CN111091225A - 一种基于深度学习的城市轨道交通短期客流预测方法 - Google Patents

一种基于深度学习的城市轨道交通短期客流预测方法 Download PDF

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CN111091225A CN201911085362.4A CN201911085362A CN111091225A CN 111091225 A CN111091225 A CN 111091225A CN 201911085362 A CN201911085362 A CN 201911085362A CN 111091225 A CN111091225 A CN 111091225A
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Abstract

本发明涉及一种基于长短期记忆网络的城市轨道交通客流预测方法，其特征在于，包括步骤如下：步骤1，确定改进的时空长短期记忆网络模型的输入；步骤2，确定与待预测站点sk空间相关度最高的x个车站s1、s2…sx；步骤3，计算列车由车站s1、s2…sx运行到待预测站点sk所需时间
Figure DDA0002265227480000011
步骤4，根据步骤1所述的全网各站点的进出站客流量得到待预测站点sk的出站客流量序列
Figure DDA0002265227480000012
并得到比待预测站点sk早
Figure DDA0002265227480000013
的车站s1、s2…sx的进站客流序列
Figure DDA0002265227480000014
步骤5，将
Figure DDA0002265227480000015
和
Figure DDA0002265227480000016
输入改进的时空长短期记忆网络模型，输出为待预测站点sk的出站客流量；步骤6，计算预测性能指标。本发明用来对车站的出站客流进行预测，提高了预测精度。

Description

一种基于深度学习的城市轨道交通短期客流预测方法
技术领域
本发明涉及一种基于深度学习的城市轨道交通短期客流预测方法，具体涉及通过使用一种改进的时空长短期记忆网络(Sp-LSTM)去深度学习全网相关车站的历史客流数据，从而提高客流预测精度。属于城市轨道交通客流预测技术领域。
背景技术
21世纪以来，城市轨道交通的建设进入了高潮，运量大、速度快、安全可靠的城市轨道交通在现代化城市中起着越来越重要的作用。客流预测在城市轨道交通管理中具有重要的意义。准确的短期客流预测有利于运营部门提前安排站台值班人员、避免***故的发生；便于交通枢纽站安排客流、组织接驳；方便地铁运营公司调整运营计划、编制列车运行图，从而提高整个城市轨道交通网络运营效率。
现阶段，城市轨道交通短时客流预测已经有了一定的研究基础。但大多数的预测模型是基于浅层学习和单车站预测，忽略了网络化运营情况下线网车站的相互影响，没有考虑到客流数据的时空性，导致预测结果与实际情况的偏差较大，难以指导运营公司做出准确的决策。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于长短期记忆网络的城市轨道交通客流预测方法。具体为通过使用一种改进的时空长短期记忆网络模型，深度学习全网相关车站的历史客流数据，所述方法用来对车站的短期出站客流进行预测，从而提高客流预测精度。
为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：
一种基于长短期记忆网络的城市轨道交通客流预测方法，包括步骤如下：
步骤1，确定改进的时空长短期记忆网络模型的输入；
所述输入包括以下5部分：待预测站点sk、选择空间相关度高的站点数量x、全网各站点的进出站客流量、全网OD矩阵、运营数据；
步骤2，确定与待预测站点sk空间相关度最高的x个车站s1、s2…sx；
步骤3，计算列车由车站s1、s2…sx运行到待预测站点sk所需时间
Figure BDA0002265227460000021
步骤4，根据步骤1所述的全网各站点的进出站客流量得到待预测站点sk的出站客流量序列
Figure BDA0002265227460000022
并得到比待预测站点sk早
Figure BDA0002265227460000023
的车站s1、s2…sx的进站客流序列
Figure BDA0002265227460000024
步骤5，将
Figure BDA0002265227460000025
和
Figure BDA0002265227460000026
输入改进的时空长短期记忆网络模型，输出为待预测站点sk的出站客流量；
