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基于GA、RBF和改进Cao方法的空中交通流预测方法

王莉莉 赵云飞

王莉莉, 赵云飞. 基于GA、RBF和改进Cao方法的空中交通流预测方法[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(1): 115-123. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.01.012
引用本文: 王莉莉, 赵云飞. 基于GA、RBF和改进Cao方法的空中交通流预测方法[J]. 交通信息与安全, 2023, 41(1): 115-123. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.01.012
WANG Lili, ZHAO Yunfei. A Method for Predicting Air Traffic Flow Based on a Combined GA, RBF, and Improved Cao Method[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(1): 115-123. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.01.012
Citation: WANG Lili, ZHAO Yunfei. A Method for Predicting Air Traffic Flow Based on a Combined GA, RBF, and Improved Cao Method[J]. Journal of Transport Information and Safety, 2023, 41(1): 115-123. doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.01.012

基于GA、RBF和改进Cao方法的空中交通流预测方法

doi: 10.3963/j.jssn.1674-4861.2023.01.012
基金项目: 

国家自然科学基金委员会与中国民用航空局联合基金项目 U1633124

详细信息
    作者简介:

    王莉莉(1973—),博士,教授. 研究方向:空中交通流量管理. E-mail:llwang317@163.com

  • 中图分类号: V355.1

A Method for Predicting Air Traffic Flow Based on a Combined GA, RBF, and Improved Cao Method

  • 摘要: 针对传统空中交通流量预测方法精度不足、时效性差的问题,考虑空中交通流量时间序列的混沌特征,在相空间重构理论的基础上,研究了结合遗传算法(GA)、径向基(RBF)神经网络与改进Cao方法的空中交通流量预测方法。为降低传统Cao方法人为参数选择引入的误差,提高相空间重构精度,通过判定虚假邻近点,以及迭代比较嵌入维度离差和可接受偏差,确定重构相空间嵌入维度值的选择标准,进而得到重构后的空中交通流量时间序列数据;为提升径向基神经网络预测精度并降低参数误差,使用遗传算法优化RBF神经网络的中心矢量、加权系数和输出层阈值,再通过最优系数标定后的神经网络对重构后的时间序列进行预测;利用实际空中交通流量数据进行仿真以验证方法的有效性,并结合最大Lyapunov指数和预测结果分析了预测的时效性以及时间尺度对精度影响。结果显示:①改进后的预测方法具有更好的非线性拟合能力,提高了交通流量时间序列的预测精度;②以5 min时间间隔预测为例,相比传统RBF神经网络,改进方法的平均绝对误差、均方误差以及平均绝对百分比误差分别降低了19.44%、34.78%和27.21%;③相比反向传播(BP)神经网络和长短期记忆(LSTM)神经网络,所提方法的平均绝对误差分别降低了36.20%和16.10%,运行速度分别提高了27.42%和35.00%。综上所述,所提方法能更好地解析系统的混沌特性,提升空中交通流量预测精度与速度。

     

  • 图  1  Lorenz吸引子

    Figure  1.  Lorenz attractor

    图  2  嵌入维度计算结果

    Figure  2.  Embedded dimension calculation results

    图  3  嵌入维度为8的x三维重构吸引子

    Figure  3.  Embedded x -3d reconstruction attractor with dimension 8

    图  4  嵌入维度为14的x三维重构吸引子

    Figure  4.  Embedded x -3d reconstruction attractor with dimension 14

    图  5  RBF神经网络结构图

    Figure  5.  RBF neural network structure diagram

    图  6  空中交通流量时间序列

    Figure  6.  Air traffic flow time series

    图  7  10 min时间序列Lyapunov指数

    Figure  7.  10-min time series maximum Lyapunov exponent

    图  8  预测结果对比

    Figure  8.  Comparison of prediction results

    图  9  预测误差对比

    Figure  9.  Comparison of prediction error

    图  10  4种预测方法预测效果与运行时间对比

    Figure  10.  Comparison of prediction effect and operation time of four prediction methods

    表  1  最大Lyapunov指数

    Table  1.   Maximum Lyapunov exponent

    时间尺度/min 时间延迟/mi 嵌入维度 改进后嵌入维度 最大Ly指数
    3 3 3 6 0.001 5
    5 6 4 7 0.008 2
    7.5 5 6 8 0.010 3
    10 4 5 7 0.021 4
    12 3 4 5 0.034 2
    15 3 3 4 0.083 7
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  • [1] PACKARD N H, CRUTCHFIELD J P, FARMER J D. Geometry from a time series[J]. Physics Review Letters, 1980, 45 (9): 712-713. doi: 10.1103/PhysRevLett.45.712
    [2] LI S, XU X, MENG L. Flight conflict forecasting based on chaotic time series[J]. Transactions of Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2012, 29(4): 388-394.
    [3] 王超, 郑旭芳, 王蕾. 交汇航路空中交通流的非线性特征研究[J]. 西南交通大学学报, 2017, 52(1): 171-178. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XNJT201701024.htm

    WANG C, ZHENG X F, WANG L. Research on nonlinear characteristics of air traffic flows on converging air routes[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2017, 52(1): 171-178. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XNJT201701024.htm
    [4] 杨阳. 空中交通流量短期预测方法研究[D]. 天津: 中国民航大学, 2017.

    YANG Y. Research on short term forecasting method of air traffic flow[D]. Tianjin: Civil Aviation University of China, 2017. (in Chinese)
    [5] 王飞. 空中交通流非线性分形特征[J]. 西南交通大学学报, 2019, 54(6): 1147-1154. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XNJT201906004.htm

    WANG F. Nonlinear fractal characteristics of air traffic flow[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2019, 54 (6): 1147-1154. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XNJT201906004.htm
    [6] 丛玮. 空中交通多尺度行为模式识别方法研究[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2016.

