基于貝葉斯分類的物聯(lián)網(wǎng)車道狀態(tài)分析

陳昆倫

摘要：為了全面了解物聯(lián)網(wǎng)車道設(shè)備實時狀態(tài)，而進(jìn)行可預(yù)防性的養(yǎng)護(hù)保養(yǎng)，根據(jù)物聯(lián)網(wǎng)車道數(shù)據(jù)，利用貝葉斯分類器對設(shè)備狀態(tài)分析判斷，從而實現(xiàn)設(shè)備針對性的維護(hù)，節(jié)約人力物力、并實現(xiàn)高速暢通。

關(guān)鍵詞：物聯(lián)網(wǎng)、車道、貝葉斯分類

一、背景

隨著物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，省內(nèi)高速公路已經(jīng)逐漸使用了物聯(lián)網(wǎng)車道，通過物聯(lián)網(wǎng)車道實時數(shù)據(jù)的采集，可以了解車道的實時狀態(tài)，可以直觀了解車道是否有重大故障，但是如果發(fā)生了故障才去維修，還是會導(dǎo)致高速出入口的車輛擁堵，造成交通堵塞隱患。管理部門為了減少設(shè)備的故障率，依然需要定期對所有車道設(shè)備進(jìn)行巡檢保養(yǎng)，工作盲目低效。為了保證車道最大程度的通暢，針對性的巡檢運維，有必要對采集到的車道設(shè)備數(shù)據(jù)進(jìn)行智能全面的分析，對設(shè)備狀態(tài)進(jìn)行監(jiān)控，針對性的巡檢維護(hù)，以提高設(shè)備的健康狀態(tài)，實現(xiàn)高速公路安全、高效、通暢。

二、設(shè)備故障狀態(tài)的分析

在車道設(shè)備的生命周期中，設(shè)備狀態(tài)按順序可以分為正常、亞健康、故障。其中故障一般可分為缺陷故障、積累的故障和隨機(jī)故障。缺陷故障一般是由于設(shè)計、施工、生產(chǎn)等環(huán)節(jié)的問題導(dǎo)致設(shè)備故障，設(shè)備投入使用即可發(fā)現(xiàn)。對于隨機(jī)故障是由于各類偶然的因素導(dǎo)致的，通常不能通過分析確定由特定的實效機(jī)制導(dǎo)致其故障，例如，車道設(shè)備意外損壞故障，這類故障屬于小概率事件，不在本文的考慮之中。設(shè)備的故障主要是積累的故障，有一個漸變的過程，我們根據(jù)設(shè)備現(xiàn)有狀態(tài)數(shù)據(jù)建立貝葉斯分類模型進(jìn)行設(shè)備狀態(tài)的分析和故障預(yù)測。

三、基本模型

貝葉斯分類算法是統(tǒng)計學(xué)的一種分類方法，它是一類利用概率統(tǒng)計知識進(jìn)行分類的算法。其方法簡單、分類準(zhǔn)確率高、速度快。甚至在一定條件下可以與決策樹和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等復(fù)雜的分類算法相媲美。其基本思路是給出待分類項，求解在此項出現(xiàn)的條件下各個類別出現(xiàn)的概率，哪個最大，就認(rèn)為待分類項屬于哪個類別。

整個樸素貝葉斯分類分為三個階段：

準(zhǔn)備工作階段，主要工作是根據(jù)具體情況確定特征屬性，并對每個特征屬性進(jìn)行適當(dāng)劃分，然后由人工對待分類項決定分類，形成訓(xùn)練樣本。本階段的輸入是所有待分類數(shù)據(jù)集合，輸出是特征屬性和訓(xùn)練的樣本集合。分類器的質(zhì)量基本上取決于特征屬性、特征屬性劃分及訓(xùn)練樣本的質(zhì)量。

分類器訓(xùn)練階段，主要工作是計算每個類別在訓(xùn)練樣本集合中的出現(xiàn)頻率及每個特征屬性劃分對每個類別的條件概率估計。其輸入是特征屬性和訓(xùn)練樣本，輸出是分類器劃分。這一階段是根據(jù)前面討論的公式由程序自動計算完成。

