基于MapReduce的城市道路旅行時(shí)間短時(shí)預(yù)測(cè) 

摘要：旅行時(shí)間是交通系統(tǒng)中一個(gè)重要的測(cè)量指標(biāo)，精確的旅行時(shí)間預(yù)測(cè)對(duì)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(shí)間計(jì)算提供了海量實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)，如何利用海量實(shí)時(shí)交通數(shù)據(jù)精確且快速預(yù)測(cè)旅行時(shí)間成為當(dāng)前旅行時(shí)間研究中的一個(gè)熱點(diǎn)問(wèn)題。基于海量的車(chē)牌識(shí)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(duì)路段旅行時(shí)間的預(yù)測(cè)，和其它算法對(duì)比，該算法預(yù)測(cè)準(zhǔn)確性有顯著提高。

關(guān)鍵詞：旅行時(shí)間預(yù)測(cè)；MapReduce；卡爾曼濾波

DOIDOI：10.11907/rjdk.161465

中圖分類號(hào)：TP391

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)文章編號(hào)：16727800（2016）009013703

基金項(xiàng)目基金項(xiàng)目：國(guó)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(jiǎn)介作者簡(jiǎn)介：楊宗潤(rùn)（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(shí)間是交通系統(tǒng)的重要參數(shù)，是指車(chē)輛在一定距離道路上的用時(shí)。在城市化進(jìn)程中，城市人口和機(jī)動(dòng)車(chē)數(shù)量急劇增加，給城市道路帶來(lái)了較大負(fù)荷，影響居民出行。精確的旅行時(shí)間預(yù)測(cè)可以為城市規(guī)劃以及居民出行提供參考。

旅行時(shí)間本身具有高度的隨機(jī)性和時(shí)間依賴性，不定時(shí)的交通管制、偶然的交通事故、天氣狀況等都會(huì)一定程度上影響旅行時(shí)間。目前計(jì)算旅行時(shí)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(chē)輛數(shù)據(jù)。兩種數(shù)據(jù)都具有一定的局限性，對(duì)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(chē)輛的旅行時(shí)間，而是要通過(guò)速度來(lái)計(jì)算旅行時(shí)間，無(wú)形中放大了誤差[12]。對(duì)GPS數(shù)據(jù)來(lái)源而言，裝載GPS設(shè)備的車(chē)輛數(shù)占總數(shù)的比例很小[3]，用少數(shù)量車(chē)輛數(shù)據(jù)去刻畫(huà)所有車(chē)輛的行為，具有一定的局限性。

近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出了諸多預(yù)測(cè)旅行時(shí)間的思路。臺(tái)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(shí)間的預(yù)測(cè)上，該方法在面對(duì)大規(guī)模數(shù)據(jù)時(shí)顯得很無(wú)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(wèn)題，給出了基于路徑的旅行時(shí)間預(yù)測(cè)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(lái)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(cè)了高速公路的旅行時(shí)間。德州農(nóng)業(yè)大學(xué)的Dongjoo Park 和韓國(guó)延世大學(xué)的Gunhee Han等[8]對(duì)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(shí)間的預(yù)測(cè)上來(lái)。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(méi)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(wèn)題描述

1.1旅行時(shí)間短時(shí)預(yù)測(cè)

本文成果系某市智能交通項(xiàng)目，通過(guò)各大路口攝像頭采集機(jī)動(dòng)車(chē)牌，經(jīng)過(guò)數(shù)據(jù)整合存儲(chǔ)在HDFS中。單個(gè)數(shù)據(jù)項(xiàng)包含車(chē)牌號(hào)、時(shí)間、攝像頭編號(hào)等。

實(shí)驗(yàn)采用卡爾曼濾波法進(jìn)行短時(shí)間預(yù)測(cè)。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(cè)，方法簡(jiǎn)單且預(yù)測(cè)精度較高，適合大規(guī)模數(shù)據(jù)計(jì)算，在很多預(yù)測(cè)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(cè)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(chē)牌識(shí)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(yǔ)

本文實(shí)驗(yàn)在hadoop框架下采用MapReduce模型，對(duì)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(dòng)車(chē)出行規(guī)律，用卡爾曼濾波法結(jié)合MapReduce實(shí)現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)對(duì)路段旅行時(shí)間的預(yù)測(cè)，預(yù)測(cè)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(cè)值只用到前一個(gè)時(shí)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(cè)只是對(duì)短時(shí)間內(nèi)單個(gè)路段的預(yù)測(cè)，還不能用于路徑的預(yù)測(cè)。

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責(zé)任編輯（責(zé)任編輯：陳福時(shí)）