1、微 电 子 学 与 计 算 机 2 0 0 7 年 第 2 4 卷 第 1 1 期1 引 言模 糊 控 制 在 隧 道 通 风 控 制 中 取 得 了 良 好 的 效果 , 但 本 身 缺 少 预 测 功 能 。 由 于 交 通 流 具 有 非 线 性 、不 确 定 性 、 随 机 性 和 离 散 性 , 有 典 型 的 “ 黑 箱 ” 特 性 ,所 以 与 交 通 流 问 题 很 难 建 立 精 确 的 数 学 模 型 。 那 些以 常 规 数 学 模 型 为 基 础 建 立 的 短 时 段 交 通 量 预 测算 法 在 预 测 精 度 和 实 时 性 方 面 还 存 在 不 少 问 题 1
2、 3 。人 工 神 经 网 络 模 型 是 生 物 神 经 系 统 的 一 种 高 度 简化 后 的 近 似 , 具 有 学 习 、 记 忆 、 计 算 和 各 种 智 能 处 理功 能 , 能 较 好 地 解 决 具 有 不 确 定 性 、 严 重 非 线 性 、 时变 滞 后 的 复 杂 系 统 的 建 模 4 6 。 因 此 , 为 了 能 真 实 地反 映 未 来 交 通 量 , 使 决 策 更 合 理 , 文 中 充 分 利 用 人工 神 经 网 络 强 大 的 学 习 能 力 和 其 对 非 线 性 系 统 很强 的 模 拟 能 力 以 及 M A T L A B 的 人 工 神
3、经 网 络 工 具箱 的 强 大 功 能 , 建 立 隧 道 小 时 交 通 量 神 经 网 络 预 测模 型 , 对 隧 道 短 期 交 通 量 预 测 方 法 进 行 研 究 。2 交 通 量 预 测 性 能 指 标为 了 衡 量 预 测 模 型 的 好 坏 , 改 善 预 测 方 法 , 必须 制 定 相 应 的 性 能 指 标 。 文 中 采 用 均 方 误 差 M S E 测试 神 经 网 络 模 型 的 性 能 , 采 用 平 均 绝 对 百 分 比 误 差M A P E 对 网 络 预 测 能 力 进 行 评 价 。 设 原 数 据 序 列为 y1, 预 测 结 果 为 y2。(
4、 1 ) 均 方 误 差 ( M e a n S q u a r e E r r o r )M S E =1nnt = 1!( y1- y2)2“( 1 )( 2 ) 平 均 绝 对 百 分 比 误 差 ( M e a n A b s o l u t e P e r -c e n t E r r o r )M A P E =1nnt = 1!y1- y2y1( 2 )3 隧 道 实 际 交 通 量 分 析隧 道 通 风 控 制 的 优 劣 很 大 程 度 上 依 赖 于 对 交通 量 的 预 测 。 隧 道 的 运 营 也 需 要 对 交 通 量 进 行 预测 。 在 预 测 交 通 量 时
5、, 首 先 要 对 实 时 交 通 量 进 行 分析 。( 1 ) 月 交 通 量 变 化 分 析进 行 月 交 通 量 变 化 分 析 是 要 确 定 一 年 中 的 各个 月 份 是 否 具 有 相 似 的 交 通 量 情 况 。 这 有 助 于 决 定基 于 神 经 网 络 的 隧 道 小 时 交 通 量 预 测 方 法赵 忠 杰 , 田 梅 , 王 英 伟( 长 安 大 学 信 息 工 程 学 院 , 陕 西 西 安 7 1 0 0 6 4 )摘 要 : 充 分 利 用 人 工 神 经 网 络 强 大 的 学 习 能 力 和 其 对 非 线 性 系 统 很 强 的 模 拟 能 力 以
6、及 M A T L A B 的 人 工 神 经 网络 工 具 箱 的 强 大 功 能 , 建 立 隧 道 小 时 交 通 量 神 经 网 络 预 测 模 型 , 对 隧 道 短 期 交 通 量 预 测 方 法 进 行 研 究 。 研 究 测 试 结果 表 明 经 过 训 练 后 的 神 经 网 络 能 够 很 好 地 预 测 隧 道 下 一 时 段 的 交 通 量 , 其 精 度 完 全 可 以 满 足 实 际 应 用 的 要 求 。 用神 经 网 络 理 论 进 行 隧 道 小 时 交 通 量 预 测 具 有 建 模 容 易 、 精 确 度 高 、 联 想 记 忆 等 优 点 。关 键 词
