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基于EEMD-PE-LSTM的高速公路路段交通状态预测方法

张开瑞 陆由 吕能超

张开瑞, 陆由, 吕能超. 基于EEMD-PE-LSTM的高速公路路段交通状态预测方法[J]. 交通信息与安全, 2025, 43(1): 85-96. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.01.008
引用本文: 张开瑞, 陆由, 吕能超. 基于EEMD-PE-LSTM的高速公路路段交通状态预测方法[J]. 交通信息与安全, 2025, 43(1): 85-96. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.01.008
ZHANG Kairui, LU You, LYU Nengchao. EEMD-PE-LSTM Based Traffic State Prediction Method for Freeway Section[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2025, 43(1): 85-96. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.01.008
Citation: ZHANG Kairui, LU You, LYU Nengchao. EEMD-PE-LSTM Based Traffic State Prediction Method for Freeway Section[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2025, 43(1): 85-96. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.01.008

基于EEMD-PE-LSTM的高速公路路段交通状态预测方法

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2025.01.008
基金项目: 

国家自然科学基金项目 52472366

湖北省自然科学基金项目 2024AFD408

湖北省重点研发计划项目 2024BAB051

详细信息
    作者简介:

    张开瑞(2000—),硕士研究生. 研究方向:交通信息与安全. E-mail: zhangkairui@whut.edu.cn

    通讯作者:

    吕能超(1982—),博士,研究员. 研究方向:道路交通安全、智慧公路. E-mail: lnc@whut.edu.cn

  • 中图分类号: U491

EEMD-PE-LSTM Based Traffic State Prediction Method for Freeway Section

  • 摘要: 高速公路网络的快速发展与交通需求的多样化,使得交通拥堵、道路承载能力瓶颈、道路设计优化等问题愈发凸显,严重制约了出行者的出行体验和交通管理部门的服务效能。因此为了精准量化交通条件与气象条件对交通流参数预测性能的增益,本文构建基于集合经验模态分解(ensemble empirical modal decomposition,EEMD)、排列熵(permutation entropy,PE)和长短期记忆神经网络(long short-term memory,LSTM)的高速公路路段交通流参数组合预测模型。研究运用EEMD算法分解平均行驶速度序列,通过PE算法筛选整合分解后的分量,并对交通和气象数据进行时空匹配和特征分组,识别出最具影响力的因子及其相互作用模式,结合滑动时间窗策略,动态调整输入配置;以LSTM网络为核心,经迭代优化确定最优的历史序列长度和特征组合,进而得到目标路段平均行驶速度最优值;同时,提出区域特性导向的交通状态判定机制,即采用路段平均行驶速度85%分位数作为常态速度基准。以湖北省某高速公路为例,实证结果显示:预测精度方面,相较于单一的LSTM模型,组合预测模型的平均绝对误差显著降低73.4%;运算效率方面,较EEMD-LSTM模型提升67%;特别是在滑动时间窗长度为40 min时,组合模型在各类出行场景及多样化特征的输入下,均保持最低预测误差,展现出良好的稳定性和鲁棒性;此外,纳入交通条件的模型相较于仅依赖历史速度序列的模型,预测误差范围降低了约60%,凸显了交通因素在速度预测中的关键作用。本研究可为交通管理部门在交通高峰期、特殊活动、交通事故突发等期间提供科学的管理决策支持。

     

  • 图  1  基于EEMD-PE-LSTM的交通流参数预测模型框架示意图

    Figure  1.  Schematic diagram of the model framework for predicting traffic flow parameters based on EEMD-PE-LSTM

    图  2  交通指标提取流程

    注:T为通过当前门架的时间,G为通过当前门架的编号。

    Figure  2.  Traffic indicator extraction process

    图  3  路段平均行驶速度序列EEMD分解结果示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of the EEMD decomposition results of the average travel speed sequence of the road segment

    图  4  各分量的熵值计算结果

    Figure  4.  Results of entropy calculation for each component

    图  5  速度基准组:误差指标在滑动时间窗内的变化趋势

    Figure  5.  Velocity benchmark group: trends in error metrics over a sliding time window

    图  6  交通条件辅助组:误差指标在滑动时间窗内的变化趋势

    Figure  6.  Transportation conditions auxiliary group: trends in error indicators over a sliding time window

    图  7  气象条件辅助组:误差指标在滑动时间窗内的变化趋势

    Figure  7.  Auxiliary group of Meteorological conditions: trends in error metrics over a sliding time window

    图  8  综合交通环境组:误差指标在滑动时间窗内的变化趋势

    Figure  8.  Integrated transportation environment group: trends in error indicators over a sliding time window

