結(jié)合可視圖的多狀態(tài)交通流時(shí)間序列特性分析?

邢雪 于德新 田秀娟 王世廣

1)(吉林大學(xué)交通學(xué)院,長春 130022)

2)(吉林化工學(xué)院信息與控制工程學(xué)院,吉林 132022)

3)(吉林大學(xué)吉林省道路交通重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長春 130022)

結(jié)合可視圖的多狀態(tài)交通流時(shí)間序列特性分析?

邢雪1)2)?于德新1)3)田秀娟1)王世廣1)

1)(吉林大學(xué)交通學(xué)院,長春 130022)

2)(吉林化工學(xué)院信息與控制工程學(xué)院,吉林 132022)

3)(吉林大學(xué)吉林省道路交通重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,長春 130022)

交通流時(shí)間序列,可視圖,復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),聚類分析

1 引 言

交通流運(yùn)行狀態(tài)隨人、車、路和環(huán)境等多要素變化,交通流時(shí)間序列呈現(xiàn)非線性特征和隨機(jī)特性[1].對(duì)于交通流時(shí)間序列的分析主要采用隨機(jī)過程理論、數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)方法[2]和機(jī)器學(xué)習(xí)方法(如聚類法、支持向量機(jī))等[3,4],結(jié)合交通理論[5]進(jìn)行動(dòng)態(tài)特征分析.近年來,復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)理論在時(shí)間序列動(dòng)態(tài)特征分析中的使用引起了極大關(guān)注[6?8],已經(jīng)有相應(yīng)的研究應(yīng)用于不同領(lǐng)域的時(shí)間序列分析中[9].研究表明用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)分析動(dòng)態(tài)系統(tǒng)是可行的,這為交通流序列提供了可視化分析的途徑[10].

由于交通狀態(tài)的不同會(huì)影響其時(shí)間序列的幅度變化范圍,為此首先建立交通流主要變量(交通流量、占有率和地點(diǎn)平均速度)之間的實(shí)際關(guān)聯(lián)關(guān)系,利用K-medoids方法進(jìn)行交通流狀態(tài)分類,然后通過可視圖理論構(gòu)建多狀態(tài)交通流時(shí)間序列復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),分析比較其對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的特征,如度分布、聚類系數(shù)、網(wǎng)絡(luò)直徑、模塊化,比較不同交通流狀態(tài)下交通流時(shí)間序列的統(tǒng)計(jì)規(guī)律.

2 基于K-medoids方法的交通流狀態(tài)分類

為分析交通流時(shí)間序列的特征,研究實(shí)際數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn)交通狀態(tài)不同對(duì)交通流參量時(shí)間序列幅度變化有相應(yīng)的影響.考慮到這種影響,首先利用聚類分析方法對(duì)交通流進(jìn)行分類.選用K-medoids算法進(jìn)行交通狀態(tài)的聚類分析.K-medoids算法具有算法簡單、收斂速度快及局部搜索能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),已應(yīng)用于很多領(lǐng)域[11?13].

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)源采用2015年1月24日廈門市某路段實(shí)時(shí)檢測(cè)的1440條交通數(shù)據(jù)(每條數(shù)據(jù)包括實(shí)時(shí)交通流量、占有率和地點(diǎn)平均速度),交通參量采集時(shí)間單位為1 min.根據(jù)宏觀基本圖理論,不同交通狀態(tài)下的交通流量、占有率和速度之間存在關(guān)聯(lián).為了進(jìn)一步探討不同交通流狀態(tài)下交通流時(shí)間序列的特征,根據(jù)《城市道路交通擁堵評(píng)價(jià)指標(biāo)體系》中給出的道路擁堵等級(jí)將數(shù)據(jù)分為5級(jí)(擁堵程度分為非常暢通、暢通、輕度擁堵、中度擁堵和嚴(yán)重?fù)矶?.采用K-medoids方法對(duì)輸入樣本進(jìn)行分類,向量xi=(xi1,xi2,···,xij),i=1,2,3,其中j表示樣本數(shù)據(jù)的數(shù)量,x1j表示時(shí)間占有率,x2j表示路段交通流量,x3j表示區(qū)域平均速度.從數(shù)據(jù)集中選出平方差最小的k個(gè)聚類中心,并將數(shù)據(jù)集劃分為k個(gè)聚類(實(shí)驗(yàn)中選取k=5).