7、: 神 经 网 络 ; 交 通 量 ; 预 测 方 法中 图 分 类 号 : T P 3 9 1 文 献 标 识 码 : A 文 章 编 号 : 1 0 0 0 - 7 1 8 0 ( 2 0 0 7 ) 1 1 - 0 1 3 4 - 0 4T u n n e l H o u r T r a f f i c V o l u m e F o r e c a s t M e t h o d s B a s e d o nN e u r a l N e t w o r kZ H A O Z h o n g - j i e , T I A N M e i , W A N G Y i n g - w
8、e i( S c h o o l o f I n f o r m a t i o n E n g i n e e r i n g , C h a n g a n U n i v e r s i t y , X i a n 7 1 0 0 6 4 , C h i n a )A b s t r a c t : T h i s p a p e r m a k e s u s e o f t h e s t r o n g s t u d y a b i l i t y , e m u l a t i o n a b i l i t y t o t h e n o n l i n e a r i t
9、y s y s t e m o f t h e n e u r a ln e t w o r k a n d t h e n e t w o r k t o o l b o x o f t h e a r t i f i c i a l n e r v e , t o b u i l d u p t h e p a t t e r n o f t u n n e l t r a f f i c v o l u m e f o r e c a s t , d o e s ar e s e a r c h t o t h e m e t h o d s o f t h e t u n n e l
10、s h o r t - t e r m t r a f f i c v o l u m e f o r e c a s t . T h e r e s u l t m a k e s c l e a r t h a t t h e p a t t e r n h a s b e e nt r a i n e d c a n n i c e l y f o r e c a s t t h e n e x t - t e r m t u n n e l t r a f f i c v o l u m e , i t s a c c u r a c y c a n c o m p l e t e l
11、 y s a t i s f y t h e r e q u e s t i n f a c t .U s i n g t h e n e u r a l n e t w o r k t o m a k e t u n n e l t r a f f i c v o l u m e f o r e c a s t h a s a d v a n t a g e s s u c h a s e a s i l y p a t t e r n b u i l d i n g u p , t h eh i g h a c c u r a c y , a s s o c i a t i n g t o
12、 r e m e m b e r e t c .K e y w o r d s : n e u r a l n e t w o r k ; t r a f f i c v o l u m e ; f o r e c a s t m e t h o d s收 稿 日 期 : 2 0 0 6 - 0 9 - 3 01 3 42 0 0 7 年 第 2 4 卷 第 1 1 期 微 电 子 学 与 计 算 机是 针 对 某 几 个 月 建 立 交 通 量 预 测 模 型 还 是 建 立 一个 通 用 于 各 个 月 份 的 模 型 。 由 图 1 可 以 看 出 5 月 、 6月 、 7 月 、 8
