基于时空注意力卷积神经网络的交通流量预测

为充分挖掘交通流量的复杂时空动态相关性以提高交通流量预测精度,引入空间注意力机制与膨胀因果卷积神经网络,提出一种基于时空注意力卷积神经网络的交通流量预测模型（spatio-temporal attention convolutional neural network,STACNN）.首先,由膨胀因果卷积与门控单元构建的门控时间卷积网络模块用于获取交通流量的非线性时间动态相关性,避免在训练长时间序列时发生梯度消失或梯度爆炸;其次,采用空间注意力机制为路网中的交通传感器节点自动分配注意力权重,动态关注不相邻节点之间的空间关系,并结合图卷积神经网络提取路网的局部空间动态相关性特征;然后,通过全连接层获取最终的交通流量预测结果;最后,利用高速公路交通数据集PEMSD4、PEMSD8进行了60 min的交通流量预测实验.实验结果表明：与基线模型中具有良好性能的时空图卷积网络（spatio-temporal graph convolutional network,STGCN）模型相比,提出的STACNN模型预测结果的平均绝对误差（mean absolute error,MAE）在两个数据集上分别提...     

基于加权密集连接卷积网络的快速交通标志检测

为提高算法对交通标志快速定位的准确性,改善现有检测算法在复杂交通环境下检测效果不佳、实时性较差的问题,提出一种基于动态加权密集连接卷积网络的交通标志快速检测算法. 选用YOLOv2 作为基础网络,通过增加动态加权密集块对各层特征图的权重进行调节,实现深层高语义信息和浅层低语义信息的融合;使用MobileNet 轻量化网络结构,通过可分离卷积操作有效降低网络的计算成本;针对池化操作中图像特征丢失严重问题引入 CBAM模块,利用通道注意力和空间注意力信息增强关键特征的表达能力. 实验结果表明,本文算法在GTSDB数据集上分别达到了96.14%的检测精度和139 frame/s 的检测速度,在保证较高检测精度的同时,能够有效提高检测效率,满足实时检测要求.     

基于双向自适应门控图卷积网络的交通流预测

针对路网交通流时空依赖上的高度复杂性以及数据污染的现实性,基于图神经网络构建一种新型时空融合交通流预测模型。考虑交通流数据中的缺失、异常与噪声,模型首先对数据进行特征重构与融合,在保持时序特性的前提下,以滑动时间窗口平滑交通流特征信息,做好数据准备。考虑交通流的实际有向性,主体模型采用正、反双路网络设计以分向学习交通流时空特征的有效表示。双路网络结构相同,以轻量有效的因果卷积作为模型的时序特征提取器,以多层自适应门控图卷积神经网络作为模型组件提取空间特征,实现信息的自适应聚合与传播,再通过纵向信息聚合层轻量化地实现不同局部视野下的信息融合,基于注意力有效权衡两路网络的信息贡献并将其聚合,建立双向自适应门控图卷积网络交通流预测模型。在真实交通流基准数据集PEMS03、PEMS04、PEMS07和PEMS08上进行模型的有效性验证,结果表明,所建模型在4个数据集上3个预测精度指标均优于基线模型。同时,相较于最先进的基线模型时空同步图卷积网络与时空融合图神经网络,所建模型能以数倍甚至数十倍比例的参数轻量化与低训练时间代价获得更高的预测精度。     

多分支残差注意力机制融合的图像超分辨率重建

针对图像超分辨率重建时存在特征映射不完全,以及映射特征易丢失而导致的重建效果不佳的问题,提出了一种多分支残差注意力机制融合的图像超分辨率重建算法。该算法在深层特征映射部分引入多分支架构,增加了网络宽度;并在每个分支中引入包括融合注意力机制的残差结构,对不同的特征信息进行侧重学习,提高了模型提取特征的能力;然后在非线性映射输出层对多个分支映射的信息进行叠加,进一步使特征信息融合,促进参数传递。试验结果表明,该算法在客观评价指标上和主观图像效果上均优于其他算法,有效提高了重建图像的细节清晰度。     

基于卷积神经网络的路基病害自动识别方法研究

路基病害导致的道路坍塌事件时有发生,利用探地雷达(ground penetrating radar,GPR)技术对道路路基进行周期性的无损检测和评估,可有效识别处于早期阶段的路基病害,为及时治理提供技术支撑。传统的GPR路基病害图像解释大多依靠人工,存在评价不客观且效率低下的问题。为实现路基病害的自动识别,提出基于卷积神经网络(CNN)提取GPR路基病害图像特征的方法。该方法所采用的网络结构由卷积层、池化层和全连接层组成;输入病害图像后首先经过5层卷积层和5层池化层提取图像特征,然后将提取到的图像特征输入两层全连接层分类,最后通过softmax层输出识别结果。正演模拟数据集表明,该方法对路基空洞充气、路基空洞充水、路基脱空及路基含水层这4种典型道路路基病害的雷达图像识别准确率达到 96.75%,验证了该方法的有效性。     

