CN112967518A - 一种公交专用道条件下公交车辆轨迹的Seq2Seq预测方法 - Google Patents
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Abstract
一种公交专用道条件下公交车辆轨迹的Seq2Seq预测方法,将复杂的车辆整体轨迹转变为多个相对简单的局部时间序列顺序组成的高维时间序列的预测建模方法,随后建立基于循环神经网络的单层和多层循环编码器‑解码器结构,从当前时段轨迹序列开始依次循环预测局部序列直到获得未来时段的整体序列。本发明利用大数据对预测模型进行训练,并且适用于通过路段的任意公交车辆的不确定性轨迹的预测,灵活性和适用性强。
Description
技术领域:
本发明属于智能交通的交通信息领域,具体涉及一种适用于公交专用道条件下的公交车辆轨迹的Seq2Seq预测方法。
背景技术:
在公交专用道的条件下,当公交车到达路段上游时候,实时预测通过路段的公交车辆轨迹,即车辆的位置坐标和对应的到达时间,可以为下游信号交叉口公交优先信号控制方案的优化提供充足的时间和更详细的交通状态信息,也可以根据车辆轨迹对不同车辆的间距进行控制,保障公交调度方案的有序实施,还可以对公交车辆运行状态进行评价等。
虽然公交专用道可以减少公交车在使用时间内道路交通流的干扰,但是公交车辆轨迹仍然受到前方车辆、公交站台通行能力、停站时间、行人过街等多种因素的影响,导致通过整个路段的未来轨迹序列的长度和序列中对应时刻的位置坐标都具有不确定性,也加剧准确预测公交车辆轨迹的难度。
在预测车辆轨迹时,由于局限于独立序列的训练和预测,传统时间序列预测方法主要有AR、ARIMA和高斯过程等难于扩展和应用到任意车辆轨迹的不确定性的时间序列和适用于公交车辆GPS轨迹大数据进行训练。
发明内容:
本发明所要克服现有技术的以上不足,提供一种公交专用道条件下公交车辆轨迹的Seq2Seq预测方法。
本发明将复杂的车辆整体轨迹转变为多个相对简单的局部时间序列顺序组成的高维时间序列的预测建模方法,随后建立基于循环神经网络的单层和多层循环编码器-解码器结构,从当前时段轨迹序列开始依次循环预测局部序列直到获得未来时段的整体序列。该方法可利用大数据对预测模型进行训练,并且适用于通过路段的任意公交车辆的不确定性轨迹的预测。
本发明所要解决的技术问题是通过以下的技术方案来实现的。本发明是一种公交专用道条件下公交车辆轨迹的Seq2Seq预测方法,包括以下步骤:
(1)构建轨迹预测的高维时间序列模型;具体包括:
当前时刻为t时,设置由T个单位步长的GPS坐标组成的目标公交车辆当前轨迹序列为τ个单位步长的第i个局部序列GPS轨迹坐标的预测序列为和由n个局部序列的预测序列组成的未来时间段的整体序列为如图1所示。未来时段车辆轨迹高维时间序列是由依据需要的组合规则设计的局部序列循环计算得到的预测序列组合而成。其中GPS的坐标可以是与目标车辆行驶方向相同的经度坐标、纬度坐标或者包含两者。
(2)构建多层循环编码器-解码器网络框架;具体包括:
第i个输入序列为到局部预测序列的编码器-解码器网络框架由局部编码器(Local-Encoder),上下文编码器(Context-Encoder)和解码器(Decoder)三部分组成,见图2。选择基于长短期记忆(Long short-term memory,LSTM)的单元构建编码器-解码器网络框架。每个LSTM用状态变量s代表记忆单元,对记忆单元的访问将由三个sigmoid门控制:遗忘门f,输入门i,输出门o。
2.1构建局部编码器;
其中为i-1个局部序列的隐层状态和第i个局部序列的输入轨迹序列的拼接。Wf,Wi,Wo,Ws和bf,bi,bo,bs是需要学习的参数,σ和⊙分别表示logisticsigmoid函数和矩阵中对应的元素相乘。
2.2构建上下文编码器;
