李　慧,　李曉東,　宿曉曦

(1. 長春工業(yè)大學(xué) 電氣與電子工程學(xué)院， 長春 130012； 2. 吉林大學(xué) 通信工程學(xué)院， 長春 130022)

0　引　言

人們在駕駛汽車時會根據(jù)路況及個人喜好對汽車進行一系列操作，意圖使汽車的響應(yīng)滿足自己的需求。駕駛員對汽車的輸入操作主要包括加速踏板、制動踏板、轉(zhuǎn)向盤等，駕駛員就是通過踩加速踏板來直接體現(xiàn)自己的加速欲望。而除了踏板的行程大小以外，駕駛員緩慢或急速踩下加速踏板時，對于加速程度的期望也是不同的[1]，所以為了使汽車滿足人的加速需求，首先對于駕駛員的加速緊急程度的正確解析就至關(guān)重要，即對駕駛意圖的識別研究有重要意義。受空氣污染和石油危機影響，電動汽車越來越成為趨勢[2]，所以本文研究的駕駛意圖識別主要用于純電動汽車。駕駛意圖包括加速意圖與制動意圖，研究方法類似，故本文主要研究加速意圖識別。關(guān)于駕駛意圖的識別，研究人員很多使用模糊算法來實現(xiàn)[1,3-4]，或是模糊神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來實現(xiàn)[5]，以及基于馬爾科夫模型來識別[6]。本文使用支持向量機分類模型，并通過一種自適應(yīng)的粒子群算法優(yōu)化其參數(shù)，達到支持向量機參數(shù)尋優(yōu)范圍的自整定。

1　駕駛意圖識別參數(shù)的確定及其分類

加速踏板的開度可反映出汽車的負載情況，對于加速的緊急程度也有一定程度的體現(xiàn)[7]，而駕駛員正是通過踩踏加速踏板或者制動踏板來反映自身的駕駛意圖。即加速意圖由駕駛員踩加速踏板實現(xiàn)，由于加速踏板開度直接反映駕駛員的需求功率，但迫切程度難以反映，所以駕駛員無法僅靠踏板開度這一個參數(shù)來實現(xiàn)準確的加速需求[7]。

選擇加速踏板開度a和加速踏板開度變化率da/dt作為加速意圖識別模型的輸入量，通過智能算法解析實現(xiàn)對踏板開度及變化率的綜合分析，根據(jù)加速的快慢程度將加速意圖分為緩加速、中等加速、急加速3種意圖。

2　駕駛意圖識別模型建立

2.1　支持向量機

支持向量機(Support Vector Machine，SVM)在近些年的線性回歸、模式分類里有非常廣泛的應(yīng)用[8]，以及在預(yù)測領(lǐng)域體現(xiàn)出了較好的效果[9]。目前應(yīng)用在汽車領(lǐng)域的有超車、并線意圖的識別[10-11]等。

該理論無論是基于支持向量聚類還是分類的研究，在構(gòu)造支持函數(shù)或類別分界面時，均期望通過小樣本的學(xué)習(xí)，建立具有較強泛化能力的學(xué)習(xí)模型以達到結(jié)構(gòu)化風險和經(jīng)驗風險的平衡[12-13]。

SVM算法首先是針對分類問題建立一個分類超平面作為決策面，并且使訓(xùn)練數(shù)據(jù)集中的樣本與分類面的距離最大化。給定訓(xùn)練集(x1,y1),…,(xl,yl),xi∈Rn,yi∈{+1,-1}，組成向量集合，決策面為x·w+b=0，其中：x為輸入向量；w為決策面的法向量；b是系數(shù)。則最優(yōu)分類函數(shù)為：

f(x)=sgn{(x·w)+b}=

(1)

引入核函數(shù)將訓(xùn)練樣本變換到高維空間，則最后的決策函數(shù)：

f(x)=sgn{(w*·x)+b*}=

(2)

