城市軌道交通車輛以太網(wǎng)流量的預(yù)測方法

馬樂庭 伍紅波

(1.中車長春軌道客車股份有限公司， 130062， 長春； 2.北京交通大學(xué)電子信息工程學(xué)院， 100044， 北京∥第一作者， 高級工程師)

列車控制系統(tǒng)中的信息傳輸及城市軌道交通運營商對控制通信的要求不斷上升，使得傳統(tǒng)列車總線技術(shù)已不能滿足列車通信控制網(wǎng)絡(luò)日益增長的帶寬需求。采用ETB(以太網(wǎng)列車骨干網(wǎng))和ECN(以太網(wǎng)編組網(wǎng))等列車以太網(wǎng)技術(shù)來提升列車通信帶寬是急迫且可行的[1]。

網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測技術(shù)是網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控技術(shù)的重要組成部分之一[2]。高效、高精度的網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測技術(shù)可協(xié)助監(jiān)控系統(tǒng)進行實時、高質(zhì)量的網(wǎng)絡(luò)通信流量預(yù)警和控制，并為網(wǎng)絡(luò)安全和異常監(jiān)測提供技術(shù)支撐。針對車輛以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測技術(shù)，尚未有一種普適性方法可適用于所有網(wǎng)絡(luò)環(huán)境，需針對具體應(yīng)用場景和網(wǎng)絡(luò)流量特性進行選擇。利用主流的智能預(yù)測方法進行以太網(wǎng)流量預(yù)測，通常需進行3方面的研究和分析：

1)網(wǎng)絡(luò)流量歷史數(shù)據(jù)的特性分析：是否可用確定的統(tǒng)計學(xué)模型描述，或是否具備智能預(yù)測方法所需的統(tǒng)計學(xué)規(guī)律特性，尤其是平穩(wěn)性。

2)模型方法的選擇和訓(xùn)練：根據(jù)流量場景和樣本量選擇適當?shù)闹悄茴A(yù)測模型，劃分訓(xùn)練集和測試集進行訓(xùn)練和測試。

3)模型方法的分析和評價：基于模型訓(xùn)練和測試結(jié)果，對預(yù)測方法進行性能分析和評價。

網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測屬于典型的時間序列預(yù)測問題，諸多模型方法如GARMA(廣義自回歸移動平均)、RBF(徑向基函數(shù))神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換及SVM(支持向量機)等均有相關(guān)研究[3-5]。但大多智能預(yù)測方法對數(shù)據(jù)集的敏感性較高，若數(shù)據(jù)量不足或缺乏多樣性甚至存在過多離群點，則預(yù)測精度會明顯受到影響[6]。雖通過融合或改進智能算法能提升網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測精度，但其算法復(fù)雜度的增加會影響預(yù)測的實時性[7]。因此，如何權(quán)衡速度與精度，并針對車輛以太網(wǎng)應(yīng)用場景進行主流方法的仿真對比試驗，具有積極的意義。

本文基于以太網(wǎng)公開數(shù)據(jù)集結(jié)合自建的車輛以太網(wǎng)試驗系統(tǒng)，對典型的3種智能預(yù)測方法，即RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型、LSTM(長短期記憶)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型和LS-SVM(最小二乘支持向量機)模型的網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測性能進行研究。首先，對擬用于試驗的數(shù)據(jù)特性進行分析，討論其使用智能預(yù)測方法進行訓(xùn)練和回歸的可行性，并描述了網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測的總體方案框架；進而，簡述了3種典型智能方法的預(yù)測原理和步驟；最后，對3種方法的仿真試驗結(jié)果進行了對比分析，為車輛以太網(wǎng)流量預(yù)測方法的選擇提供一定技術(shù)參考。

1 以太網(wǎng)數(shù)據(jù)特性及其總體預(yù)測方案

本文的以太網(wǎng)試驗數(shù)據(jù)來源于Bellcore Morristown研究工程中心的高分辨率網(wǎng)絡(luò)流量數(shù)據(jù)采樣[8]。對預(yù)測的數(shù)據(jù)，通常要求其是平穩(wěn)時間序列的[9]。上述公開數(shù)據(jù)集經(jīng)多場景分析，表明其具有時間序列的規(guī)律統(tǒng)計特性：周期平穩(wěn)性和自相似特性[10-11]，且本文后續(xù)仿真曲線也展現(xiàn)出數(shù)據(jù)的周期平穩(wěn)特性。故基于該數(shù)據(jù)集搭建試驗系統(tǒng)如圖1所示，總體網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測方案如圖2所示。

圖1 基于Duagon板卡的試驗系統(tǒng)Fig.1 Experiment system based on Duagon cards

圖2 總體網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測方案Fig.2 Overall internet flow data prediction scheme

