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基于ATT-LSTM模型的高速公路交通事件持续时长预测

贾兴利 李双庆 杨宏志 陈星澎

贾兴利, 李双庆, 杨宏志, 陈星澎. 基于ATT-LSTM模型的高速公路交通事件持续时长预测[J]. 交通信息与安全, 2022, 40(5): 61-69. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.05.007
引用本文: 贾兴利, 李双庆, 杨宏志, 陈星澎. 基于ATT-LSTM模型的高速公路交通事件持续时长预测[J]. 交通信息与安全, 2022, 40(5): 61-69. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.05.007
JIA Xingli, LI Shuangqing, YANG Hongzhi, CHEN Xingpeng. Prediction of the Duration of Freeway Traffic Incidents Based on an ATT-LSTM Model[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2022, 40(5): 61-69. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.05.007
Citation: JIA Xingli, LI Shuangqing, YANG Hongzhi, CHEN Xingpeng. Prediction of the Duration of Freeway Traffic Incidents Based on an ATT-LSTM Model[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2022, 40(5): 61-69. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.05.007

基于ATT-LSTM模型的高速公路交通事件持续时长预测

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2022.05.007
基金项目: 

国家重点研发计划项目 2020YFC1512003

陕西省自然科学基础研究计划项目 2020JM-260

详细信息
    通讯作者:

    贾兴利(1986—),博士,副教授. 研究方向:道路交通安全与应急. E-mail:jiaxingli@chd.edu.cn

  • 中图分类号: U491.1

Prediction of the Duration of Freeway Traffic Incidents Based on an ATT-LSTM Model

  • 摘要: 为揭示交通事件对高速公路运行状态持续时间的影响规律,研究了高速公路交通事件持续时长预测方法。考虑高速公路交通事件时间序列特性,基于循环神经网络理论,从时间序列数据中提取交通事件时间依赖关系;通过引入长短时记忆网络,结合特征、时序注意力层挖掘历史时刻信息和当前时刻数据间的相关性,构建基于注意力机制-长短时记忆网络的高速公路交通事件持续时长预测模型。以2018年西安绕城高速公路交通监测数据集为例,开展了高速公路交通事件持续时长预测模型验证,对比了所提模型与反向传播神经网络、随机森林、支持向量机、长短时记忆网络模型这4种典型算法的预测精度,并分析了事件类型、天气条件、车辆类型、交通量等不同影响因素对持续时长的影响程度。结果表明:使用同一数据集,注意力机制-长短时记忆网络预测模型的预测结果平均绝对误差为24.43,平均绝对百分比误差为25.24%,均方根误差为21.17,预测精度优于其他4种预测方法。在模型的各影响因素权重中,事件类型所占权重最大为0.375,其次分别为车道数、车辆类型、天气等;采用立交出入口小时交通量作为修正参数,可以进一步提升预测精度,预测结果的绝对误差、平均绝对百分比误差和均方根误差可分别降低21.3%、7.5%和16.9%。研究结果能进一步提高高速公路交通事件持续时长预测的精度,为公路安全高效运行提供技术支持。

     

  • 图  1  LSTM模型单元结构

    Figure  1.  Unit structure of LSTM model

    图  2  ATT-LSTM模型权重计算图

    Figure  2.  Weight calculation diagram of ATT-LSTM model

    图  3  不同超参数的测试集MAE

    Figure  3.  MAE values of test sets with different super parameters

    图  4  交通事件持续时长的实际值与预测值

    Figure  4.  Theactual and forecastduration of traffic incidents

    图  5  各影响因素所占权重

    Figure  5.  Weight of each influencing factor

    图  6  立交出入口分布图

    Figure  6.  Layout of interchange entrance and exit

    图  7  预测模型测试对比

    Figure  7.  Comparison of prediction model tests

    表  1  交通事件主要特征及分类

    Table  1.   Main characteristics and classification of traffic events

    特征 数据类型 种类
    事件发生时间 连续变量
    事件发生地点 连续变量
    天气状况 分类变量 4
    路面状况 分类变量 3
    上下行 分类变量 2
    涉及车辆类型 分类变量 3
    涉及车辆数量 连续变量
    影响范围 分类变量 2
    影响车道数量 连续变量
    是否位于主线 分类变量 2
    事件类型 分类变量 5
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    表  2  原始数据

    Table  2.   Raw data

    月份 日期 时间 桩号 桩号类型 上下行 天气 路面环境 事件描述 影响范围 影响车道 处理结束时间
    1月 1日 08:10 57 A 下行 A 1辆6轴半挂货车撞护栏 A 占用1条行车道 10:00
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    表  3  格式转换后数据

    Table  3.   Data after format conversion

    发生时间 发生地点 涉及车辆 上下行 天气 事件类型 涉及车辆数 影响范围 影响车道 持续时长/min
    小客车 大客车 货车 上行 下行 追尾 侧翻 碰撞 剐蹭 故障 主线 非主线
    1514764800 -0.233 -0.972 0 0 1 0 1 0 0 1 0 0 0 1 0 0 1 1 0 1 110
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    表  4  不同模型预测精度评价指标值

    Table  4.   Prediction accuracy evaluation index value of different models

    模型 MAE MAPE/% RMSE
    ATT-LSTM 24.43 25.24 21.17
    GA-BP 26.09 37.98 43.41
    RF 36.34 29.60 34.72
    SVM 30.29 35.47 36.37
    LSTM 27.03 30.15 29.86
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    表  5  预测模型误差指标对比

    Table  5.   Comparison of prediction model error indicators

    模型 MAE MAPE/% RMSE
    未优化模型 24.43 25.24 21.17
    优化后模型 19.27 23.35 17.59
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  • 收稿日期:  2022-01-14
  • 网络出版日期:  2022-12-05

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