基于支持向量回歸的行程時間預(yù)測算法

邱淳風(fēng)　王珊　王超群

摘 要： 作為交通規(guī)劃、運營和通行能力評估的重要指標(biāo)，行程時間的預(yù)測對出行者的路線和時間點的選擇，以及交通規(guī)劃部門的信號控制策略有著重要的實際意義。對于高級交通誘導(dǎo)系統(tǒng)而言，行程時間預(yù)測是一項關(guān)鍵的研究內(nèi)容?，F(xiàn)有行程時間預(yù)測方法較少，且預(yù)測誤差較大。為此，運用浮動車和微波雷達(dá)測速數(shù)據(jù)，提出了基于支持向量機(jī)解決行程時間預(yù)測的方法，并且與歷史平均法進(jìn)行了比較。在杭州市高架路線上的實驗結(jié)果表明，所提方法的預(yù)測精度大幅度超過了歷史平均法。

關(guān)鍵詞： 支持向量機(jī)； 行程時間； 智能交通； 歷史平均

中圖分類號：TP391 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1006-8228（2014）04-40-03

Abstract： As an important indicator of transportation planning， operations and capacity assessment， the forecasted travel time has important practical meaning for the choice of route and timing， as well as for traffic signal control strategy of transportation planning department. For advanced transportation guidance systems， it is a key issue to predict travel times between pairs of points of interest. There are few travel time prediction methods with high probability of prediction error. In this paper， the speed data returned from probe vehicles and microwave radars is used to predict travel times based on support vector regression（SVR）， and the new algorithm is compared to the historical mean algorithm. The experimental results over elevatedroads in Hangzhou show that the SVR based algorithm significantly outperforms the historical mean algorithm.

Key words： support vector machine； travel time； intelligent transportation； historical average

0 引言

行程時間是交通規(guī)劃、運營和通行能力評估的重要指標(biāo)?；陬A(yù)測的行程時間，出行者可以直觀地進(jìn)行路線選擇或者出行時間點的選擇，交通規(guī)劃部門能夠做出合理的信號控制策略。因此，準(zhǔn)確預(yù)測行程時間具有重要的應(yīng)用價值。

支持向量機(jī)（SVM）[1]是Vapnik在1995年提出的，已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用到監(jiān)督分類領(lǐng)域。因為該方法采用了結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化的設(shè)計，比起經(jīng)驗風(fēng)險最小化方法，其泛化能力更強(qiáng)，因此往往表現(xiàn)出較強(qiáng)的測試精度。特別地，工程實踐往往難以獲得大量標(biāo)注樣本，而SVM在小樣本學(xué)習(xí)問題上表現(xiàn)出較佳的性能。另外，SVM采用嚴(yán)格的數(shù)值計算方法，不會收斂到局部最小解。在智能交通領(lǐng)域，運用SVM解決交通狀態(tài)評估的工作較多，并且能得到高精度的路況估計結(jié)果。

近年來，基于支持向量回歸（SVR）的方法被應(yīng)用到股市預(yù)測[2]、電價預(yù)測[3]等領(lǐng)域，表現(xiàn)出較高的預(yù)測精度。而在智能交通領(lǐng)域，SVR方法的應(yīng)用還相對較少。本文運用SVR預(yù)測車流量較為集中的城市高架橋的行程時間。

本文的結(jié)構(gòu)安排是：第1節(jié)介紹如何計算和預(yù)測行程時間；第2節(jié)介紹支持向量回歸方法；第3節(jié)通過實驗評估支持向量回歸在城市高架橋上的預(yù)測精度；第4節(jié)總結(jié)全文。

1 行程時間計算和預(yù)測方法

行程時間指的是從一個感興趣的位置到達(dá)另一個感興趣的位置所需的車輛行駛時間。一般有兩種計算方法：區(qū)間觀測方法和定點觀測方法。前者指的是運用浮動車在感興趣的兩個位置之間行駛，記錄耗費的行駛時間。后者指的是運用定點傳感器（例如地感線圈、微波雷達(dá)、卡口、視頻等傳感器）采集的大量觀測數(shù)據(jù)估算區(qū)間內(nèi)行程時間。區(qū)間觀測方法一般具有較高的精度，但測量困難，難以廣泛應(yīng)用。相對而言，定點觀測方法雖然精度較低，但在工程上更加可行。

