一種考慮長期均衡關(guān)系的道路斷面交通速度短時預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于交通預(yù)測領(lǐng)域，涉及一種考慮上下游斷面交通速度時間序列之間長期 均衡關(guān)系的斷面交通速度短時預(yù)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 交通流運行速度是道路交通運營、管理與控制的重要技術(shù)指標(biāo)之一。準(zhǔn)確、可靠的 交通速度短時預(yù)測已經(jīng)成為路徑誘導(dǎo)、主動式交通控制等城市智能交通系統(tǒng)的重要研究內(nèi) 容。國內(nèi)外對道路斷面交通速度短時預(yù)測技術(shù)開展了大量研究，基于統(tǒng)計模型以及人工智 能等技術(shù)的預(yù)測方法不斷被提出，并且預(yù)測的準(zhǔn)確性也不斷得到提高。然而，諸多研究都針 對單一斷面獲取的交通流數(shù)據(jù)進(jìn)行建模和預(yù)測，忽視了不同斷面交通流之間的相關(guān)性。盡 管一些研究提出在斷面交通速度預(yù)測過程中考慮上下游交通狀況的影響，但是在預(yù)測模型 構(gòu)建過程中對獲得的原始交通速度時間序列進(jìn)行了差分處理。雖然差分后的交通速度時間 序列能夠很好的滿足建模過程對時間序列平穩(wěn)性的要求，但是差分過程也同時消除了交通 速度原始（水平）時間序列之間的長期均衡關(guān)系，而這種長期均衡關(guān)系往往有助于提高短 時預(yù)測的準(zhǔn)確性。因此，充分提取和利用道路連續(xù)斷面交通速度之間的長期均衡關(guān)系，可進(jìn) 一步提升道路斷面交通速度短時預(yù)測的準(zhǔn)確性和可靠性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 發(fā)明目的：本發(fā)明提供一種解決當(dāng)前道路斷面交通速度短時預(yù)測過程忽視連續(xù)斷 面交通速度之間存在的長期均衡關(guān)系，提升道路斷面交通速度短時預(yù)測精度的考慮長期均 衡關(guān)系的道路斷面交通速度短時預(yù)測方法。
[0004] 技術(shù)方案：本發(fā)明的考慮長期均衡關(guān)系的道路斷面交通速度短時預(yù)測方法，包括 如下步驟：
[0005] (1)獲取原始交通速度時間序列，包括道路上目標(biāo)斷面交通速度時間序列{yt}，以 及目標(biāo)斷面緊鄰上游斷面交通速度時間序列Ixt};
[0006] (2)通過一階差分運算，分別將所述步驟（1)中獲得的原始交通速度時間序列 {yj和IxJ轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)時間序列，包括平穩(wěn)的目標(biāo)斷面交通速度時間序列{AyJ和平穩(wěn)的 目標(biāo)斷面緊鄰上游斷面交通速度時間序列{Axt};
[0007] (3)對所述步驟⑵獲得的平穩(wěn)時間序列{AyJ和{AxJ，采用一定時段的歷史 樣本數(shù)據(jù)建立向量自回歸模型為：
[0009] 式中，p為向量自回歸過程的滯后階數(shù)；△ yt為目標(biāo)斷面交通速度在時間間隔t 內(nèi)的一階差分值；Axt為目標(biāo)斷面緊鄰上游斷面交通速度在時間間隔t內(nèi)的一階差分值； Aytl為目標(biāo)斷面交通速度在時間間隔（t-i)內(nèi)的一階差分值；Axtl為目標(biāo)斷面緊鄰上游 斷面交通速度在時間間隔（t-i)內(nèi)的一階差分值；βχ1，βη，γχ1，Y yl，cx，cy為向量自回歸 模型的待估參數(shù)；e xt和e yt為向量自回歸模型的誤差項；
[0010] (4)采用與所述步驟（3)相同時段的原始交通速度時間序列{yj和IxJ的歷史 樣本數(shù)據(jù)，檢驗時間序列{yj和{xj之間的協(xié)整關(guān)系，并在此基礎(chǔ)上建立原始交通速度時 間序列{yj和IxJ之間的協(xié)整方程如下所示，使原始交通速度時間序列{yj和IxJ轉(zhuǎn)化 為平穩(wěn)的線性組合：