基于多核自适应网络的高速公路交通流预测方法

针对高速公路各路段交通流信息差异较大这一现象,为提高交通流预测准确率,将注意力机制引入卷积神经网络,建立描述交通流时空关联特征的多核自适应网络(Multi-Kernel Adaptive Network,MKAN).首先对输入的历史交通流数据进行多分支卷积,获得不同尺度的交通流特征;然后根据输入信息自适应调整各卷积分支...     

基于感兴趣区域的CNN-Squeeze交通标志图像识别

在公路交通中,针对复杂环境下交通标志识别率不高的问题,提出了一种基于 Kmeans对图像聚类,切割图像感兴趣区域(Regions of Interest, ROI),并利用方向梯度直方图特征(Histogram of Oriented Gradient, HOG)与卷积运算,特征加权(CNN-Squeeze)相结合的交通标志识别方法.首先,采用 K-means对交通标志图像进行三角形、圆形图像二聚类,并利用制作的切割模板切割 ROI 并提取 HOG 特征;然后,利用卷积神经网络 (Convolutional Neural Network, CNN)对 HOG特征进行过滤、降维,并通过 Squeeze网络对过滤后的二次特征进行重要性标定;最后,训练该网络模型并实现对交通标志的识别.仿真结果表明,与 BP网络、SVM 及CNN对比,本文方法在保证训练时间的同时,识别精度达到98.58%.     

基于感兴趣区域的CNN-Squeeze 交通标志图像识别

在公路交通中,针对复杂环境下交通标志识别率不高的问题,提出了一种基于 Kmeans对图像聚类,切割图像感兴趣区域(Regions of Interest, ROI),并利用方向梯度直方图特征(Histogram of Oriented Gradient, HOG)与卷积运算,特征加权(CNN-Squeeze)相结合的交通标志识别方法.首先,采用 K-means对交通标志图像进行三角形、圆形图像二聚类,并利用制作的切割模板切割 ROI 并提取 HOG 特征;然后,利用卷积神经网络 (Convolutional Neural Network, CNN)对 HOG特征进行过滤、降维,并通过 Squeeze网络对过滤后的二次特征进行重要性标定;最后,训练该网络模型并实现对交通标志的识别.仿真结果表明,与 BP网络、SVM 及CNN对比,本文方法在保证训练时间的同时,识别精度达到98.58%.     

双注意力引导的跨层优化交通场景语义分割

针对交通场景目标分割边缘不平滑以及小目标难以准确分割等问题，本文提出一种双注意力引导的跨层优化交通场景语义分割算法。首先，构建多分支特征提取编码网络，并利用串行非比例式空洞卷积实现空间上下文信息提取，进而改善小目标信息的丢失；其次，构建基于空间对齐的跨层特征融合解码网络，实现语义信息和细节信息的融合，增强不同尺度目标的表达能力；最后，提出通道和空间注意力机制，建模全局通道相关性和长距离位置相关性，增强网络对关键特征的学习能力。交通场景数据集Cityscapes和CamVid上的实验结果表明，所提特征提取编码网络、跨层特征融合解码网络以及注意力机制模块是有效的；所提语义分割算法获得了77.79%和78.66%的平均交并比，能够平滑目标分割边缘，尤其对细长条形目标具有鲁棒性。     

改进残差网络和迁移学习的齿轮箱故障诊断

针对齿轮箱故障诊断问题,提出一种基于多尺度特征提取与融合混合注意力机制的残差网络模型。该模型直接对原始振动信号进行特征提取,通过增加混合注意力机制来增加网络深度,提取关键信息,提高网络稳定性与故障识别准确率;串联首层多尺度特征提取模块,增加网络宽度,提取不同频率特征值的同时避免了梯度爆炸问题,最终故障诊断精度达到99.9%;通过噪声实验,验证网络具有较强鲁棒性。网络使用迁移学习的方式,解决了实际工业中数据量不足的问题,并验证了网络的泛化能力。所提网络具有公开性与实用性。     