    CONG W. Research on the recognition method of multi-scale behavior patterns in air traffic management[D]. Nanjing: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics, 2016. (in Chinese)
    [7] 杨阳, 王超. 空中交通流扇区内飞行流量优化预测管理[J]. 计算机仿真, 2017, 34(9): 74-78.

    YANG Y, WANG C. Forecasting and management of flight in air traffic flow sector[J]. Computer Simulation, 2017, 34(9): 74-78. (in Chinese)
    [8] 王超, 朱明, 赵元棣. 基于改进加权一阶局域法的空中交通流量预测模型[J]. 西南交通大学学报, 2018, 53(1): 206-213.

    WANG C, ZHU M, ZHAO Y D. Air traffic flow prediction model based on improved adding-weighted one-rank local-rejion method[J]. Journal of Southwest Jiaotong University, 2018, 53(1): 206-213. (in Chinese)
    [9] 王飞, 韩翔宇. 基于分形插值的空中交通流量短期预测[J]. 航空学报, 2022, 43(9): 513-520.

    WANG F, HAN X Y. Short-term prediction of air traffic flow based on fractal interpolation[J]. Acta Aeronautica et Astronautica Sinica, 2022, 43(9): 513-520. (in Chinese)
    [10] 潘志毅. 基于灰色神经网络的空中交通流量预测方法[J]. 微计算机信息, 2011, 27(9): 163-164.

    PAN Z Y. Air traffic flow forecast method based on grey neural network[J]. Microcomputer Information, 2011, 27(9): 163-164. (in Chinese)
    [11] 崔德光, 吴淑宁, 徐冰. 空中交通流量预测的人工神经网络和回归组合方法[J]. 清华大学学报(自然科学版), 2005 (1): 96-99.

    CUI D G, WU S N, XU B. Air traffic flow forecasts based on artificial neural networks combined with regression methods[J]. Journal of Tsinghua University(Science and Technology), 2005(1): 96-99. (in Chinese)
    [12] ZHANG Z, ZHANG A, SUN C, et al. Research on air traffic flow forecast based on ELM non-iterative algorithm[J]. Mobile Networks and Applications, 2021(26): 425-439.
    [13] LIN Y, ZHANG J, LIU H. Deep learning based short-term air traffic flow prediction considering temporal-spatial correlation[J]. Aerospace Science and Technology, 2019(93): 105-113.
    [14] YANG Z, WANG Y, LI J, et al. Airport arrival flow prediction considering meteorological factors based on deep-learning methods[J]. Complexity, 2020(1): 1-11.
    [15] TAKENS F. Detecting strange attractors in fluid in turbulence[J]. Lecture Notes in Mathematics, 1981(898): 361-381.
    [16] 张玉梅. 交通流时间序列的分析与应用[M]. 北京: 科学出版社, 2019.

    ZHANG Y M. Analysis and application of traffic flow time series[M]. Beijing: Science Press, 2019. (in Chinese)
    [17] KENNEL M B, BROWN R, ABARBANEL H D I. Determining embedding dimension for phase-space reconstruction using a geometrical construction[J]. Physical Review A, 1992 (45): 3403-3411.
    [18] CAO L. Practical method for determining the minimum embedding dimension of a scalar time series[J]. Physica D: Nonlinear Phenomena, 1997, 110(1/2): 43-50.
    [19] 张敏. 基于RBF神经网络的短时交通流预测研究[D]. 兰州: 兰州理工大学, 2021.

    ZHANG M. Research on short-term traffic flow forecasting based on RBF neural network[D]. Lanzhou: Lanzhou University of Technology, 2021. (in Chinese)
    [20] 张玉梅, 曲仕茹, 温凯歌. 基于混沌和RBF神经网络的短时交通流量预测[C]. 2007全国控制科学与工程博士生学术论坛, 上海: 中国机械工程学会, 2007.

    ZHANG Y M, QU S R, WEN K G. A short-term traffic flow forecasting method based on chaos and RBF neural network[C]. 2007 National Control Science and Engineering Doctoral Academic Forum, Shanghai: Chinese Mechanical Engineering Society, 2007. (in Chinese)
    [21] 刘凌, 李志成, 张莹. 面向双关节机械臂的参数可调RBF神经网络控制[J]. 西安交通大学学报. 2021. 55(4): 1-7. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XAJT202104001.htm

    LIU L, LI Z C, ZHANG Y. A RBF network control with adjustable parameters for 2-yoint robot manipulators[J]. Journal of Xi'An Jiaotong University, 2021, 55(4): 1-7. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-XAJT202104001.htm
    [22] 张勇. 交通流的非线性分析、预测和控制[D]. 北京: 北京交通大学, 2011.

    ZHANG Y. Nonlinear characteristics analysis, predication and control of traffic flow[D]. Beijing: Beijing Jiaotong University, 2011. (in Chinese)
    [23] 张海龙, 闵富红, 王恩荣. 关于Lyapunov指数计算方法的比较[J]. 南京师范大学学报(工程技术版), 2012, 12(1): 5-9. https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NJSE201201004.htm

    ZHANG H L, MIN F H, WANG E R. The comparison for Lyapunov exponents calculation methods[J]. Journal of Nanjing Normal University(Engineering and Technology Edition). 2012, 12(1): 5-9. (in Chinese) https://www.cnki.com.cn/Article/CJFDTOTAL-NJSE201201004.htm
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  • 收稿日期:  2022-06-02
  • 网络出版日期:  2023-05-13

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