式中：K(x,xi)為核函數(shù)。本文采用廣泛使用的徑向基函數(shù)(Radial Basis Function，RBF)作為核函數(shù)，SVM的實現(xiàn)函數(shù)選用C-SVC模型，則懲罰因數(shù)c和核參數(shù)g是決定C-SVC分類模型及RBF核函數(shù)的關(guān)鍵參數(shù)，對于尋找最佳的參數(shù)c和g(即bestc和bestg)，可使用網(wǎng)格搜索法或啟發(fā)式優(yōu)化算法。

2.2　粒子群算法

粒子群優(yōu)化算法(Particle Swarm Optimization，PSO)是一種群體智能的啟發(fā)式優(yōu)化算法，其優(yōu)勢在于結(jié)構(gòu)簡潔，容易實現(xiàn)[14]。同時借鑒遺傳算法中的變異的思想，引入變異算子來以一定的概率重新初始化粒子，這樣自適應(yīng)變異可以有效改善局部最優(yōu)[15]。將PSO用于SVM模型參數(shù)尋優(yōu)過程，當尋優(yōu)的范圍設(shè)置得當時，會比網(wǎng)格搜索法具有更快的尋優(yōu)速度和較高的分類準確率。對訓(xùn)練集進行K-CV意義下的準確率作為PSO中的適應(yīng)度函數(shù)值，使用PSO優(yōu)化SVM參數(shù)c和g的算法過程如圖1所示。

圖1PSO優(yōu)化SVM參數(shù)(c&g)過程圖

2.3　一種自適應(yīng)PSO具體理論

粒子群算法尋優(yōu)范圍往往由人自身的經(jīng)驗設(shè)定，以達到比較好的尋優(yōu)效果，然而這并非易事。尋優(yōu)范圍要很大，這樣可以覆蓋所有可能的結(jié)果，但搜索得往往不夠精細，收斂速度慢。尋優(yōu)的范圍越小，粒子群得到的尋優(yōu)結(jié)果越好，尋優(yōu)時間也越短，但尋優(yōu)的范圍很小時最優(yōu)的參數(shù)卻未必在此范圍，使得最后結(jié)果也未必是最好的[16]。所以這個尋優(yōu)范圍的設(shè)置具有不確定性，過大或過小都有缺點。

但如果能定位出比較好的尋優(yōu)區(qū)間，然后粒子群再在此區(qū)間進行精確的搜索，就能找到最優(yōu)的參數(shù)，使用也很方便，只要給出數(shù)據(jù)集，就能自整定地給出這個恰當?shù)膮^(qū)間，同時可以減少在其他區(qū)間上不必要的搜索，提高搜索效率。

先用網(wǎng)格搜索法進行SVM的c和g的尋優(yōu)工作，它們的范圍都設(shè)置為[2-10，210]。由圖2可知，c和g只有在某個范圍內(nèi)時，由SVM得到數(shù)據(jù)集分類準確率很高，而在其他的范圍內(nèi)分類準確率是很低的，體現(xiàn)了高分類準確率時對應(yīng)參數(shù)c和g分布的區(qū)域性和集中性。bestc=0.707 11，g=45.254 8，K-CV準確率=92.307 7%。

圖2　網(wǎng)格搜索法尋優(yōu)參數(shù)(c & g)結(jié)果

根據(jù)以上分析提出一種自適應(yīng)粒子群尋優(yōu)算法，先用網(wǎng)格搜索法在大范圍內(nèi)用大步距快速地粗搜索，由訓(xùn)練數(shù)據(jù)通過K-CV方法得到c和g的值，為防止過學(xué)習(xí)的狀況發(fā)生，選擇c值最小的那組c和g，以此得到確定粒子群參數(shù)的尋優(yōu)范圍的基準值，將基準值一定程度地放大及縮小，得到區(qū)間范圍，再用粒子群算法在此范圍繼續(xù)尋優(yōu)，這樣就達到了自適應(yīng)確定粒子群尋優(yōu)范圍的目的。

這里的關(guān)鍵問題是得保證最佳參數(shù)一定是在網(wǎng)格搜索法粗搜得到的范圍之內(nèi)，即避免局部最優(yōu)。由于c和g值的過大或過小都會引起分類模型過學(xué)習(xí)或欠學(xué)習(xí)的情況，而兩者又是相互制約，取值都不會太大。為確保有效地找到這組最優(yōu)的參數(shù)，只要根據(jù)網(wǎng)格搜索得到的粗搜基準值將粒子群尋優(yōu)區(qū)間設(shè)置的足夠大，就可實現(xiàn)這個目的。

