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基于LSTM-BN的车辆实时碰撞风险预测模型

詹益雪 张桂露 文江辉

詹益雪, 张桂露, 文江辉. 基于LSTM-BN的车辆实时碰撞风险预测模型[J]. 交通信息与安全, 2026, 44(1): 52-61. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2026.01.005
引用本文: 詹益雪, 张桂露, 文江辉. 基于LSTM-BN的车辆实时碰撞风险预测模型[J]. 交通信息与安全, 2026, 44(1): 52-61. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2026.01.005
ZHAN Yixue, ZHANG Guilu, WEN Jianghui. A LSTM-BN Based Model for Real-time Vehicle Collision Risk Prediction[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2026, 44(1): 52-61. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2026.01.005
Citation: ZHAN Yixue, ZHANG Guilu, WEN Jianghui. A LSTM-BN Based Model for Real-time Vehicle Collision Risk Prediction[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2026, 44(1): 52-61. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2026.01.005

基于LSTM-BN的车辆实时碰撞风险预测模型

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2026.01.005
基金项目: 

国家自然科学基金项目 52272354

湖北省自然科学基金联合项目 2024AFD408

武汉市自然科学基金探索计划(晨光计划)项目 2025040601020130

详细信息
    作者简介:

    詹益雪(2000—),硕士研究生. 研究方向:统计预测与决策. E-mail:zhanyixue@whut.edu.cn

    通讯作者:

    文江辉(1986—),博士,教授. 研究方向:交通大数据分析、统计预测与决策等. E-mail:jhwen@whut.edu.cn

  • 中图分类号: U268.6

A LSTM-BN Based Model for Real-time Vehicle Collision Risk Prediction

  • 摘要: 车路协同(vehicle-to-infrastructure, V2I)技术的发展实现了驾驶人、车辆、道路的动态信息实时交互,为车辆实时碰撞风险预测提供了技术支撑。针对当前车辆碰撞风险预测模型在动态特征捕捉与不确定性推理方面的局限,构建了基于长短时记忆-贝叶斯网络(long short-term memory-Bayesian network, LSTM-BN)的双层递进式模型。LSTM-BN模型底层利用LSTM通过设置0.1 s的采样窗口捕获车辆状态的时序演变特性,顶层通过BN进行碰撞风险的概率推断。针对武汉市自然驾驶实验数据,利用碰撞时间(time-to-collision, TTC)指标对车辆(小汽车)的碰撞风险进行定义和量化,得到无风险、低风险和高风险数据分别为25 826帧、19 344帧和4 051帧。在初步确定影响车辆碰撞风险的相关变量后,采用决策树方法从人-车-路维度提取关键致因特征,进而挖掘并表征了驾驶员熟练度、速度差、道路类型与车头间距等反映人-车-路多维要素非线性耦合关系的交互项指标,并通过构建反映人、车、路耦合关系指标的贝叶斯网络,评估当前时刻的车辆碰撞风险。在此基础上,为弥补静态概率模型在时序预测上的不足,运用LSTM预测车辆状态量。继而将这些变量映射至BN,以推断下1个时刻的碰撞概率。通过上述步骤,模型能够对动态演化下的车辆实时碰撞风险进行精准预测。为验证模型有效性,从鲁棒性、精确性、时效性和复杂性4个方面对提出模型的预测性能进行评估。模型对比结果显示:LSTM-BN模型的准确率最高(91%),较支持向量机(support vector machine, SVM)模型和随机森林(random forest, RF)模型分别提升了7%和12%;其在不同采样时段下的指标波动均小于0.1,表现出较强的鲁棒性。

     

  • 图  1  车辆碰撞风险等级判定示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of vehicle collision risk level determination

    图  2  贝叶斯网络结构示意图

    Figure  2.  Schematic diagram of Bayesian network structure

    图  3  基于LSTM-BN的车辆碰撞风险实时预测流程图

    Figure  3.  Flowchart of real-time vehicle collision risk prediction based on LSTM-BN

    图  4  实验路线图

    Figure  4.  Experimental route map

    图  5  贝叶斯网络结构图

    Figure  5.  Structure of the Bayesian network

    图  6  人路交互作用图

    Figure  6.  Diagram of driver-road interaction

    图  7  人车交互作用图

    Figure  7.  Diagram of driver-vehicle interaction

    图  8  车路交互作用图

    Figure  8.  Diagram of vehicle-road interaction

    图  9  带有交互项的贝叶斯网络图

    Figure  9.  Bayesian network with interaction terms

    表  1  自然驾驶平台原始数据集

    Table  1.   Raw dataset from the naturalistic driving platform

    名称 单位 名称 单位
    数据帧编号 车道偏移量 m
    本车车速 m/s 相对速度 m/s
    油门踏板开度 % 车头时距 s
    制动压力 MPa 车头间距 m
    转向盘角度 (°) 本车加速度 m/s2
    横摆角速度 (°)/s 熟练类型
    经度 (°) 道路类型
    纬度 (°) TTC s
    距右车道线距离 m
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    表  2  变量描述性统计表

