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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。
中图分类号:U491.1
文献标识码:A
DOI: 10.19358/j.issn.2096-5133.2020.02.007
引用格式:张振,曾献辉.基于CNN-LightGBM模型的高速公路交通量预测[J].信息技术与网络安全,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

准确的交通量预测是当今智慧交通的重要基础,是交通状况判别的重要基石之一。人们从上个世纪开始就在交通流预测领域做了很多交通预测研究,截止目前为止常见的交通量预测方法主要包括基于统计的预测方法、基于时间序列的交通量预测方法、基于神经网络的交通量预测方法以及基于机器学习的交通量预测方法几种。

基于统计的交通量预测方法较多,比如多元线性回归法、卡尔曼滤波器和K近邻算法等,这些方法主要根据历史流量数据预测未来交通流量分布,但是这些方法无法精准地预测道路短期拥堵的情况。基于时间序列的交通量预测方法如差分自回归滑动平均模型,主要是将历史的流量数据按照时间排列成为时间序列,根据时间序列分析数据流的变化趋势从而预测未来的交通流量,但是这种算法的缺点是在处理数据量较大、维度较高的数据时效果一般,推广能力较差。基于神经网络交通量预测方法如GRU和LSTM,这些模型存在着计算过程中收敛速度慢、计算时间较长、容易过拟合等缺点。基于机器学习的交通量预测方法如GBDT模型、Xgboost模型和随机森林模型,这些模型对交通流时空挖掘效果不大理想。





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作者信息:

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)


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