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短期交通流预测的应用模式研究
孙立光,史其信
(清华大学交通研究所,北京100084)
摘要:短期交通流预测应用是动态交通流理论的重要延伸,是智能交通系统应用的重要理论基础。近年来,短期交通流预测日益受到国内外
交通学者的关注,各种预测理论与方法层出不穷,涉及信号处理、现代优化计算、统计学、仿真模拟等多个学科的理论知识,研究成果非常丰富。
相比之下,国内实际应用短期交通流预测研究成果的ITs项目还非常少,这主要是因为对与应用相关的问题研究不足以及推进应用的工作模式存在
缺陷。
本文关注短期交通流预测理论成果的实际应用问题。首先对短期交通流预测的概念和可预测性问题进行了阐述,分析了短期预测的应用场景
特征和不同用户群体对未来路况信息的需求特征。然后,对现有的预测方法研究进行了梳理,指出了其中存在的导致其难以实际应用的几个误区。
最后,基于正在南宁实施的短期交通流预测软件项目,提出了一个推进预测研究成果实际应用的科学可行的联合研究工作模式。
关键字:短期交通流预测;应用研究;可预测性
一、短期交通流预测的概念
短期交通流预测是相对于传统交通规划中的中长期交通需求预测而言的。规划中的交通需求预测对
未来几年或十几年后的路网的0D矩阵以及路径、路段上的交通流量进行预测。而短期交通流预测一般是
指对交通流状态的短时预测,即在f时刻对下一决策时刻(f+△f)的交通流状态作出实时预测。与中长期预
测相比,短期预测具有以下特点:’
(1)预测时间跨度短,出一般不超过15min。
(2)不同于中长期预测以社会经济属性与交通需求的关系为预测依据,主要关注交通需求的宏观发展
趋势;短期预测则关注交通流在一天内的周期性波动和短时间内的不规则波动特征,预测依据是交通流
自身的动态演化规律。
(3)预测周期不同导致预测对象不同。中长期预测选择表征目标年平均交通需求状态的高峰小时流量
或日流量作为预测对象。而短期预测虽然在大量文献中被公认属于一种瞬时(时刻)交通状态预测,但
本质上为小时间区间(数分钟)上的统计或平均交通参数,如:交通流量、时间平均速度、时间占有率、
路径旅行时间等。
(4)预测目的不同导致准确度要求不同,短期预测比中长期预测的准确度要求高的多。
二、短期交通流的可预测性与性能要求
1.可预测性
与任何预测问题都紧密相关的一个根本性问题是可预测性。预测对象具有可预测性是对预测方法进
行研究的根本前提。例如:人们对掷骰子的结果预测是有着强烈需求的,但是这个问题本身是完全随机
(作弊除外)的,虽然可以用统计学令人信服地进行描述,但对具体某一次的结果进行预测却是不可能
的。可预测性判别的定性依据是预测对象的演化蕴含某种规律性。判定规律性存在有三种途径:
(1)直接观察。一般能够直接观察到规律性存在的预测对象必然存在规律性,反之则不然。原因有
二:①观测的尺度不合理导致规律性被隐藏。只有当规律的机理作用尺度和观测尺度相匹配时,规律才
能直观地表现出来。②规律的复杂性高。规律的高复杂性导致表现出的规律模式超出人们常规的模式识
别能力,最典型的例证就是“混沌”现象,高复杂度地演化机理导致宏观伪随机性地出现。短期交通流
在一日范围内的周期性变化很明显,但在短时(1小时内)范围内更多地表现为随机性。
证明了高速公路短期交通流中蕴含的混沌特性,间接证明了其可预测性,并指出了其预测步长的限制。
贺国光【lo】等学者也通过揭示混沌特性对短期交通流的可预测性进行了证实。
(3)实际预测结果证明。将预测方法应用于实际,预测结果与实际路况的吻合可以看作是对可预测
性的最有力的佐证。需要指出的是实测结果证明强调是在实际应用中的长期预测效果,而不是在预测方
法研究阶段简单的测试数据集验证。
综上,目前对于短期交通流可预测性的证明主要体现在理论证明方面,而且侧重于连续交通流,对
于常规城市道路网(非城市快速路)上的间断性交通流的可预测性尚有待深入研究,特别是有待实测结
果方面的证据出现。
2.短期预测的性能要求
实际应用对短期预测的性能要求体现在实时性和准确性两方面。实时性是指短期预测计算必须能够
在很短的时间内完成,逻辑上限为预测时间跨度(预测步长)。短期预测对实时性的要求是由预测信息的
产生和使用流程决定的(参见图1)。短期预测的结果要想发挥作用,必须在到达预测目标时刻(当前时
刻+预测步长)之前计算完毕,并且预留决策、实施人员到场和措施生效的时间
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