基于改進(jìn)LSTM 模型的短期車流量預(yù)測*

魏 健，趙紅濤，加鶴萍

（1.華北電力大學(xué) 數(shù)理學(xué)院，北京 102206；2.華北電力大學(xué) 經(jīng)濟(jì)管理學(xué)院，北京 102206）

近年來隨著人們的生活質(zhì)量不斷提高，機(jī)動車購買量也變得越來越多。伴隨而來的是嚴(yán)重的交通擁堵狀況，給人們的出行造成極大不便。短時車流預(yù)測可以幫助交通部門及時了解某路段未來可能發(fā)生的擁堵情況，從而提前做出反應(yīng)，同時對于人們的出行也具有一定的意義，可以讓人們及時避過擁堵路段[1]。

文獻(xiàn)[1]使用LSTM 模型對北京市朝陽區(qū)某道路交叉口的車流量進(jìn)行預(yù)測，使用自動編碼器進(jìn)行無監(jiān)督學(xué)習(xí)，將自動編碼器的輸出作為LSTM 的輸出。文獻(xiàn)[3]使用LSTM 模型預(yù)測地鐵站溫度，并且在數(shù)據(jù)預(yù)處理的過程中使用了小波降噪的方法，建立了有關(guān)時序數(shù)據(jù)的模型方法，并且與傳統(tǒng)的ARIMA 模型比較，證明了LSTM 在處理較大幅度變化的數(shù)據(jù)時，其誤差小于ARIMA 模型。文獻(xiàn)[5]考慮到語言特征可能不僅僅受到以前語言的影響，也可能受到之后語句的影響，所以在自然語言處理中利用了雙向GRU 模型和注意力機(jī)制。文獻(xiàn)[6]針對數(shù)據(jù)的長期依賴性，使用基于注意力機(jī)制的CNN-LSTM 模型擬合數(shù)據(jù)，在LSTM 后端構(gòu)建注意力機(jī)制，給隱含層賦予不同的權(quán)重來優(yōu)化最終的輸出結(jié)果。實(shí)驗(yàn)證明，在注意力機(jī)制的優(yōu)化下，其誤差結(jié)果小于CNN 等神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。文獻(xiàn)[7]構(gòu)建了短時車流量的預(yù)測模型，建立CNN-LSTM 模型預(yù)測車流量數(shù)據(jù)并且得到了良好的結(jié)果。

由于在后續(xù)的實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)車流量在工作日和節(jié)假日明顯不同，所以將數(shù)據(jù)分成工作日和節(jié)假日兩部分進(jìn)行討論[3]，建立了基于注意力機(jī)制的長短時記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對短時車流量進(jìn)行預(yù)測，使用卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（CNN）、長短時記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（LSTM）、雙向長短時記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BiLSTM）作為對比模型，且考慮到可能存在的過擬合問題，本文在對比模型中加入了基于注意力機(jī)制的雙向長短時記憶神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（BiLSTM-attention）模型。LSTM 通過門結(jié)構(gòu)的設(shè)置在很大程度上解決了循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（RNN）模型存在的問題，注意力機(jī)制對LSTM 隱含層賦予不同的權(quán)值，從而優(yōu)化了輸出值，得到了相對較小的誤差值。

1 基于注意力機(jī)制的LSTM 模型原理結(jié)構(gòu)

1.1 LSTM 模型

LSTM 模型是在上世紀(jì)90 年代提出的一種神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，它在處理時間序列數(shù)據(jù)方面具備獨(dú)特的優(yōu)勢[4]。隨著神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層數(shù)的增加，RNN 模型不可避免地會出現(xiàn)梯度消失或梯度爆炸現(xiàn)象，而LSTM 以其特有的結(jié)構(gòu)可以大大緩解上述現(xiàn)象。

