基于XGBoost的自動(dòng)駕駛汽車(chē)事故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)研究

朱小平　張麗英　劉靜　向健龍

摘 要：自動(dòng)駕駛汽車(chē)風(fēng)險(xiǎn)具有復(fù)雜性和隱蔽性，不易被人為地發(fā)現(xiàn)和預(yù)防。為了更好地預(yù)測(cè)這些風(fēng)險(xiǎn)，利用美國(guó)加州自動(dòng)駕駛事故數(shù)據(jù)集，從時(shí)間、地點(diǎn)、人員參與、天氣等多維度提取數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)預(yù)處理從而構(gòu)建自動(dòng)駕駛事故數(shù)據(jù)庫(kù)。然后，將XGBOOST算法與數(shù)據(jù)相結(jié)合，建立自動(dòng)駕駛汽車(chē)事故風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)分類模型。將XGBOOST算法與多種算法進(jìn)行比較分析，結(jié)果表明，XGBOOST算法為較優(yōu)，其訓(xùn)練和測(cè)試預(yù)測(cè)精度分別超過(guò) 92.27%和97.06%，能夠有效地識(shí)別出高風(fēng)險(xiǎn)和低風(fēng)險(xiǎn)的自動(dòng)駕駛汽車(chē)事故情況。

關(guān)鍵詞：自動(dòng)駕駛汽車(chē) XGBoost算法 風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)

1 引言

自動(dòng)駕駛有很多優(yōu)點(diǎn)，比如可以提高交通效率、減少人為錯(cuò)誤、節(jié)省能源等。但是，自動(dòng)駕駛也存在一些風(fēng)險(xiǎn)，如政策風(fēng)險(xiǎn)、事故風(fēng)險(xiǎn)、系統(tǒng)風(fēng)險(xiǎn)等等。因此，對(duì)自動(dòng)駕駛風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行預(yù)測(cè)分析是非常必要的。預(yù)測(cè)分析可以幫助我們了解自動(dòng)駕駛的潛在風(fēng)險(xiǎn)，評(píng)估風(fēng)險(xiǎn)的可能性和嚴(yán)重程度，制定風(fēng)險(xiǎn)的應(yīng)對(duì)措施和預(yù)案。

王浩旭[1]利用Carsim仿真軟件驗(yàn)證信控交叉口自動(dòng)駕駛汽車(chē)風(fēng)險(xiǎn)控制措施的有效性及合理性。薛松[2]提出了一種基于自動(dòng)駕駛場(chǎng)景的預(yù)期功能安全危害分析評(píng)估方法。王明[3]根據(jù)周邊車(chē)輛信息，提出一種融合風(fēng)險(xiǎn)的自動(dòng)駕駛汽車(chē)規(guī)劃方法。Subasish[4]對(duì)美國(guó)加州的2014-2019年的數(shù)據(jù)應(yīng)用貝葉斯?jié)擃惸Ｐ蛠?lái)識(shí)別碰撞模式。Siying[5]通過(guò)成本敏感分類和回歸（CART）模型開(kāi)發(fā)了一個(gè)包含可能影響因素的自動(dòng)駕駛汽車(chē)碰撞嚴(yán)重程度分類樹(shù)，該模型可以處理自動(dòng)駕駛汽車(chē)碰撞數(shù)據(jù)集中引發(fā)的類不平衡問(wèn)題。自動(dòng)駕駛汽車(chē)風(fēng)險(xiǎn)多數(shù)采用仿真方法，較少以定量的方法進(jìn)行研究，且定量風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估需考慮多個(gè)維度因素。本文綜合考慮人-車(chē)-路-環(huán)境因素基于XGBoost算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行全面綜合評(píng)估。

2 數(shù)據(jù)源介紹

2.1 數(shù)據(jù)源梗概

DMV[6]是Department of Motor Vehicles（機(jī)動(dòng)車(chē)輛管理局）的縮寫(xiě)，它是負(fù)責(zé)管理公共道路上的機(jī)動(dòng)車(chē)輛和駕駛員的政府機(jī)構(gòu)。DMV的數(shù)據(jù)包括以下幾個(gè)方面：機(jī)動(dòng)車(chē)輛登記、駕駛員許可、自動(dòng)駕駛測(cè)試。