由圖1可見，基于杜根(Duagon)設(shè)備的試驗系統(tǒng)由電腦主機擔任輸入數(shù)據(jù)包的發(fā)送端和輸出數(shù)據(jù)的接收端；杜根設(shè)備核心板卡型號為I303，即車輛以太網(wǎng)通信板卡；交換機、Wireshark軟件和網(wǎng)絡(luò)調(diào)試軟件協(xié)助進行通信監(jiān)控。由圖2可見，將Bellcore數(shù)據(jù)集輸入以太網(wǎng)試驗系統(tǒng)，然后輸出以太網(wǎng)數(shù)據(jù)包送往RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和LS-SVM等3種智能預(yù)測方法進行訓(xùn)練和預(yù)測，最后進行網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測性能的對比分析。

2 3種智能預(yù)測方法及對比分析

2.1 基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測方法

RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)對非線性連續(xù)函數(shù)具有一致逼近性能，常用于不確定因素的建模和估計[12]。

基于RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行車輛以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測，需要在模型訓(xùn)練中解決2個問題：其一，確定神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，主要包括隱藏層的數(shù)目以及RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的聚類中心；其二，校正相應(yīng)的權(quán)值，即將權(quán)值矩陣W從隱層空間映射到輸出空間。其中，輸入層到隱藏層之間為低維空間到高維空間的非線性映射，故隱藏層采用非線性的調(diào)整辦法。隱藏層到輸出層是線性加權(quán)的過程，故輸出層采用線性調(diào)整辦法。從而整個網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)可分為聚類中心的確定以及權(quán)值矩陣的調(diào)整，兩者的同步執(zhí)行程度取決于數(shù)據(jù)復(fù)雜度。

本文采用3 000個車輛以太網(wǎng)流量數(shù)據(jù)采樣點進行試驗，其中前2 500個數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，后500個數(shù)據(jù)作為測試數(shù)據(jù)。建立RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測模型，取隱藏神經(jīng)元數(shù)20個，迭代次數(shù)為10次，經(jīng)數(shù)據(jù)預(yù)處理、模型訓(xùn)練和預(yù)測，得到500個以太網(wǎng)流量預(yù)測數(shù)值分布如圖3所示。

圖3 基于RBF的網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測值與實際值對比Fig.3 Comparison between the prediction value and real value of network flow based on RBF

由圖3可見，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型總體上實現(xiàn)了流量的預(yù)測趨勢跟蹤，在流量上升和下降的走勢中基本能保證較準確預(yù)測；但在峰谷拐點時刻出現(xiàn)較明顯的延遲及波動，最大誤差點的幅值近30%，這說明流量值波動較頻繁，難以滿足高精度預(yù)測的需求。

2.2 基于LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型的網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測方法

LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)源于RNN(循環(huán)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò))。LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在RNN的基礎(chǔ)上將記憶單元置于隱藏層中的各神經(jīng)單元內(nèi)。該記憶單元可對歷史數(shù)據(jù)信息和狀態(tài)值進行長期的存儲，同時傳輸存儲的歷史信息，加深時間序列的聯(lián)系性[13]。該特性使其適于進行長時間序列的預(yù)測。

本文基于LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型對車輛以太網(wǎng)流量預(yù)測模型的訓(xùn)練主要采用時間反向傳播算法，即通過梯度下降法迭代更新參數(shù)，計算所有參數(shù)基于損失函數(shù)的偏導(dǎo)數(shù)。模型對權(quán)值的更新以迭代次數(shù)為一周期，當滿足迭代次數(shù)達到最大值，或模型預(yù)測的車輛以太網(wǎng)流量和實際流量間的誤差達到預(yù)定最小閾值，則停止對權(quán)重值的更新。本文LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)選擇Adam函數(shù)作為優(yōu)化函數(shù)以及Sigmoid函數(shù)作為激勵函數(shù)，網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測步驟如下：

1)對車輛以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)流量數(shù)據(jù)進行預(yù)處理。

2)設(shè)定LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型結(jié)構(gòu)，包括2個隱藏層、1個輸入層和1個輸出層；設(shè)置隱藏神經(jīng)元數(shù)目為100、迭代次數(shù)為140、初始學(xué)習(xí)率為0.005、梯度閾值為1。

3)將訓(xùn)練數(shù)據(jù)輸入LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型進行訓(xùn)練，并利用測試數(shù)據(jù)進行預(yù)測測試。

4)比較預(yù)測值與實際值，計算預(yù)測誤差。

5)根據(jù)誤差的大小，進行模型的反向傳播運算，從而得到反饋的參數(shù)更新權(quán)值，以判斷是否重復(fù)新的循環(huán)；為防止收斂度過低，在60輪訓(xùn)練之后，通過乘以因子0.2來降低學(xué)習(xí)率。