步骤6，计算预测性能指标。
在上述方案的基础上，步骤1所述的运营数据包括：列车在各车站的运营时分。
在上述方案的基础上，步骤2具体包括如下步骤：
将全网各站点从1至n进行标号，构成站点集合N＝{1,2,…,i,…,n}，各站点间的OD数据可以表示为一个n×n的矩阵：
Figure BDA0002265227460000031
其中，fi,j,i,j∈N为起点为i终点为j的客流量；
根据全网OD矩阵构建两个指标p,q来衡量站点间的空间相关度；
其中，sk为待预测站点，用fk表示从待预测站点sk出站的所有客流量之和：
Figure BDA0002265227460000032
用pi表示站点si对待预测站点sk的客流量贡献程度，i∈[1,n]且i≠k：
Figure BDA0002265227460000033
将其中最大值命名为pmax，最小值命名为pmin。
用fi'表示各站点的进站客流量，i∈[1,n]且i≠k：
Figure BDA0002265227460000034
各站点进站客流大小也将影响站点si和待预测站点sk的空间相关度，用qi表示站点si的进站客流量对待预测站点sk的客流量影响程度，i∈[1,n]且i≠k：
Figure BDA0002265227460000035
将其中最大值命名为qmax，最小值命名为qmin；
对pi、qi进行加权求和：
Figure BDA0002265227460000041
Figure BDA0002265227460000042
Figure BDA0002265227460000043
其中，
Figure BDA0002265227460000044
分别为经过标准化后的pi,qi，ω1,ω2分别为p,q指标的重要性系数，zi为进行加权求和后的si站点与待预测站点sk间的空间相关度。将zi按从大到小的顺序排序，取前x个站点作为与待测站点sk空间相关度最高的站点，记为s1,s2…sx。
在上述方案的基础上，步骤3所述的列车由车站s1、s2…sx运行到待预测站点sk所需时间
Figure BDA0002265227460000045
可以根据运营数据得到。
在上述方案的基础上，步骤4具体包括如下步骤：
从时间维度上看，我们可以用一个一维时间序列描述一个站点的进出站客流量：
Figure BDA0002265227460000046
其中ft s代表站点s在第t个时间段内的进出站客流量，h为正整数。
根据步骤1所述的全网各站点的进出站客流量得到待预测站点sk的出站客流量序列
Figure BDA0002265227460000047
Figure BDA0002265227460000048
同时，得到比待预测站点sk早
Figure BDA0002265227460000049
的车站s1、s2…sx的进站客流量序列
Figure BDA0002265227460000051
Figure BDA0002265227460000052
Figure BDA0002265227460000053
Figure BDA0002265227460000054
在上述方案的基础上，步骤5具体包括如下步骤：
所述改进的时空长短期记忆网络模型(Sp-LSTM)和普通长短期记忆网络模型的基本结构一致，通过一个单元状态C来保存长期的状态；
在新数据传入改进的时空长短期记忆网络模型时，由遗忘门决定从上一时刻的单元状态中扔掉哪些历史数据，改进的时空长短期记忆网络模型的输入是一串时间序列数据，当输入为
Figure BDA0002265227460000055
时，所述历史数据指的是前h个数据，新数据指的是ft s，此过程可表示为ft：
ft＝σ(Wf[ht-1,xt]+bf)
其中，Wf为遗忘门的权重矩阵，[ht-1,xt]表示把ht-1和xt这两个矩阵连接成一个矩阵，bf是遗忘门的偏置项，σ是sigmoid函数。
为了避免记忆当前无关紧要的内容，由输入门决定了改进的时空长短期记忆网络模型的输入xt有多少保存到单元状态Ct，此过程可以表示为it：
int＝σ(Wi[ht-1,xt]+bi)
其中，Wi为输入门的权重矩阵，bi是输入门的偏置项。
使用tanh生成t时刻的候选值向量，表示为
Figure BDA0002265227460000056
Figure BDA0002265227460000061
其中，WC为计算单元状态的权重矩阵，bC为偏置项。结合以上两步，对旧的单元状态进行更新，sigmoid函数选择更新内容，得到新的单元状态Ct：
Figure BDA0002265227460000062
其中，符号
Figure BDA0002265227460000067
表示按元素乘；
改进的时空长短期记忆网络模型的输出由输出门和单元状态共同确定；输出门决定过程表示为ot，当前输出值ht与新的单元状态Ct有关：