交通流狀態(tài)的K-medoids方法分類主要流程如下:從1440個(gè)對(duì)象的數(shù)據(jù)集中隨機(jī)選擇k個(gè)樣本(k=5)作為初始中心點(diǎn);將剩余的樣本指派給距其最近的中心點(diǎn)所代表的簇;計(jì)算平方差函數(shù)w(l),

式中p為類Lj中的樣本,oi為聚類中心,按照平方差函數(shù)值減小的方向,更新每個(gè)簇的中心點(diǎn),重復(fù)執(zhí)行直到聚類不再發(fā)生變化.

圖1 基于K-medoids方法的交通流狀態(tài)分類三維數(shù)散點(diǎn)圖Fig.1.Scatter plot of traffic state classi fication based on K-medoids.

圖3 三個(gè)交通參量在不同交通狀態(tài)下的提取圖 (a)時(shí)間占有率的時(shí)間序列曲線;(b)交通流量的時(shí)間序列曲線;(c)區(qū)域平均速度的時(shí)間序列曲線Fig.3.Extraction figures of three traffic parameters in different states:(a)Time series of time occupancy;(b)time series of traffic flow;(c)time series of speed.

實(shí)驗(yàn)樣本數(shù)據(jù)點(diǎn)分類結(jié)果如圖1所示,圖中數(shù)據(jù)點(diǎn)以實(shí)時(shí)交通流量、占有率和地點(diǎn)平均速度為坐標(biāo)確定樣本點(diǎn)位置,1—5級(jí)表示交通流的等級(jí)劃分,1級(jí)表示交通運(yùn)行最暢通,5級(jí)表示交通運(yùn)行最擁堵.為清晰表示不同交通流狀態(tài)下變量之間的關(guān)系,根據(jù)宏觀基本圖理論構(gòu)建任意兩個(gè)交通流變量之間的關(guān)系模型,并進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合.圖2(a)所示為時(shí)間占有率與交通流量之間的相互關(guān)系及基于時(shí)間占有率增長的交通流量散點(diǎn)擬合曲線;圖2(b)為時(shí)間占有率與區(qū)域平均速度之間的相互關(guān)系及基于時(shí)間占有率增長的平均速度散點(diǎn)擬合曲線;圖2(c)為區(qū)域平均速度與交通流量之間的相互關(guān)系及基于區(qū)域平均速度增長的交通流量散點(diǎn)擬合曲線.在圖2(a)中,數(shù)據(jù)擬合線方程為Q=?0.0234T2+1.4979T+6.5924,其中T為時(shí)間占有率,Q為交通流量,三個(gè)估計(jì)參數(shù)的置信區(qū)間為[?0.02399,?0.02281],[1.46934,1.52045]和[6.22742,6.95738]. 在圖2(b)中,數(shù)據(jù)擬合線方程為V=?0.0334T+33.9681,其中V為區(qū)域平均速度,兩個(gè)估計(jì)參數(shù)的置信區(qū)間為[?0.03516,?0.03164]和[33.58776,34.34844]. 在圖2(c)中,數(shù)據(jù)擬合線方程為Q=?0.0281V2+1.5126V+1.2703,三個(gè)估計(jì)參數(shù)的置信區(qū)間 為[?0.03354,?0.02265],[1.11743,1.90776]和[0.46310,2.07749].上述估計(jì)均為95%置信度.