    Table  2.   Descriptive statistics of variables

    变量 均值 标准差 最小值 最大值
    车速 27.91 27 0.06 98.44
    转向盘角度 -4.64 23 -545.3 421
    车道偏移量 0.15 0.4 -1.67 1.76
    车头间距 13.38 12 0.72 68.05
    速度差 0.03 0.8 -6.9 4.7
    加速度 0 0.5 -28.13 19.53
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    表  3  变量离散类型和判别条件

    Table  3.   Variable discrete types and discrimination criteria

    变量 定义 离散类型 离散判别条件及类型
    ω 转向盘角度 01234 四分位数
    Δv 相对速度 01234 四分位数
    L 车头间距 01234 四分位数
    u 加速度波动率 0 0
    1 位于0~2之间
    2 大于2
    θ 熟练类型 0 不熟练
    1 熟练
    η 道路类型 0 快速路
    1 高速路
    δ 车道偏移量 01234 四分位数
    π 风险类型 0 TTC > 5.5s无风险
    1 TTC≤5.5s低风险
    TTC在连续10帧的滑动窗口
    2 中最小且TTC≤5.5s
    高风险
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    表  4  交互项离散类型及判别条件

    Table  4.   Discrete types and discrimination criteria of interaction terms

    变量 定义 离散类型 离散判别条件
    α 熟练类型和道路类型的交互项 0 不熟练、快速路
    1 不熟练、高速路
    2 熟练、快速路
    3 熟练、高速路
    β 熟练类型与车头间距的交互项 0-9 熟练类型、车头间距四分位数
    χ 熟练类型与速度差的交互项 0-9 熟练类型、速度差四分位数
    φ 道路类型与速度差的交互项 0-9 道路类型、速度差四分位数
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    表  5  模型对比结果

    Table  5.   Model comparison results

    模型 准确率 精确率 召回率 F1值 Kappa系数 AUC
    LSTM-BN 0.91 0.91 0.91 0.90 0.81 0.77
    LSTM-BN(无交互) 0.84 0.80 0.84 0.81 0.63 0.76
    SVM 0.84 0.77 0.84 0.80 0.69 0.75
    RF 0.79 0.82 0.89 0.85 0.80 0.89
    SVR-BN 0.85 0.91 0.85 0.86 0.64 0.85
    ARIMA-BN 0.84 0.87 0.84 0.84 0.69 0.84
    MLP 0.89 0.87 0.89 0.85 0.80 0.79
    Logistic 0.85 0.77 0.85 0.81 0.70 0.75
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    表  6  不同采样时段LSTM-BN模型结果

    Table  6.   LSTM-BN model results for different sampling time periods

    采样时段 准确率 精确率 召回率 F1值 Kappa系数 AUC
    1 0.88 0.83 0.88 0.85 0.64 0.75
    2 0.91 0.91 0.91 0.90 0.81 0.77
    3 0.86 0.80 0.86 0.83 0.66 0.76
    4 0.93 0.94 0.93 0.93 0.79 0.77
    5 0.92 0.86 0.92 0.89 0.48 0.73
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    表  7  不同驾驶人LSTM-BN模型结果

    Table  7.   LSTM-BN model results for different drivers

    驾驶人 准确率 精确率 召回率 F1值 Kappa系数 AUC
    1 0.98 0.97 0.98 0.97 0.94 0.81
    2 0.87 0.96 0.87 0.91 0.62 0.73
    3 0.86 0.86 0.86 0.86 0.72 0.86
    4 0.95 0.93 0.95 0.94 0.80 0.76
    5 0.93 0.94 0.93 0.93 0.79 0.77
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    表  8  不同路段LSTM-BN模型结果

    Table  8.   LSTM-BN model results in different road sections

    道路 准确率 精确率 召回率 F1值 Kappa系数 AUC
    高速路1 0.92 0.93 0.92 0.92 0.82 0.80
    高速路2 0.88 0.86 0.88 0.86 0.72 0.80
    快速路1 0.91 0.85 0.91 0.88 0.79 0.78
    快速路2 0.90 0.85 0.90 0.87 0.77 0.79
    快速路3 0.90 0.89 0.90 0.89 0.80 0.77
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  • 收稿日期:  2025-09-24
  • 网络出版日期:  2026-08-28

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