ot＝σ(Wo[ht-1,xt]+bo)
Figure BDA0002265227460000063
其中，Wo和bo分别为输出门的权重矩阵和偏置项。
在上述方案的基础上，所述步骤6所述的性能指标包括平均绝对误差和均方根误差：
Figure BDA0002265227460000064
Figure BDA0002265227460000065
其中，MAE为平均绝对误差，RMSE为均方根误差，fi为实际客流量，
Figure BDA0002265227460000066
为预测得到的客流量。
在上述方案的基础上，所述改进的时空长短期记忆网络模型能够通过python编程语言实现。
本发明有益效果：
本发明用来对车站的出站客流进行预测，提高了预测精度，并具有如下优点：
(1)考虑了出行数据的时空性，提高了预测精度。
(2)模型简单，易于理解和计算，应用性较强。
(3)计算速度快。
附图说明
本发明有如下附图：
图1为本发明所述方法长短期记忆网络结构示意图；
图1中，xt为当前输入，Ct为当前单元状态，ht为当前输出，ht-1为上一个时刻的输出，Ct-1为上一个时刻的单元状态；
图2为本发明所述方法的结构流程图；
图3为北京地铁机场线线路图；
图4为2017年5月3日机场线各站点的客流量；
图5a为15min客流预测效果；
图5b为30min客流预测效果；
图5c为60min客流预测效果；
图6a为不同预测模型15min客流预测性能指标的对比；
图6b为不同预测模型30min客流预测性能指标的对比；
图6c为不同预测模型60min客流预测性能指标的对比；
具体实施方式
以下结合附图1～6对本发明作进一步详细说明。
本发明提供一种基于长短期记忆网络的城市轨道交通客流预测方法。具体为通过使用一种改进的时空长短期记忆网络，深度学习全网相关车站的历史客流数据，对车站的短时出站客流进行预测，并且提高客流预测精度。
本发明以北京地铁网作为研究对象，我们通过地铁运营公司得到了地铁各站点每15分钟的进站和出站客流，如下表1所示。
表1北京地铁网全网各站点每15分中进站/出站客流
Figure BDA0002265227460000081
我们选取北京地铁机场线作为研究对象。随着航空运输需求量的快速增长，机场吞吐量在不断增加。安检、应急、值机等机场服务要求管理人员能够准确地预测未来的旅客吞吐量，并相应地提前分配人力和物力资源。因此，准确的机场线短期客流量预测对机场和地铁管理具有重要意义。北京地铁机场线如图3所示，它经北京市区与北京首都国际机场，全长28.1千米，共设4座车站。
机场线采用Y字形回路运营，沿东直门站、三元桥站、3号航站楼站、2号航站楼站、三元桥站、东直门站的顺序行驶。其中东直门站是13号线与机场线的换乘车站，三元桥站是10号线与机场线的换乘车站。图4所示为2017年5月3日北京地铁机场线各站点的客流量。
根据北京地铁公司的运营数据，得到机场线的上行时刻表，如表2所示，将东直门发车时间设为0时刻。
表2机场线时刻表
Figure BDA0002265227460000082
根据本发明构建的Sp-LSTM模型，对T2航站楼的出站客流进行预测。
步骤1，确定模型的输入；
本发明以2017年5月1日至8月31日(除5月8日、5月22日、5月27日，共120天)的机场线各站从5:45到22:15的进出站客流数据构成输入数据集。以表2所示的机场线时刻表作为运营数据输入，选择T2航站楼作为待预测站点sk，选择空间相关度高的站点数量x＝3。
步骤2，确定与待预测站点sk空间相关度最高的x个车站s1、s2…sx；
因为机场线的相对独立性和特殊性(只含4个站点)，我们推测与T2航站楼空间相关度最高三个的站点为东直门站、三元桥站、T3航站楼站，将其分别命名为s1、s2、s3。
步骤3，计算列车由车站s1、s2、s3运行到车站sk所需时间
Figure BDA0002265227460000091
Figure BDA0002265227460000092
根据表2可知：
Figure BDA0002265227460000093
其中T＝15min，是AFC设备统计一次进出站客流的时间间隔。
步骤4，确定车站s1、s2、s3和sk的客流序列；
我们从全网各站点的进出站客流量得到待预测站点sk的出站客流序列
Figure BDA0002265227460000094
Figure BDA0002265227460000095
同时得到比待预测站点sk早
Figure BDA0002265227460000096
的车站s1、s2、s3的进站客流序列
Figure BDA0002265227460000097
Figure BDA0002265227460000098