13、月 的 交 通 量 要 高 于 其 他 月 份 。( 2 ) 日 交 通 量 变 化 分 析每 日 的 实 际 交 通 量 随 时 间 是 有 变 化 的 , 要 对 实际 情 况 来 进 行 分 析 。 由 图 2 可 以 看 出 交 通 量 在 星 期四 时 最 大 , 到 周 末 会 有 所 下 降 , 星 期 六 时 最 小 。( 3 ) 小 时 交 通 量 变 化 分 析小 时 交 通 量 最 为 复 杂 。 一 般 情 况 下 , 在 进 行 交通 基 础 设 施 的 设 计 及 交 通 控 制 时 都 首 先 要 考 虑 峰值 时 的 小 时 交 通 量 。 由 图 3 可 以
14、看 出 交 通 量 随 时 间变 化 的 规 律 : 每 天 上 午 和 下 午 各 有 一 个 峰 值 点 , 为2 0 0 辆 / h : 上 午 交 通 量 集 中 在 9 : 0 0 1 1 : 0 0 , 下 午 交通 量 集 中 在 1 5 : 0 0 1 7 : 0 0 ; 小 时 平 均 交 通 量 为 1 0 8辆 / h 。4 时 间 周 期 t 的 选 取在 采 集 数 据 时 , 首 先 应 确 定 一 段 时 间 t 作 为 数据 采 集 的 时 间 周 期 。 若 t 太 小 则 采 集 数 据 的 波 动 性较 大 , 不 利 于 预 测 ; 若 太 大 , 则
15、风 机 开 动 时 间 较 长 ,不 利 于 节 能 ; 况 且 应 保 证 在 该 时 间 段 内 , 隧 道 至 少换 气 一 次 , 即 t L / V0。 文 中 取 一 小 时 作 为 时 间 周 期 ,在 确 定 时 间 周 期 后 , 就 可 以 将 一 天 划 分 为 前 后 连 续的 一 系 列 时 间 段 。5 神 经 网 络 预 测 模 型 的 建 立文 中 采 用 多 层 前 馈 网 络 , 网 络 的 流 程 设 计 如 图4 所 示 。5 . 1 训 练 集 的 设 定样 本 数 及 其 代 表 性 是 影 响 网 络 性 能 的 重 要 因素 。 网 络 所 需
16、的 样 本 数 主 要 由 两 个 因 素 决 定 : 一 是网 络 映 射 关 系 的 复 杂 程 度 , 为 获 得 一 定 映 射 精 度 ,映 射 关 系 越 复 杂 , 要 求 提 供 的 样 本 数 越 多 ; 二 是 数据 中 的 噪 声 , 为 达 到 一 定 的 映 射 精 度 , 所 需 样 本 数将 随 噪 声 的 增 大 而 增 多 。 文 中 采 用 中 梁 山 隧 道 右 线6 0 天 的 2 4 小 时 交 通 量 数 据 , 用 前 5 3 天 数 据 训 练 神经 网 络 , 用 最 后 7 天 数 据 测 试 网 络 。5 . 2 数 据 处 理对 样 本
17、进 行 归 一 化 处 理 , 利 用 下 列 公 式 将 输 入向 量 和 目 标 向 量 中 各 元 素 的 值 量 化 到 范 围 0 , 1 :Zt=yt- ym i nym a x- ym i n( 3 )式 中 , yt是 t 时 段 的 时 间 序 列 值 ; ym a x, ym i n是 时 间 序 列的 最 大 值 和 最 小 值 ; Zt是 t 时 段 的 量 化 值 ;数 据 还 原 处 理 : 由 于 输 出 结 果 是 神 经 网 络 模 型输 出 范 围 内 的 数 值 , 不 能 直 接 反 映 所 需 要 得 到 的 数1 3 5微 电 子 学 与 计 算 机
18、 2 0 0 7 年 第 2 4 卷 第 1 1 期据 , 因 此 要 对 输 出 结 果 进 行 还 原 处 理 。yt= ( ym a x- ym i n) Zt+ ym i n( 4 )5 . 3 初 始 权 值 的 选 择初 始 权 值 的 选 择 直 接 影 响 网 络 训 练 时 间 。 不 论对 单 极 性 还 是 双 极 性 S i g m o i d 函 数 来 说 , 静 输 入 为零 时 正 处 于 传 输 函 数 的 中 点 。 神 经 网 络 从 中 点 开 始学 习 有 两 的 优 点 :( 1 ) 在 事 先 不 知 道 输 出 的 情 况 下 , 输 出 中 值