2.2 數(shù)據(jù)預(yù)處理和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本文采用的是自動(dòng)駕駛測(cè)試中的碰撞報(bào)告，包括事故的時(shí)間、地點(diǎn)、原因、結(jié)果、參與者、車(chē)輛、傷害、損失等。

通過(guò)在DMV官網(wǎng)上搜集2014-2023年7月的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)集變量是數(shù)據(jù)原始的變量定義，中文變量名稱是本文自定義解釋，變量解釋是本文對(duì)變量進(jìn)行批次分類的再定義。

3 預(yù)測(cè)方法

XGBoost[7]在處理大數(shù)據(jù)時(shí)，精度高且可避免過(guò)擬合，有效處理缺失值。具體模型[8]如下：

其中，為獨(dú)立樹(shù)結(jié)構(gòu)；F為樹(shù)空間。

其中，為目標(biāo)函數(shù)；l為損失函數(shù)；為模型懲罰項(xiàng)，且：

其中，G為葉的數(shù)量；為第i片葉的分?jǐn)?shù)；為節(jié)點(diǎn)切分的難度；為正則化系數(shù)。

求解式（1）～（3），得到：

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

利用pycharm軟件使用XGBoost機(jī)器學(xué)習(xí)算法對(duì)DMV數(shù)據(jù)進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試，對(duì)自動(dòng)駕駛事故數(shù)據(jù)集進(jìn)行等級(jí)分類預(yù)測(cè)，得到以下結(jié)果：

由于截止到2023年7月，DMV事故數(shù)據(jù)集只有620條數(shù)據(jù)，為了保持?jǐn)?shù)據(jù)的有效性，采用數(shù)據(jù)交叉驗(yàn)證的方式，如圖１，橫坐標(biāo)為交叉驗(yàn)證的折次數(shù)，縱坐標(biāo)為預(yù)測(cè)精度，由圖可知，當(dāng)交叉驗(yàn)證折數(shù)為9時(shí)，訓(xùn)練預(yù)測(cè)精度為92.27%，此時(shí)測(cè)試預(yù)測(cè)精度為97.06%。

5 有效性分析

在機(jī)器學(xué)習(xí)分類模型中，Gradient Boosting和LightGBM[9]、CatBoost[10]、Stochastic Gradient Descent[11]、Passive Aggressive Classifier[12]、Perceptron Classifier[13]以及SVM[14]都是備受青睞的算法。

首先，XGBoost算法展現(xiàn)了在特定交叉驗(yàn)證折疊下的魯棒性和高度的預(yù)測(cè)精度。它在許多情況下表現(xiàn)出良好的性能，尤其是在數(shù)據(jù)模式復(fù)雜或特征維度高的情況下。然而，與其他算法相比，其表現(xiàn)可能略顯中庸。

相較之下，LightGBM以其基于梯度提升框架的高效性和低內(nèi)存占用而著稱，在處理大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)表現(xiàn)出色。CatBoost則專注于處理類別型特征和自動(dòng)處理缺失值，這使得它在某些數(shù)據(jù)集上表現(xiàn)突出。Stochastic Gradient Descent和Passive Aggressive Classifier則適用于在線學(xué)習(xí)和大規(guī)模數(shù)據(jù)流，其快速的更新速度使其在這些場(chǎng)景下具備優(yōu)勢(shì)。Perceptron Classifier和SVM則在處理線性可分?jǐn)?shù)據(jù)和復(fù)雜核函數(shù)映射時(shí)表現(xiàn)出色。

綜上所述，每種算法都有其獨(dú)特的優(yōu)勢(shì)和適用領(lǐng)域。XGBoost在穩(wěn)定性和普適性上表現(xiàn)良好，而其他算法則在特定場(chǎng)景下可能更具優(yōu)勢(shì)。因此，在選擇適用于特定問(wèn)題的機(jī)器學(xué)習(xí)模型時(shí)，需要根據(jù)數(shù)據(jù)特征、規(guī)模和問(wèn)題本身的要求來(lái)進(jìn)行綜合考量，并結(jié)合交叉驗(yàn)證等方法來(lái)充分評(píng)估模型的性能和適用性。它們各自具有獨(dú)特的特點(diǎn)和適用場(chǎng)景，因此在比較它們與XGBoost在預(yù)測(cè)精度上的表現(xiàn)時(shí)，通過(guò)使用交叉驗(yàn)證來(lái)訓(xùn)練和測(cè)試模型，得到了如下結(jié)果：