圖3為提取5個(gè)級(jí)別狀態(tài)劃分中三個(gè)交通變量的時(shí)間序列圖.在圖3中,I1,I2,I3,I4和I5表示從數(shù)據(jù)樣本向量中分別提取5個(gè)級(jí)別交通狀態(tài)下時(shí)間占有率的時(shí)間序列,II1,II2,II3,II4和II5表示從數(shù)據(jù)樣本向量中分別提取5個(gè)級(jí)別交通狀態(tài)下交通流量的時(shí)間序列,III1,III2,III3,III4和III5表示從數(shù)據(jù)樣本向量中分別提取5個(gè)級(jí)別交通狀態(tài)下區(qū)域平均速度的時(shí)間序列.I1,II1,III1均表示1級(jí)狀態(tài)下的交通非常暢通,從中可以發(fā)現(xiàn)交通流量與時(shí)間占有率變化較大,區(qū)域平均速度在5個(gè)級(jí)別狀態(tài)中波動(dòng)最大,表明實(shí)際情況中車輛的數(shù)量不穩(wěn)定且車輛行駛自由度較高.I2,II2,III2均表示2級(jí)狀態(tài)下的交通暢通,從中可以發(fā)現(xiàn)交通流量與時(shí)間占有率變化自由度同1級(jí)相比幅度有所減小,交通參量的數(shù)值明顯增大,區(qū)域平均速度保持平穩(wěn)且數(shù)值較高,說明實(shí)際情況中車輛的數(shù)量增多且車輛行駛狀態(tài)趨于穩(wěn)定.I3,II3,III3均表示3級(jí)狀態(tài)下的交通輕度擁堵,此狀態(tài)特點(diǎn)為持續(xù)時(shí)間長且所有變量的值相對(duì)穩(wěn)定,交通流量與時(shí)間占有率持續(xù)保持在較高水平,區(qū)域平均速度長時(shí)間保持平穩(wěn),表明在實(shí)際情況中車輛的數(shù)量繼續(xù)增多且車輛行駛狀態(tài)保持穩(wěn)定.I4,II4,III4均表示4級(jí)狀態(tài)下的交通中度擁堵,從中可以發(fā)現(xiàn)交通流量與時(shí)間占有率變化幅度與3級(jí)相似,區(qū)域平均速度明顯下降,表明實(shí)際情況中車輛行駛受阻且道路負(fù)荷呈現(xiàn)飽和態(tài).I5,II5,III5均表示5級(jí)狀態(tài)下的交通嚴(yán)重?fù)矶?從中可以發(fā)現(xiàn)交通流量與時(shí)間占有率保持相反變化狀態(tài),時(shí)間占有率明顯上升而交通流量降至較低水平,區(qū)域平均速度明顯下降,表明在實(shí)際情況中車輛行駛受阻嚴(yán)重且道路呈現(xiàn)過飽和態(tài).

3 交通流時(shí)間序列的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建

時(shí)間序列的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建方法主要有可視圖法[14,15]、周期時(shí)間序列構(gòu)建法[16,17]和相空間重建法[18].其中后兩種方法的機(jī)理是基于時(shí)間序列的相關(guān)系數(shù),所以必須估計(jì)臨界閾值[19?21].實(shí)際獲取的交通流時(shí)間序列不滿足周期時(shí)間序列的分析要求,不適用周期時(shí)間序列構(gòu)建法.而相空間重建法對(duì)于嵌入維度和時(shí)間窗參數(shù)的依賴性強(qiáng).綜合考慮后利用可視圖法構(gòu)建針對(duì)交通流時(shí)間序列的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),利用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的表象重新認(rèn)識(shí)交通流時(shí)間序列,以復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的分析方法來分析交通流時(shí)間序列的規(guī)律.

可視圖法是一種將時(shí)間序列映射到網(wǎng)絡(luò)的快捷方法,算法主要借助構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)來表征時(shí)間序列的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),對(duì)交通流(相關(guān)三個(gè)交通參量)構(gòu)建復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的流程如圖4所示,其中若時(shí)間序列中的兩個(gè)任意數(shù)據(jù)值(ta,y(ta))和(tb,y(tb))之間的任何(ti,y(ti))(ta＜ti＜tb),使得成立,則這兩個(gè)數(shù)據(jù)值(ta,y(ta))和(tb,y(tb))所構(gòu)成的圖節(jié)點(diǎn)間關(guān)聯(lián)是可見的.

圖4 交通流時(shí)間序列的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建流程Fig.4.Construction process of complex network of traffic flow time series.

通過每一類交通狀態(tài)中三個(gè)交通參量時(shí)間序列的柱狀圖,分析每一類交通狀態(tài)下交通參量對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的鄰接矩陣.對(duì)每個(gè)交通狀態(tài)分類下三個(gè)交通參量時(shí)間序列的三個(gè)鄰接矩陣進(jìn)行矩陣疊加,使得矩陣可以最大化反映交通流時(shí)間序列的關(guān)聯(lián)特征.由于每個(gè)矩陣都是布爾矩陣,所以每一類交通狀態(tài)對(duì)應(yīng)網(wǎng)絡(luò)的鄰接矩陣為M=MQ∨MT∨MV,即以矩陣表示法得到相應(yīng)構(gòu)造的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò).