Figure BDA0002265227460000099
Figure BDA00022652274600000910
步骤5，将
Figure BDA00022652274600000911
同时输入改进的时空长短期记忆网络，输出为预测的站点sk的出站客流。
以东直门站进站客流、三元桥站进站客流和3号航站楼出站客流为模型的多序列输入，预测2号航站楼的出站客流。其中前90％作为训练集数据，后10％作为测试集数据。
步骤6，计算预测性能指标。
对于LSTM模型的结构，我们需要确定的参数是迭代次数epochs和隐藏单元的数量units。我们分别选择不同的epochs和不同的units对15min的客流量进行预测，得到了如表3所示的实验结果。
表3预测网络结构的性能指标
Figure BDA0002265227460000101
通过表3可以看出，当epochs不变时，随着units的增加，模型的预测精度得到了提高，预测误差MAE和RMSE都呈下降趋势，但程序花费的时间却飞速上升；当epochs增加时，模型的预测性能指标也有了提升，花费的时间也相应增长。我们需要在预测性能指标和用时上做一个折中，选择一个精度和时间都在可接受范围内的参数。本发明选择epochs＝500,units＝100作为Sp-LSTM模型的参数。利用该模型分别对15分钟、30分钟和60分钟时T2航站楼的出站客流量进行预测，得到图5所示结果。
表4对比了相同数据集下不同预测模型的预测性能指标。
表4不同预测模型的性能指标
Figure BDA0002265227460000111
通过表4和图4，我们可以得到在此数据集下，Sp-LSTM模型预测精度最高，LSTM和NAR模型相差不大，ARIMA模型精度最低。同时我们可以得到，在15min时各预测模型的精度最高，60min时预测误差已经非常大，这可能与60min数据集的数据总量小有关，也说明了预测时间跨度较大时，这四种模型并不适合直接预测客流量。
根据上述各数据并通过本发明提出的模型，与常规的LSTM模型相比，Sp-LSTM模型可使MAE降低43.69％，RMSE降低43.96％，说明了该模型具有较好的效果。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于长短期记忆网络的城市轨道交通客流预测方法，其特征在于，包括步骤如下：
步骤1，确定改进的时空长短期记忆网络模型的输入；
所述输入包括以下5部分：待预测站点sk、选择空间相关度高的站点数量x、全网各站点的进出站客流量、全网OD矩阵、运营数据；
步骤2，确定与待预测站点sk空间相关度最高的x个车站s1、s2…sx；
步骤3，计算列车由车站s1、s2…sx运行到待预测站点sk所需时间
Figure FDA0002265227450000011
步骤4，根据步骤1所述的全网各站点的进出站客流量得到待预测站点sk的出站客流量序列
Figure FDA0002265227450000012
并得到比待预测站点sk早
Figure FDA0002265227450000013
的车站s1、s2…sx的进站客流序列
Figure FDA0002265227450000014
步骤5，将
Figure FDA0002265227450000015
和
Figure FDA0002265227450000016
输入改进的时空长短期记忆网络模型，输出为待预测站点sk的出站客流量；
步骤6，计算预测性能指标。
2.如权利要求1所述的基于长短期记忆网络的城市轨道交通客流预测方法，其特征在于，步骤1所述的运营数据包括：列车在各车站的运营时分。
3.如权利要求2所述的基于长短期记忆网络的城市轨道交通客流预测方法，其特征在于，步骤2具体包括如下步骤：
将全网各站点从1至n进行标号，构成站点集合N＝{1,2,…,i,…,n}，各站点间的OD数据表示为一个n×n的矩阵：
Figure FDA0002265227450000021
其中，fi,j,i,j∈N为起点为i终点为j的客流量；
根据全网OD矩阵构建两个指标p,q来衡量站点间的空间相关度；
其中，sk为待预测站点，用fk表示从待预测站点sk出站的所有客流量之和：
Figure FDA0002265227450000022
用pi表示站点si对待预测站点sk的客流量贡献程度，i∈[1,n]且i≠k：
Figure FDA0002265227450000023
将其中最大值命名为pmax，最小值命名为pmin；
用fi'表示各站点的进站客流量，i∈[1,n]且i≠k：
Figure FDA0002265227450000024
各站点进站客流大小也将影响站点si和待预测站点sk的空间相关度，用qi表示站点si的进站客流量对待预测站点sk的客流量影响程度，i∈[1,n]且i≠k：