[0011] ft i= y t「a Q-a A i
[0012] 式中ft i為原始交通速度時間序列{y J和{xt}之間的協(xié)整關(guān)系；yt i為目標(biāo)斷面 交通速度在時間間隔（t-Ι)的實際觀測值；Xtl為目標(biāo)斷面緊鄰上游斷面交通速度在時間 間隔（t-Ι)的實際觀測值；a。和a i為協(xié)整方程的待估參數(shù)；
[0013] (5)結(jié)合所述步驟（3)建立的向量自回歸模型和所述步驟（4)建立的協(xié)整方程，進(jìn) 一步構(gòu)建目標(biāo)斷面交通速度及目標(biāo)斷面緊鄰上游斷面交通速度的向量誤差修正模型為：
[0015] Ayftl式中，為目標(biāo)斷面交通速度的誤差修正項，λ y為對應(yīng)的誤差修正系數(shù)； Xxftl為目標(biāo)斷面緊鄰上游斷面交通速度的誤差修正項，λ x為對應(yīng)的誤差修正系數(shù)；
[0016] (6)依據(jù)所述步驟（5)建立的向量誤差修正模型，利用所述步驟（1)中獲取的原始 交通速度時間序列在時間間隔（t-1)，（t-2)，…，（t-ρ+Ι)的實際觀測值，計算時間間隔t 內(nèi)目標(biāo)斷面交通速度一階差分時間序列的預(yù)測值為：
[0018] 然后進(jìn)一步推算時間間隔t內(nèi)目標(biāo)斷面交通流速度水平時間序列的預(yù)測值為：
[0019] ft = yt_a + Ayt 〇
[0020] 進(jìn)一步的，本發(fā)明方法中，所述步驟（1)中，各斷面采集的原始交通速度數(shù)據(jù)是以 5分鐘為等時間間隔的連續(xù)時間序列數(shù)據(jù)，并且原始時間序列不平穩(wěn)。
[0021] 進(jìn)一步的，本發(fā)明方法中，所述步驟（3)中，一定時段的歷史樣本數(shù)據(jù)是指連續(xù)一 天、等時間間隔的目標(biāo)斷面交通速度時間序列數(shù)及目標(biāo)斷面緊鄰上游斷面交通速度時間序 列數(shù)據(jù)，所述向量自回歸模型的滯后階P通過貝葉斯信息準(zhǔn)則確定。
[0022] 進(jìn)一步的，本發(fā)明方法中，所述步驟（4)中，原始交通速度時間序列{yj和{xt}之 間的協(xié)整關(guān)系依據(jù)Johansen協(xié)整檢驗法進(jìn)行檢驗。
[0023] 進(jìn)一步的，本發(fā)明方法中，所述步驟（5)中，向量誤差修正模型的誤差修正系數(shù) λχ，Ay，和待估參數(shù)βχ?，0yi，γ χ?，丫0，(^，(^均采用普通最小二乘法進(jìn)行估計。
[0024] 有益效果：本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點：
[0025] 傳統(tǒng)的道路斷面交通速度短時預(yù)測方法采用差分后平穩(wěn)的時間序列數(shù)據(jù)進(jìn)行建 模和預(yù)測，其過程忽視了連續(xù)斷面交通速度原始時間序列之間存在的長期均衡關(guān)系，而這 種長期均衡關(guān)系往往有助于提高目標(biāo)斷面交通速度短時預(yù)測的精度。為此，本發(fā)明通過構(gòu) 建目標(biāo)斷面與其緊鄰上游斷面原始交通速度時間序列之間的協(xié)整方程，量化了連續(xù)斷面交 通速度原始時間序列之間的長期均衡關(guān)系，并將這種長期均衡關(guān)系利用到目標(biāo)斷面交通速 度的短時預(yù)測。具體而言，本發(fā)明在獲取真實的目標(biāo)斷面交通速度原始時間序列及目標(biāo)斷 面緊鄰上游斷面交通速度原始時間序列的基礎(chǔ)上，首先通過一階差分運算，將兩個連續(xù)斷 面交通速度原始不平穩(wěn)時間序列轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)的時間序列，并通過構(gòu)建向量自回歸模型捕捉 和量化了連續(xù)兩個斷面交通速度一階差分時間序列之間的短期波動相關(guān)關(guān)系。