4 交通流時(shí)間序列網(wǎng)絡(luò)特征分析

4.1 交通流時(shí)間序列的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

結(jié)合上述方法,構(gòu)建了基于多種交通狀態(tài)的交通流時(shí)間序列網(wǎng)絡(luò),相應(yīng)每類交通狀態(tài)網(wǎng)絡(luò)的矩陣圖表示如圖5所示,形成的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖6所示.圖5(a)—圖5(e)分別為5個(gè)級(jí)別交通流狀態(tài)的交通流時(shí)間序列網(wǎng)絡(luò)矩陣圖,圖6(a)—圖6(e)分別為5個(gè)級(jí)別交通流狀態(tài)的交通流時(shí)間序列網(wǎng)絡(luò)使用Gephi軟件繪制的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖.

圖5 不同交通狀態(tài)構(gòu)建網(wǎng)絡(luò)的交通流時(shí)間序列矩陣圖 (a)1級(jí);(b)2級(jí);(c)3級(jí);(d)4級(jí);(e)5級(jí)Fig.5.Matrix of traffic time series for different traffic state networks:(a)Level 1;(b)level 2;(c)level 3;(d)level 4;(e)level 5.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)基于不同交通狀態(tài)的交通流時(shí)間序列復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)圖 (a)1級(jí);(b)2級(jí);(c)3級(jí);(d)4級(jí);(e)5級(jí)Fig.6.(color online)Complex network diagram of traffic time series based on different states:(a)Level 1;(b)level 2;(c)level 3;(d)level 4;(e)level 5.

利用可視圖方法構(gòu)建的網(wǎng)絡(luò)鄰接矩陣有如下特征.在交通非常暢通的狀態(tài)下,交通流中各參量時(shí)間序列的變化均較大且車流自由度較大(如圖3中I1,II1和III1所示),反映在矩陣(即體現(xiàn)可見的邊)中著色點(diǎn)分布呈現(xiàn)分散狀,即沿著對(duì)角線方向重疊的大方形,如圖5(a)所示.同樣在可見圖中映射出的邊與節(jié)點(diǎn)分布較均勻,僅在個(gè)別節(jié)點(diǎn)處(對(duì)應(yīng)時(shí)間序列的結(jié)束階段)顯現(xiàn)出可見邊密集的情況,如圖6(a)所示.這表明在交通非常暢通的狀態(tài)下,網(wǎng)絡(luò)呈現(xiàn)均勻分布狀態(tài).在交通暢通的狀態(tài)下,交通流中各參量時(shí)間序列的變化幅度趨緩(如圖3中I2,II2和III2所示),反映在矩陣中著色點(diǎn)分布呈現(xiàn)沿對(duì)角線方向成型的小方形,如圖5(b)所示;同樣在可見圖中映射出的邊與節(jié)點(diǎn)分布中出現(xiàn)集聚的特征,即出現(xiàn)彼此緊密連接的節(jié)點(diǎn),如圖6(b)所示,這表示對(duì)應(yīng)的原時(shí)間序列中的數(shù)據(jù)點(diǎn)相關(guān)性較高,且其矩陣中對(duì)應(yīng)方形越小網(wǎng)絡(luò)的集聚特征越明顯.在交通輕度擁堵的狀態(tài)下,交通流中各參量時(shí)間序列處于穩(wěn)定狀態(tài),在各個(gè)交通參量時(shí)間序列中均沒有明顯的波動(dòng)點(diǎn),且此狀態(tài)持續(xù)時(shí)間在整個(gè)采集時(shí)間中所占比例最大(如圖3中I3,II3和III3所示),對(duì)應(yīng)圖5中最大的矩陣分布.由于矩陣較大,因而體現(xiàn)反映狀態(tài)的表象特征比例略小,但依然可判斷出著色點(diǎn)分布呈現(xiàn)成型的小方形且這些方形分布密集,如圖5(c)所示;同樣在可見圖中出現(xiàn)非常明顯的集聚特征,如圖6(c)所示,交通狀態(tài)從非常暢通到暢通,再從暢通到輕度擁堵的狀態(tài)變化過程中,網(wǎng)絡(luò)中的集聚群落數(shù)量逐漸增多,可視圖中集聚群落特征也呈現(xiàn)得更加明顯,由此網(wǎng)絡(luò)的集聚群落特征可充分映射與交通流時(shí)間序列的關(guān)聯(lián)特性.在交通中度擁堵狀態(tài)下,道路負(fù)荷呈現(xiàn)飽和狀態(tài),交通流中各參量時(shí)間序列依舊保持平穩(wěn),未呈現(xiàn)大幅度波動(dòng),但區(qū)域平均速度明顯下降(如圖3中I4,II4和III4所示),時(shí)間序列的局部峰值被映射到周邊鄰近的點(diǎn),在矩陣中呈現(xiàn)沿對(duì)角線方向成型的小方形且同比可見邊增多,如圖5(d)所示;同樣在可見圖中映射具有集聚特征的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),但由于網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)映射的時(shí)間序列點(diǎn)較少,可見圖中特征不顯著,如圖6(d)所示.在交通嚴(yán)重?fù)矶聽顟B(tài)下,交通參量中交通流量與時(shí)間占有率時(shí)間序列呈現(xiàn)反向變化趨勢(shì),且呈現(xiàn)較大幅度的波動(dòng)(如圖3中I5,II5和III5所示),因而在多個(gè)交通參量時(shí)間序列的復(fù)合矩陣中反映出相同的沿對(duì)角線方向形態(tài)明顯的方形,如圖5(e)所示;由于圖6(e)中網(wǎng)絡(luò)對(duì)應(yīng)映射的時(shí)間序列點(diǎn)偏少,可見圖中特征不顯著.上述分析表明,交通狀態(tài)從非常暢通到中度擁堵的過程中,網(wǎng)絡(luò)群落數(shù)目迅速增長;交通狀態(tài)從中度擁堵到嚴(yán)重?fù)矶碌倪^程中,網(wǎng)絡(luò)群落數(shù)目緩慢減少.