Figure FDA0002265227450000031
将其中最大值命名为qmax，最小值命名为qmin；
对pi、qi进行加权求和：
Figure FDA0002265227450000032
Figure FDA0002265227450000033
Figure FDA0002265227450000034
其中，
Figure FDA0002265227450000035
分别为经过标准化后的pi,qi，ω1,ω2分别为p,q指标的重要性系数，zi为进行加权求和后的si站点与待预测站点sk间的空间相关度；将zi按从大到小的顺序排序，取前x个站点作为与待测站点sk空间相关度最高的站点，记为s1,s2…sx。
4.如权利要求3所述的基于长短期记忆网络的城市轨道交通客流预测方法，其特征在于，步骤3所述的列车由车站s1、s2…sx运行到待预测站点sk所需时间
Figure FDA0002265227450000036
根据运营数据得到。
5.如权利要求4所述的基于长短期记忆网络的城市轨道交通客流预测方法，其特征在于，步骤4具体包括如下步骤：
用一维时间序列描述一个站点的进出站客流量：
Figure FDA0002265227450000037
其中ft s代表站点s在第t个时间段内的进出站客流量，h为正整数；
根据步骤1所述的全网各站点的进出站客流量得到待预测站点sk的出站客流量序列
Figure FDA0002265227450000038
Figure FDA0002265227450000041
同时，得到比待预测站点sk早
Figure FDA0002265227450000042
的车站s1、s2…sx的进站客流量序列
Figure FDA0002265227450000043
Figure FDA0002265227450000044
Figure FDA0002265227450000045
Figure FDA0002265227450000046
6.如权利要求5所述的基于长短期记忆网络的城市轨道交通客流预测方法，其特征在于，步骤5具体包括如下步骤：
所述改进的时空长短期记忆网络模型和普通长短期记忆网络模型的结构一致，通过一个单元状态C来保存长期的状态；
在新数据传入改进的时空长短期记忆网络模型时，由遗忘门决定从上一时刻的单元状态中扔掉哪些历史数据，改进的时空长短期记忆网络模型的输入是一串时间序列数据，当输入为
Figure FDA0002265227450000047
时，所述历史数据指的是前h个数据，新数据指的是ft s，此过程表示为ft：
ft＝σ(Wf[ht-1,xt]+bf)
其中，Wf为遗忘门的权重矩阵，[ht-1,xt]表示把ht-1和xt这两个矩阵连接成一个矩阵，bf是遗忘门的偏置项，σ是sigmoid函数；
为了避免记忆当前无关紧要的内容，由输入门决定了改进的时空长短期记忆网络模型的输入xt有多少保存到单元状态Ct，此过程表示为int：
int＝σ(Wi[ht-1,xt]+bi)
其中，Wi为输入门的权重矩阵，bi是输入门的偏置项；
使用tanh生成t时刻的候选值向量，表示为
Figure FDA0002265227450000051
Figure FDA0002265227450000052
其中，WC为计算单元状态的权重矩阵，bC为偏置项；
对旧的单元状态进行更新，sigmoid函数选择更新内容，得到新的单元状态Ct：
Figure FDA0002265227450000053
其中，符号
Figure FDA0002265227450000054
表示按元素乘；
改进的时空长短期记忆网络模型的输出由输出门和单元状态共同确定；输出门决定过程表示为ot，当前输出值ht与新的单元状态Ct有关：
ot＝σ(Wo[ht-1,xt]+bo)
Figure FDA0002265227450000055
其中，Wo和bo分别为输出门的权重矩阵和偏置项。
7.如权利要求6所述的基于长短期记忆网络的城市轨道交通客流预测方法，其特征在于，所述步骤6所述的性能指标包括平均绝对误差和均方根误差：
Figure FDA0002265227450000056
Figure FDA0002265227450000057
其中，MAE为平均绝对误差，RMSE为均方根误差，fi为实际客流量，
Figure FDA0002265227450000058
为预测得到的客流量。
8.如权利要求1所述的基于长短期记忆网络的城市轨道交通客流预测方法，其特征在于，所述改进的时空长短期记忆网络模型能够通过python编程语言实现。
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