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基于CNN-LightGBM模型的高速公路交通量预测
2020年信息技术与网络安全第2期
张振,曾献辉
(1.东华大学 信息科学与技术学院,上海 201620; 2. 数字化纺织服装技术教育部工程研究中心,上海 201620)
摘要: 有效的交通流量预测对人们出行和交管部门监管都有着重要的意义。传统的交通量预测模型主要基于交通流的时间特性,未结合交通流的时间和空间特性进行深入挖掘,因此预测效果有时不佳。提出了一种基于CNN与LightGBM结合的交通流预测模型,首先利用CNN模型挖掘出高速公路相邻路段监测点和出入口的时间和空间关联性,实现对交通流数据的时空特征提取,然后将CNN提取到的特征向量输入到LightGBM模型中进行预测。为了验证模型的有效性,实验中使用了多种预测模型进行对比,实验结果表明,所提出的考虑到时空特性的CNNLightGBM组合的模型可以明显降低预测误差,是一种有效快速的交通流预测模型。
中圖分類號:U491.1
文獻(xiàn)標(biāo)識碼:A
DOI: 10.19358/j.issn.2096-5133.2020.02.007
引用格式:張振,曾獻(xiàn)輝.基于CNN-LightGBM模型的高速公路交通量預(yù)測[J].信息技術(shù)與網(wǎng)絡(luò)安全,2020,39(2):34-39.
Prediction of highway traffic flow based on CNN-LightGBM model
Zhang Zhen1, Zeng Xianhui1, 2
(1.School of Information Science and Technology,Donghua University,Shanghai 201620,China; 2.Engineering Research Center of Digitalized Textile & Fashion Technology,Ministry of Education,Shanghai 201620,China)
Abstract: Effective traffic flow forecasting is of great significance to people′s travel and traffic management supervision.Traditional traffic volume prediction models are mainly based on the time characteristics of traffic flow,however,these models don′t combine the time and space characteristics of traffic flow for in-depth mining,so sometimes these models don′t perform well.This paper proposes a traffic flow prediction model based on the combination of CNN and LightGBM. The CNN model is used to excavate the temporal and spatial correlation between the monitoring points and the entrances and exits of the adjacent sections of the highway to realize the spatiotemporal feature extraction of the traffic flow data,and then the feature vector extracted by CNN is input into the LightGBM model for prediction.In order to verify the effectiveness of the model,a variety of prediction models are used in the experiment for comparison.The experimental results show that the proposed model of CNN-LightGBM considering the spatio-temporal characteristics can significantly reduce the prediction error and is an effective and fast traffic flow forecasting model.
Key words : traffic flow prediction;CNN-LightGBM; spatiotemporal correlation;highway

0    引言

準(zhǔn)確的交通量預(yù)測是當(dāng)今智慧交通的重要基礎(chǔ),是交通狀況判別的重要基石之一。人們從上個(gè)世紀(jì)開始就在交通流預(yù)測領(lǐng)域做了很多交通預(yù)測研究,截止目前為止常見的交通量預(yù)測方法主要包括基于統(tǒng)計(jì)的預(yù)測方法、基于時(shí)間序列的交通量預(yù)測方法、基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的交通量預(yù)測方法以及基于機(jī)器學(xué)習(xí)的交通量預(yù)測方法幾種。

基于統(tǒng)計(jì)的交通量預(yù)測方法較多,比如多元線性回歸法、卡爾曼濾波器和K近鄰算法等,這些方法主要根據(jù)歷史流量數(shù)據(jù)預(yù)測未來交通流量分布,但是這些方法無法精準(zhǔn)地預(yù)測道路短期擁堵的情況。基于時(shí)間序列的交通量預(yù)測方法如差分自回歸滑動平均模型,主要是將歷史的流量數(shù)據(jù)按照時(shí)間排列成為時(shí)間序列,根據(jù)時(shí)間序列分析數(shù)據(jù)流的變化趨勢從而預(yù)測未來的交通流量,但是這種算法的缺點(diǎn)是在處理數(shù)據(jù)量較大、維度較高的數(shù)據(jù)時(shí)效果一般,推廣能力較差。基于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)交通量預(yù)測方法如GRU和LSTM,這些模型存在著計(jì)算過程中收斂速度慢、計(jì)算時(shí)間較長、容易過擬合等缺點(diǎn)。基于機(jī)器學(xué)習(xí)的交通量預(yù)測方法如GBDT模型、Xgboost模型和隨機(jī)森林模型,這些模型對交通流時(shí)空挖掘效果不大理想。





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作者信息:

張振,曾獻(xiàn)輝

(1.東華大學(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,上海 201620;

2. 數(shù)字化紡織服裝技術(shù)教育部工程研究中心,上海 201620)


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