間周期，路段為a4、b4、c4、d4，對(duì)應(yīng)的交通流分別為a4、b4、c4、d4。假設(shè)路段a1與b2相通、b2與c3相通、c3與b4相通；與此同時(shí)，a1與c2也相通，c2與d3相通，d3與d4相通，在此我們就知道，a1的交通流a1，影響b2和c2的交通流，即b2和c2的交通流與a1具有一定的相關(guān)度，把有相關(guān)度的路段彼此連接起來(lái)，每過(guò)一個(gè)時(shí)間周期t動(dòng)態(tài)更新，在t＝1(t＝1指的是第一個(gè)時(shí)間周期)時(shí)，a1路口的交通流a1會(huì)選擇通往b2或c2；t＝2時(shí)，b2上所獲得的交通流b2會(huì)通往c3，c2上所獲得的交通流c2會(huì)通往d3；同理，t＝3時(shí)，c3上所獲得的交通流c3會(huì)通往b4，d3上所獲得的交通流d3會(huì)通往d4，此時(shí)就獲取了隨著時(shí)間變化的流量傳遞圖，即獲取了隨著時(shí)間傳遞的交通流相關(guān)度動(dòng)態(tài)語(yǔ)義圖。

步驟二：在步驟一獲得交通流量相關(guān)度語(yǔ)義圖的基礎(chǔ)上，應(yīng)用深度特征提取網(wǎng)絡(luò)的交通流量時(shí)序模型預(yù)測(cè)下一個(gè)時(shí)間周期交通圖的交通流：

2-1)時(shí)序模型的定義為：在生產(chǎn)和科學(xué)研究中，對(duì)某一個(gè)或一組變量進(jìn)行觀察測(cè)量，并在一系列時(shí)刻t1,t2,...,tn(ti為自變量)按照時(shí)間次序排列，可以用于解釋變量和一系列時(shí)刻之間的相互關(guān)系的數(shù)學(xué)表達(dá)式。

假設(shè)某一系列時(shí)刻t的交通流量x^t為：

其中，為第i個(gè)路段在系列時(shí)刻t的交通流量，n表示路段數(shù)，n表示時(shí)刻數(shù)，第k個(gè)路段的交通流量受到與它相連的上一個(gè)路段的交通流量的影響，假設(shè)與它相連的上一個(gè)路段有m段，每一段與其相連的交通流都貢獻(xiàn)一部分交通流給第k個(gè)路段，則有：

其中，為第k個(gè)路段在系列時(shí)刻t預(yù)測(cè)的交通流量，是與第k個(gè)路段相連的所有上一個(gè)路段貢獻(xiàn)給的交通流量之和，是第j個(gè)路段的輔助參數(shù)，上標(biāo)t-1為系列時(shí)刻t的前一個(gè)系列時(shí)刻，是第j個(gè)路段在系列時(shí)刻t-1的交通流量，εt是系列時(shí)刻的噪音，εt的分布是正態(tài)分布，即為方差。

2-2)參數(shù)估計(jì)：根據(jù)歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)和估計(jì)出和的參數(shù)值。方法如下：

如圖2所示，圖中，表示第1路段在系列時(shí)刻t-1的交通流量，表示第2路段在系列時(shí)刻t-1的交通流量，表示第3路段在系列時(shí)刻t的交通流量，表示第4路段在系列時(shí)刻t的交通流量。圖中，箭頭表示交通流向，可以看出，第3路段和第4路段均受第1路段和第2路段的交通流量的影響，即第1路段和第2路段與第3路段有相關(guān)度，第1路段和第2路段與第4路段有相關(guān)度。

設(shè)第1路段和第2路段流向第3路段的輔助參數(shù)為和第1路段和第2路段流向第4路段的輔助參數(shù)為和則根據(jù)公式(2)有：

公式(3)、(4)中的交通流量和為歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)，其具體數(shù)值里面已經(jīng)含有噪音參數(shù)了，因此公式(3)、(4)中無(wú)需再加入噪音參數(shù)εt了，否則就是重復(fù)計(jì)算了。

