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基于滑动窗口动态输入LSTM网络的铁路运输系统碳排放量预测方法

肇晓楠 谢新连 赵瑞嘉

肇晓楠, 谢新连, 赵瑞嘉. 基于滑动窗口动态输入LSTM网络的铁路运输系统碳排放量预测方法[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(1): 169-178. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.01.018
引用本文: 肇晓楠, 谢新连, 赵瑞嘉. 基于滑动窗口动态输入LSTM网络的铁路运输系统碳排放量预测方法[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(1): 169-178. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.01.018
ZHAO Xiaonan, XIE Xinlian, ZHAO Ruijia. A Method for Predicting Carbon Emission of Railway Transportation System Based on an LSTM Network with Dynamic Input via Sliding Window[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(1): 169-178. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.01.018
Citation: ZHAO Xiaonan, XIE Xinlian, ZHAO Ruijia. A Method for Predicting Carbon Emission of Railway Transportation System Based on an LSTM Network with Dynamic Input via Sliding Window[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(1): 169-178. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.01.018

基于滑动窗口动态输入LSTM网络的铁路运输系统碳排放量预测方法

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.01.018
基金项目: 

国家重点研发计划资助项目 2017YFC0805309

国家自然科学基金项目 72204035

详细信息
    作者简介:

    肇晓楠(1997—),硕士研究生.研究方向:交通运输规划与管理. E-mail:596894782@qq.com

    通讯作者:

    谢新连(1956—),博士,教授.研究方向:交通运输规划与管理.E-mail:xxlian@dlmu.edu.cn

  • 中图分类号: U29;F532

A Method for Predicting Carbon Emission of Railway Transportation System Based on an LSTM Network with Dynamic Input via Sliding Window

  • 摘要: 铁路运输的低碳发展对交通系统实现“双碳”战略目标有着重要意义。针对当前铁路运输碳排放预测研究较少、预测精度不高的问题,考虑碳排放时间序列数据中历史信息和当前信息间的相关性,引入滑动窗口,结合长短期记忆(LSTM)网络,构建铁路运输碳排放量预测模型。采用灰色关联分析法计算铁路运输碳排放量各影响因素的关联度值,筛选铁路运输碳排放量的关键影响因素,使用高关联性数据作为预测模型的输入变量,提高预测精度;应用LSTM网络为基础预测模型,通过引入滑动窗口改进神经网络的数据输入; 考虑未来减排政策变化对铁路运输碳排放量的影响,融合基于动态政策的情景分析,构建铁路碳排放预测模型,并利用多项式误差拟合方法进行误差修正,提高预测结果准确性。以1980—2019年铁路运输碳排放相关数据为例,从现有文献中总结出17个铁路碳排放影响因素,利用灰色关联分析法从中筛选出6个关键因素,通过滑动窗口对筛选出的数据进行子序列分割,测试不同长度窗口下的预测精度,选择最优窗口参数,建立改进LSTM模型进行预测,并将预测结果与原LSTM、BPNN和RNN模型进行对比,结果表明:改进LSTM模型将相对误差平均值降低至0.392%,而原LSTM模型为3.862%,BPNN模型为1.535%,RNN模型为0.760%,即改进LSTM模型具有更高预测准确性;根据历史趋势和发展政策设置基准情景和3种未来减排情景,利用改进LSTM模型预测未来10年铁路运输碳排放量,在4种模拟情景下,铁路运输2030年的碳排放量分别为9.83×106 t、8.91×106 t、8.62×106 t和8.09×106 t。综上所述,引入滑动窗口的改进LSTM模型能进一步提高铁路运输碳排放量预测准确性,融合动态政策的情景分析可为未来铁路运输低碳发展提供可行路径。

     

  • 图  1  LSTM结构图

    Figure  1.  LSTM structure diagram

    图  2  预测流程图

    Figure  2.  Forecast flow chart

    图  3  滑动时间窗口示意图

    Figure  3.  Schematic diagram of sliding window

    图  4  LSTM模型结构图

    Figure  4.  Structure diagram of LSTM model

    图  5  铁路碳排放与其影响因素相关度

    Figure  5.  Correlation between railway carbon emission and its influencing factors

    图  6  加入滑动时间窗前后及不同步长精度对比

    Figure  6.  Comparison of accuracy before and after adding sliding time window and different steps

    图  7  LSTM模型预测值与真实值对比

    Figure  7.  Comparison between predicted value and real value of LSTM model

    图  8  不同模型的准确度对比

    Figure  8.  Accuracy comparison of different models

    图  9  预测值对比实验结果

    Figure  9.  The predicted values are compared with the experimental result

    图  10  4种情景模式下铁路运输碳排放预测值

    Figure  10.  Carbon emission prediction of railway transportation under four scenarios

