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基于IGWO-BP算法的轨道交通短时客流预测

张艺铭 陈明明 石磊 康蓉桂

张艺铭, 陈明明, 石磊, 康蓉桂. 基于IGWO-BP算法的轨道交通短时客流预测[J]. 交通信息与安全, 2021, 39(3): 85-92. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2021.03.011
引用本文: 张艺铭, 陈明明, 石磊, 康蓉桂. 基于IGWO-BP算法的轨道交通短时客流预测[J]. 交通信息与安全, 2021, 39(3): 85-92. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2021.03.011
ZHANG Yiming, CHEN Mingming, SHI Lei, KANG Ronggui. A Forecast of Short-term Passenger Flow of Rail Transit Based on IGWO-BP Algorithm[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2021, 39(3): 85-92. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2021.03.011
Citation: ZHANG Yiming, CHEN Mingming, SHI Lei, KANG Ronggui. A Forecast of Short-term Passenger Flow of Rail Transit Based on IGWO-BP Algorithm[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2021, 39(3): 85-92. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2021.03.011

基于IGWO-BP算法的轨道交通短时客流预测

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2021.03.011
基金项目: 

甘肃省自然科学基金项目 21JR1RA244

详细信息
    作者简介:

    张艺铭(1995—),硕士研究生.研究方向:交通运输系统管理与优化.E-mail:272089435@qq.com

    通讯作者:

    陈明明(1982—),博士,副教授.研究方向:交通运输系统管理与优化.E-mail:lzcmm2000@mail.lzjtu.cn

  • 中图分类号: U293.1+3

A Forecast of Short-term Passenger Flow of Rail Transit Based on IGWO-BP Algorithm

  • 摘要: 轨道交通短时客流具有随机性和非线性的特点。为提高轨道交通短时客流预测结果的准确度,研究了基于改进的灰狼优化算法(IGWO)与BP神经网络的短时客流预测算法(IGWO-BP)。计算轨道交通客流不同时间序列的相关系数,确定了BP神经网络的输入和输出方式;用余弦思想和动态权重策略对原始灰狼优化算法改进,提高算法的全局搜索能力和寻优效率;用IGWO算法优化BP神经网络的初始权值和阈值,提高短时客流预测结果的准确性。预测了西安轨道交通2号线龙首原站周三早高峰15 min时间粒度的短时客流量,并将IGWO-BP算法的预测结果与其他5种模型(KF,GM,SVM,BPNN,GWO-BP)比较。结果表明,IGWO-BP算法的均方根误差为89.65,平均绝对百分比误差为1.16%,预测结果的精度和稳定性均为最优。

     

  • 图  1  轨道交通的短时客流量预测

    Figure  1.  Forecasting the short-term passenger flow for rail transit

    图  2  IGWO-BP算法流程图

    Figure  2.  Flow of the IGWO-BP algorithm

    图  3  GWO算法寻优过程

    Figure  3.  Optimization process of the GWO algorithm

    图  4  收敛因子收敛曲线

    Figure  4.  Convergence curve of convergence factors

    图  5  不同日期进站客流量对比

    Figure  5.  Comparison of the inbound passenger flow on different days

    图  6  IGWO-BP算法预测结果最优值和平均值

    Figure  6.  Optimal and average values of predicting the IGWO-BP algorithm

    图  7  IGWO-BP多次预测结果对比

    Figure  7.  Predicting results of the IGWO-BP algorithm

    图  8  不同模型预测结果对比

    Figure  8.  Comparison of the predicting results of different models

    表  1  同1 d工作日不同时段客流量相关系数

    Table  1.   Correlation coefficient of the passenger flow at different time of the same working day

    时段 07:00—07:15 > 07:15—07:30 > 07:30—07:45 > 07:45—08:00 > 08:00—08:15 > 08:15—08:30 > 08:30—08:45 > 08:45—09:00
    07:00—07:15 1.00
    > 07:15—07:30 0.55 1.00
    > 07:30—07:45 0.24 0.74 1.00
    > 07:45—08:00 0.42 0.71 0.75 1.00
    > 08:00—08:15 -0.52 -0.02 0.23 -0.02 1.00
    > 08:15—08:30 -0.67 -0.32 0.06 -0.12 0.63 1.00
    > 08:30—08:45 -0.42 -0.61 -0.14 -0.36 0.41 0.29 1.00
    > 08:45—09:00 -0.69 -0.61 -0.67 -0.41 0.08 0.47 -0.02 1.00
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    表  2  同1 d工作日同一时段客流量相关系数

    Table  2.   Correlation coefficient of the passenger flow at the same time of the same working day

    工作日 11月1日 11月8日 11月15日 11月22日 11月29日 12月6日 12月13日 12月20日 12月27日
    11月1日 1.00
    11月8日 1.00 1.00
    11月15日 0.99 0.98 1.00
    11月22日 1.00 0.99 0.99 1.00
    11月29日 0.98 0.98 0.99 0.99 1.00
    12月6日 1.00 0.99 0.99 1.00 0.99 1.00
    12月13日 0.99 0.98 0.99 0.99 0.99 1.00 1.00
    12月20日 0.97 0.96 0.98 0.97 0.98 0.99 0.99 1.00
    12月27日 0.97 0.96 0.99 0.97 0.99 0.98 0.99 0.99 1.00
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    表  3  IGWO-BP算法权值和阈值计算值

    Table  3.   Calculated values of the weight and threshold of the IGWO-BP algorithm

    输入层到隐含层权值 隐含层到输出层权值 隐含层阈值 输出层阈值
    -0.02 0.04 0.26 0.10 -0.78 0.02
    -0.02 0.24 0.03 0.10 -0.02
    0.25 0.88 -0.39 0.19 1.00
    0.01 0.02 -0.04 0.09 0.34
    -0.03 0.12 -0.03 -0.05 0.08
    -0.31 -0.03 0.11 -0.06 0.19
    -0.42 0.16 -0.03 0.01 -0.03
    -0.02 -0.06 1.00 -0.05 -0.07
    -0.09 -1.00 -0.03 0.29 -0.03
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    表  4  IGWO-BP算法预测结果评价指标

    Table  4.   Evaluation of the forecast results of the IGWO-BP algorithm

    评价指标 最大值 最小值 平均值 标准差
    MAE 82.75 64.84 75.02 4.93
    RMSE 98.53 77.92 89.65 5.62
    MAPE 1.97% 0.46% 1.16% 0.01
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    表  5  预测结果评价指标对比

    Table  5.   Comparison of evaluation indices for predicting results

    评价指标 KF GM SVM BPNN GWO-BP IGWO-BP
    MAE 131.97 244.25 119.83 113.14 80.42 75.02
    RMSE 149.36 302.55 128.37 136.92 97.76 89.65
    MAPE/% 3.68 4.97 3.18 2.75 1.24 1.16
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  • 收稿日期:  2020-11-18

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