其中为i-1个上下文编码器LSTM的隐层状态和i个局部编码器LSTM的隐层状态的拼接。Wf′,Wo′,Wi′,Ws′和b′f,b′o,b′i,b′s是需要学习的参数,σ和⊙分别表示logisticsigmoid函数和矩阵中对应的元素相乘。
2.3构建解码器;
为了得到预测序列使用LSTM对编码的输入信息进行解码。见图2中的解码器部分,在解码预测序列时不仅利用LSTM传递隐层状态,还将每次的预测结果作为下一次预测的输入。已知上下文向量作为解码器的初始隐层状态和当前输入轨迹序列的最后一个变量作为解码器的初始输入则解码器中学习从状态dt′∈Rp到dt′+1∈Rp的映射,同样LSTM更新过程为:
其中为第i个局部序列的解码器第t′步预测时LSTM的隐层状态和对应序列中第t′步预测值的拼接,其中p为隐层状态的维度。Wf″,Wi″,Wo″,Ws″和b″f,b″i,b″o,b″s是需要学习的参数,σ和⊙分别表示logistic sigmoid函数和矩阵中对应的元素相乘。
其中vy,Wy,bw,bv是需要学习的参数。
(3)进行框架训练和轨迹预测;
以上两种结构采用余弦退火和热重启以及Adam优化器进行训练。同时为了强制约束;预测和加快收敛速度,训练过程使用Teacher forcing策略。所提出的结构是光滑且可微的,因此可以通过以均方误差为目标函数的标准反向传播来学习参数:
得到已完成训练的多层循环编码器-解码器网络框架之后,将任意路段的轨迹数据构建为高维时间序列,路段下游停车线的坐标作为预测终止条件,到达路段上游的轨迹序列作为当前轨迹输入到以上网络框架中,即可得到未来时间段的轨迹序列。轨迹预测示例见图3(a)和图3(b)所示。
优选地,步骤(3)所述的训练的学习率从0.001开始,Teacher forcing策略的参数设置为0.1。
与现有技术相比,本发明具有以下优势:
一、本发明将长时段的序列预测转化为多个短时的局部序列预测构成的高维时间序列,可以应对因外界因素导致较长的预测轨迹序列不确定性带来的困难。
二、本发明的输入仅为轨迹的当前序列,并可以进行任意长度的轨迹预测。可适应于对通过具体路段具有不同长度的任意公交轨迹进行预测,灵活性和适用性强。
三、车辆轨迹预测的精度和准确度可以描述通过车辆路段的状态,可以为公交优先控制,间歇式公交专用道管理、公交车辆调度,到站时间预测,车辆运行评价等提供更详尽的交通运行状态信息。
附图说明:
图1本发明提出的高维时间序列模型构建示意图。
图2多层循环编码器-解码器网络框架示意图。
图3(a)和图3(b)轨迹预测示意图,其中图3(a)表示车辆受外界因素影响较弱情况下的轨迹预测,图3(b)表示车辆受外界影响较强情况下的轨迹预测,图中灰色虚线左侧为当前输入序列,右侧为预测序列。
具体实施方式:
下面结合具体实例对本发明以上过程进行说明:
实例的公交轨迹数据来自于杭州市文三路(学院路-教工路)的公交线路,时间为2019年6月至7月的每周工作日。在早晚高峰时段,该路段的公交专用道仅允许公交车辆通行。该路段包同时含了与支路的信号控制交叉口和公交站台,因此增加未来时段的预测轨迹的不确定性。
实例选择公交车辆行驶方向由西向东,所以选择经度坐标作为GPS轨迹的预测轨迹变量。设置当前轨迹局部序列的输入步长T=6和预测轨迹序列的步长τ=3,将实验所选路段和时段内的公交车轨迹按照步骤(1)转化为高维时间序列作为
为一个独立的训练样本,共得到9221个轨迹样本。
将以上训练样本集合划分为训练集6918个轨迹,验证集921个轨迹和测试集1382个轨迹三个部分。设置框架单次训练批量输入8个轨迹,设置局部编码器、上下文编码器和解码器中LSTM隐层状态的维度设置为:l=m=p=128,依次将训练集合6918个轨迹的每个初始序列按照步骤(2)输入到框架中,计算得到整体的轨迹预测。随后执行步骤(3)对框架进行训练。最后,将测试集合1382个轨迹输入到训练后的框架中,得到的部分轨迹预测如图3(a)和图3(b)所示。
