王祥雪,許倫輝
(華南理工大學(xué) 土木與交通學(xué)院,廣州510640)
短時(shí)交通流預(yù)測(cè)是近年來(lái)交通工程領(lǐng)域的研究熱點(diǎn),主要可分為模型驅(qū)動(dòng)和數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)兩類.前者通過(guò)建立交通流各參數(shù)的數(shù)學(xué)模型,對(duì)交通運(yùn)行狀態(tài)的復(fù)雜變化進(jìn)行描述,在此基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)交通狀態(tài)預(yù)測(cè).例如基于統(tǒng)計(jì)特性的歷史趨勢(shì)[1]、非參數(shù)回歸[2]及卡爾曼濾波等[3].后者也稱為機(jī)器學(xué)習(xí)方法,主要是通過(guò)智能計(jì)算挖掘歷史數(shù)據(jù)隱含的信息,實(shí)現(xiàn)交通流狀態(tài)的迭代估計(jì).神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)作為主要的機(jī)器學(xué)習(xí)算法,在交通流預(yù)測(cè)領(lǐng)域也大受關(guān)注.Quek等[4]利用模糊邏輯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)短時(shí)交通流預(yù)測(cè).李松等[5]利用改進(jìn)粒子群算法對(duì)BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)訓(xùn)練進(jìn)行優(yōu)化.Chan[6]應(yīng)用小波理論建立的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型,相比傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)獲得更好的預(yù)測(cè)效果.Fusco[7]將具體的貝葉斯網(wǎng)絡(luò)與人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行融合建模,并利用浮動(dòng)車大樣本數(shù)據(jù)進(jìn)行驗(yàn)證.隨著計(jì)算能力的大幅提升,日漸豐富的交通數(shù)據(jù)使得基于時(shí)間序列的交通流預(yù)測(cè)煥發(fā)出新的生機(jī),大量學(xué)者從多元時(shí)間序列聯(lián)合預(yù)測(cè)[8]、量化時(shí)間序列噪聲的隨機(jī)性[9]、分析不同觀測(cè)時(shí)間尺度的時(shí)間序列構(gòu)成[10]等多個(gè)角度提出自己的研究成果.
城市道路交通系統(tǒng)是一個(gè)典型的復(fù)雜系統(tǒng),城市規(guī)模、出行方式、通勤高峰與否、天氣狀況、節(jié)假日等因素以非線性方式相互關(guān)聯(lián)作用,導(dǎo)致以模型驅(qū)動(dòng)的研究方法在實(shí)際應(yīng)用中往往出現(xiàn)失效或者不作為的情況,深度學(xué)習(xí)在交通大數(shù)據(jù)挖掘方面體現(xiàn)出越來(lái)越強(qiáng)大的應(yīng)用價(jià)值.近兩年來(lái),深度學(xué)習(xí)平臺(tái)TensorFlow等的興起極大地改善了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建的可操作性.深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在圖像信息識(shí)別、自然語(yǔ)言處理等方面取得了較大的進(jìn)展,但是以交通流時(shí)間序列為研究對(duì)象的深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)研究在國(guó)內(nèi)才剛涉入.已有的研究要么對(duì)訓(xùn)練樣本量有較高要求,在實(shí)際的數(shù)據(jù)環(huán)境中往往難以實(shí)現(xiàn);要么一味地追求神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)精度,造成模型過(guò)深,訓(xùn)練時(shí)間過(guò)長(zhǎng),大大降低了研究的現(xiàn)實(shí)意義.
本文將基于深度學(xué)習(xí)的理論框架,以Python語(yǔ)言和TensorFlow為開(kāi)發(fā)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)基于LSTM單元的遞歸神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)多時(shí)間梯度交通流預(yù)測(cè)模型,根據(jù)交通流的時(shí)空相關(guān)性實(shí)現(xiàn)時(shí)間序列的重構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化處理,減小模型的樣本依賴性,利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)完成模型的驗(yàn)證和分析,并實(shí)現(xiàn)預(yù)測(cè)模型的本地化存儲(chǔ),同時(shí)能根據(jù)預(yù)測(cè)精度進(jìn)行自適應(yīng)更新,使得交通流預(yù)測(cè)在保證精度和時(shí)效性的前提下獲得更好的實(shí)用性和擴(kuò)展性.