4.2 交通流時(shí)間序列的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)特征

通過統(tǒng)計(jì)網(wǎng)絡(luò)的度分布、聚類系數(shù)、網(wǎng)絡(luò)直徑、模塊化等描述和分析網(wǎng)絡(luò)特征,并進(jìn)一步研究網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)力學(xué)特征.研究分析了實(shí)例中構(gòu)造的不同交通狀態(tài)時(shí)間序列網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)、網(wǎng)絡(luò)直徑、模塊化、圖密度和平均路徑長度等統(tǒng)計(jì)特征,如表1所示.表中比較不同狀態(tài)交通流時(shí)間序列網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計(jì)特征,表現(xiàn)為網(wǎng)絡(luò)直徑基本保持同一水平.網(wǎng)絡(luò)的聚類系數(shù)和模塊化應(yīng)結(jié)合時(shí)間序列可視化特性分析,表現(xiàn)為交通狀態(tài)變化越趨近于中度擁堵,網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模塊化越高.由于交通狀態(tài)的網(wǎng)絡(luò)時(shí)間序列點(diǎn)數(shù)目不同,當(dāng)序列點(diǎn)數(shù)量變少時(shí)模塊化呈現(xiàn)不足,而將整體考慮為一個(gè)模塊,表現(xiàn)為體現(xiàn)整體關(guān)聯(lián)的聚類系數(shù)增大,同樣符合交通狀態(tài)越擁堵、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)模塊化(在小網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)中表現(xiàn)為聚類系數(shù))越高的特點(diǎn).

