留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV

    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
    下载: 导出CSV
  • [1] 姬杨蓓蓓, 张小宁, 孙立军. 交通事件持续时间预测方法综述[J]. 公路工程, 2008, 33(3): 72-79. doi: 10.3969/j.issn.1674-0610.2008.03.017

    JIYANG B B, ZHANG X N, SUN L J. A review of the traffic incident duration prediction methods[J]. Highway Engineering, 2008, 33(3): 72-79. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1674-0610.2008.03.017
    [2] 许宏科, 赵威, 杨孟, 等. 基于改进BPNN的高速公路交通事故持续时间预测[J]. 华东交通大学学报, 2020, 37(5): 60-65. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HDJT202005009.htm

    XU H K, ZHAO W, YANG M, et al. Prediction of expressway traffic accident duration based on the improved BPNN[J]. Journal of East China Jiaotong University, 2020, 37 (5): 60-65. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-HDJT202005009.htm
    [3] LI R M, PEREIRA F C, BEN-AKIVA M E. Overview of traffic incident duration analysis and prediction[J]. European Transport Research Review, 2018, 10(2): 22-28. doi: 10.1186/s12544-018-0300-1
    [4] 姬杨蓓蓓. 交通事件持续时间预测方法研究[D]. 上海: 同济大学, 2008.

    JIYANG B B. Research on prediction method of traffic incident duration[D]. Shanghai: Tongji University, 2008. (in Chinese)
    [5] 王文博, 陈红, 韦凌翔. 交通事故时间序列预测模型研究[J]. 中国安全科学学报, 2016, 26(6): 52-56. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZAQK201606010.htm

    WANG W B, CHEN H, WEI L X. Research on traffic accident time series prediction model[J]. China Safety Science Journal, 2016, 26(6): 52-56. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-ZAQK201606010.htm
    [6] 夏正丰. 高速公路交通事故持续时间概率预测模型[J]. 公路与汽运, 2016(3): 52-55. doi: 10.3969/j.issn.1671-2668.2016.03.014

    XIA Z F. Probability prediction model of highway traffic accident duration[J]. Highways and Automotive Applications, 2016(3): 52-55. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1671-2668.2016.03.014
    [7] 蓝岚, 路峰, 王军. 城市交通事故现场处理时间及影响因素分析[J]. 安全与环境学报, 2021, 21(3): 1173-1181. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-AQHJ202103037.htm

    LAN L, LU F, WANG J. Analysis of the on-site processing time and the influential factors of the urban traffic accidents[J]. Journal of Safety and Environment, 2021, 21(3): 1173-1181. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-AQHJ202103037.htm
    [8] LIN L, WANG Q, SADEK A W. A combined M5P tree and hazard-based duration model for predicting urban freeway traffic accident durations[J]. Accident Analysis & Prevention, 2016, 91(6): 114-126.
    [9] GHOSB B, ASIF M T, DAUWELS J, et al. Dynamic prediction of the incident duration using adaptive feature set[J]. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 2020, 20(11): 4019-4031.
    [10] GUO J H, LIU Z, HUANG W, et al. Short-term traffic flow prediction using fuzzy information granulation approach under different time intervals[J]. IET Intelligent Transport Systems, 2018, 12(2): 143-150. doi: 10.1049/iet-its.2017.0144
    [11] 熊励, 陆悦, 杨淑芬. 城市道路交通拥堵预测及持续时间研究[J]. 公路, 2017, 62(11): 125-134. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GLGL201711026.htm

    XIONG L, LU Y, YANG S F. Study on prediction and duration of urban road traffic congestion[J]. Highway, 2017, 62 (11): 125-134. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-GLGL201711026.htm
    [12] 翁剑成, 付宇, 林鹏飞, 等. 基于梯度推进决策树的日维度交通指数预测模型[J]. 交通运输系统工程与信息, 2019, 19 (2): 80-85. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSXT201902012.htm

    WENG J C, FU Y, LIN P F, et al. GBDT method based on prediction model of daily dimension traffic index[J]. Journal of Transportation Systems Engineering and Information Technology, 2019, 19(2): 80-85. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-YSXT201902012.htm
    [13] CONG H Z, CHEN C, LIN P S, et al. Traffic incident duration estimation based on a dual-learning bayesian network model[J]. Transportation Research Record Journal of the Transportation Research Board, 2018, 2672(45): 196-209
    [14] 何珂, 杨顺新, 郜勇刚. 基于PCA-RF组合模型的隧道交通事故持续时间预测[J]. 交通信息与安全, 2019, 37(5): 26-32. doi: 10.3963/j.issn.1674-4861.2019.05.004