其次，采用 Johansen (約翰遜）協(xié)整檢驗法，驗證兩個連續(xù)斷面交通速度原始時間序列之間的協(xié)整關(guān) 系（即長期均衡關(guān)系），并在此基礎(chǔ)上構(gòu)建兩個連續(xù)斷面交通速度原始時間序列之間的協(xié) 整方程。最后，在建立交通速度一階差分時間序列向量自回歸模型和交通速度原始時間序 列協(xié)整方程的基礎(chǔ)上，構(gòu)建了兩個連續(xù)斷面交通速度短時預(yù)測的向量誤差修正模型。本發(fā) 明提出的向量誤差修正模型同時捕捉和量化了目標(biāo)斷面交通速度時間序列與目標(biāo)斷面緊 鄰上游斷面交通速度時間序列之間的短期波動相關(guān)關(guān)系和長期均衡關(guān)系，可進(jìn)一步提升目 標(biāo)斷面交通速度短時預(yù)測的準(zhǔn)確性和可靠性。
【附圖說明】
[0026] 圖1為本發(fā)明的流程示意圖；
[0027] 圖2為本發(fā)明中主干道108122號斷面交通速度短時預(yù)測值與實際觀測值擬合效 果圖；
[0028] 圖3為本發(fā)明中主干道108123號斷面交通速度短時預(yù)測值與實際觀測值擬合效 果圖；
[0029] 圖4為本發(fā)明中次干道110114號斷面交通速度短時預(yù)測值與實際觀測值擬合效 果圖；
[0030] 圖5為本發(fā)明中次干道110115號斷面交通速度短時預(yù)測值與實際觀測值擬合效 果圖。
【具體實施方式】
[0031] 以下內(nèi)容通過實施例對本發(fā)明給出的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)說明。
[0032] 實施例：
[0033] 本實施例中，采用的數(shù)據(jù)為實際采集的昆山市中心城區(qū)前進(jìn)路（主干道）和震川 路（次干道）上各連續(xù)3個斷面的交通速度時間序列。前進(jìn)路從上游往下游方向3個斷 面檢測編號分別為108121、108122、108123,其中斷面108122和108123為目標(biāo)斷面，對應(yīng) 的上游斷面分別為108121和108122。震川路從上游往下游方向3個斷面檢測編號分別為 110113、110114、110115，其中斷面110114和110115為目標(biāo)斷面，對應(yīng)的上游斷面分別為 110113和110114。原始數(shù)據(jù)的采集時間范圍為2015年6月15日至2015年6月19日，數(shù) 據(jù)的采集時間間隔為5分鐘。所采集的數(shù)據(jù)中，2015年6月15日的數(shù)據(jù)用于模型構(gòu)建和參 數(shù)估計，剩余的數(shù)據(jù)用于預(yù)測性能評估。
[0034] 本實施例將目標(biāo)斷面的交通速度原始（水平）時間序列標(biāo)記為{yj，上游斷面交 通速度原始（水平）時間序列標(biāo)記為IxJ。對目標(biāo)斷面及其緊鄰上游斷面交通速度的水平 時間序列進(jìn)行一階差分運算，將原始不平穩(wěn)時間序列{yj和IxJ分別轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)的時間序 列{ AyJ和{ AxJ。對2015年6月15日獲得的斷面交通流速度一階差分時間序列構(gòu)建 向量自回歸VAR(p)模型，表達(dá)式如下：
[0036] 公式⑴中Ayt和Axt分別為目標(biāo)斷面及其上游斷面交通流速度在時間間隔t內(nèi) 的一階差分值；A yt JP △ X t i分別為目標(biāo)斷面及其上游斷面交通流速度在時間間隔（t_i) 內(nèi)的一階差分值邛：!1，3￥1，丫"，丫￥1，(^，(^為向量自回歸模型的待估參