一种结构优化的深度信任网络短时交通流预测

针对短时交通流预测中存在的训练数据过于依赖时间序列训练数据,对空间关联性考虑不足,且模型结构参数选取形式过于固定等问题,提出一种结构优化的深度信任网络短时交通流预测方法,该模型可同时训练3种与预测节点交通量相关的交通数据,增强预测的时空关联性,克服训练数据过于依赖时间序列的缺陷;同时,优化深度信任网络短时交通流预测模型结构,提出一种改进的花朵授粉算法对预测模型的隐层结构参数进行优化,避免因模型结构参数选取形式过于固定所导致的模型预测结果陷入局部最优解及实用性降低的问题。通过采集福州市两个交叉口的相关交通量数据,分别对预测模型的可行性进行评估。同时,将MFPA-DBN模型分别与不同隐层结构的深度信任网络模型及GA-LSTM、CNN-SVR、TGWO-BP 3种模型进行对比。实验结果表明：在相同训练数据的条件下,结构优化的深度信任网络(MFPA-DBN)短时交通流预测方法可行、有效,预测精度优于其他深度学习预测模型,实时性能也能满足实际要求。     

基于时序融合的自动驾驶多任务感知算法

采用连续图像帧作为输入,挖掘连续图像帧之间的时序关联信息,构建一种融合时序信息的多任务联合驾驶环境视觉感知算法,通过多任务监督联合优化,实现交通参与目标的快速检测,同时获取可通行区域信息;采用ResNet50作为骨干网络,在骨干网络中构建级联特征融合模块,捕捉不同图像帧之间的非局部远程依赖关系,将高分辨率图像通过卷积下...     

基于卷积和递归神经网络融合的交通状态指数预测

为提高交通状态指数预测精度,方便市民出行规划和提高相关机构管理预见性,创新研究了基于卷积和递归神经网络融合的交通状态指数预测模型.模型将卷积网络和递归网络进行了融合,由卷积神经网络层和递归神经网络层组成.该模型中的卷积网络能自动提取重要影响因子,同时递归网络能捕捉到前后时序特征,结果显示,得到的融合模型在交通状态指数预...     

基于多周期组件时空神经网络的路网通行速度预测

针对当前路网通行速度预测方法存在的中长周期预测准确性和稳定性不足、自适应路网拓扑空间关系建模能力有待进一步提升等问题,以多尺度卷积算子及门控循环单元为核心单元,提出一种面向路网通行速度预测任务的多周期组件时空神经网络模型。首先,根据路网交通感知数据的周期特性,将其规约为周、日和近期这3种不同粒度的时间-空间-特征三维矩阵,并输入至3个共享网络结构的周期组件。其次,在每部分组件中,利用多尺度卷积核捕获多因素非线性相关性与不同空间视野大小的路网节点空间相关性。然后,对每个路网节点的时序特征使用门控循环单元提取交通数据长时依赖关系,引入残差学习框架,提高网络训练效率并防止梯度弥散。最后,自适应加权融合通过预测卷积层的每部分周期组件预测结果生成预测时段内路网交通通行速度。为验证所提方法的有效性,基于两个公开的交通状态数据集进行实验分析,并选取当前主流的深度神经网络模型作为对比基线模型。结果表明,所提方法在可接受的执行时间内,在两个数据集上平均绝对误差、平均平方误差和平均绝对百分比误差分别为 2.55、3.94 和 10.75%,1.57、3.52和3.44%,在预测准确性与中长时多步预测稳定性方面均优于其他基准方法。     

卷积神经网络及其在智能交通系统中的应用综述

从特征传输方式、空间维度、特征维度3个角度,论述了近年来卷积神经网络结构的改进方向,介绍了卷积层、池化层、激活函数、优化算法的工作原理,从基于值、等级、概率和转换域四大类总结了近年来池化方法的发展,给出了部分具有代表性的激活函数对比、梯度下降算法及其改进型和自适应优化算法的工作原理和特点;梳理了卷积神经网络在车牌识别、...     

基于深度学习的短期交通流预测方法综述

针对基于深度学习的短期交通流预测问题,揭示了时空相关性建模本质,分析了建模过程中涉及的多尺度时空特性、异质性、动态性、非线性等特点,明确了基于深度学习进行短期交通流预测的核心挑战,阐述了短期交通流预测涉及的外部信息整合、多步预测与单步预测以及单体预测与集成预测等相关问题;按照网格化和拓扑化2种交通流数据组织方式,分别综述了当前最新的基于深度学习的短期交通流预测研究方向。研究结果表明：针对网格化交通流数据,当前研究主要包含了基于2D图像卷积神经网络、基于2D图像卷积神经网络与循环神经网络相结合、基于3D图像卷积神经网络3种预测建模方法;针对拓扑化交通流数据,当前研究主要包含了基于1D因果图像卷积与卷积图神经网络相结合、基于循环神经网络与卷积图神经网络相结合、基于自注意力与卷积图神经网络相结合、基于卷积图神经网络的时空同步学习4种预测建模方法;总体上,基于深度学习方法进行短期交通流预测相较于采用时间序列和经典机器学习方法获得了预测准确性上的极大提升;未来,针对物理理论、知识图谱与深度学习相结合,构建多时空数据挖掘大模型以及轻量化、可解释性、模型结构自动化搜索等维度的相关探索将成为重要研究方...     