區(qū)別于傳統(tǒng)的前饋神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),RNN中具有的信號(hào)反饋結(jié)構(gòu),使得網(wǎng)絡(luò)在k時(shí)刻的輸出狀態(tài)與k時(shí)刻以前的歷史信號(hào)關(guān)聯(lián),從而表現(xiàn)出一定的動(dòng)態(tài)特性和記憶能力.近年來(lái),RNN在語(yǔ)音識(shí)別、語(yǔ)言建模等問(wèn)題上取得了顯著的成功[11-13],關(guān)鍵在于RNN的鏈?zhǔn)浇Y(jié)構(gòu)中引入了LSTM單元,利用不同的門限控制,加強(qiáng)網(wǎng)絡(luò)的記憶能力,從而解決了梯度消失的問(wèn)題[14].
將RNN的反饋結(jié)構(gòu)展開(kāi),如圖1所示,可以發(fā)現(xiàn)其類似于具有多層相同網(wǎng)絡(luò)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),其中x為輸入,h代表神經(jīng)元的權(quán)值,tanh代表激活函數(shù).基于LSTM的RNN(LSTM-RNN)在這種鏈狀結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,對(duì)重復(fù)模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn),如圖2所示,最突出的特點(diǎn)是利用了3個(gè)sigmoid神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)層和逐點(diǎn)乘法運(yùn)算構(gòu)成的門限,加強(qiáng)了對(duì)通過(guò)信息的控制能力.其中,遺忘門限層ft決定哪些信息需要從上一時(shí)刻的單元狀態(tài)中拋棄;輸入門限層it決定需要更新的單元狀態(tài);輸出門限層ot將在單元狀態(tài)的基礎(chǔ)上進(jìn)行過(guò)濾輸出,各個(gè)門限層的更新如式(1)所示.其中,Wf、bf、Wi、bi、Wo、bo分別是各門限層的權(quán)值和偏移量,σ代表sigmoid激活函數(shù).
圖1 RNN展開(kāi)結(jié)構(gòu)圖Fig.1 RNN expanded structure view
圖2 基于LSTM的RNN結(jié)構(gòu)展開(kāi)圖Fig.2 RNN based on LSTM expanded structure view
更新上述門限,其中Ct代表RNN單元的狀態(tài),從LSTM單元狀態(tài)得到C?t,再利用輸入門限和遺忘門限將C?t和Ct-1綜合更新到Ct中,如式(2)所示,同樣的WC、bC為權(quán)值和偏移量,此處仍然采用tanh作為激活函數(shù).本層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸出權(quán)值ht由輸出門限控制,將激活后的單元狀態(tài),如式(2)所示,輸出到下一層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和下一個(gè)鏈?zhǔn)絾卧缡?3)所示.上述中sigmoid激活函數(shù)的表達(dá)式如(4)所示,可以將實(shí)數(shù)域光滑地映射到[0,1]空間,函數(shù)值代表屬于正類的概率.tanh函數(shù)的表達(dá)式如式(5)所示,不同于sigmoid,它可以將實(shí)數(shù)域映射到[-1,1]的范圍里,并且輸入為0時(shí),輸出也為0.
綜上所述,LSTM-RNN利用門限層,控制RNN模型的記憶能力,在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的訓(xùn)練階段,從歷史數(shù)據(jù)中學(xué)習(xí)到各個(gè)門限層的權(quán)值和偏移量,對(duì)歷史狀態(tài)的特征進(jìn)行識(shí)別和記憶.在實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)階段,基于已訓(xùn)練好的模型對(duì)輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算就可以得到時(shí)間序列的預(yù)測(cè)值.
城市快速路往往里程較長(zhǎng),跨接不同的行政區(qū)域,交通需求可能存在較大差異,使得交通流狀態(tài)在空間上存在分布不均的現(xiàn)象,因而通常的做法是先將快速路分接成多個(gè)毗鄰的路段,再針對(duì)每個(gè)路段分別實(shí)施預(yù)測(cè).考慮到交通流的運(yùn)行和組織特性,如式(6)所示,i是路段編號(hào),N是樣本中的路段個(gè)數(shù).取下游路段t時(shí)刻及之前共m+1個(gè)時(shí)刻的狀態(tài),和自身路段t時(shí)刻及之前n+1個(gè)交通流狀態(tài)共同構(gòu)成的輸入狀態(tài).m和n的取值在訓(xùn)練階段根據(jù)路段結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及算法表現(xiàn)確定,例如路段長(zhǎng)度較長(zhǎng)時(shí),下游的狀態(tài)對(duì)上游影響較弱,m可以適當(dāng)減小,當(dāng)訓(xùn)練精度達(dá)到要求時(shí),可以適當(dāng)減小n,減小計(jì)算耗時(shí).由此一來(lái),經(jīng)過(guò)訓(xùn)練的模型能夠更真實(shí)精確地描述交通流在時(shí)空上的分布狀態(tài),并反映在預(yù)測(cè)結(jié)果中.