19、 显然 是 猜 测 的 最 佳 起 始 点 。( 2 ) 神 经 元 要 尽 力 避 免 工 作 在 S i g m o i d 函 数 的饱 和 区 , 以 免 导 致 学 习 速 度 太 慢 。 为 此 , 文 中 设 置 隐结 点 的 初 始 值 为 均 匀 分 布 在 零 附 近 的 很 小 的 随 机值 , 赋 值 范 围 为 - 0 . 5 , + 0 . 5 。5 . 4 B P 神 经 网 络 模 型 的 结 构 设 计神 经 网 络 的 结 构 设 计 主 要 包 括 : 网 络 层 数 的 确定 、 各 层 神 经 元 数 目 的 确 定 以 及 传 输 函 数 的 确 定
20、 。( 1 ) 经 过 多 次 试 验 比 较 , 根 据 具 有 不 同 隐 层 数的 神 经 网 络 的 训 练 结 果 , 文 中 选 定 单 隐 层 的 双 层 B P神 经 网 络 。( 2 ) 输 入 节 点 数 量 的 确 定 没 有 理 论 可 以 参 考 ,一 般 都 是 根 据 经 验 和 问 题 本 身 的 特 性 通 过 试 验 确定 。 文 中 通 过 对 6 个 、 8 个 、 1 2 个 输 入 节 点 三 种 情 况做 了 大 量 试 验 , 最 后 确 定 输 入 节 点 数 为 1 2 ; 确 定 最佳 隐 节 点 数 的 一 个 常 用 方 法 称 为 试
21、 凑 法 , 可 先 设 置较 少 的 隐 节 点 训 练 网 络 , 然 后 逐 渐 增 加 隐 节 点 数 ,用 同 一 样 本 集 进 行 训 练 , 从 中 确 定 网 络 误 差 最 小 时对 应 的 隐 节 点 数 。 在 用 试 凑 法 时 , 可 用 一 些 确 定 隐节 点 数 的 经 验 公 式 。 文 中 根 据 公 式 :m = n + l ( 5 )式 中 , m 为 隐 层 节 点 数 , n 为 输 入 节 点 数 , l 为 输 出 节点 数 。经 过 综 合 考 虑 , 反 复 试 验 , 确 定 隐 节 点 数 为 1 3 ;文 中 问 题 输 出 节 点
22、只 有 一 个 下 一 时 段 的 交 通量 。( 3 ) 根 据 文 中 所 研 究 问 题 的 特 性 , 传 递 函 数 选择 对 数 - S 形 函 数 , 输 出 层 选 择 线 性 函 数 。 由 此 , 整 个模 型 的 结 构 图 如 图 5 所 示 。5 . 5 网 络 的 训 练 与 测 试训 练 次 数 ( e p o c h ) 在 某 一 最 佳 点 之 前 , 训 练 误 差和 测 试 误 差 均 随 着 训 练 次 数 的 增 加 而 减 小 ; 但 当 训练 次 数 超 过 该 点 时 , 测 试 误 差 却 反 而 增 大 , 这 种 现象 就 是 所 谓 的
23、 “ 训 练 过 头 ” 。 为 了 找 到 最 佳 的 训 练 次数 , 文 中 在 训 练 过 程 中 的 做 法 是 : 每 经 过 一 定 训 练次 数 后 , 就 停 止 训 练 并 测 试 其 测 试 误 差 , 同 时 保 存此 时 的 权 值 和 偏 置 值 。 当 测 试 误 差 开 始 上 升 时 , 说明 网 络 达 到 了 最 佳 训 练 次 数 , 此 时 的 权 值 便 具 有 最佳 的 泛 化 能 力 。 一 般 测 试 误 差 要 略 高 于 训 练 误 差 ,因 为 网 络 毕 竟 是 按 训 练 集 而 不 是 按 照 测 试 集 训 练的 。网 络 性 能