LSTM 模型在RNN 模型的基礎(chǔ)之上增加了門結(jié)構(gòu)的設(shè)置，使用三種門來控制信息。第一層門為遺忘門，遺忘門會遺忘一部分不重要的信息，選擇記住一些重要的數(shù)據(jù)特征；第二層門為輸入門，輸入門會更新一些內(nèi)容，以填補(bǔ)已經(jīng)被遺忘門略去的信息；第三層門為輸出門，輸出門可以對先前的信息進(jìn)行處理，然后對數(shù)據(jù)輸出。

然而當(dāng)步長過長時，LSTM 會發(fā)生明顯的梯度消失現(xiàn)象，所以應(yīng)使用下文的注意力機(jī)制算法對LSTM 中的權(quán)重進(jìn)行處理，以更準(zhǔn)確地進(jìn)行預(yù)測。

1.2 注意力機(jī)制

注意力機(jī)制通過概率分配的方式，對關(guān)鍵信息賦予足夠的關(guān)注，突出重要信息的影響，從而提高模型的準(zhǔn)確率[5]。在序列數(shù)據(jù)過長時，LSTM 模型也可能會發(fā)生梯度消失現(xiàn)象，為了盡可能削弱梯度消失現(xiàn)象造成的影響，此處引入注意力機(jī)制，給不同的LSTM 單元賦予不同的權(quán)值，給較為接近真實(shí)值的LSTM 單元賦予較大的權(quán)值，反之亦然[6-7]。其計(jì)算公式如（1）、（2）所示。

設(shè)第x 個LSTM 神經(jīng)元的輸出值為hx，設(shè)每個神經(jīng)元對應(yīng)的權(quán)重為ux，最終的輸出值為yt，設(shè)總共有a 個LSTM 神經(jīng)元。

1.3 LSTM-attention 模型的算法步驟

Step1：數(shù)據(jù)預(yù)處理，其中包含根據(jù)工作日和節(jié)假日劃分?jǐn)?shù)據(jù)，對數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化處理，使用平均值填充缺失值等等。

Step2：將經(jīng)過數(shù)據(jù)預(yù)處理的數(shù)據(jù)輸入至模型中，通過LSTM 的遺忘門、輸入門、輸出門來學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)的特征，其中主要學(xué)習(xí)的時間之間的關(guān)聯(lián)。

Step3：對LSTM 中隱含層各單位賦予權(quán)值，給較為接近真實(shí)值的LSTM 單位較大的權(quán)值。

Step4：輸出預(yù)測值。

2 實(shí)證分析

2.1 數(shù)據(jù)預(yù)處理

本文使用的數(shù)據(jù)是北京某公路路段的車流量，時間跨度為2018 年1 月18 日至2018 年5 月11 日，數(shù)據(jù)為五分鐘記錄一次，總共有數(shù)據(jù)26650 條，其中包含1320條缺失值。本文采用取平均值的方法來填補(bǔ)平均值，但是由于各個時刻的車流量差距很大，所以取缺失值所在時刻的平均值來代替缺失值，同時在使用LSTM 模型之前需要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行歸一化，否則不利于數(shù)據(jù)的訓(xùn)練。

在工作日時間，車流量存在明顯的周期性變化，出現(xiàn)周期性變化的原因與早晚高峰有關(guān)，且其峰值也明顯高于節(jié)假日的車流量；但是在節(jié)假日時間并沒有十分明顯的周期性波動。

2.2 模型參數(shù)設(shè)置

本文工作日數(shù)據(jù)總共有17686 條，節(jié)假日數(shù)據(jù)共有8964 條。參數(shù)的設(shè)置分兩種情況，在工作日情況下，設(shè)定epoch=1200，batch_size=17000，shuffle=False；在節(jié)假日情況下，設(shè)定epoch=1000，batch_size=8000，shuffle=False。工作日測試集的時間跨度為2018 年5 月10 日18：00 至2018 年5 月11 日18：50，節(jié)假日測試集的時間跨度2018 年5 月5 日全天。測試集數(shù)據(jù)均為288 個，其余作為訓(xùn)練集。

