基于改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波奇異值的交通事件檢測(cè)

王寶國(guó)+李淵韜+胡彤宇+張軍+朱新山+楊正瓴

引言

道路上偶然發(fā)生的一些事件，譬如故障停車、貨物散落、渣土灑落等引起的交通擁堵以及交通事故等，這些統(tǒng)稱為交通事件。因?yàn)榻煌ㄊ录陌l(fā)生帶有一定的隨機(jī)性，所以這些交通事件發(fā)生的時(shí)間和地點(diǎn)也都是不能預(yù)測(cè)的。

當(dāng)事件確定已經(jīng)發(fā)生過(guò)，此時(shí)進(jìn)行的事件檢測(cè)就是交通事件檢測(cè)，它應(yīng)該檢測(cè)出交通事件所發(fā)生的位置以及類型。我們可以通過(guò)一些人工方式進(jìn)行檢測(cè)，例如緊急電話、巡邏車等，但考慮到人工方式檢測(cè)總體反應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)，交管部門無(wú)法及時(shí)了解道路交通狀況，容易引起交通堵塞，這對(duì)整個(gè)道路交通管理會(huì)帶來(lái)不便。自動(dòng)事件檢測(cè)（AID）方法可以很好的幫助交通管理部門快速的處理交通事件或者交通異常。自動(dòng)事件檢測(cè)（AID）能夠?qū)崟r(shí)獲取交通場(chǎng)景的信息，快速檢測(cè)交通事件的發(fā)生，從而交通管理部門能夠隨時(shí)實(shí)施相應(yīng)的管理手段以及交通控制，迅速處理已經(jīng)發(fā)生的交通事件，這樣可以降低發(fā)生二次交通事故的概率，也保證了交通運(yùn)行安全。

交通事件自動(dòng)檢測(cè)算法可分為“間接檢測(cè)算法”和“直接檢測(cè)算法”兩大類。間接檢測(cè)算法應(yīng)用廣泛，主要包括模式識(shí)別方法和統(tǒng)計(jì)方法。在模式識(shí)別方法中又以California算法系列和Mcmaster算法應(yīng)用最廣。統(tǒng)計(jì)方法主要包括指數(shù)平滑法、時(shí)間序列算法和貝葉斯算法等。近年來(lái)隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的廣泛應(yīng)用，出現(xiàn)了很多以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)的事件檢測(cè)算法。

傳統(tǒng)的交通事件檢測(cè)算法存在著以下不足：檢測(cè)效率低、誤報(bào)率高等。同時(shí)由于算法的局限性很難應(yīng)用在城市中比較復(fù)雜的道路上；上述有些智能算法由于閾值或臨界值的設(shè)置通常十分困難，具備經(jīng)驗(yàn)性，且其取值直接影響到算法的檢測(cè)效率和效果，因而這將成為這些算法的最大制約因素。傳統(tǒng)的小波分析提取故障特征的過(guò)程中受到小波基和分解層數(shù)選取的影響較大，不利于故障類型的識(shí)別。

為了克服上述方法的不足，充分考慮交通環(huán)境的復(fù)雜性和交通信號(hào)時(shí)間序列的非線性特點(diǎn)，本文在以上算法的基礎(chǔ)上提出了一種基于改進(jìn)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和小波奇異值的方法進(jìn)行交通事件檢測(cè)。

1方法

1.1算法基本思想

在交通事件發(fā)生點(diǎn)，交通流參數(shù)將發(fā)生變化。通過(guò)車輛檢測(cè)器采集車流的相關(guān)信息，利用小波變換對(duì)輸入信號(hào)進(jìn)行預(yù)處理并求解其奇異點(diǎn)，奇異點(diǎn)就是事件發(fā)生點(diǎn)，然后通過(guò)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)奇異點(diǎn)進(jìn)行分類從而判斷事件類型。算法流程如圖1所示：

本方法的具體實(shí)施步驟如下。

（1）將獲取到的交通流進(jìn)行小波分解，獲取小波細(xì)節(jié)系數(shù)；

（2）通過(guò)相重構(gòu)技術(shù)將小波系數(shù)向量重構(gòu)成特征矩陣，并對(duì)其進(jìn)行奇異值分解，獲取小波奇異值；

（3）將小波奇異值輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，進(jìn)行交通事件類型識(shí)別。