交通數(shù)據(jù)可以大致分為三類：歷史數(shù)據(jù)、當(dāng)前數(shù)據(jù)和預(yù)測數(shù)據(jù)。行程時間的預(yù)測方法一般有兩種：基于統(tǒng)計模型的預(yù)測方法和基于分析模型的預(yù)測方法。統(tǒng)計方法可理解為數(shù)據(jù)驅(qū)動的方法，它利用一系列歷史變量和當(dāng)前變量（速度、流量、行程時間）作為輸入來預(yù)測未來的因變量（行程時間）。常見的統(tǒng)計預(yù)測方法包括ARIMA模型[4]、線性模型[5]等。分析模型運用微觀的交通仿真器，例如METANET[6]等來預(yù)測行程時間。一般運用動態(tài)的OD矩陣作為輸入，預(yù)言結(jié)果利用仿真來演化。

2 支持向量回歸（SVR）

支持向量機(jī)分類方法的基本思想是利用函數(shù)Φ將訓(xùn)練數(shù)據(jù)從低維空間映射到更高維的空間，以類間空白最大化為目的，在特征空間中構(gòu)造一個分類超平面。給定一組訓(xùn)練向量數(shù)據(jù)xi|Rd，i=1，2…，h，其中h表示訓(xùn)練樣本的個數(shù)。yi=±1表示類標(biāo)簽，即一類用+1表示，另一類用-1表示。SVM將尋找一個超平面法方向w和截距b，使得正實例滿足f（x）=wΦ（x）+b?0，負(fù)實例滿足f（x）=wΦ（x）+b<0。許多情形下，在輸入空間中找不到一個線性函數(shù)可以很好地分類訓(xùn)練數(shù)據(jù)，但往往可以找到一個超平面將訓(xùn)練數(shù)據(jù)按類別分開。

圖1是一個支持向量機(jī)的例子，假定圈和點分別代表不同的兩類數(shù)據(jù)，在圖1（a）所示的輸入空間中，找不到一個線性函數(shù)可以將兩類數(shù)據(jù)分割，若將數(shù)據(jù)映射到如1圖（b）所示的更高維度的特征空間，則可以找到一個線性函數(shù)將兩類數(shù)據(jù)分割開。分割超平面的選擇力圖最大化類間空白，而類間空白的最大化大大地降低了測試階段的誤判風(fēng)險。

3 實驗

支持向量回歸方法需要設(shè)定參數(shù)，在下面的實驗中，我們采用RBF核寬度σ=0.1，ε=0.02，C=800。

3.1 數(shù)據(jù)介紹

我們用前5個星期（2013年8月5日至9月8日）的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練集，第6個星期的數(shù)據(jù)（2013年9月9日至9月15日）作為測試集。采用兩段杭州市的高架道路作為測試道路（道路1：15.9km，從大關(guān)到中興立交橋；道路2：20.9km，從國際會展中心到中興立交橋）。采用微波傳感器和浮動車所測的速度數(shù)據(jù)作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。若某路段上，浮動車與微波速度數(shù)據(jù)均存在，則取二者的均值作為最終速度。只返回一種傳感器速度數(shù)據(jù)的路段以該類傳感器記錄的速度數(shù)據(jù)為準(zhǔn)。兩種傳感器均無數(shù)據(jù)返回的情形下，以浮動車速度的插值數(shù)據(jù)為準(zhǔn)，缺失的速度數(shù)據(jù)用相鄰時間點的數(shù)據(jù)插補(bǔ)。測試的時間段為早7：00到10：00，該時段內(nèi)，每5分鐘預(yù)測一次行程時間，總共預(yù)測60次。在該時間段內(nèi)，數(shù)據(jù)的總體缺失率不超過10%。

3.2 評價標(biāo)準(zhǔn)

設(shè)當(dāng)前時刻t，待預(yù)測的時刻的行程時間為y（t+h），運用的知識是前n個時刻的行程時間，即y（t），y（t-1），…，y（t-n）。預(yù)測函數(shù)可表達(dá)為：

4 結(jié)束語

在統(tǒng)計機(jī)器學(xué)習(xí)派生的方法中，支持向量機(jī)是最成功的方法之一。本文將支持向量回歸合理地應(yīng)用到智能交通領(lǐng)域的行程時間預(yù)測中，在杭州市高架路的實驗中得到了較高的測試精度，這與支持向量機(jī)的結(jié)構(gòu)風(fēng)險最小化設(shè)計是分不開的。下一步我們將考慮在氣象條件影響下的行程時間預(yù)測算法。

參考文獻(xiàn)：

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