2.3 使用誤差說明

本文采取平均絕對百分誤差（Mean Absolute Percentage Error，MAPE）和均方根誤差（Root Mean Square Error，RMSE）來展示不同方法的負(fù)荷預(yù)測誤差，如式（3）、（4）所示。

由于RMSE 使用的是平均誤差，MAPE 是以相對誤差為原理，所以二者誤差兼顧了不同的因素，同時本文引入訓(xùn)練時間作為判斷模型優(yōu)劣的依據(jù)之一。

3 對比試驗(yàn)

在作對比實(shí)驗(yàn)的過程中，為了盡可能減少偶然因素，實(shí)驗(yàn)的數(shù)值均是用十次實(shí)驗(yàn)的結(jié)果取平均值，并且對每個對比實(shí)驗(yàn)的參數(shù)進(jìn)行校正。本文使用CNN、LSTM、雙向LSTM、BiLSTM-attention 模型作為對比實(shí)驗(yàn)。

3.1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

從圖1、圖2 可以得出結(jié)論，在節(jié)假日和工作日兩種情況下，本文所使用的模型均能對短時車流量進(jìn)行準(zhǔn)確預(yù)測。下文將用量化的方式來具體對比。

3.2 模型結(jié)果解釋

由表1、表2 知，LSTM-attention 的表現(xiàn)最好，BiLSTMattention 誤差相對較大的原因與過擬合因素有直接的關(guān)聯(lián)，且BiLSTM-attention 的訓(xùn)練時間也遠(yuǎn)高于LSTMattention。在工作日對車流量的預(yù)測中，LSTM-attention 模型在MAPE 標(biāo)準(zhǔn)下分別比LSTM、雙向LSTM，CNN、BiLSTM-attention 低6.85%、6.34%、8.04%、0.72%；在RMSE 標(biāo)準(zhǔn)下，LSTM-attention 分別比LSTM、雙向LSTM，CNN、BiLSTM-attention 低26.08、25.915、26.325、4.335，訓(xùn)練時間方面則節(jié)省了15s、111s、28s、96s。而在節(jié)假日中的差距更加明顯，LSTM-attention 模型在MAPE 和RMSE兩個標(biāo)準(zhǔn)下的數(shù)值甚至只有大部分對比模型的左右，訓(xùn)練時間也低于其它對比模型，從而證實(shí)了LSTMattention 模型可以勝任對于車流量的預(yù)測，有一定的應(yīng)用潛力。

圖1 本文模型預(yù)測值與實(shí)際值關(guān)系圖（工作日）

圖2 本文模型預(yù)測值與實(shí)際值關(guān)系圖（節(jié)假日）

表1 各實(shí)驗(yàn)誤差對比（工作日）

表2 各實(shí)驗(yàn)誤差對比（節(jié)假日）

4 結(jié)論

由前文的分析得知，節(jié)假日和工作日的車流量特點(diǎn)有很大的不同，主要體現(xiàn)在峰值和周期差距較大上，所以將二者分開分析有利于數(shù)據(jù)的預(yù)測。否則會干擾LSTMattention 模型學(xué)習(xí)數(shù)據(jù)特征，進(jìn)而影響預(yù)測效果。LSTM可以通過門結(jié)構(gòu)來學(xué)習(xí)時序數(shù)據(jù)特征，遺忘門、輸入門、輸出門的存在大大改善了RNN 模型存在的梯度消失與爆炸問題。但是當(dāng)輸入的序列長度過長時，LSTM 仍會出現(xiàn)此問題，注意力機(jī)制可以在很大程度上解決這一問題。

本文選用CNN、LSTM、BiLSTM、BiLSTM-attention 模型作為對比模型，由結(jié)果來看LSTM-attention 在MAPE、RMSE、乃至訓(xùn)練時間上都有很好的表現(xiàn)，還考慮到可能存在的過擬合現(xiàn)象，所以引入BiLSTM-attention 模型作為對比模型，事實(shí)證明LSTM-attention 確為最佳選擇。