    HE K, YANG S X, GAO Y G. Prediction of traffic accident duration based in tunnels based on a pcarf combined model[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2019, 37 (5): 26-32. (in Chinese) doi: 10.3963/j.issn.1674-4861.2019.05.004
    [15] 李志帅, 吕宜生, 熊刚. 基于图卷积神经网络和注意力机制的短时交通流量预测[J]. 交通工程, 2019, 19(4): 15-19+28. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DLJA201904003.htm

    LI Z S, LYU Y S, XIONG G. Short-term traffic flow prediction based on graph convolution neural network and attention mechanism[J]. Journal of Transportation Engineering, 2019, 19(4): 15-19+28. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-DLJA201904003.htm
    [16] HAMAD K, AL-RUZOUG R, ZEIADAE W, et al. Predicting incident duration using random forests[J]. Transportmetrica A: Transport Science, 2020, 16(3): 1269-1293.
    [17] LI L C, SHENG X, DU B, et al. A deep fusion model based on restricted boltzmann machines for traffic accident duration prediction[J]. Engineering Applications of Artificial Intelligence, 2020(93): 103686.
    [18] 纪柯柯, 陈坚, 肖思瑶, 等. 文本数据驱动下的高速公路事故持续时间预测模型[J]. 交通信息与安全, 2020, 38(6): 9-16. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2020.06.002

    JI K K, CHEN J, XIAO S Y, et al. Prediction model of expressway accident duration driven by text data[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2020, 38(6): 9-16. (in Chinese) doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2020.06.002
    [19] ZOU Y J, LIN B, YANG X X, et al. Application of the bayesian model averaging in analyzing freeway traffic incident clearance time for emergency management[J]. Journal of Advanced Transportation, 2021, 2021(4): 1-9.
    [20] 王婧娟, 陈庆奎. 1种时空注意力网络的交通预测模型[J]. 小型微型计算机系统, 2021, 42(2): 303-307. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XXWX202102017.htm

    WANG J J, CHEN Q K. A traffic prediction model of spatio-temporal attention network[J]. Journal of Chinese Mini-Micro Computer Systems, 2021, 42(2): 303-307. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XXWX202102017.htm
    [21] 龚兰兰, 凌兴宏. 长短时记忆网络公交短时客流预测实验设计[J]. 现代电子技术, 2021, 44(22): 97-100. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XDDJ202122020.htm

    GONG L L, LING X H. Experimental design of short term passenger flow prediction of public transport based on long term and short term memory network[J]. Modern Electronic Technology, 2021, 44(22): 97-100. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XDDJ202122020.htm
    [22] 王博文, 王景升, 王统一, 等. 基于长短时记忆网络的Encoder-Decoder多步交通流预测模型[J]. 重庆大学学报, 2021, 44(11): 71-80. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FIVE202111009.htm

    WANG B W, WANG J S, WANG T Y, et al. Encoder-Decoder multi step traffic flow prediction model based on long short memory network[J]. Journal of Chongqing University, 2021, 44(11): 71-80. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-FIVE202111009.htm
    [23] ESSIEN A, PETROUNIAS I, SAMPAIO S, et al. A deep-learning model for urban traffic flow prediction with traffic events mined from twitter[J]. World Wide Web-Internet and Web Information Systems, 2021, 24(4): 1345-1368
    [24] 廖挥若, 杨燕. 基于注意力的时空神经网络城市区域交通流量预测[J]. 计算机应用研究, 2021, 38(10): 2935-2940. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSYJ202110009.htm

    LIAO H R, YANG Y. Predicting citywide traffic flow using attention-based spatial-temporal neural network[J]. Application Research of Computers, 2021, 38(10): 2935-2940. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-JSYJ202110009.htm
    [25] 徐琛辉, 马明辉. 基于拉依达准则的交通数据粗大误差处理优化方法[J]. 上海工程技术大学学报, 2018, 32(1): 64-67. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SGCJ201801015.htm

    XU C H, MA M H. Optimization method for gross error processing of traffic data based on pauta criterion[J]. Journal of Shanghai University of Engineering Science, 2018, 32(1): 64-67. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-SGCJ201801015.htm
  • 加载中
图(7) / 表(5)
计量
  • 文章访问数:  692
  • HTML全文浏览量:  272
  • PDF下载量:  68
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-01-14
  • 网络出版日期:  2022-12-05

目录

    /

    返回文章
    返回