應(yīng)用階段。任務(wù)是使用分類器對待分類項進(jìn)行分類，其輸入是分類器和待分類項，輸出是待分類項與類別的映射關(guān)系。本階段由計算程序自動完成。

四、驗證模型

1. 數(shù)據(jù)的采集

收集基礎(chǔ)的物聯(lián)網(wǎng)車道數(shù)據(jù)，包括電壓、功率、實時溫度等。

數(shù)據(jù)清洗，去掉不符合的標(biāo)準(zhǔn)的垃圾數(shù)據(jù)或缺陷數(shù)據(jù)。

經(jīng)過以上兩步就得到訓(xùn)練樣本數(shù)據(jù)。

2. 條件概率估計

車道傳感器釆集車道設(shè)備的各項指標(biāo)，根據(jù)目前狀態(tài)可以分為健康、亞健康、故障三個狀態(tài)。

設(shè)y1=健康狀態(tài)，y2=亞健康狀態(tài)，y3=故障狀態(tài)，α1=電壓，α2=功率，α3=溫度

統(tǒng)計得到在各類別下各個特征屬性的條件概率估計。如表1

3. 確定特征屬性及劃分

4. 計算條件概率

對應(yīng)公式1，分母對于所有類別均為常數(shù)，因為我們只要將分子最大化即可。又因為各個特征屬性是條件獨立的，取得各種分類的條件概率數(shù)值，取得其最大值便是其分類。

數(shù)據(jù)舉例如表2、表3

表2根據(jù)特征屬性歸為正常分類中車道設(shè)備。

表3根據(jù)特征屬性歸為故障分類中車道設(shè)備。

5. 改進(jìn)

當(dāng)某個類別下某個特征項劃分沒有出現(xiàn)時，就是產(chǎn)生概率為0的情況，這會令分類器分類質(zhì)量大大降低。為了解決這個問題，引入拉普拉斯平滑，它的思想是對沒類別下所有劃分的計數(shù)加1，這樣如果訓(xùn)練樣本集數(shù)量充分大時，并不會對結(jié)果產(chǎn)生影響，并且解決了上述概率為0的情況。

6. 不足

1） 模型的訓(xùn)練數(shù)據(jù)是采樣集合范圍有局限性，可能不能代表整體數(shù)據(jù)情況。

2） 樣本的特征屬性值數(shù)量考慮較少，雖然基本能反應(yīng)設(shè)備狀態(tài)，不過精確度還是略有偏差，降低了檢驗?zāi)Ｐ偷臏?zhǔn)確度。

3） 局部樣本的分類配比可能與整體的分類配比不同，可能會對真實結(jié)果造成偏差。

4） 樣本的特征屬性取值較少，尚未考慮車流量及環(huán)境的因素。

五、結(jié)語

本文根據(jù)現(xiàn)有的物聯(lián)網(wǎng)車道數(shù)據(jù)建立了貝葉斯分類模型算法實時分析了車道設(shè)備的狀態(tài)，從而實現(xiàn)了設(shè)備預(yù)防性的維護(hù)，該模型基本解決了車道狀態(tài)預(yù)測分類的問題，雖然模型在數(shù)據(jù)和特征屬性的取樣有一定的局限性，但是依然對車道設(shè)備運維提供了決策支持方案。

參考資料：

[1]《數(shù)據(jù)挖掘?qū)嵱脵C(jī)器學(xué)習(xí)工具與技術(shù)》原書第3版Ian H.Witten Eibe Fank Mark A. Hall著 機(jī)械工業(yè)出版社 2014年5月 第1版 187-192頁

[2]《神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)與機(jī)器學(xué)習(xí)》原書第3版 Simon Havkin著 機(jī)械工業(yè)出版社 2011年第1版 477-478頁

[3]Allen B. Downey著《貝葉斯思維》 人民郵電出版社 2015年4月第1版。第3-5頁