基于短时交通流预测关键技术研究
数学建模
1. 1 单点短时交通流预测理论
2. 2 短时交通流预测结果评价指标
1.
2.
与
4.
3. 3 路口相关性
距离很近,则他们的交通流的车流组成成分基本一致,如此我们可以根据道路参数和
流量数据等,计算交叉路口之间的相关系数,根据研究路口的相关性可以分为时间和空
通过矩阵运算求出系数矩阵R的所有特征值所对应的正交特征向量
1. BP神经网络是目前应用最为广泛的神经网络之一.该算法的思想是沿着神经网络的实际输出和期望输出之间的误差的负梯度方向,从后向前逐层地迭代修正网络的权值和阈值.基本BP神经网络模型为一个三层前馈网络,包括输入层,隐含层,输出层,各层的神经元彼此互相连接,且对应一个权值.
本文将相关路口历史交通流量数据作为神经网络的输入,对目标路口交通流量进行短时预测.对于隐含层的节点数目将由以下公式给出.
其中h为隐含层节点数目,m为输入层节点数目,a为调节因子,其数目在1到10之间波动.
假设输入层有M个神经元,对应的输入
;隐含层含有L个神经元,输出层含有J个神经元,激励函数为
,另外期望输出将被用于矫正神经网络的实际输出.
为输入层的第m个神经元到隐含层第l个神经元之间的连接权值,而
表示隐含层第l个神经元和输出层第J个神经元之间的连接权值;可用
分别表示隐含层第l个神经元和输出层第J个神经元的阈值;
表示隐含层第l个神经元的输出,它将被传递到输出层神经元作为其输入的一部分,而
表示输出层第J个神经元的实际输出.另外
为学习步长,用来调节神经网络搜索最优权值的速度和振荡程度.
隐含层中第l个神经元的输出为
输出层中第j个神经元的输出为:
此时,对应第I个样本对的神经网络误差函数为
令
隐含层第l个神经元到输出神经元第J个神经元之间的连接权值增量为:
同理可得:
而从输入层第m个神经元到隐含层第l个神经元之间的连接权值增量由一下公式给出:
同理可得:
此时,结点之间的权值和结点的阈值跟新公式为
2.BP神经网络的改进
标准BP神经网络容易陷入局部极小点,学习收敛速度慢.因此为了弥补标准BP神经网络算法的不足,本节将重点介绍L-M算法.
设
表示第
次迭代的权值和阈值所构成的向量,
为新的权值和阈值所构成的向量.因此可得:
设误差指标函数为:
其中,
N为目标向量的维数.
令
则
表示梯度,
表示误差指标函数的Hessian的矩阵;
J(W)矩阵为:
对于牛顿法,有:
当
在实际过程中,u是一个试探性参数,如果某一步中,E没能减小,则将u乘以10以后在重复该步,最终使E下降.如果某一步E变得更小,则将u缩小10倍,继续运行,直到E符合要求.
利用BP神经网络进行交通流短时预测可以分为三个步骤:第一步,对数据进行预处理,归一化和处理冗余数据以获得样本数据.第二步为神经网络的训练;第三步,进行短时交通流预测.
小波神经网络(WNN)的基本思想:利用小波元来取代神经元,即用非线性小波基函数来代替一般神经元的激励函数.WNN以BP神经网络的拓扑结构作为基础,将小波函数作为隐含层的传递函数,运用误差函数极小化原理,不断地对小波基的波形和尺度进行变化,从而调整整个网络的权值和阈值.
为WNN的输入参数,
为WNN的预测输出;
为WNN的权值.因此隐含层和输出层可由下面公式得.
隐含层的输出:
输出层的输出:
其中
表示小波基函数;
表示小波基函数的伸缩因子,
表示小波基函数
的平移因子,
表示隐含层到输出层的连接权值.
选取的小波基函数
为:
WNN参数修正过程如下:
(1)计算网络预测误差
(2)根据误差e修正WNN参数和网络权值.
基于WNN的交通流预测过程.
Q
可得:
又设
为信号灯整个周期的时间.
为该周期通过的汽车总量.
可得:
设
为相关路口的长度,又因为
设
为该路口的总车辆
则: