基于C4.5決策樹算法的道路結(jié)冰預(yù)報模型構(gòu)建與應(yīng)用

陳 凱，徐國慶，熊 燾，侯紀勇，王曦晨，戚國輝，劉 青

（1.國家電網(wǎng)公司交流建設(shè)分公司，北京 100052；2.紫光軟件系統(tǒng)有限公司，北京 100084）

0 引言

我國北方冬季積雪和融水易在路面形成結(jié)冰，造成路面抗滑能力顯著降低，車輛制動距離延長，影響行車安全[1]。尤其我國東北部地區(qū)，冬春季節(jié)氣溫低，常出現(xiàn)降雪、凍雨[2]，道路結(jié)冰現(xiàn)象突出。研究道路結(jié)冰預(yù)報方法，對道路結(jié)冰情況進行提前預(yù)報，能夠有效減少因道路結(jié)冰引起的交通事故。

美國及歐洲一些國家向來重視道路結(jié)冰的監(jiān)測和預(yù)報工作，并較早地在公路交通氣象學(xué)領(lǐng)域開展研究，研發(fā)出了一些路面溫度測試和結(jié)冰預(yù)報技術(shù)[3-4]。如美國等國家建立的道路氣象信息系統(tǒng)（Road Meteorological Information System），可根據(jù)路域氣象資料預(yù)報路面狀況。Sass[5]基于地面熱傳導(dǎo)方程和地表能量平衡方程，進行了敏感性實驗，獲取了詳細的溫度和濕度分析結(jié)果，并利用丹麥道路站的數(shù)據(jù)對道路溫度和結(jié)冰預(yù)測進行了數(shù)值模擬，建立了道路結(jié)冰預(yù)報方法，取得了較好的效果。Shao等[6]通過因特網(wǎng)收集公路養(yǎng)護信息而建立的道路結(jié)冰預(yù)報模型能夠自動調(diào)整所需物理參數(shù)，準(zhǔn)確及時地預(yù)測路面結(jié)冰時間，為歐洲許多國家冬季公路養(yǎng)護提供了技術(shù)支持。

目前，我國在道路結(jié)冰預(yù)報研究方面仍處于初期階段[7-8]。楊武杰等[9]利用1990—2007年內(nèi)蒙古高等級公路氣象站監(jiān)測的結(jié)冰和積雪天氣數(shù)據(jù)及1990—2000年降水天氣數(shù)據(jù)，分析了引起道路結(jié)冰的氣象和環(huán)流因素，構(gòu)建了道路結(jié)冰統(tǒng)計模型，對包頭至興和高等級公路道路結(jié)冰情況進行了預(yù)報。孫翠梅等[10]利用2003年12月至2010年3月鎮(zhèn)江市公路地面氣溫數(shù)據(jù)，分析了鎮(zhèn)江市道路結(jié)冰的氣候特征，結(jié)合降水性質(zhì)、是否有積雪、日最低氣溫和日平均氣溫，定義了道路結(jié)冰影響指數(shù)，建立了統(tǒng)計模型進行分級預(yù)報，對當(dāng)?shù)氐缆方Y(jié)冰情況具備一定的預(yù)報能力。馬吉暉[11]從天氣學(xué)角度分析總結(jié)出3種天氣概念模型，得出由弱降水所致的道路結(jié)冰預(yù)報方法。雷建軍等[12]將遺傳微粒群算法與支持向量機（Support Vector Machines，簡稱SVM）相結(jié)合，利用遺傳微粒群算法的全局搜索能力從多個氣象因子中自適應(yīng)地選擇合適的因子組合及其對應(yīng)的最優(yōu)SVM參數(shù)，分別建立了武漢市和十堰市道路結(jié)冰預(yù)報模型，取得了較好的預(yù)報效果。

總體來看，目前有關(guān)道路結(jié)冰預(yù)報的研究方法主要有三種：統(tǒng)計模型[13-14]、理論分析模型[15]和數(shù)據(jù)挖掘模型[16-17]。統(tǒng)計模型在進行道路結(jié)冰預(yù)報時，數(shù)據(jù)量大，雖然具有一定的預(yù)報能力，但空報率較高。理論分析模型是基于熱力學(xué)和天氣學(xué)基本原理，利用數(shù)值方法建立溫度、降水的預(yù)報模型，但是該方法參數(shù)復(fù)雜，獲取困難，不適合大型主設(shè)備運輸期的道路結(jié)冰災(zāi)害預(yù)報。數(shù)據(jù)挖掘法可以處理大規(guī)模數(shù)據(jù)，對應(yīng)的模型在屬性選擇合理的情況下準(zhǔn)確率相對較高，并且在分析非線性氣象問題上有著廣泛的應(yīng)用。決策樹算法是數(shù)據(jù)挖掘方法的一種，能夠克服數(shù)據(jù)要求高、參數(shù)復(fù)雜、計算繁瑣等困難[18-19]。

本文將基于C4.5決策樹算法，通過對道路結(jié)冰樣本進行規(guī)則學(xué)習(xí)，訓(xùn)練決策樹模型，將道路是否結(jié)冰抽象為一個二元分類問題，構(gòu)建道路結(jié)冰預(yù)報模型，最后利用特高壓輸變電主設(shè)備運輸期的道路結(jié)冰預(yù)報對模型的準(zhǔn)確率加以驗證。

1 C4.5決策樹算法原理

決策樹算法屬于數(shù)據(jù)挖掘中一種重要的分類方法[20-21]，目前在遙感解譯領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。本文結(jié)合遙感解譯思想，引入C4.5決策樹算法，通過對日最低氣溫、日積雪深度、日降水量與對應(yīng)當(dāng)天道路結(jié)冰關(guān)系進行學(xué)習(xí)訓(xùn)練，構(gòu)建道路結(jié)冰二元分類模型，為道路結(jié)冰預(yù)報提供理論算法基礎(chǔ)。

在決策樹算法中，令S為包括s類樣本的數(shù)據(jù)訓(xùn)練集，m為訓(xùn)練集中的類別數(shù)量，si為s中第i類樣本的個數(shù)，i=1,2…,m，即：

此時訓(xùn)練集S的信息（嫡）H(S)為：

根據(jù)屬性A，令S={S1,S2,…,Sv}，其中v為屬性A包含不同值的數(shù)目。于是，訓(xùn)練集在屬性A上的信息熵為：

對應(yīng)的信息增益為：

2 模型構(gòu)建

2.1 道路結(jié)冰因素分析

道路結(jié)冰是指雨、雪、凍雨或霧滴碰到溫度低于0℃的地面而出現(xiàn)的積雪或結(jié)冰現(xiàn)象，包括凍結(jié)的殘雪、凸凹的冰轍、雪融水或其他原因的道路積水在寒冷冬季形成的結(jié)冰[22]。我國東北部地區(qū)冬季的主要氣候特點是風(fēng)大、干旱、寒冷、冰期長。顯然，冬季的低溫環(huán)境給道路結(jié)冰災(zāi)害的形成創(chuàng)造了條件。本文以通遼地區(qū)為例，統(tǒng)計了2015年和2016年各自2月份和3月份的氣溫、降水、降雪與道路結(jié)冰情況，并分析得出這三因素與道路結(jié)冰之間的關(guān)系，在時間上與主設(shè)備運輸時間保持一致，氣象條件類似，有利于道路結(jié)冰預(yù)報研究。圖1～圖4中縱軸分別表示最低氣溫、降雨量、積雪深度和是否結(jié)冰（1表示結(jié)冰，0表示不結(jié)冰），橫軸表示日期。

圖1 2015年2月份最低氣溫、降雨量、積雪深度與道路結(jié)冰關(guān)系

圖2 2015年3月份最低氣溫、降雨量、積雪深度與道路結(jié)冰關(guān)系

圖3 2016年2月份最低氣溫、降雨量、積雪深度與道路結(jié)冰關(guān)系

圖4 2016年3月份最低氣溫、降雨量、積雪深度與道路結(jié)冰關(guān)系

由圖1～圖4可知，通遼地區(qū)在2015年2月、3月以及2016年2月的最低氣溫和3月前半月的最低氣溫均低于0℃，3月后半月最低氣溫波動較大，有時高于0℃；對應(yīng)月份的降雨量較少，每月不超過2次，且降雨當(dāng)天氣溫低于0℃，出現(xiàn)道路結(jié)冰；降雪雖然頻次不高，由于氣溫較低，雪融較慢，單次降雪會造成連續(xù)幾天積雪，長期積雪則會導(dǎo)致道路長期連續(xù)結(jié)冰。根據(jù)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，道路結(jié)冰出現(xiàn)在有積雪或者降雨并且氣溫低于0℃的情況下，由于內(nèi)蒙和遼寧冬季和初春降水較少，故引起道路結(jié)冰的主要因素是低溫和降雪。

2.2 基于C4.5決策樹算法的道路結(jié)冰預(yù)報模型構(gòu)建

研究表明，地表溫度是道路結(jié)冰的主要影響因素[23]。由于地表溫度相對最低氣溫較難測得，不過日最低氣溫和日最低地表溫度間存在較好的對應(yīng)關(guān)系[24]，因此可用日最低氣溫替代日最低地表溫度來研究道路結(jié)冰問題。由前文可知，道路結(jié)冰天氣出現(xiàn)在有積雪或降雨的條件下，因此，可利用滿足日最低氣溫與日積雪深度或日最低氣溫與降水的關(guān)系來判斷道路是否結(jié)冰，即將通遼地區(qū)2015—2016年2月和3月日最低氣溫、日積雪深度、日降水量作為決策樹模型的輸入變量，道路是否結(jié)冰作為目標(biāo)變量（結(jié)冰用1表示，不結(jié)冰用0表示）來訓(xùn)練并構(gòu)建道路結(jié)冰預(yù)報模型。

基于C4.5決策樹算法的道路結(jié)冰預(yù)報模型的構(gòu)建具體可分以下三個步驟，對應(yīng)的模型運行原理如圖5和圖6所示。

（1）收集日最低氣溫、日降水量、日積雪深度以及道路是否結(jié)冰等數(shù)據(jù)；

（2）對最低氣溫、日降水量、日積雪深度以及對應(yīng)的道路結(jié)冰情況進行分類預(yù)處理；

（3）將日最低氣溫、日積雪深度、日降水量作為決策樹模型的輸入變量，將道路是否結(jié)冰作為目標(biāo)變量，構(gòu)建道路結(jié)冰預(yù)報模型。

圖5 日最低氣溫與日積雪深度道路結(jié)冰預(yù)報模型示意圖

圖6 日最低氣溫與日降水量道路結(jié)冰預(yù)報模型示意圖

3 基于C4.5決策樹算法的道路結(jié)冰預(yù)報模型應(yīng)用及精度分析

為了驗證基于C4.5決策樹算法的道路結(jié)冰預(yù)報模型的準(zhǔn)確率，現(xiàn)分別對點狀區(qū)域和線狀區(qū)域兩種類型的道路結(jié)冰情況進行預(yù)報，并與實際情況作一比較。

3.1 點狀區(qū)域道路結(jié)冰預(yù)報模型應(yīng)用及精度分析

以赤峰地區(qū)為例，將其2016年2月和3月的道路實際結(jié)冰數(shù)據(jù)（每日最低氣溫、每日早上8時積雪深度、每日累積1d降水量）輸入預(yù)報模型進行結(jié)冰情況預(yù)報。預(yù)報結(jié)果和實際結(jié)果如表1和表2所示。

表1 2016年2月赤峰道路模型預(yù)報結(jié)冰與實際結(jié)冰情況

表2 2016年3月赤峰道路模型預(yù)報結(jié)冰與實際結(jié)冰情況

由表1和表2可知，2月共29d，準(zhǔn)確預(yù)報有28d，預(yù)報準(zhǔn)確率為96.6%，3月共31d，準(zhǔn)確預(yù)報有28d，預(yù)報準(zhǔn)確率為90.3%，2月和3月共60d，準(zhǔn)確預(yù)報有56d，總體預(yù)報準(zhǔn)確率為93.3%。分析可知，2月9日與3月13日模型計算結(jié)果與實際結(jié)果不符，這都是因為當(dāng)日積雪量較少，氣溫較高，積雪融化成水，路面未能結(jié)冰；3月17日有少量降雨，最低氣溫為0℃，而道路結(jié)冰模型訓(xùn)練數(shù)據(jù)在降雨條件下的最低氣溫為-2℃，故判斷為不結(jié)冰，而道路結(jié)冰是由綜合因素引起的，導(dǎo)致預(yù)報錯誤。3月27日預(yù)報無結(jié)冰，是因為26日中午氣溫較高，積雪融化成水，27日無降水，輸入的日累計降雨量為0，實際路面有積水且當(dāng)天最低氣溫較低，引起道路結(jié)冰，造成預(yù)報結(jié)果與實際不符?？傮w來看，盡管模型對部分日期道路結(jié)冰判斷錯誤，但模型預(yù)報的整體準(zhǔn)確率仍較高。