基于LSTM的網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測結(jié)果如圖4所示?？傮w上，在數(shù)據(jù)的前段部分，模型的預(yù)測性能較好；在數(shù)據(jù)的中間部分預(yù)測誤差較大；在數(shù)據(jù)的中后段部分預(yù)測趨勢延遲明顯，這也是LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型在小樣本時間序列預(yù)測中的缺陷。

圖4 基于LSTM的網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測值與實際值對比Fig.4 Comparison between the prediction value and real value of network flow based on LSTM

2.3 基于LS-SVM模型的網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測方法

LS-SVM模型的主要機理是尋求結(jié)構(gòu)化風險最小，從而提高學(xué)習(xí)機的泛化能力，同時實現(xiàn)經(jīng)驗風險和置信范圍最小化。其優(yōu)勢主要表現(xiàn)在小樣本數(shù)據(jù)條件下，仍然保證較好的回歸預(yù)測精度[14]，其應(yīng)用于本文網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測結(jié)果如圖5所示。

如圖5可見，基于LS-SVM模型的預(yù)測在整個數(shù)據(jù)段均實現(xiàn)了高精度的預(yù)測，尤其在峰谷及數(shù)據(jù)趨勢發(fā)生變化的拐點處，預(yù)測跟蹤效果突出。

圖5 基于LS-SVM模型的網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測值與實際值對比Fig.5 Comparison between the prediction value and real value of network flow based on LS-SVM

作為示例，本文取1～25個數(shù)據(jù)點(數(shù)值保留至小數(shù)點后2位，四舍五入)，其實際流量、預(yù)測流量及誤差值如表1所示。

表1 LS-SVM模型的車輛網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測值與實際值對比Tab.1 Comparison between the prediction value and real value of vehicle network flow based on LS-SVM

2.4 3種預(yù)測方法對比及分析

上述3種智能預(yù)測方法的預(yù)測結(jié)果對比曲線如圖6所示。

圖6 3種智能網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測方法對比Fig.6 Comparison of the three intelligent network flow prediction methods

采用均方根誤差eRMSE和平均絕對百分比誤差eMAPE對模型預(yù)測性能進行評價，其計算式如下：

(1)

(2)

式中：

n——時間序列的元素個數(shù)；

Yi——各元素實際值；

i——采樣點序號;

n——采樣總量。

式(1)—(2)中,n=25。

計算得到3種預(yù)測模型的指標結(jié)果如表2所示。

表2 3種模型預(yù)測指標對比Tab.2 Prediction index comparison of the three models

由表2可見：LS-SVM模型在車輛以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測中相比RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型更有優(yōu)勢。此外，在MATLAB 2019版本的軟件運算上述3個模型時，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型與LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運算的時間較長，而LS-SVM模型訓(xùn)練速度較快，保證了收斂的快速性和準確性，這反映出LS-SVM在工程應(yīng)用領(lǐng)域的潛在價值。在本文測試場景中，具有長時記憶、強非線性適應(yīng)性的LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在本場景預(yù)測中的性能并不如LS-SVM優(yōu)越，這在一定程度上是由于本次測試樣本量對LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)而言不具有優(yōu)勢，而大幅度增大樣本量和訓(xùn)練場景多樣性將會有效提升LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)性能。限于實際硬件平臺試驗資源所限，不再進行全面的對比。

智能算法的訓(xùn)練受到訓(xùn)練數(shù)據(jù)、模型參數(shù)、測試數(shù)據(jù)、噪聲干擾和場景轉(zhuǎn)換等多個因素的影響。在不同的測試場景和測試數(shù)據(jù)下，智能預(yù)測模型方法的性能可能會發(fā)生明顯波動。因此，需要針對具體應(yīng)用需求進行選擇和人工調(diào)整參數(shù)。

3 結(jié)語

本文面向城市軌道交通車輛以太網(wǎng)網(wǎng)絡(luò)流量特性，采用3種智能網(wǎng)絡(luò)方法設(shè)計網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測方法，并給出了分析和計算。結(jié)果表明，對于模型的選用，樣本量較小時宜選用LS-SVM，樣本量較大且對實時性要求較高時宜選用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，樣本量充足且對精度要求高時可選用LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)。本文測試中，相對RBF和LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，LS-SVM在小樣本(3000數(shù)據(jù)量)條件下體現(xiàn)出快速性和準確性的優(yōu)勢，具有在未來軌道車輛網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測中的工程應(yīng)用潛力。

綜上，本文研究的算法對于一定應(yīng)用場景下車輛以太網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)流量預(yù)測具有較好的可行性，但對于實際多樣化場景應(yīng)用，應(yīng)綜合考慮數(shù)據(jù)樣本量以及時效性要求，選擇合適的智能算法并進行必要的數(shù)據(jù)預(yù)處理和網(wǎng)絡(luò)參數(shù)整定。