2.4　本文算法實現(xiàn)過程

本文采用Matlab軟件實現(xiàn)算法的仿真驗證。算法優(yōu)化參數(shù)的流程如圖3所示。具體算法實現(xiàn)過程如下：

Step1載入數(shù)據(jù)集及駕駛意圖的分類類別。

Step2選定數(shù)據(jù)的訓(xùn)練集和測試集。

Step3數(shù)據(jù)的歸一化處理。

采用[0,1]區(qū)間歸一化方式，歸一化映射如下：

(3)

y∈[0，1]表示x歸一化后的值。

Step4網(wǎng)格搜索法粗搜索，設(shè)定參數(shù)c和g的初始搜索范圍及步距，其中步距都設(shè)為2，如此大的步距的目的是有效縮減搜索時間。

Step5根據(jù)網(wǎng)格搜索法，通過K-CV交叉驗證，得到粗搜時最佳的c和g值，即第一階段的bestc和bestg，作為下一步粒子群的自適應(yīng)尋優(yōu)c和g的區(qū)間的依據(jù)。

Step6設(shè)定粒子群尋優(yōu)參數(shù)的范圍，其中c的范圍設(shè)定為[m*bestc，n*bestc]，g的范圍設(shè)定為[m*bestg，n*bestg]。

Step7用粒子群在此范圍尋優(yōu)，得到最終的bestc和bestg，即最優(yōu)的c和g的值。

Step8根據(jù)最優(yōu)的c和g的值，由SVM分類模型得到駕駛意圖分類準確率。

圖3自適應(yīng)PSO優(yōu)化SVM參數(shù)(c&g)過程圖

3　仿真實驗

本文以a和da/dt作為輸入量，其中a的范圍0～100%，即[0，1]，開度變化率為[0，10]，采集156組實驗數(shù)據(jù)樣本，其中78組為訓(xùn)練數(shù)據(jù)，78組為測試數(shù)據(jù)。3種加速意圖包括緩加速、一般加速、急加速，分別用1, 2, 3表示。現(xiàn)列舉部分實驗數(shù)據(jù)如表1所示。

仿真結(jié)果分析：

計算機操作系統(tǒng)為Windows7，32位系統(tǒng)，處理器為：Intel Pentium G630 ，主頻2.7 GHz。在Matlab2010a軟件平臺上的LIBSVM工具箱進行實驗。

表1　訓(xùn)練和測試數(shù)據(jù)

本文分別將常規(guī)粒子群優(yōu)化算法、自適應(yīng)粒子群優(yōu)化算法及前面網(wǎng)格搜索法得到的測試結(jié)果進行比較分析。

首先使用常規(guī)粒子群算法優(yōu)化SVM的參數(shù)c和g，將它們的尋優(yōu)范圍都設(shè)定為[0.1,1 000]，粒子群中的適應(yīng)度函數(shù)值選用訓(xùn)練集在K-CV意義下的準確率，并將種群及速度進行初始化，經(jīng)過訓(xùn)練得到最優(yōu)的c和g的值，將它們和訓(xùn)練數(shù)據(jù)及對應(yīng)的駕駛意圖類別一起給到SVM分類模型進行訓(xùn)練，用得到的模型再對測試數(shù)據(jù)進行分類預(yù)測，則駕駛意圖分類結(jié)果如圖4所示。由圖4可知，78個測試樣本中有3個被錯分。