1.2BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的基本理論

在系統(tǒng)中搭建如圖2所示的具有反饋結(jié)構(gòu)的三層BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，包含輸入層、隱層和輸出層。由于具有至少一個(gè)S型函數(shù)隱層的網(wǎng)絡(luò)能夠逼近任何有理函數(shù)，增加層數(shù)雖然可以進(jìn)一步降低誤差，提高精度，但同時(shí)也使網(wǎng)絡(luò)復(fù)雜化，增加網(wǎng)絡(luò)權(quán)值的訓(xùn)練時(shí)間。而精度的提高實(shí)際上也可以通過(guò)增加隱層中的神經(jīng)元數(shù)目來(lái)獲得，且其訓(xùn)練效果比增加層數(shù)更容易觀察和調(diào)整。所以本文最終選取三層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

1.2.1BP網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)參數(shù)的確定

將采集到的數(shù)據(jù)通過(guò)小波分析進(jìn)行奇異點(diǎn)檢測(cè)，提取高頻系數(shù)d作為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入。網(wǎng)絡(luò)隱層神經(jīng)元的個(gè)數(shù)n決定了整個(gè)網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)速率和精度，隱層神經(jīng)元個(gè)數(shù)n與輸入層神經(jīng)元個(gè)數(shù)n的關(guān)系可以由Kolmogorov定理得到，如下式（1）所示。

結(jié)合式（1）和式（2）選取合適的n值進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練，如果不能滿足訓(xùn)練要求，則在一定的范圍內(nèi)調(diào)整n的取值，直至達(dá)到訓(xùn)練要求。

1.2.2 BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過(guò)程

BP網(wǎng)絡(luò)的學(xué)習(xí)過(guò)程由正向傳播和反向傳播組成。在正向傳播過(guò)程中，輸入信號(hào)從輸入層經(jīng)隱層神經(jīng)元逐層處理，并傳向輸出層，每一層神經(jīng)元的狀態(tài)只影響下一層神經(jīng)元的狀態(tài)，各神經(jīng)元間的傳遞函數(shù)采用sigmoid函數(shù)：

如果在輸出層不能得到期望的輸出，則轉(zhuǎn)向反向傳播，將輸出的誤差e按原來(lái)的連接通路返回。通過(guò)修改各層神經(jīng)元之間的權(quán)值wij，和神經(jīng)元的閾值H，使得誤差信號(hào)最小。得到合適的網(wǎng)絡(luò)權(quán)值和閾值之后，便可對(duì)新樣本進(jìn)行非線性映射。

為克服BP網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢和易陷入局部極小值的缺陷，本文采用附加動(dòng)量法和自適應(yīng)學(xué)習(xí)率。在網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練的第n次循環(huán)中權(quán)值e，和閾值e，的改變量按帶動(dòng)量項(xiàng)的最速下降法則進(jìn)行，即：

自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率有利于縮短學(xué)習(xí)時(shí)間。對(duì)于一個(gè)特定的問題，要選擇適當(dāng)?shù)膶W(xué)習(xí)速率不是一件容易的事情。訓(xùn)練初期功效較好的學(xué)習(xí)速率，不見得適合后來(lái)的訓(xùn)練。通常調(diào)節(jié)學(xué)習(xí)速率的準(zhǔn)則是：檢查權(quán)值的修正值是否真的降低了誤差函數(shù)，如果確實(shí)如此，則說(shuō)明選取的學(xué)習(xí)速率值小了，可以對(duì)其增加一個(gè)量。若不是這樣，則產(chǎn)生了過(guò)調(diào)，那么就應(yīng)該減少學(xué)習(xí)速率的值。下面給出了一種自適應(yīng)學(xué)習(xí)速率的調(diào)整公式：

此方法可以保證網(wǎng)絡(luò)總是以網(wǎng)絡(luò)可以接受的最大的學(xué)習(xí)速率進(jìn)行訓(xùn)練。當(dāng)一個(gè)較大的學(xué)習(xí)速率仍能夠使網(wǎng)絡(luò)穩(wěn)定學(xué)習(xí)，使其誤差繼續(xù)下降，則增加學(xué)習(xí)速率，使其以更大的學(xué)習(xí)速率進(jìn)行學(xué)習(xí)，一旦學(xué)習(xí)速率調(diào)的過(guò)大，而不能保證誤差繼續(xù)減少，則減小學(xué)習(xí)速率，直到學(xué)習(xí)穩(wěn)定為止。

1.3交通流小波奇異值的獲取

小波分析在處理突變信號(hào)方面表現(xiàn)突出，有著很好的時(shí)頻特性和局部特性。小波分析在信號(hào)的高頻部分可以取得較好的時(shí)間分辨率，在信號(hào)的低頻部分可以獲得較好的頻率分辨率，從而能有效的從信號(hào)中提取信息。

1.3.1信號(hào)的小波變換和變換系數(shù)為連續(xù)小波變換。

在連續(xù)小波變換中考慮兩參數(shù)函數(shù)族：

在許多應(yīng)用中，特別是在信號(hào)處理中，數(shù)據(jù)用有限數(shù)目的值表示，所以重要的是考慮連續(xù)小波變換的離散情形。endprint