時(shí)間序列是計(jì)量經(jīng)濟(jì)學(xué)的重要研究對(duì)象,經(jīng)典計(jì)量理論要求模型的干擾項(xiàng)滿足極限法則(大數(shù)定律和中心極限定律).然而時(shí)間序列數(shù)據(jù)的時(shí)間序列性破壞了隨機(jī)樣本的設(shè)定,此時(shí)建立的計(jì)量模型是不可靠的,但是,如果時(shí)間序列滿足平穩(wěn)性要求,則可以替代隨機(jī)抽樣的假定,使得模型的隨機(jī)擾動(dòng)滿足極限法則,此時(shí)進(jìn)行的參數(shù)估計(jì)和統(tǒng)計(jì)推斷才是正確的,即平穩(wěn)的時(shí)間序列數(shù)據(jù)約等于隨機(jī)抽樣數(shù)據(jù)[15].平穩(wěn)性定義為時(shí)間序列的均值和標(biāo)準(zhǔn)差不隨時(shí)間變化而變化,并且序列的所有階統(tǒng)計(jì)量都維持不變.時(shí)間序列的非平穩(wěn)性體現(xiàn)在來(lái)源于外界環(huán)境或刺激帶來(lái)的單調(diào)的、周期性的或是階梯狀的分布趨勢(shì).在數(shù)據(jù)處理階段必須對(duì)時(shí)間序列的平穩(wěn)性進(jìn)行檢測(cè),對(duì)于非平穩(wěn)的時(shí)間序列應(yīng)該進(jìn)行平穩(wěn)化處理.標(biāo)準(zhǔn)化是指將數(shù)據(jù)按照比例進(jìn)行縮放,使之落入一個(gè)相對(duì)小的特定區(qū)間,去除數(shù)據(jù)的單位限制,將其轉(zhuǎn)化為無(wú)量綱的純數(shù)值.數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化不僅可以提高尋找最優(yōu)解的速度,還可以提高模型訓(xùn)練的精度,消除范圍較大的特征值所帶來(lái)的影響.
為了確保所提模型的可靠性和高效性,對(duì)于重構(gòu)后的時(shí)間序列X(t),首先采用一階差分完成時(shí)間序列的平穩(wěn)化處理得到X′(t),然后,根據(jù)式(7)將差分后的時(shí)間序列規(guī)整到[-1,1]的范圍,得到序列
綜合上述分析,提出時(shí)間序列的交通流預(yù)測(cè)框架如圖3所示.輸入重構(gòu)的時(shí)間序列,進(jìn)行LSTM-RNN模型訓(xùn)練,確定RNN和LSTM單元中的參數(shù)最優(yōu)組合.實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn),對(duì)于同一分布特性的時(shí)間序列,不同的激活函數(shù)效果有所差異,因而在訓(xùn)練階段必須根據(jù)預(yù)測(cè)效果不斷調(diào)整.因?yàn)槠椒€(wěn)化處理后的時(shí)間序列有正有負(fù),因此選擇tanh作為激活函數(shù),為了與其輸出值域保持一致,將時(shí)間序列按比例縮小到[-1,1]之間以便獲得最佳的預(yù)測(cè)效果.圖3中,Epoch是樣本被輪巡計(jì)算的次數(shù),Batchsize是指為了獲得穩(wěn)定精確的梯度下降而設(shè)置的最優(yōu)樣本批量.
本文選取深圳市南海大道2016年12月1日由北向南共9個(gè)路段的速度時(shí)間序列作為數(shù)據(jù)樣本.該數(shù)據(jù)是融合了固定檢測(cè)裝置、出租車系統(tǒng)、公交系統(tǒng)及百度地圖等多源大數(shù)據(jù)的集合,是對(duì)實(shí)際交通流狀態(tài)的準(zhǔn)確反映和刻畫.樣本采集間隔為5 min,共計(jì)288×9個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn).
以2016年12月1日(星期三)南海大道與北環(huán)大道路口下游的路段交通流速度為例,數(shù)據(jù)樣本分布如圖4所示,顯然,交通流速度在早晚高峰時(shí)段有明顯的下降,繼而回升,階梯狀的分布趨勢(shì)不符合平穩(wěn)性約束,必須進(jìn)行平穩(wěn)化處理.同時(shí),為了更好地滿足LSTM-RNN的訓(xùn)練要求,將差分后的數(shù)據(jù)按比例縮小到[-1,1]的范圍.
