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基于Informer的客机长时4D航迹预测方法

冯霞 孙琦琦 左海超

冯霞, 孙琦琦, 左海超. 基于Informer的客机长时4D航迹预测方法[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(4): 111-121. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.04.012
引用本文: 冯霞, 孙琦琦, 左海超. 基于Informer的客机长时4D航迹预测方法[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(4): 111-121. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.04.012
FENG Xia, SUN Qiqi, ZUO Haichao. A Method for Predicting Long-term 4D Trajectory of Airplanes Based on Informer[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(4): 111-121. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.04.012
Citation: FENG Xia, SUN Qiqi, ZUO Haichao. A Method for Predicting Long-term 4D Trajectory of Airplanes Based on Informer[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(4): 111-121. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.04.012

基于Informer的客机长时4D航迹预测方法

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.04.012
基金项目: 

国家重点研发计划项目 2021YFF0603902

中央高校基本科研业务费中国民航大学专项 3122021063

详细信息
    通讯作者:

    冯霞(1970—),博士,教授. 研究方向:民航智能信息处理、智慧机场. E-mail:caucfx@126.com

  • 中图分类号: TP391

A Method for Predicting Long-term 4D Trajectory of Airplanes Based on Informer

  • 摘要: 客机长时4D航迹预测是基于航迹运行的重要基础,对于改善空中交通系统安全性能和优化空域结构有重要意义。针对现有长时4D航迹预测未充分考虑长序列航迹数据之间存在隐式关联信息等问题,借助Informer模型的自注意力机制,研究构建了基于Informer的长时4D航迹预测模型。为提取航迹数据的全局特征信息,增强数据独立性和时间序列特征学习能力,在数据嵌入层中增加全局时间戳模块,并利用航迹点序列等分层时间戳突破Informer模型固有的嵌入层时间刻度限制;为更好地捕捉非相邻时序序列点之间的隐式相关性,采用自注意力机制提取航迹数据特征,并运用概率稀疏方法降低自注意力机制的计算复杂度至OLlogL),同时在编码器中增加蒸馏机制以减少计算维度和网络参数量;为避免传统的逐步预测输出方法造成的误差累积现象,提高航迹预测精度,采用全连接层对预测输出数据进行维度调整,完成一步生成式输出。对历史4D航迹数据进行三次样条插值等预处理后,与时序特征数据同时输入到航迹预测模型中,经过模型迭代训练,输出航迹预测结果。实验结果表明:在同时预测航迹的4D特征时,基于Informer模型的预测表现优于LSTnet方法,其均方根误差和欧氏距离误差分别为0.218 5和15.980 km,相较于LSTnet网络分别减少了1.48%和2.44%。此外,对于分别预测航迹特征的任务,Informer模型的欧氏距离误差为13.248 km,相较于LSTnet网络减少了3.11%,相较于传统LSTM网络减少了34.99%。

     

  • 图  1  航迹数据对齐预处理对比示例图

    Figure  1.  Data alignment pre-processing comparison example chart

    图  2  构造输入和航迹预测模型结构示例图

    Figure  2.  Example diagram for constructing input and the structure of trajectory prediction model

    图  3  输入嵌入层示例图

    Figure  3.  Example diagram of input embedding layer

    图  4  实验步骤

    Figure  4.  Experimental steps

    图  5  模型预测结果(同时预测)

    Figure  5.  Model prediction results(simultaneous prediction)

    图  6  航迹3各模型预测结果(分别预测)

    Figure  6.  Model prediction results for trajectory 3 (separate prediction)

    表  1  ADS-B原始数据示例

    Table  1.   Examples of ADS-B raw data

    采样时间 航班号 高度/m 速度/(km/h) 航向/(°) 纬度/(°) 经度/(°)
    2021-04-03 T12:37:01 MF8506 5 562.60 594.492 254 30.999 6 120.841 0
    2021-04-03 T12:37:44 MF8506 6 111.24 598.196 255 30.979 2 120.759 1
    2021-04-03 T12:38:44 MF8506 6 812.28 622.272 254 30.963 3 120.695 0
    2021-04-03 T12:40:24 MF8506 7 757.16 657.460 254 30.916 7 120.509 5
    2021-04-03 T12:41:20 MF8506 8 183.88 729.688 216 30.844 8 120.387 0
    2021-04-03 T12:42:17 MF8506 8 770.62 709.316 235 30.767 9 120.295 2
    2021-04-03 T12:42:33 MF8506 8 770.62 709.316 235 30.767 9 120.295 2
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    表  2  时序特征处理后的航迹数据示例

    Table  2.   Example of trajectory data after processing of temporal features

    航班号 航迹点序列 高度/m 速度/(km/h) 航向/(°) 纬度/(°) 经度/(°)
    2021 4 3 12 37 44 6 MF8506 09 6 111.24 598.19 255 30.979 120.759
    2021 4 3 12 39 00 6 MF8506 10 7 010.40 629.68 254 30.951 120.649
    2021 4 3 12 40 16 6 MF8506 11 7 642.86 646.34 254 30.917 120.510
    2021 4 3 12 41 32 6 MF8506 12 8 206.74 731.54 216 30.833 120.377
    2021 4 3 12 42 48 6 MF8506 13 8 869.68 711.16 235 30.767 120.295
    2021 4 3 12 44 04 6 MF8506 14 9 357.36 774.13 216 30.685 120.185
    2021 4 3 12 45 20 6 MF8506 15 9 723.12 792.65 216 30.539 120.065
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    表  3  实验环境