3.2 線狀區(qū)域道路結(jié)冰預(yù)報模型應(yīng)用及精度分析

現(xiàn)以2017年冬季特高壓交流輸變電主設(shè)備運輸?shù)缆方Y(jié)冰預(yù)報為例，對所建模在線狀區(qū)域預(yù)報中的精度進行驗證。

特高壓交流輸變電主設(shè)備在2017年的運輸時間分別為2月12日—22日和3月20日—30日，運輸線路從沈陽到錫林浩特，沿線經(jīng)過阜新、通遼和赤峰。為了保障運輸安全，會提前1d預(yù)報次日沿線運輸?shù)缆返慕Y(jié)冰情況。將本次運輸過程中日最低氣溫、日積雪深度和日降水量輸入道路結(jié)冰預(yù)報模型，對道路是否結(jié)冰進行預(yù)報，結(jié)果見表3和表4。

表3 2017年2月12日—22日設(shè)備運輸沿線道路預(yù)報結(jié)冰與實際結(jié)冰情況

表4 2017年3月20日—30日設(shè)備運輸沿線道路預(yù)報結(jié)冰與實際結(jié)冰情況

由表3和表4所示的預(yù)報結(jié)冰和實際結(jié)冰結(jié)果對比可知，特高壓交流輸變電主設(shè)備運輸時間共計22d，準(zhǔn)確預(yù)報19d，錯誤預(yù)報3d，預(yù)報準(zhǔn)確率為86.4%?？梢?，該道路結(jié)冰預(yù)報模型具有較高的準(zhǔn)確率，當(dāng)然日最低氣溫、日積雪深度、日降水量3項輸入數(shù)據(jù)較高的準(zhǔn)確度也為道路結(jié)冰預(yù)報的準(zhǔn)確性提供了保障。錯誤預(yù)報原因分析如下：模型預(yù)報2月16日道路有結(jié)冰，而實際當(dāng)天無結(jié)冰，是因為天氣預(yù)報當(dāng)天有降雪，而真正的降雪出現(xiàn)在晚上（設(shè)備運輸暫停），因此預(yù)報結(jié)果與實際情況不符；3月24日預(yù)報道路無結(jié)冰而實際道路有結(jié)冰，是因為設(shè)備運輸經(jīng)過國道時該地區(qū)23日有少量降水，24日氣溫較低且路面有積水引起了道路結(jié)冰；3月29日預(yù)報道路結(jié)冰而實際當(dāng)天無結(jié)冰，是因為當(dāng)日氣溫較高，且伴有大風(fēng)，在設(shè)備運輸開始前路面降水已經(jīng)消失，沒有引起結(jié)冰，導(dǎo)致預(yù)報結(jié)果與實際不符。綜上可見，本文所建道路結(jié)冰預(yù)報模型在線狀區(qū)域道路結(jié)冰預(yù)報中可靠性高，能滿足道路結(jié)冰預(yù)報需求。

4 結(jié)語

本文采用C4.5決策樹算法，利用日最低氣溫、日降水量、日積雪深度與對應(yīng)的道路結(jié)冰之間的關(guān)系，構(gòu)建了基于C4.5決策樹算法的道路結(jié)冰預(yù)報模型。最后，通過對赤峰地區(qū)和沈陽到錫林浩特特高壓交流輸變電主設(shè)備運輸期間道路結(jié)冰情況的預(yù)報對所建模型進行實用性和精度驗證，結(jié)果表明該道路結(jié)冰預(yù)報模型具有較高的準(zhǔn)確率，可為我國東北地區(qū)冬季道路運輸提供有效、安全的技術(shù)保障。利用數(shù)據(jù)挖掘方法，通過分析歷史數(shù)據(jù)可發(fā)現(xiàn)潛在的信息和規(guī)律，在局部區(qū)域可以實現(xiàn)對道路結(jié)冰的有效預(yù)報。今后若結(jié)合與氣象相關(guān)的理論知識，進行更加深入的信息挖掘，探索本質(zhì)信息，將會對道路結(jié)冰有更加科學(xué)理性的認識和預(yù)報。

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