    图  9  速度基准组的损失函数变化图

    Figure  9.  Variation of the loss function for the velocity benchmark group

    图  10  工作日场景:行驶速度预测值与真实值对比图

    Figure  10.  Workday scenario: comparison of predicted and true values of travel speeds

    图  11  双休日场景:行驶速度预测值与真实值对比图

    Figure  11.  Weekend scenario: comparison of predicted and true values of travel speeds

    图  12  行驶速度误差对比图

    Figure  12.  Weekend scenario: comparison of predicted and true values of travel speeds

    表  1  交通环境特征类别及说明

    Table  1.   Transportation environmental characterization categories and descriptions

    特征类型 序号 变量名称 变量符号
    交通条件 1 目标路段平均行驶速度(/km/h) V
    2 目标路段平均车流量(/veh/h) Q
    3 目标路段与上游路段平均流量差(/veh/h) Q_diff
    4 目标路段与上游路段平均行驶速度差(/km/h) V_diff
    5 相邻门架断面流量差(/veh/h) Q_gan_diff
    6 目标路段客货比 PTR
    气象条件 1 风速(/m/s) WS
    2 湿度/% Hum
    3 降雨量等级 RC
    4 能见度等级 VC
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    表  2  模型训练组合

    Table  2.   Model training combinations

    训练组合 特征组成
    速度基准组 V
    交通条件辅助组 V、Q、Q_diff、V_diff、Q_gan_diff、PTR
    气象条件辅助组 V、WS、Hum、RC、VC
    综合交通环境组 V、Q、Q_diff、V_diff、Q_gan_diff、PTR、WS、Hum、RC、VC
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    表  3  高速公路路段交通状态等级标准

    Table  3.   Traffic condition rating criteria for freeway sections

    拥挤度 设计速度(/km/h)
    120 100 80
    畅通(绿色) ≥90 ≥80 ≥60
    基本畅通(蓝色) [70,90) [60,80) [50,60)
    轻度拥堵(黄色) [50,70) [40,60) [35,50)
    中度拥堵(橙色) [30,50) [20,40) [20,35)
    严重拥堵(红色) [0,30) [0,20) [0,20)
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    表  4  湖北省高速公路路段交通状态等级标准

    Table  4.   Traffic condition level standards for Freeway sections in Hubei Province

    交通状态指数 拥挤度 路段常态速度/(km/h)
    100 90 80 70 60
    1 畅通 ≥95 ≥85 ≥75 ≥65 ≥55
    2 基本畅通 [75,95) [70,85) [65,75) [55,65) [50,55)
    3 轻度拥堵 [55,75) [50,70) [45,65) [40,55) [35,50)
    4 中度拥堵 [35,55) [30,50) [25,45) [20,40) [15,35)
    5 严重拥堵 [0,35) [0,30) [0,25) [0,20) [0,15)
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    表  5  不同参数搜索范围及最优结果

    Table  5.   Search range and optimal results for different parameters

    参数说明 搜索范围 调整步长 最优参数
    速度基准组 交通条件辅助组 气象条件辅助组 综合交通环境组
    LSTM1 LSTM2 LSTM1 LSTM2 LSTM1 LSTM2 LSTM1 LSTM2
    隐藏层数 [1,2,3] 1 1 1 1 1 1 1 1 1
    神经元数 [50,500] 50 450 300 450 400 250 400 350 400
    优化器 [Adam,SGD,RMSProp] - RMSProp Adam Adam Adam RMSProp Adam Adam Adam
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    表  6  工作日场景:交通状态时段数预测值与真实值对比

    Table  6.   Workday scenario: comparison of predicted and real values of the number of traffic condition periods

    交通状态指数 拥挤度 真实值 预测值
    1 畅通 57 55
    2 基本畅通 11 9
    3 轻度拥堵 4 3
    注:数据样本中未出现中度拥堵和重度拥堵情形。
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    表  7  双休日场景:交通状态时段数预测值与真实值对比

    Table  7.   Weekend scenario: comparison of predicted and real values of the number of traffic state periods

    交通状态指数 拥挤度 真实值 预测值
    1 畅通 48 46
    2 基本畅通 14 12
    3 轻度拥堵 10 9
    注:数据样本中未出现中度拥堵和重度拥堵情形。
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    表  8  模型预测误差对比

    Table  8.   Comparison of model prediction errors

    模型 EMAE EMSE EMAPE/% ERMSE 时间/s
    LSTM 2.203 7.708 2.678 2.776 5 693
    EEMD-LSTM 0.924 1.017 1.204 1.008 20 164
    EEMD-PE-LSTM 0.586 0.685 0.726 0.828 6 721
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  • 收稿日期:  2024-06-12
  • 网络出版日期:  2025-06-27

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