    Table  3.   Experimental environment

    硬件环境 处理器 Intel(R)Xeon(R)Silver4214@2.20GHz
    内存 64GB
    显卡 NVIDIA Quadro RTX 5000
    软件环境 操作系统 Windows 10
    编程语言 Python 3.7
    基础框架 Pytorch 1.10
    编程软件 Pycharm
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    表  4  模型超参数

    Table  4.   Model hyperparameters

    超参数 设置
    编码器输入步数 240
    解码器输入步数 120
    预测步数 60
    训练周期 20
    学习率 0.000 1
    批尺寸 32
    损失函数 MSE
    激活函数 gelu
    优化器 Adam
    防止过拟合 EarlyStop
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    表  5  对比实验模型超参数设置

    Table  5.   Hyperparameter settings of the model for the comparison experiment

    超参数 LSTnet LSTM BiLSTM Seq2Seq
    输入步数 240 240 240 240
    预测步数 60 60 60 60
    隐藏层维度 100 64 64 64
    卷积核大小 6
    丢弃率 0.1
    训练周期 20 20 20 20
    学习率 0.000 1 0.000 1 0.000 1 0.000 1
    批尺寸 32 32 32 32
    损失函数 MSE MSE MSE MSE
    激活函数 gelu gelu gelu gelu
    优化器 Adam Adam Adam Adam
    注:“—”为该模型不具备该超参数,无需设置相关数据。
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    表  6  时间步数(N)参数敏感性实验

    Table  6.   Time step (N) parameter sensitivity experiments

    时间步数 MAE MSE RMSE 欧氏距离/km
    40 0.196 0 0.089 0 0.298 3 20.225
    60 0.142 4 0.047 7 0.218 5 15.980
    80 0.150 2 0.049 3 0.222 0 16.366
    100 0.153 9 0.056 1 0.236 8 16.919
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    表  7  Seq_len与Label_len多组合参数敏感性实验

    Table  7.   Experiments on parameter sensitivity of various combinations of Seq_len and Label_len

    Seq_len Label_len MAE MSE RMSE 欧氏距离/km
    N 0.157 8 0.056 0 0.236 6 17.870
    N N
    N
    N 0.142 4 0.047 7 0.218 5 15.980
    N N 0.143 1 0.049 4 0.222 3 16.032
    N
    N 0.144 9 0.049 4 0.222 3 16.307
    N N 0.145 0 0.050 7 0.225 2 16.524
    N 0.152 0 0.053 6 0.231 5 17.066
    N 0.149 6 0.053 1 0.230 4 17.118
    12×N N 0.161 1 0.067 4 0.259 6 18.408
    N 0.163 8 0.078 8 0.280 7 19.279
    注:“—”为该模型因其网络搭建的特质,不能设置该参数组合。
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    表  8  同时预测实验模型评价指标对比

    Table  8.   Comparison of model evaluation metrics during uniform prediction experiments

    预测模型 MAE MSE RMSE 欧氏距离/km
    Informer 0.142 4 0.047 7 0.218 5 15.980
    LSTnet 0.158 8 0.049 2 0.221 8 16.381
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    表  9  分别预测实验模型评价指标对比

    Table  9.   Comparison of model evaluation metrics in separate prediction experiments

    预测模型 预测维度 MAE MSE RMSE 欧氏距离/km
    高度 0.216 6 0.080 2 0.283 2
    Informer 经度 0.132 6 0.032 4 0.180 0 13.248
    纬度 0.054 2 0.005 1 0.071 9
    高度 0.274 0 0.140 8 0.375 2
    LSTnet 经度 0.112 1 0.020 1 0.141 8 13.673
    纬度 0.072 1 0.009 4 0.097 0
    高度 0.236 1 0.101 9 0.319 2
    LSTM 经度 0.312 4 0.297 7 0.545 6 20.378
    纬度 0.142 0 0.028 0 0.167 3
    高度 0.229 6 0.094 7 0.307 7
    BiLSTM 经度 0.417 2 0.687 2 0.829 0 29.410
    纬度 0.146 9 0.035 7 0.188 9
    高度 0.236 9 0.098 0 0.313 0
    seq2seq 经度 0.369 7 0.308 1 0.555 1 27.532
    纬度 0.150 7 0.040 9 0.202 2
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    表  10  使用和不使用飞行计划实验误差对比

    Table  10.   Comparison of experimental errors with and without the use of flight plans 单位: km

    预测模型 飞行计划数据 逐点水平误差 逐点垂直误差
    Informer 不使用 13.205 4 0.139 0
    LSTM-高斯混合概率估计 使用 91.859 2 0.864 1
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  • 收稿日期:  2022-12-26
  • 网络出版日期:  2023-11-23

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