基于形态检测与深度学习的高空视频车辆识别

为了准确提取广域场景道路交通信息,本文融合形态检测与深度卷积网络,提出了无人机视频车辆定位及车型识别方法. 首先,基于形态检测建立候选目标提取算法,并构建了含244 520 个无人机视频车辆样本的深度学习图像基准库;然后,通过增加卷积层、池化层及调整网络参数等方法对AlexNet 进行重构,提出了改进模型AlexNet*;最后,建立了基于候选目标提取算法与AlexNet*的车辆识别方法. 验证分析显示：AlexNet*的图像分类F1 均值达 85.51% ,优于AlexNet(82.54% )、LeNet(63.88% )、CaffeNet(46.64% )、VGG16(16.67% ) 及 GoogLeNet(14.38%);本文车辆识别方法对小汽车及公交车的正检率、重检率和漏检率均值分别达94.63%、6.87%、4.40%,可有效识别无人机视频目标.     

基于形态检测与深度学习的高空视频车辆识别

为了准确提取广域场景道路交通信息,本文融合形态检测与深度卷积网络,提出了无人机视频车辆定位及车型识别方法. 首先,基于形态检测建立候选目标提取算法,并构建了含244 520 个无人机视频车辆样本的深度学习图像基准库;然后,通过增加卷积层、池化层及调整网络参数等方法对AlexNet 进行重构,提出了改进模型AlexNet*;最后,建立了基于候选目标提取算法与AlexNet*的车辆识别方法. 验证分析显示：AlexNet*的图像分类F1 均值达 85.51% ,优于AlexNet(82.54% )、LeNet(63.88% )、CaffeNet(46.64% )、VGG16(16.67% ) 及 GoogLeNet(14.38%);本文车辆识别方法对小汽车及公交车的正检率、重检率和漏检率均值分别达94.63%、6.87%、4.40%,可有效识别无人机视频目标.     

基于动态时空神经网络模型的地铁客流预测

针对城市轨道交通站点客流预测问题，本文提出一种基于注意力机制的动态时空神经网络(DSTNN)模型。模型采用多分支并行架构，能够有效提取地铁客流的复杂时空特征，在空间维度上，全局和局部注意力机制相结合，实现站点间动态时空关联和静态拓扑结构的捕捉；在时间维度上，使用双向长短时记忆和注意力机制共同学习客流数据的时变规律。在杭州地铁数据集上进行实验，结果表明：相较于经典预测模型和深度学习模型，DSTNN具有更高的预测精度和训练效率。在4种不同的预测时长下，DSTNN模型平均绝对误差的平均值较基线中扩散卷积循环神经网络模型(DCRNN)和物理虚拟结合图网络模型(PVCGN)分别降低6.63%和2.57%。此外，可视化分析证明了本模型对时空关联的动态学习能力，消融实验验证了各分支的有效性。     

基于机器学习的交通流预测方法综述

通过文献梳理、专家访谈和试验场景构建等方法，分析了道路指定断面和区域路网宏观交通流预测的国内外研究现状和发展趋势，归纳了局部断面交通流预测方法，包括传统机器学习、递归神经网络和混合模型，分析了卷积神经网络、图神经网络和融合多因素网络的特点，阐述了方法的原理、优势、局限性和应用场景，总结了现有场景交通数据集类别，从采样周期与采集方式角度归纳了国内外主流交通数据集。分析结果表明：递归神经网络可以有效获取交通数据的历史规律，但存在梯度爆炸、计算复杂度高、长时预测准确度不佳等问题；图神经网络针对路网拓扑连接关系引入了图结构，在考虑路网和交通流数据的时空相关性上具有明显优势；融合多因素网络充分考虑天气、道路、事故等内外部因素的影响，有效提升了交通流预测的实时性和鲁棒性；由于交通数据采集困难、外部因素影响难以量化、机器学习方法可解释性差等原因，交通流预测方法的改进受到了限制；未来应从交通信息有效挖掘和图卷积方法完善两方面入手，拓宽图结构在交通领域的应用和考虑非常态交通场景，进一步揭示交通数据的内在规律，开发更准确、高效的交通流预测方法，推动交通流预测在工业界的落地应用。