24、 的 好 坏 主 要 看 其 是 否 具 有 很 好 的 泛化 能 力 , 因 而 在 训 练 完 网 络 之 后 要 检 验 其 泛 化 能力 。 文 中 在 全 部 样 本 中 保 留 一 部 分 , 用 作 测 试 集 , 这部 分 样 本 在 训 练 过 程 中 不 使 用 。 由 于 测 试 集 是 随 机抽 取 的 , 因 此 它 就 能 对 网 络 的 泛 化 能 力 做 出 公 正 的评 价 。6 神 经 网 络 预 测 模 型 的 M A T L A B 实 现 与 仿 真6 . 1 神 经 网 络 设 计 与 训 练( 1 ) 加 载 样 本 集 , 并 对 其 进 行 处
25、 理加 载 样 本 集 , 对 其 进 行 归 一 化 处 理 。 对 训 练 样本 进 行 完 归 一 化 处 理 后 , 还 需 要 确 定 输 入 矩 阵 和 目标 向 量 , 用 于 对 网 络 的 训 练 。( 2 ) 用 n e w f f ( ) 语 句 创 建 神 经 网 络 , 其 中各 输 入 的 取 值 范 围 为 0 , 1 ;网 络 拓 扑 结 构 为 1 2 - 1 3 - 1 ;隐 层 与 输 出 层 的 传 输 函 数 分 别 为 : l o g s i g 和p u r e l i n ;B P 网 络 训 练 函 数 为 t r a i n l m ;B P
26、 网 络 权 值 和 偏 置 值 的 学 习 函 数 为 l e a r n g d m ;B P 网 络 的 性 能 函 数 为 m s e 。( 3 ) 用 t r a i n ( ) 函 数 训 练 网 络最 大 训 练 次 数 定 为 2 0 0 0 , 训 练 误 差 开 始 定 为0 . 0 0 1 , 在 训 练 过 程 中 逐 渐 修 改 , 直 到 找 出 最 佳 训 练次 数 。 文 中 的 训 练 次 数 为 1 2 7 2 。6 . 2 神 经 网 络 测 试 与 结 果通 过 最 后 7 天 数 据 对 模 型 的 测 试 , 得 到 M S E ,M A P E 及
27、 测 试 结 果 如 下 :( 1 ) 性 能 函 数 M S E : 网 络 最 后 的 均 方 误 差 为0 . 0 0 0 1 2 7 ;( 2 ) 平 均 绝 对 百 分 比 误 差 M A P E : 用 训 练 样 本测 试 网 络 的 M A P E 为 0 . 0 3 1 , 用 测 试 样 本 测 试 网 络的 M A P E 为 0 . 0 3 4 ;( 3 ) 神 经 网 络 测 试 结 果1 3 62 0 0 7 年 第 2 4 卷 第 1 1 期 微 电 子 学 与 计 算 机用 最 后 7 天 数 据 测 试 网 络 的 结 果 如 表 1 所 示 ,其 中 最 大
28、 误 差 百 分 比 为 1 2 . 8 5 % , 对 于 实 际 应 用 来说 , 其 精 度 完 全 可 以 满 足 要 求 。图 6 及 图 7 说 明 了 神 经 网 络 最 后 训 练 阶 段 中 ,误 差 逐 步 逼 近 预 先 设 定 的 极 小 值 的 过 程 及 神 经 网络 的 预 测 效 果 。从 图 7 可 以 看 出 , 神 经 网 络 的 预 测 效 果 比 较 理想 , 其 准 确 性 完 全 可 以 满 足 实 际 应 用 需 求 。7 结 束 语文 中 通 过 以 交 通 量 数 据 对 神 经 网 络 隧 道 小 时交 流 量 预 测 模 型 进 行 训
29、练 测 试 研 究 表 明 , 经 过 训 练后 的 神 经 网 络 能 够 很 好 地 预 测 隧 道 下 一 时 段 的 交通 量 , 其 精 度 完 全 可 以 满 足 实 际 应 用 的 要 求 。 用 神经 网 络 理 论 进 行 隧 道 小 时 交 通 量 预 测 具 有 建 模 容易 , 精 确 度 高 , 联 想 记 忆 等 优 点 。 当 然 , 若 进 一 步 进行 研 究 , 可 以 在 样 本 处 理 , 函 数 选 择 等 方 面 对 神 经网 络 进 行 优 化 , 进 一 步 增 强 网 络 的 泛 化 能 力 。参 考 文 献 : 1 王 苏 芳 , 卢 兰 萍
