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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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  • 收稿日期:  2022-06-02
  • 网络出版日期:  2023-05-13

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