本说明书实施例所述的内容仅仅是对发明构思的实现形式的列举,本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式,本发明的保护范围也及于本领域技术人员根据本发明构思所能够想到的等同技术手段。
Claims (2)
1.一种公交专用道条件下公交车辆轨迹的Seq2Seq预测方法,包括以下步骤:
(1)构建轨迹预测的高维时间序列模型;具体包括:
当前时刻为t时,设置由T个单位步长的GPS坐标组成的目标公交车辆当前轨迹序列为τ个单位步长的第i个局部序列GPS轨迹坐标的预测序列为和由n个局部序列的预测序列组成的未来时间段的整体序列为如图1所示;未来时段车辆轨迹高维时间序列是由依据需要的组合规则设计的局部序列循环计算得到的预测序列组合而成;其中GPS的坐标可以是与目标车辆行驶方向相同的经度坐标、纬度坐标或者包含两者;
(2)构建多层循环编码器-解码器网络框架;具体包括:
第i个输入序列为到局部预测序列的编码器-解码器网络框架由局部编码器(Local-Encoder),上下文编码器(Context-Encoder)和解码器(Decoder)三部分组成;选择基于长短期记忆(Long short-term memory,LSTM)的单元构建编码器-解码器网络框架;每个LSTM用状态变量s代表记忆单元,对记忆单元的访问将由三个sigmoid门控制:遗忘门f,输入门i,输出门o;
2.1构建局部编码器;
其中为i-1个局部序列的隐层状态和第i个局部序列的输入轨迹序列的拼接;Wf,Wi,Wo,Ws和bf,bi,bo,bs是需要学习的参数,σ和⊙分别表示logistic sigmoid函数和矩阵中对应的元素相乘;
2.2构建上下文编码器;
其中为i-1个上下文编码器LSTM的隐层状态和i个局部编码器LSTM的隐层状态的拼接;W′f,W′o,W′i,W′s和b′f,b′o,b′i,b′s是需要学习的参数,σ和⊙分别表示logistic sigmoid函数和矩阵中对应的元素相乘;
2.3构建解码器;
为了得到预测序列使用LSTM对编码的输入信息进行解码;见图2中的解码器部分,在解码预测序列时不仅利用LSTM传递隐层状态,还将每次的预测结果作为下一次预测的输入;已知上下文向量作为解码器的初始隐层状态和当前输入轨迹序列的最后一个变量作为解码器的初始输入则解码器中学习从状态dt′∈Rp到dt′+1∈Rp的映射,同样LSTM更新过程为:
其中为第i个局部序列的解码器第t′步预测时LSTM的隐层状态和对应序列中第t′步预测值的拼接,其中p为隐层状态的维度;W″f,W″i,W″o,W″s和b″f,b″i,b″o,b″s是需要学习的参数,σ和⊙分别表示logistic sigmoid函数和矩阵中对应的元素相乘;
其中vy,Wy,bw,bv是需要学习的参数;
(3)进行框架训练和轨迹预测;
以上两种结构采用余弦退火和热重启以及Adam优化器进行训练;同时为了强制约束;预测和加快收敛速度,训练过程使用Teacher forcing策略;所提出的结构是光滑且可微的,因此可以通过以均方误差为目标函数的标准反向传播来学习参数:
得到已完成训练的多层循环编码器-解码器网络框架之后,将任意路段的轨迹数据构建为高维时间序列,路段下游停车线的坐标作为预测终止条件,到达路段上游的轨迹序列作为当前轨迹输入到以上网络框架中,即可得到未来时间段的轨迹序列。
2.如权利要求1所述的公交专用道条件下公交车辆轨迹的Seq2Seq预测方法,其特征在于:步骤(3)所述的训练的学习率从0.001开始,Teacher forcing策略的参数设置为0.1。
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