構(gòu)建的5個(gè)網(wǎng)絡(luò)的節(jié)點(diǎn)度分布散點(diǎn)及擬合曲線如圖7所示,其中度分布分別對(duì)應(yīng)圖6(a)—圖6(e)的交通流時(shí)間序列網(wǎng)絡(luò)度分布.圖7中對(duì)應(yīng)圖6(a)網(wǎng)絡(luò)的散點(diǎn)擬合符合冪律分布,數(shù)據(jù)擬合線方程為y1=9043d?12.143,其中y1表示相同節(jié)點(diǎn)度的個(gè)數(shù),d1表示圖中節(jié)點(diǎn)度數(shù),擬合估計(jì)參數(shù)的置信區(qū)間為[?638.9,18720],[?2.522,?1.764].圖7中對(duì)應(yīng)圖6(b)—圖6(e)的散點(diǎn)擬合符合高斯分布,圖6(b)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)擬合線方程為y2=17.29exp{?[(d2?18.89)/10.02]2},擬合估計(jì)參數(shù)的置信區(qū)間為[14.52,20.05],[17.5,20.27]和[7.851,12.18];圖6(c)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)擬合線方程為y3=40.75exp{?[(d3?17.64)/8.262]2},擬合估計(jì)參數(shù)的置信區(qū)間為[36.95,44.56],[16.99,18.29]和[7.25,9.273];圖6(d)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)擬合線方程為y4=8.183exp{?[(d4?18.31)/9.332]2},擬合估計(jì)參數(shù)的置信區(qū)間為[6.687,9.678],[16.87,19.75]和[7.01,11.65];圖6(e)網(wǎng)絡(luò)數(shù)據(jù)擬合線方程為y5=2.938exp{?[(d5?18.58)/12.72]2},擬合估計(jì)參數(shù)的置信區(qū)間為[2.075,3.801],[15,22.16]和[5.283,20.16].上述估計(jì)置信度均為95%.

表1 交通流時(shí)間序列的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)統(tǒng)計(jì)特征Table 1.Statistical characteristics of complex network with traffic time series.

圖7 網(wǎng)絡(luò)節(jié)點(diǎn)度分布圖Fig.7.Degree distribution of network.

5 結(jié) 論

在考慮現(xiàn)有實(shí)例數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)交通狀態(tài)差異的基礎(chǔ)上,針對(duì)K-medoids方法進(jìn)行交通狀態(tài)分類后的交通流時(shí)間序列,結(jié)合可視圖算法構(gòu)建了交通流時(shí)間序列的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò).算法對(duì)實(shí)際路網(wǎng)的實(shí)時(shí)檢測(cè)交通數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,并分析了不同交通狀態(tài)下交通流時(shí)間序列網(wǎng)絡(luò)的統(tǒng)計(jì)特性.

與傳統(tǒng)的交通流序列研究方法不同,本研究使用復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)作為工具,利用網(wǎng)絡(luò)分析統(tǒng)計(jì)特性的方式來分析交通流的屬性,即從可視化的網(wǎng)絡(luò)角度重新認(rèn)識(shí)交通流:1)衡量交通流狀態(tài)需要多個(gè)參量,而可視圖法只能處理單變量時(shí)間序列,直接應(yīng)用可視圖法不能體現(xiàn)交通流整體特征,所以采用矩陣疊加的方式構(gòu)建多參量的交通流時(shí)間序列的網(wǎng)絡(luò)矩陣,為交通流時(shí)間序列映射到網(wǎng)絡(luò)提供了有效方式;2)傳統(tǒng)交通流理論通過宏觀基本圖分析交通流變量之間的相關(guān)性,進(jìn)而對(duì)交通狀態(tài)進(jìn)行劃分,而本研究構(gòu)建的實(shí)例網(wǎng)絡(luò)發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)特性(如網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的模塊化、聚類系數(shù)和度分布)在不同狀態(tài)下具有不同的模式,通過不同的屬性模式可以識(shí)別不同的交通狀態(tài).現(xiàn)階段初步利用可視圖方法分析研究了交通流時(shí)間序列的屬性,之后將繼續(xù)探討其他構(gòu)建時(shí)間序列網(wǎng)絡(luò)的方法并比較其優(yōu)缺點(diǎn),為分析交通流的運(yùn)行態(tài)勢(shì)提供更多途徑.

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Analysis of multi-state traffic flow time series properties using visibility graph?

