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基于集合经验模态分解降噪和优化LSTM的道路交通事故预测

刘清梅 万明 严利鑫 郭军华

刘清梅, 万明, 严利鑫, 郭军华. 基于集合经验模态分解降噪和优化LSTM的道路交通事故预测[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(5): 12-23. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.05.002
引用本文: 刘清梅, 万明, 严利鑫, 郭军华. 基于集合经验模态分解降噪和优化LSTM的道路交通事故预测[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(5): 12-23. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.05.002
LIU Qingmei, WAN Ming, YAN Lixin, GUO Junhua. A Method for Predicting Traffic Accidents Based on an Ensemble Empirical Mode Decomposition and an Optimized LSTM Model[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(5): 12-23. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.05.002
Citation: LIU Qingmei, WAN Ming, YAN Lixin, GUO Junhua. A Method for Predicting Traffic Accidents Based on an Ensemble Empirical Mode Decomposition and an Optimized LSTM Model[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(5): 12-23. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.05.002

基于集合经验模态分解降噪和优化LSTM的道路交通事故预测

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.05.002
基金项目: 

国家自然科学基金项目 52162049

赣鄱俊才支持计划-主要学科学术和技术带头人培养项目——青年人才 20232BCJ23012

江西省研究生创新专项 YC2021-S457

详细信息
    作者简介:

    刘清梅(1996—),硕士研究生. 研究方向:交通安全. E-mail: 1457141151@qq.com

    通讯作者:

    严利鑫(1988—),博士,副教授. 研究方向:智能交通等. E-mail: yanlixinits@163.com

  • 中图分类号: U491

A Method for Predicting Traffic Accidents Based on an Ensemble Empirical Mode Decomposition and an Optimized LSTM Model

  • 摘要: 道路交通事故精准预测是有效提升交通安全的重要手段,由于事故数据经常呈现非线性、波动性、无周期性等特征,现有的算法存在预测效果不佳的问题。为此本文提出基于集合经验模态分解降噪算法(ensemble empirical mode decomposition,EEMD)和优化长短时记忆神经网络(long short-term memory,LSTM)的交通事故数量预测模型。在单一模型的基础上,引入降噪算法EEMD对噪声大的交通事故时间序列进行降噪处理,利用EEMD对事故时间序列进行分解得到多个子序列和1个残差项;基于粒子群优化算法(particle swarm optimization,PSO)优化LSTM网络结构参数,并在LSTM的最优网络结构下提取数据中的时间特征信息进行预测,对各子序列及残差的预测结果求和得到最终预测结果。研究结果表明:相对于EMD-PSO-LSTM,PSO-LSTM,EEMD-LSTM,LSTM这4个模型,EEMD-PSO-LSTM的预测效果最好,其对应的预测误差ermse分别降低了8.7%、48.3%、53.1%、57.6%,误差emape分别降低了12.4%、36.9%、50.6%、61.2%。进一步研究表明,运用EEMD对数据进行降噪预处理能提高预测精度,与PSO-LSTM模型相比,EEMD-PSO-LSTM模型的误差ermse降低了60.2%,emape降低了12.4%,判定系数r2提高了0.616 5;引入PSO模型优化神经网络结构同样也能有效提升预测效果,与EEMD-LSTM模型相比,EEMD-PSO-LSTM模型的误差ermse减小了53.1%,emape降低了50.6%,判定系数r2提高了0.807 8。该研究结果能够提高交通事故预测精度,帮助相关部门有效提高道路交通安全水平。

     

  • 图  1  LSTM网络结构

    Figure  1.  LSTM network structure

    图  2  不同迭代次数下EEMD分解误差对比分析

    Figure  2.  Comparative analysis of EEMD decomposition error under different iterations

    图  3  不同白噪声比下EEMD分解误差对比分析

    Figure  3.  Comparative analysis of EEMD decomposition error under different white noise ratio

    图  4  不同白噪声组数下EEMD分解误差对比分析

    Figure  4.  Comparative analysis of EEMD decomposition error under different number of white noise

    图  5  事故预测流程图

    Figure  5.  Flow chart of accident prediction

    图  6  事故数据序列图

    Figure  6.  Sequence of accident data

    图  7  事故数据分解结果

    Figure  7.  Decomposition results of accident data

    图  8  PSO-LSTM粒子适应度变化曲线

    Figure  8.  PSO-LSTM particle fitness curve

    图  9  各子序列对应预测结果及子序列的相对误差

    Figure  9.  Prediction results of each subsequence and relative error

    图  10  不同模型对应预测结果

    Figure  10.  The prediction results of different models

    图  11  基于不同算法性能分析对比图

    Figure  11.  Comparison of performance analysis based on different algorithms

    表  1  原始事故序列描述统计分析

    Table  1.   Descriptivestatistical analysis of original accident sequences

    统计指标 数值
    数量 365
    范围 86.0
    最小值 0
    最大值 86
    均值 27.302
    方差 408.09
    偏度 0.81
    峰度 -0.161
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    表  2  各分量及趋势项分析结果

    Table  2.   Results of components and trend items

    分量 平均周期/d 与原序列相关系数 方差贡献率/%
    F1 3.47 0.379** 32.336
    F2 6.87 0.288** 16.411
    F3 19.16 0.280** 13.661
    F4 36.40 0.270** 12.201
    F5 52 0.374** 10.872
    F6 182 0.776** 8.531
    F7 364 0.790** 5.223
    F8 364 0.548** 0.420
    R 0.409** 0.344
    注:**表示在0.01水平上显著相关。
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    表  3  PSO-LSTM参数初始化

    Table  3.   Initial parameters of the PSO-LSTM model

    网络参数 初始值
    进化次数 10
    种群规模 10
    学习因子c1 1.5
    学习因子c2 1.5
    初始隐层单元数 20
    初始学习率 0.001
    时间步 10
    迭代次数 500
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    表  4  经PSO算法优化的LSTM模型参数

    Table  4.   LSTM model parameters optimized by PSO algorithm

    分量 学习率 隐含层
    F1 0.011 230
    F2 0.009 191
    F3 0.011 52
    F4 0.007 150
    F5 0.013 29
    F6 0.007 166
    F7 0.005 163
    F8 0.010 210
    R 0.013 251
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    表  5  模型预测误差对比

    Table  5.   Model prediction error comparison

    模型 ermse emape r2
    EEMD-PSO-LSTM 5.5102 0.423 4 0.739 7
    EMD-PSO-LSTM 6.033 4 0.483 4 0.7162
    PSO-LSTM 10.659 3 0.671 4 0.1232
    EEMD-LSTM 11.742 9 0.856 6 -0.068 1
    LSTM 12.983 1 1.0909 -0.307 7
    BP 13.188 4 2.071 1 -0.203 5
    AMRIA 17.415 7 2.1546 -0.232 8
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  • 收稿日期:  2022-05-01
  • 网络出版日期:  2024-01-18

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