圖3 LSTM-RNN交通流預(yù)測(cè)框架Fig.3 Traffic flow prediction framework based on LSTM-RNN
圖4 速度時(shí)間序列Fig.4 Speed time series
TensorFlow是Google開(kāi)源的第二代用于數(shù)字計(jì)算的軟件庫(kù),基于數(shù)據(jù)流圖的處理框架,實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的運(yùn)算和交互.在上述LSTM-RNN交通流預(yù)測(cè)框架的指導(dǎo)下,本文選擇TensorFlow中的Keras高層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)API,在Python開(kāi)發(fā)環(huán)境中完成模型搭建和訓(xùn)練.其間,對(duì)比了不同深度和結(jié)構(gòu)的模型(表1)的誤差水平,如圖5所示,可見(jiàn),當(dāng)模型深度達(dá)到4層時(shí),訓(xùn)練和測(cè)試效果均達(dá)到最優(yōu)值,隨后模型深度增加,誤差略微增大.
圖5 不同深度模型的RMSEFig.5 RMSEs of LSTM-RNN in different depths
綜上,采用圖6所示的4層LSTM-RNN模型,各層輸入輸出維度及其他參數(shù)見(jiàn)圖中.DropOut層設(shè)定隨機(jī)斷開(kāi)20%的神經(jīng)元,Dense為全連接層.優(yōu)化器為“Nadam”,激活函數(shù)為“tanh”,損失函數(shù)為MSE.實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn),隨著Epoch的增加,訓(xùn)練時(shí)長(zhǎng)增加,模型的訓(xùn)練誤差會(huì)隨之降低,但是Epoch增大到一定程度,則可能出現(xiàn)過(guò)擬合現(xiàn)象.對(duì)于比較小的數(shù)據(jù)集,Batchsize可以采用全數(shù)據(jù)集的形式,因?yàn)槿珨?shù)據(jù)集確定的方向能夠更好的代表樣本總體,從而更準(zhǔn)確地朝向極值所在的方向下降.相反的,Batchsize等于1時(shí)(在線學(xué)習(xí)模式),每次修正的梯度方向都會(huì)發(fā)生變化,有可能橫沖直撞,難以收斂.因此,這2個(gè)參數(shù)的選擇應(yīng)該首先針對(duì)樣本集的大小確定一個(gè)大致的范圍,再經(jīng)過(guò)仔細(xì)調(diào)節(jié),尋找到合適的值,達(dá)到兼顧精度和時(shí)效性的要求.完成訓(xùn)練并達(dá)到精度要求的模型,其結(jié)構(gòu)和內(nèi)部參數(shù)會(huì)集成并固化為一個(gè)model對(duì)象,可以保存成本地文件,在預(yù)測(cè)階段,讀取該文件能夠獲取模型的全部信息,輸入處理后的測(cè)試樣本即可完成預(yù)測(cè).
圖6 LSTM-RNN交通流時(shí)間序列預(yù)測(cè)模型Fig.6 Traffic flow time series prediction model based on LSTM-RNN
各個(gè)路段的LSTM-RNN訓(xùn)練時(shí)間如表2所示,其中路段3和7長(zhǎng)度較短,且屬于和其他道路連接處,故重構(gòu)后的時(shí)間序列較為復(fù)雜,訓(xùn)練時(shí)間相對(duì)較長(zhǎng),其他各路段的訓(xùn)練時(shí)間分布比較均勻,平均值約16.60 s,相比文獻(xiàn)[16]訓(xùn)練時(shí)間縮小了兩個(gè)量級(jí),完全可以達(dá)到時(shí)效要求.
表2 LSTM-RNN訓(xùn)練時(shí)間統(tǒng)計(jì)Table 2 Training time statistics of LSTM-RNN
基于訓(xùn)練好的LSTM-RNN模型,對(duì)所選數(shù)據(jù)樣本完成多步實(shí)時(shí)預(yù)測(cè).當(dāng)訓(xùn)練樣本占樣本總量(288)的50%時(shí),圖7分別為路段1和路段4的一步預(yù)測(cè)(5 min)結(jié)果和誤差分布.顯然,LSTM-RNN模型可以實(shí)現(xiàn)完全跟蹤交通流的變化趨勢(shì).不過(guò),當(dāng)交通流出現(xiàn)突變時(shí)(左圖),預(yù)測(cè)誤差可能會(huì)出現(xiàn)較大幅度的波動(dòng),例如速度突升時(shí)誤差較大,預(yù)測(cè)精確度有待改善.但是,當(dāng)時(shí)間序列變化較為平穩(wěn)時(shí),如右圖所示,時(shí)間序列的預(yù)測(cè)誤差在3 km/h以內(nèi),相比文獻(xiàn)[17]有很大提升.