又由于第1路段和第2路段的交通流和都分配給了第3路段和第4路段，則有：

則

則

將式(3)兩邊乘以得：

將式(4)兩邊乘以得：

則有式(7)＝(8)，將和看成變量，則有：

聯(lián)立式(5)和(9)得：

聯(lián)立式(6)和(10)得：

按照這樣的方法即可求出參數(shù)

是模型殘差序列{εt}的方差，故有：

估計(jì)出即可按上式估計(jì)出

2-3)深度特征提取網(wǎng)絡(luò)：

從一個(gè)輸入中產(chǎn)生一個(gè)輸出所涉及的計(jì)算可以通過(guò)一個(gè)流向圖來(lái)表示，流向圖是一種能夠表示計(jì)算的圖，在這種圖中每一個(gè)節(jié)點(diǎn)表示一個(gè)基本的計(jì)算以及一個(gè)計(jì)算的值，計(jì)算的結(jié)果被應(yīng)用到這個(gè)節(jié)點(diǎn)的子節(jié)點(diǎn)的值。

2-3.1)深度特征提取網(wǎng)絡(luò)如圖3所示，是指把數(shù)據(jù)“喂給”時(shí)序模型，然后不斷的優(yōu)化參數(shù)，讓模型的預(yù)測(cè)越準(zhǔn)確。將深度特征提取網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用在交通流量時(shí)序模型，輸入一個(gè)通過(guò)步驟一獲取交通流相關(guān)度動(dòng)態(tài)語(yǔ)義圖，找到與該路段相連的上一個(gè)路段的交通流根據(jù)和的歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)估算出參數(shù)和將所得到的參數(shù)以及當(dāng)前時(shí)間的交通流量代入公式(2)中，得出輸出層

2-3.2)優(yōu)化模型參數(shù)并預(yù)測(cè)交通流：

此處將一天分成p個(gè)時(shí)刻，每一天都有一個(gè)系列時(shí)刻t，排除一些非理想狀態(tài)的因素影響，假設(shè)一個(gè)路段的每一天同一時(shí)刻的交通流比較相近，比如在每天上下班的時(shí)候，人們?cè)谏舷掳嘟?jīng)過(guò)的路段基本一定，代入第k路段的與其相連的路段的上一系列時(shí)刻t-1的交通流量到模型中，計(jì)算得到即為第k路段的預(yù)測(cè)值，選取多天同一系列時(shí)刻的數(shù)據(jù)進(jìn)行多次預(yù)測(cè)，每一次預(yù)測(cè)值與對(duì)應(yīng)的歷史數(shù)據(jù)作運(yùn)算，取的值越小時(shí)對(duì)應(yīng)的即為優(yōu)化的采用該優(yōu)化的以及計(jì)算的來(lái)預(yù)測(cè)當(dāng)前時(shí)刻的交通流量。

如果要預(yù)測(cè)一個(gè)路段下一個(gè)系列時(shí)刻的交通流量，只需把與這個(gè)路段相連的所有路段的當(dāng)前時(shí)間的交通流量代進(jìn)去計(jì)算即可計(jì)算出所要預(yù)測(cè)的路段的下一個(gè)系列時(shí)刻的交通流量為了不使預(yù)測(cè)值和歷史真實(shí)值完全相等，因?yàn)橥耆嗟鹊脑捑褪沁^(guò)擬合了，因此，在公式(2)的基礎(chǔ)上，再引進(jìn)一個(gè)常數(shù)c來(lái)矯正以防過(guò)擬合，則有：

通過(guò)輸入實(shí)際觀察到的找到各個(gè)路段所對(duì)應(yīng)的與其相連的上一個(gè)路段的t-1時(shí)刻的交通流的動(dòng)態(tài)語(yǔ)義圖，通過(guò)深度特征提取網(wǎng)絡(luò)，輸出所預(yù)測(cè)的再把所得出的時(shí)序模型拿來(lái)預(yù)測(cè)交通流量，這樣就預(yù)測(cè)出了相對(duì)比較準(zhǔn)確的交通流量值。

以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變形，這些改進(jìn)和變形也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。