Xing Xue1)2)?Yu De-Xin1)3)Tian Xiu-Juan1)Wang Shi-Guang1)

1)(College of Transportation,Jilin University,Changchun 130022,China)
2)(College of Information and Control Engineering,Jilin Institute of Chemical Technology,Jilin 132022,China)
3)(Jilin Provincial Key Laboratory of Road Traffic,Jilin University,Changchun 130022,China)

19 March 2017;revised manuscript

23 July 2017)

A traffic flow time series is a sequence of traffic detection parameters in chronological order.This differs from a general quantitative data sequence in that the time series includes a time attribute that contains not only the data with time characteristics,but also the distribution of the data itself.To date,studies of traffic time series have primarily adopted data mining methods consisting of data mining and machine learning methods—similar sequence search,dimension reduction,clustering,classification,pattern analysis,prediction,etc.In order to improve the visualization of traffic flow time series and feature analyses,a proposed method builds the association networks of traffic flow time series by using visibility graph theory.This approach differs from traditional traffic flow theory as it performs feature analysis of traffic flow time series from the perspective of complex networks,and then analyzes the relationship between the characteristics of the structure in the visual network and the state characteristics of the traffic flow.The proposed method also takes into account the different traffic flow time sequences that correspond to different traffic states.

In the network building process using the proposed method,the traffic flow is classified by correlating the traffic flow parameters to the structure of the complex time series networks under different traffic conditions through considering the changes in traffic flow characteristics under various traffic conditions.Next,statistical analyses of the signs and attributes of the networks(e.g.degree distribution,clustering coefficient,network diameter,and modularization)are conducted.The analysis results show that the proposed visibility graph method can provide an effective approach to mapping traffic flow time series to the network.Moreover,the modularity,clustering coefficient,and degree distribution of the traffic flow time series networks in different traffic states show specifically varying patterns,providing a way to visually analyze the trends in traffic flow operation.When the traffic condition is at level 1,the distribution of the scattered points of the network conforms to a power law distribution.When the traffic condition is at any other level,the distribution of the scattered points of the network is consistent with a Gaussian distribution.The modularity of the time series network also shows some statistical characteristics,that is,the number of modules grows rapidly when the traffic state switches from smooth to moderate congestion,but decreases slowly when the traffic state switches from moderate congestion to serious congestion.These characteristics can be used to distinguish different traffic states,providing more perspective to understand different traffic scenarios.In this work we preliminarily study the attributes of traffic time series based on the proposed visibility graph method.Future efforts will continue to compare various methods of time series network construction to determine the pros and cons of each method for further analysis.

traffic flow time series,visibility graph,complex network,cluster

PACS:05.45.Tp,45.70.Vn,89.75.FbDOI:10.7498/aps.66.230501

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant No.51308248)and the National Key Technology Support Program of China(Grant No.2014BAG03B03).

?Corresponding author.E-mail:patricia_xx@126.com

(2017年3月19日收到;2017年7月23日收到修改稿)

交通流時(shí)間序列的研究主要采用數(shù)據(jù)挖掘和機(jī)器學(xué)習(xí)的方法,這些“黑箱”挖掘方法很難直觀反映序列特性.為增強(qiáng)交通流時(shí)間序列及其特征分析的可視化性,結(jié)合可視圖理論來構(gòu)建交通流時(shí)間序列的關(guān)聯(lián)網(wǎng)絡(luò),從復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)角度實(shí)現(xiàn)交通流時(shí)間序列的特性分析.在網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的過程中,考慮到不同交通狀態(tài)下交通流表征具有的差異性,首先利用交通流參量的相關(guān)性對(duì)交通流狀態(tài)進(jìn)行分類,然后構(gòu)建不同交通狀態(tài)下的時(shí)間序列復(fù)雜網(wǎng)絡(luò),并對(duì)這些網(wǎng)絡(luò)的特征屬性給出統(tǒng)計(jì)分析,如度分布、聚類系數(shù)、網(wǎng)絡(luò)直徑、模塊化等.研究表明,可視圖法可為交通流時(shí)間序列映射到網(wǎng)絡(luò)提供有效途徑,并且不同狀態(tài)下交通流時(shí)間序列構(gòu)建的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)的模塊化、聚類系數(shù)和度分布等統(tǒng)計(jì)特征呈現(xiàn)一定的變化規(guī)律,為交通流運(yùn)行態(tài)勢(shì)的研究提供了可視化的分析角度.

10.7498/aps.66.230501?國家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):51308248)和國家科技支撐計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):2014BAG03B03)資助的課題.

?通信作者.E-mail:patricia_xx@126.com