圖7 預(yù)測(cè)結(jié)果及誤差分布Fig.7 Prediction result and error distribution
采用平均絕對(duì)誤差(MAE)和均方根誤差(RMSE)對(duì)作為評(píng)價(jià)指標(biāo),路段4的預(yù)測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)如表3所示,對(duì)比BP和RNN模型,預(yù)測(cè)精度得到了大幅改進(jìn).9個(gè)路段的評(píng)價(jià)結(jié)果如表4所示,多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),在模型訓(xùn)練階段根據(jù)路段結(jié)構(gòu)特點(diǎn)重構(gòu)了輸入時(shí)空序列后,LSTM-RNN的預(yù)測(cè)精度將與路段的物理結(jié)構(gòu)的相關(guān)性降低,預(yù)測(cè)精度均能達(dá)到較高水平.
表3 預(yù)測(cè)結(jié)果對(duì)比Table 3 Comparison of prediction results
表4 全部路段預(yù)測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)Table 4 Evaluation of all road segments prediction
增加預(yù)測(cè)步長(zhǎng),路段2的預(yù)測(cè)結(jié)果如圖8所示,可見(jiàn),5 min的預(yù)測(cè)結(jié)果最準(zhǔn)確,10 min和15 min的預(yù)測(cè)結(jié)果偏大,精度也依次遞減,如表5所示.同樣,在數(shù)據(jù)劇烈變化時(shí)刻,預(yù)測(cè)誤差增大,而平穩(wěn)變化時(shí)段,誤差較小.
圖8 多步預(yù)測(cè)結(jié)果及誤差對(duì)比Fig.8 Comparison of prediction results and error
表5 不同步長(zhǎng)預(yù)測(cè)誤差對(duì)比Table 5 Comparison of the error of different step size
另外,當(dāng)訓(xùn)練樣本占比逐步提高時(shí),如表6所示,由于少數(shù)突變點(diǎn)的誤差減小,MAE的數(shù)值略有下降,而RMSE幾乎保持不變,說(shuō)明誤差分布較為穩(wěn)定.實(shí)驗(yàn)證明LSTM-RNN相比文獻(xiàn)[5]受訓(xùn)練樣本的限制大幅降低,在樣本較少時(shí)仍然能挖掘時(shí)間序列的數(shù)據(jù)特征,獲得較高的預(yù)測(cè)精度.究其原因在于2點(diǎn):其一,交通流時(shí)間序列的標(biāo)準(zhǔn)化和平穩(wěn)化為模型訓(xùn)練提供了高質(zhì)量的數(shù)據(jù),例如平穩(wěn)化使得訓(xùn)練樣本符合中心極限定理的約束,而標(biāo)準(zhǔn)化將訓(xùn)練樣本規(guī)整到[-1,1]的范圍,更好地發(fā)揮了tanh函數(shù)的激活作用;其二,重構(gòu)后的時(shí)間序列能根據(jù)路段實(shí)際情況在最小的序列長(zhǎng)度內(nèi)展現(xiàn)最大的時(shí)空關(guān)聯(lián)信息,提高了數(shù)據(jù)挖掘的效率,有效緩解了RNN的梯度消失問(wèn)題.
表6 不同訓(xùn)練樣本占比時(shí)的預(yù)測(cè)結(jié)果評(píng)價(jià)Table 6 Evaluation of prediction with different train sample proportion
本文在深度學(xué)習(xí)的理論框架下,基于LSTMRNN算法,根據(jù)交通流時(shí)空關(guān)聯(lián)性完成時(shí)間序列重構(gòu)和標(biāo)準(zhǔn)化處理,建立交通流時(shí)間序列分析及預(yù)測(cè)框架,借助Keras完成LSTM-RNN的逐層構(gòu)建和精細(xì)化調(diào)參,實(shí)現(xiàn)了基于LSTM-RNN的短時(shí)交通流的精確預(yù)測(cè).本文所提方法利用Python語(yǔ)言,從數(shù)據(jù)處理和時(shí)間序列重構(gòu)入手,均衡了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)深度和模型的性能表現(xiàn),降低樣本量依賴性,大幅減少訓(xùn)練時(shí)間,并根據(jù)實(shí)時(shí)預(yù)測(cè)精度自適應(yīng)更新訓(xùn)練模型,實(shí)用性和擴(kuò)展性均得到增強(qiáng).隨著深度學(xué)習(xí)理論和應(yīng)用的不斷發(fā)展,大數(shù)據(jù)環(huán)境下的交通流時(shí)間序列數(shù)據(jù)挖掘和分析是本文下一步的重點(diǎn)研究方向.
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