    表  1  铁路碳排放影响因素数据

    Table  1.   Data on Influencing Factors of railway carbon emission

    年份 碳排放量/×104t GDP增速 电气化率/% 复线率/% 换算总周转量/×108km 能源消耗强度/(t·10-4元) 总人口/×104 固定资产投资/(×108元) 列车平均车速/(km/h)
    1980 2 244.75 0.12 3.3 15.7 7 100 30.12 98 705
    1981 2 215.82 0.08 3.3 16.5 7 185 29.24 100 072
    1982 2 186.89 0.09 3.4 17.1 7 695 26.57 101 654
    1983 2 157.96 0.12 4.2 17.8 8 422 23.15 103 008
    1984 2 129.03 0.21 5.5 18.7 9 294 18.83 104 357
    1985 2 100.10 0.25 8.0 19.2 10 542 15.43 105 851 40.0
    1986 2 071.17 0.14 8.4 20.2 11 352 13.61 107 507 40.0
    1987 2 042.24 0.17 9.4 21.3 12 315 12.32 109 300 40.0
    1988 2 013.31 0.25 10.9 22.3 13 138 11.73 111 026 40.0
    1989 1 984.39 0.13 12.0 23.6 13 407 10.16 112 704 40.0
    1990 1 955.46 0.10 13.0 24.4 1 3211 7.62 114 333 40.0
    1991 1 926.52 0.17 14.6 25.0 13 772 6.96 115 823 40.0
    1992 1 897.59 0.24 15.8 25.5 14 696 6.45 117 171 40.0
    1993 1 868.66 0.31 16.6 26.6 15 402 5.88 118 517 48.1
    1994 1 839.73 0.36 16.6 28.7 16 059 5.29 119 850 48.1
    1995 1 810.59 0.26 17.8 31.0 16 378 4.83 121 121 48.1
    1996 1 771.82 0.17 17.8 32.5 16 243 4.11 122 389 48.1
    1997 1 759.86 0.11 20.9 33.1 16 589 3.64 123 626 54.9
    1998 1 734.48 0.07 22.5 34.2 15 952 3.26 124 761 562.42 55.2
    1999 1 695.72 0.06 24.2 36.1 16 624 2.96 125 786 566.46 55.2
    2000 1 657.35 0.11 25.3 36.5 17 750 2.64 126 743 517.40 61.6
    2001 1 638.28 0.11 28.6 38.3 18 886 2.40 127 627 509.30 61.6
    2002 1 592.80 0.10 29.2 38.7 19 881 2.16 128 453 623.52 61.6
    2003 1 569.94 0.13 29.9 39.2 21 098 1.86 129 227 482.54 61.6
    2004 1 530.35 0.17 30.4 39.1 23 797 1.49 129 988 516.32 65.7
    2005 1 505.80 0.16 31.2 39.4 25 366 1.29 130 756 1 364.31 65.7
    2006 1 103.55 0.17 37.0 39.8 26 910 0.82 131 448 2 075.97 65.7
    2007 1 123.15 0.23 37.8 40.5 29 008 0.76 132 129 1 789.99 70.18
    2008 1 134.92 0.18 39.1 41.6 31 388 0.69 132 802 3 375.54 70.18
    2009 1 070.36 0.09 46.2 43.8 31 490 0.59 133 450 7 875.60 200.0
    2010 1 163.99 0.18 49.4 44.8 36 406 0.59 134 091 8 426.52 200.0
    2011 1 187.58 0.18 52.0 45.2 39 078 0.56 134 735 4 610.84 200.0
    2012 1 174.44 0.10 53.5 46.2 38 999 0.43 135 404 6 339.67 200.0
    2013 1 167.81 0.10 54.0 47.8 39 769 0.32 136 072 6 657.45 200.0
    2014 1 107.24 0.09 58.0 48.6 39 134 0.31 136 782 8 088.00 200.0
    2015 1 051.54 0.07 61.2 53.5 35 714 0.30 137 462 8 238.00 200.0
    2016 1 066.37 0.08 64.7 54.9 36 371 0.30 138 271 8 015.00 200.0
    2017 1 089.94 0.11 64.8 56.5 40 419 0.26 139 008 8 010.00 200.0
    2018 1 088.22 0.10 71.9 59.0 43 074 0.23 139 538 8 028.00 200.0
    2019 1 095.30 0.08 72.8 59.5 44 888 0.20 140 005 7 819.00 200.0
    注:数据来源于《铁道统计公报》《中国统计年鉴》《中国能源统计年鉴》。
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    表  2  各因素与碳排放间关联度

    Table  2.   Correlation between various factors and carbon emission

    名称 关联度
    GDP增速 0.948
    电气化率 0.906
    复线率 0.980
    换算总周转量 0.969
    能源消耗强度 0.993
    人口规模 0.963
    固定资产投资额 0.590
    平均列车时速 0.852
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    表  3  测试集预测值及评价指标

    Table  3.   Predicted value and evaluation index of test set

    年份 真实值 预测值 相对误差 平均误差
    2016 1 066.370 1 063.856 0.002 35 0.003 92
    2017 1 089.940 1 086.284 0.003 35
    2018 1 088.220 1 083.276 0.004 54
    2019 1 095.300 1 089.344 0.005 43
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    表  4  对比试验相对误差值

    Table  4.   Comparative test relative error value

    年份 真实值 LSTM BPNN RNN Original LSTM
    预测值 误差 预测值 误差 预测值 误差 预测值 误差
    2016 1 066.37 1 063.856 0.002 35 1 100.017 0.031 55 1 071.493 0.004 80 1 022.777 0.040 88
    2017 1 089.94 1 086.284 0.003 35 1 103.280 0.012 23 1 081.811 0.007 45 1 130.951 0.037 63
    2018 1 088.22 1 083.276 0.004 54 1 099.085 0.009 98 1 079.667 0.007 86 1 047.345 0.037 56
    2019 1 095.30 1 089.344 0.005 43 1 086.927 0.007 64 1 084.019 0.010 30 1 137.381 0.038 42
    平均误差 0.003 91 0.015 35 0.007 60 0.038 62
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    表  5  2020—2030年各因素发展速率

    Table  5.   Development rate of various factors from 2020 to 2030  单位: %

    变化率 GDP增速 电气化率 复线率 换算总周转量 能源消耗强度 人口规模
    2 4 4 3 -8 0.05
    1 6 6 2 -10 0.01
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    表  6  铁路碳排放的情景模式

    Table  6.   Scenario of railway carbon emission

    情景模式 GDP增速 电气化率 复线率 换算总周转量 能源消耗强度 人口规模
    基准模式
    节能模式
    绿色模式
    低碳模式
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  • 收稿日期:  2022-04-26
  • 网络出版日期:  2023-05-13

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