圖4　PSO優(yōu)化SVM分類結(jié)果

再使用自適應(yīng)粒子群算法來優(yōu)化SVM的參數(shù)c和g，包括了網(wǎng)格搜索法粗搜和粒子群搜索兩步。網(wǎng)格粗搜時c和g的初始范圍分別設(shè)置為[2-6，26]，[2-10，210]，搜索步距都設(shè)為2，得到粗搜的bestc和bestg，據(jù)此設(shè)定粒子群尋優(yōu)參數(shù)的范圍，c的范圍設(shè)定為[0.2*bestc，3*bestc]，g的范圍設(shè)定為[0.2*bestg，3*bestg]，用粒子群在此范圍尋優(yōu)，同樣粒子群中的適應(yīng)度函數(shù)值選用訓(xùn)練集在K-CV意義下的準確率，最后得到新的最優(yōu)c和g的值，即最終精細的bestc和bestg，再和訓(xùn)練數(shù)據(jù)及對應(yīng)的駕駛意圖類別一起通過SVM分類模型進行訓(xùn)練，用得到的模型再對測試數(shù)據(jù)進行分類預(yù)測，其中網(wǎng)格粗搜索時參數(shù)c和g選擇結(jié)果的等高線圖、3D效果圖及最后的分類結(jié)果分別如圖5～7所示。

由圖可見，測試集樣本中只有2個被錯分。網(wǎng)格搜索算法的結(jié)果在上文的第二節(jié)已經(jīng)得到。將以上實驗結(jié)果整理成表2所示。從表2可以看出，相比于常規(guī)粒子群算法及上文用的網(wǎng)格搜索法，用自適應(yīng)粒子群算法優(yōu)化SVM參數(shù)時的訓(xùn)練時間減少，且有更高的分類準確率，并且得到了較小的懲罰因數(shù)c，因為保證準確率的前提下，c過大會導(dǎo)致過學(xué)習(xí)的情況發(fā)生，從而降低分類器的泛化能力，c值越小，泛化能力越強。仿真結(jié)果表明，運用這種自適應(yīng)粒子群算法優(yōu)化向量機的分類模型可以很好的識別駕駛意圖。

圖5　網(wǎng)格粗搜索參數(shù)(c & g)等高線圖

圖6　網(wǎng)格粗搜索參數(shù)(c & g)3D圖

圖7　自適應(yīng)PSO優(yōu)化SVM分類結(jié)果

網(wǎng)格搜索法常規(guī)粒子群算法自適應(yīng)粒子群算法分類準確率/%92．307796．153897．4359c值0．70719．29671．1341訓(xùn)練時間/s4．5376694．1351733．684036

另外,自適應(yīng)粒子群算法中從第一步網(wǎng)格粗搜索得到參數(shù)c和g的等高線圖及3D圖中也可看到，c的范圍可縮小到2-2～ 22，g的范圍可縮小到20～ 27。由實驗結(jié)果知，粒子群優(yōu)化得到的最優(yōu)參數(shù)c和g的值在此范圍，也證明了此方法結(jié)果可靠。

4　結(jié)　語

本文選取了用于加速意圖識別的參數(shù)，并將加速意圖分為3種類別，且從測試結(jié)果可以看出，這種自適應(yīng)粒子群算法優(yōu)化的支持向量機分類模型可以很好識別駕駛意圖，辨識模型準確可靠。本文分類模型可以用于后續(xù)電動汽車驅(qū)動控制策略開發(fā)的深入研究，以及為提高電動汽車行駛的駕駛性能打下基礎(chǔ)。

針對常規(guī)粒子群優(yōu)化算法的尋優(yōu)范圍不確定性，通過先用網(wǎng)格搜索法確定懲罰因數(shù)c和核函數(shù)參數(shù)g的最佳搜索范圍，作為粒子群的參數(shù)尋優(yōu)范圍繼續(xù)尋優(yōu)，由此實現(xiàn)了自適應(yīng)確定搜索范圍的能力，這種自適應(yīng)算法比常規(guī)粒子群大范圍搜索時效率要高，同時改善了常規(guī)粒子群算法得到的c值過大導(dǎo)致過學(xué)習(xí)的情況。由于可以根據(jù)不同的樣本向量集自適應(yīng)地整定出粒子群算法尋優(yōu)范圍，本方法還可推廣到在不同樣本集、不同辨識參數(shù)的場合中統(tǒng)一應(yīng)用。

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·名人名言·

只有嚴格的專業(yè)化能使學(xué)者在某一時刻，大概也是他一生中唯一的時刻，相信自己取得了一項真正能夠傳至久遠的成就。今天，任何真正明確而有價值的成就，肯定也是一項專業(yè)成就。

——馬克斯·韋伯