圖2展示了訓(xùn)練結(jié)果的概貌，橫坐標(biāo)為交叉驗(yàn)證折數(shù)，縱坐標(biāo)則反映了訓(xùn)練精度。盡管XGBoost算法在該圖中處于中間水平，但是從下圖3中的觀察可以發(fā)現(xiàn)，在第三折到第十折之間，XGBoost算法表現(xiàn)出了相當(dāng)穩(wěn)定的趨勢(shì)。實(shí)際上，在這段時(shí)間內(nèi)，絕大部分情況下XGBoost算法都展現(xiàn)出最高水平的預(yù)測(cè)精度。尤其值得注意的是，第9折所達(dá)到的精度最為顯著，其訓(xùn)練和測(cè)試的精度分別達(dá)到了92.27%和97.06%。

這種模式可能反映了XGBoost在特定數(shù)據(jù)折疊下的優(yōu)勢(shì)，尤其是在這種交叉驗(yàn)證的框架下。這樣的結(jié)果可能表明XGBoost算法在特定折疊中能更好地捕捉數(shù)據(jù)的模式，并在模型的學(xué)習(xí)過(guò)程中更準(zhǔn)確地推廣到新數(shù)據(jù)上。這也突顯了算法的魯棒性和有效性，尤其是在處理這個(gè)特定數(shù)據(jù)集時(shí)。

除了圖2和圖3中呈現(xiàn)的訓(xùn)練結(jié)果外，還值得注意的是XGBoost算法在訓(xùn)練和測(cè)試階段之間的差距。這種差距可能暗示著一些潛在的過(guò)擬合或者模型在新數(shù)據(jù)上泛化能力的限制，需要進(jìn)一步的探索和分析。

總的來(lái)說(shuō)，盡管XGBoost算法在圖2中的表現(xiàn)未必最為突出，但是深入研究后我們發(fā)現(xiàn)其在特定交叉驗(yàn)證折疊中的穩(wěn)定性和高精度表現(xiàn)。這種發(fā)現(xiàn)為我們對(duì)該算法的性能和優(yōu)勢(shì)提供了更深入的認(rèn)識(shí)，并為未來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化模型或探索其他算法提供了有益的參考。

6 結(jié)論

自動(dòng)駕駛風(fēng)險(xiǎn)預(yù)測(cè)是一個(gè)極具復(fù)雜性的領(lǐng)域，需要全面考慮事故發(fā)生的多種影響因素和指標(biāo)。這項(xiàng)研究利用了美國(guó)加州DMV自動(dòng)駕駛事故集中的數(shù)據(jù)，并通過(guò)定義和分析對(duì)其進(jìn)行了深入研究。同時(shí)，多種分類模型在該數(shù)據(jù)集上進(jìn)行了比較和分析，以確定最契合的模型和分類預(yù)測(cè)精度。最終，選擇了XGBoost算法，并通過(guò)交叉驗(yàn)證的方式對(duì)數(shù)據(jù)集進(jìn)行訓(xùn)練和預(yù)測(cè)。結(jié)果顯示，XGBoost算法表現(xiàn)出色，其預(yù)測(cè)結(jié)果優(yōu)異，訓(xùn)練和預(yù)測(cè)的分類精度分別高達(dá)92.27%和97.06%。

未來(lái)，這項(xiàng)研究可能有助于改進(jìn)自動(dòng)駕駛系統(tǒng)的安全性。通過(guò)深入理解事故發(fā)生的因素，并使用高精度的預(yù)測(cè)模型，我們有望進(jìn)一步提高自動(dòng)駕駛車(chē)輛的安全性能。此外，該研究還為未來(lái)開(kāi)展更多實(shí)證研究提供了有價(jià)值的數(shù)據(jù)和方法，以持續(xù)改進(jìn)自動(dòng)駕駛技術(shù)，并推動(dòng)其在道路安全方面的進(jìn)步。

項(xiàng)目基金：桂林電子科技大學(xué)研究生教育創(chuàng)新計(jì)劃項(xiàng)目（2023YCXS192）。

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