30、 , 谭 燕 秋 , 等 . 基 于 M a t l a b 的 人 工 神 经 网络 在 交 通 量 预 测 中 的 应 用 J . 河 北 建 筑 科 技 学 院 学 报 ,2 0 0 4 , 2 1 ( 2 ) : 4 1 4 3 2 刘 浩 . 基 于 智 能 控 制 与 O P C 的 公 路 隧 道 通 风 控 制 系 统研 究 D . 南 宁 : 广 西 大 学 , 2 0 0 5 3 周 骞 . 基 于 人 工 神 经 网 络 的 交 通 量 预 测 J . 湖 南 交 通 科技 , 1 9 9 9 , 2 5 ( 3 ) : 1 6 1 7 4 苑 文 江 . 广 义 神 经
31、 网 络 的 研 究 及 其 在 交 通 流 预 测 中 的 应用 D . 大 连 : 大 连 理 工 大 学 , 2 0 0 5 5 郭 郴 生 , 刘 伟 铭 , 姜 山 . 基 于 遗 传 神 经 网 络 的 道 路 交 通量 预 测 J . 广 西 交 通 科 技 , 2 0 0 3 , 2 8 ( 2 ) : 2 4 2 6 6 徐 蔚 鸿 , 黄 元 元 , 杨 静 宇 , 等 . 一 种 基 于 神 经 网 络 的 模 糊推 理 方 法 J . 微 电 子 学 与 计 算 机 , 2 0 0 2 , 1 8 ( 1 0 ) : 7 1 0作 者 简 介 :赵 忠 杰 男 , (
32、1 9 5 9 - ) , 副 教 授 。 研 究 方 向 为 交 通 信 息 及 控 制工 程 、 隧 道 交 通 工 程 。表 1 数 据 测 试 网 络 结 果序 号 预 测 交 量 实 测 交 通 量 误 差 百 分 比 误 差 ( % )1 1 6 . 9 7 8 2 1 8 - 1 . 0 2 1 8 - 5 . 6 82 2 1 0 . 0 1 5 5 1 8 7 2 3 . 0 1 5 5 1 2 . 3 03 4 6 . 8 7 6 7 4 6 0 . 8 7 6 7 1 . 9 14 1 3 6 . 1 6 5 5 1 3 6 - 0 . 8 3 4 5 - 0 . 6 1
33、5 1 8 1 . 3 9 8 4 1 7 6 5 . 3 9 8 4 3 . 0 76 1 8 9 . 7 3 0 5 1 9 8 - 8 . 2 6 9 5 - 4 . 1 87 1 7 6 . 6 4 3 0 2 0 1 - 2 4 . 3 5 7 0 - 1 2 . 1 28 2 2 . 8 8 3 2 2 3 - 0 . 1 1 6 8 - 0 . 5 1 t i v e q u e u e m a n a g e m e n t J . C o m p u t e r C o m m u n i c a t i o n s ,2 0 0 2 , 2 5 : 8 7 4 8 8 3
34、4 蔡 小 玲 , 汪 小 帆 , 王 执 铨 , 等 . 主 动 队 列 管 理 中 P I 控 制 的分 析 与 改 进 J . 南 京 理 工 大 学 学 报 , 2 0 0 5 , 2 9 ( 3 ) : 3 6 8 3 7 0 5 欧 林 林 , 顾 诞 英 , 张 卫 东 . 线 性 时 滞 系 统 的 P 和 P I 控 制器 稳 定 参 数 集 算 法 J . 上 海 交 通 大 学 学 报 , 2 0 0 6 , 4 0 ( 7 ) :1 1 1 2 1 1 1 6 6 张 明 龙 , 赵 巍 , 冯 博 琴 , 等 . 主 动 网 络 中 的 分 层 组 播 拥 塞控 制
35、策 略 J . 微 电 子 学 与 计 算 机 , 2 0 0 5 , 2 2 ( 1 1 ) : 1 0 1 3作 者 简 介 :崔 春 华 男 , ( 1 9 8 1 - ) , 硕 士 研 究 生 。 研 究 方 向 为 网 络 协 议 、 智能 网 络 控 制 技 术 。于 歌 女 , ( 1 9 7 8 - ) , 硕 士 研 究 生 。 研 究 方 向 为 网 络 协 议 。李 秋 山 男 , ( 1 9 4 1 - ) , 副 教 授 , 硕 士 生 导 师 。 研 究 方 向 为 计 算机 网 络 、 网 络 流 量 分 析 、 网 络 安 全 。!( 上 接 第 1 3 3 页 )1 3 7