信號(hào)中不規(guī)則地突變部分和奇異點(diǎn)往往包含比較重要的信息，它是信號(hào)重要特征之一。小波分析具有空間局部化性質(zhì)，可有效地分析信號(hào)的奇異性。

奇異值具有良好的穩(wěn)定性、比例不變性、旋轉(zhuǎn)不變性和降維壓縮特性。將矩陣進(jìn)行奇異值分解，再通過(guò)奇異值降維壓縮可獲得矩陣的有效秩，這里的有效秩為所保留的奇異值的個(gè)數(shù)。奇異值的這些特性能有效地反應(yīng)矩陣的特征。

1.3.3提取交通流奇異值

小波奇異值的獲取可分為以下步驟：

（1）對(duì)原始交通流信號(hào)進(jìn)行一定層數(shù)的小波分解；

（2）根據(jù)小波細(xì)節(jié)系數(shù)向量構(gòu)成特征矩陣；這里特征矩陣的形成采用相重構(gòu)技術(shù)。假設(shè)交通流信號(hào)為重構(gòu)的吸引子矩陣為：

（3）對(duì)上一步中得到的特征矩陣進(jìn)行奇異值分解，提取小波奇異值。

2實(shí)例驗(yàn)證

2.1數(shù)據(jù)采集背景

在天津市一個(gè)快速路段全線每隔500-1000 m（本文選用1000 m）布設(shè)車輛檢測(cè)器，現(xiàn)場(chǎng)檢測(cè)各路段的交通流參數(shù)。由于采樣周期必須小于事件周期，數(shù)據(jù)采樣間隔選為60 s。交通流參數(shù)選用交通密度。在檢測(cè)路段的上游和下游各布設(shè)一套檢測(cè)器（如下圖3所示），將單位時(shí)間內(nèi)上下游檢測(cè)器測(cè)量數(shù)據(jù)的差值作為系統(tǒng)檢測(cè)的輸入。

2.2事件檢測(cè)算法

一般情況下，當(dāng)交通密度小于25輛/（km·車道）時(shí)，交通流較為順暢，其相應(yīng)的車速大約為64km/h。當(dāng)交通密度大于25輛/（km·車道）時(shí)，則從繁密交通向擁擠交通過(guò)渡，如果超過(guò)47輛/（km·車道），將出現(xiàn)嚴(yán)重?fù)頂D。因此設(shè)定25輛/（km·車道）為事件判斷的閾值。

按交通密度大小將交通事件分為四類：正常交通（A）、交通擁擠（B）、擁擠加劇（C）、擁擠減緩（D）。通常認(rèn)為交通密度K≤25輛/（km·車道）的交通流量為順暢狀態(tài)，K≥47/（km·車道）交通開始擁擠。四個(gè)狀態(tài)與交通密度的對(duì)應(yīng)關(guān)系可用表1來(lái)反應(yīng)：

2.3 MATLAB仿真

利用采集到的交通流數(shù)據(jù)進(jìn)行MATLAB仿真，通過(guò)對(duì)上下游檢測(cè)器的模擬數(shù)據(jù)進(jìn)行二尺度小波分解，得到二尺度高頻系數(shù)，然后把這些數(shù)據(jù)輸入到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中進(jìn)行訓(xùn)練。本實(shí)驗(yàn)共設(shè)20000個(gè)樣本，其中15000個(gè)用于訓(xùn)練，5000個(gè)用于檢驗(yàn)，正確識(shí)別4813個(gè)，即檢測(cè)率為96.26%。部分檢測(cè)結(jié)果如表2所示。

3結(jié)語(yǔ)

根據(jù)檢測(cè)結(jié)果可以看出，將小波分析與BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)合能很好的檢測(cè)交通事件并給出交通事件的分類信息。用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對(duì)交通事件進(jìn)行分類，為解決BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)收斂速度慢和易陷入局部極小值的問題，本文采用了附加動(dòng)量法和自適應(yīng)學(xué)習(xí)率調(diào)整法相結(jié)合的方法。此算法結(jié)合了小波分析在信號(hào)處理方面的優(yōu)越性，在算法中將信號(hào)的奇異點(diǎn)即交通事件發(fā)生點(diǎn)提取出來(lái)，取得了很好的效果?？紤]到原始交通流數(shù)據(jù)集的不平衡性和數(shù)據(jù)源過(guò)于單一化應(yīng)采用文獻(xiàn)介紹的基于多源數(shù)據(jù)的城市道路交通事件檢測(cè)和利用重采樣、基于特征加權(quán)的檢測(cè)方法，有望獲得更好的檢測(cè)效果。endprint