基于MapReduce的城市道路旅行時間短時預(yù)測 

摘要：旅行時間是交通系統(tǒng)中一個重要的測量指標(biāo)，精確的旅行時間預(yù)測對智能交通系統(tǒng)和先進(jìn)交通信息系統(tǒng)發(fā)展有重要意義。數(shù)據(jù)采集技術(shù)為旅行時間計(jì)算提供了海量實(shí)時交通數(shù)據(jù)，如何利用海量實(shí)時交通數(shù)據(jù)精確且快速預(yù)測旅行時間成為當(dāng)前旅行時間研究中的一個熱點(diǎn)問題。基于海量的車牌識別數(shù)據(jù)，在Hadoop框架下，用MapReduce編程模型，應(yīng)用卡爾曼濾波法實(shí)現(xiàn)對路段旅行時間的預(yù)測，和其它算法對比，該算法預(yù)測準(zhǔn)確性有顯著提高。

關(guān)鍵詞：旅行時間預(yù)測；MapReduce；卡爾曼濾波

DOIDOI：10.11907/rjdk.161465

中圖分類號：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A文章編號文章編號：16727800（2016）009013703

基金項(xiàng)目基金項(xiàng)目：國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目（61033006）；北京市自然科學(xué)基金項(xiàng)目（4131001）

作者簡介作者簡介：楊宗潤（1989-），男，河南新鄉(xiāng)人，北方工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院碩士研究生，研究方向?yàn)榉植际接?jì)算。

0引言

旅行時間是交通系統(tǒng)的重要參數(shù)，是指車輛在一定距離道路上的用時。在城市化進(jìn)程中，城市人口和機(jī)動車數(shù)量急劇增加，給城市道路帶來了較大負(fù)荷，影響居民出行。精確的旅行時間預(yù)測可以為城市規(guī)劃以及居民出行提供參考。

旅行時間本身具有高度的隨機(jī)性和時間依賴性，不定時的交通管制、偶然的交通事故、天氣狀況等都會一定程度上影響旅行時間。目前計(jì)算旅行時間的數(shù)據(jù)主要有兩種：道路上的感應(yīng)線圈數(shù)據(jù)和裝載有GPS的車輛數(shù)據(jù)。兩種數(shù)據(jù)都具有一定的局限性，對于感應(yīng)線圈數(shù)據(jù)而言，道路感應(yīng)線圈不可能覆蓋到每一條道路，覆蓋密度很大程度上影響了數(shù)據(jù)的精確性；從感應(yīng)線圈并不能直接獲得車輛的旅行時間，而是要通過速度來計(jì)算旅行時間，無形中放大了誤差[12]。對GPS數(shù)據(jù)來源而言，裝載GPS設(shè)備的車輛數(shù)占總數(shù)的比例很小[3]，用少數(shù)量車輛數(shù)據(jù)去刻畫所有車輛的行為，具有一定的局限性。

近年來，國內(nèi)外學(xué)者提出了諸多預(yù)測旅行時間的思路。臺灣高雄大學(xué)的Chun Hisn Wu等[4]把支持向量回歸算法應(yīng)用到旅行時間的預(yù)測上，該方法在面對大規(guī)模數(shù)據(jù)時顯得很無力。微軟亞洲研究院鄭宇[5]提出了上下文矩陣分解和最優(yōu)道路劃分的方法，應(yīng)用大量歷史數(shù)據(jù)，成功解決了數(shù)據(jù)稀疏性問題，給出了基于路徑的旅行時間預(yù)測算法[6]。然而此算法定義的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，應(yīng)用起來比較困難。俄亥俄州立大學(xué)的Abjhijit Dharia[7]用反向人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測了高速公路的旅行時間。德州農(nóng)業(yè)大學(xué)的Dongjoo Park 和韓國延世大學(xué)的Gunhee Han等[8]對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，提出了基于光譜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法，應(yīng)用到了旅行時間的預(yù)測上來。人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法在收斂性上不是很突出，且隱含層的選擇也沒有確定的算法。還有一些其它算法，例如貝葉斯理論[9]和混合Logit模型[10]等。

1問題描述

1.1旅行時間短時預(yù)測

本文成果系某市智能交通項(xiàng)目，通過各大路口攝像頭采集機(jī)動車牌，經(jīng)過數(shù)據(jù)整合存儲在HDFS中。單個數(shù)據(jù)項(xiàng)包含車牌號、時間、攝像頭編號等。

實(shí)驗(yàn)采用卡爾曼濾波法進(jìn)行短時間預(yù)測。卡爾曼濾波是一種先進(jìn)的控制方法，其以20世紀(jì)60年代卡爾曼提出的濾波理論為基礎(chǔ)[11]，基于線性回歸預(yù)測，方法簡單且預(yù)測精度較高，適合大規(guī)模數(shù)據(jù)計(jì)算，在很多預(yù)測領(lǐng)域得到應(yīng)用。目前卡爾曼濾波法在交通領(lǐng)域預(yù)測的應(yīng)用大多采用感應(yīng)線圈數(shù)據(jù)[12]和GPS數(shù)據(jù)[13]。本實(shí)驗(yàn)在Hadoop環(huán)境下進(jìn)行，將卡爾曼濾波法應(yīng)用到車牌識別數(shù)據(jù)處理中。

1.2卡爾曼濾波法

一般的線性離散系統(tǒng)可有一組濾波遞推公式表示：

X（k+1）=Φ（k+1，k）X（k）+Γ（k+1，k）w（k） （1）

4結(jié)語

本文實(shí)驗(yàn)在hadoop框架下采用MapReduce模型，對道路攝像頭采集數(shù)據(jù)進(jìn)行挖掘，得到符合定義的真實(shí)值，

真實(shí)值符合城市機(jī)動車出行規(guī)律，用卡爾曼濾波法結(jié)合MapReduce實(shí)現(xiàn)短時間內(nèi)對路段旅行時間的預(yù)測，預(yù)測方法的精確度較高。本文實(shí)驗(yàn)還有一些不足之處，預(yù)測值只用到前一個時間段的數(shù)據(jù)，出現(xiàn)大誤差的幾率大大增加。此外，實(shí)驗(yàn)預(yù)測只是對短時間內(nèi)單個路段的預(yù)測，還不能用于路徑的預(yù)測。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：陳福時）