熊 逸 展

(紐卡斯?fàn)柎髮W(xué) 工程學(xué)院，英國(guó) 紐卡斯?fàn)?NE17RU)

1 相關(guān)工作

近年來(lái)，隨著深度學(xué)習(xí)技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，在各研究領(lǐng)域都有了廣泛的應(yīng)用[1-2].在車(chē)輛工程和交通工程領(lǐng)域，借助深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的車(chē)輛控制和交通預(yù)測(cè)模型的研究也有了進(jìn)一步深入發(fā)展[3-4].Wang和Xie等人[5-6]采用深度學(xué)習(xí)的方法研究了普通車(chē)輛的多種駕駛行為，結(jié)果表明深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)比傳統(tǒng)的淺層神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在捕獲駕駛?cè)说膹?fù)雜非線(xiàn)性駕駛特性方面更具有優(yōu)越性.Zhang等[7]從交通流中兩種最基本的運(yùn)動(dòng)出發(fā)，提出以一種混合HRC訓(xùn)練方法來(lái)進(jìn)一步優(yōu)化LSTM模型，并利用NGSIM數(shù)據(jù)集，對(duì)所提HRC-LSTM模型進(jìn)行訓(xùn)練和測(cè)試，結(jié)果表明所提方法在估計(jì)準(zhǔn)確性方面有明顯提高.Yang等人[8]將機(jī)器學(xué)習(xí)模型與基于運(yùn)動(dòng)學(xué)的跟車(chē)模型相結(jié)合，采用了一種最優(yōu)組合預(yù)測(cè)方法來(lái)控制自動(dòng)駕駛車(chē)輛的縱向運(yùn)動(dòng)，并采用實(shí)測(cè)車(chē)輛軌跡數(shù)據(jù)集對(duì)所提方法進(jìn)行驗(yàn)證.Wang等人[9]的研究表明在基于深度學(xué)習(xí)的車(chē)輛行為擬合模型中，需要考慮到長(zhǎng)記憶效應(yīng)才能正確模擬交通中所觀測(cè)到的時(shí)滯效應(yīng).Liu等人[10]提出了一個(gè)深度學(xué)習(xí)模型來(lái)模擬換道事件中的態(tài)勢(shì)評(píng)估和決策過(guò)程，實(shí)測(cè)結(jié)果表明所提模型對(duì)車(chē)輛變道行為有較高的識(shí)別精度.

上述研究所采用的數(shù)據(jù)集大多為普通人工駕駛車(chē)輛的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，較少關(guān)注智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的行駛特性預(yù)測(cè).當(dāng)前，部分具有輔助駕駛和網(wǎng)聯(lián)功能的商用智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)已逐漸普及，因此，本文采用LSTM深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)來(lái)預(yù)測(cè)智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的行駛狀態(tài)，并通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)所提方法進(jìn)行驗(yàn)證.

2 預(yù)測(cè)算法

LSTM主要應(yīng)用于時(shí)間序列的預(yù)測(cè)問(wèn)題.由于智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的控制算法在嵌入式控制器中一般是固定的，所以外在的車(chē)輛行為相比普通的人工駕駛車(chē)輛會(huì)表現(xiàn)出較強(qiáng)的確定性.而且，智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的運(yùn)動(dòng)具有明顯的連續(xù)時(shí)間特性，因此采用LSTM深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測(cè)運(yùn)行狀態(tài)會(huì)有較好的適用性.傳統(tǒng)的BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)因網(wǎng)絡(luò)層數(shù)較淺，無(wú)法捕獲到更為復(fù)雜的非線(xiàn)性關(guān)系，并且由于其不具有循環(huán)單元，對(duì)歷史數(shù)據(jù)無(wú)明顯記憶特性，但車(chē)輛的駕駛行為明顯與歷史運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)，因此LSTM神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)較適應(yīng)于車(chē)輛的狀態(tài)預(yù)測(cè)問(wèn)題.

本文所采用的預(yù)測(cè)算法可主要分為以下四個(gè)步驟.

步驟一：遺忘門(mén)設(shè)置

Fk=f[Wf·[hk-1,xk-1]+θf(wàn)]，

(1)

其中，f(·) 為神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的激活函數(shù)，hk-1為上一個(gè)單元輸入，xk-1為當(dāng)前輸入，θf(wàn)表示閾值.

步驟二：輸入狀態(tài)更新

(2)

(3)

步驟三：更新神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)狀態(tài)

(4)

步驟四：網(wǎng)絡(luò)輸出

(5)

經(jīng)過(guò)步驟四中g(shù)(·) 的處理，將得到處于區(qū)間[-1,1]內(nèi)的值，通過(guò)與Ok相乘，最終得到神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)輸出.

3 實(shí)驗(yàn)與分析

3.1 實(shí)驗(yàn)場(chǎng)景設(shè)置

本文所研究的車(chē)輛行為的測(cè)試類(lèi)型有減速測(cè)試、振蕩測(cè)試、高速測(cè)試和低速測(cè)試四種類(lèi)型.數(shù)據(jù)類(lèi)型包含時(shí)間戳、后車(chē)速度、前車(chē)速度和車(chē)輛間距.實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)選擇文獻(xiàn)[11]中所公開(kāi)的裝配有自適應(yīng)巡航控制的車(chē)輛行駛軌跡數(shù)據(jù).減速測(cè)試的場(chǎng)景設(shè)置為前車(chē)速度突然變化，以此研究后車(chē)的響應(yīng)情況.振蕩測(cè)試旨在研究前車(chē)的速度波動(dòng)對(duì)后方交通的影響.高速測(cè)試旨在研究高速前行車(chē)隊(duì)中前后車(chē)之間的激勵(lì)和響應(yīng)關(guān)系.低速測(cè)試的目的是收集車(chē)輛在緩行期間的交通行為.將高速測(cè)試與低速測(cè)試分開(kāi)進(jìn)行的原因在于文獻(xiàn)[12]通過(guò)實(shí)測(cè)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)交通流在高速和低速情況下隨機(jī)振蕩的影響程度是不同的.每種測(cè)試場(chǎng)景下，又可細(xì)分為兩種實(shí)驗(yàn)，即車(chē)輛自適應(yīng)巡航控制分別設(shè)定為遠(yuǎn)距離檔位和近距離檔位.

3.2 減速測(cè)試場(chǎng)景

圖1(a)顯示的是在車(chē)輛減速測(cè)試且自適應(yīng)巡航控制選用遠(yuǎn)距離檔位所收集到的加速度、速度和間距數(shù)值.圖1(b)為目標(biāo)車(chē)輛的加速度實(shí)測(cè)值與選用LSTM深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的預(yù)測(cè)值，可以看出預(yù)測(cè)值與測(cè)試值進(jìn)一步擬合，可以達(dá)到工程所需的精度.圖1(c)為選擇近距離跟隨檔位時(shí)所采集到的數(shù)據(jù)，圖1(d)為對(duì)應(yīng)的預(yù)測(cè)值與實(shí)際值對(duì)比.結(jié)果顯示，無(wú)論控制檔位選擇如何，本文所提方法都可以對(duì)目標(biāo)車(chē)輛的加速度進(jìn)行有效預(yù)測(cè).

3.3 振蕩測(cè)試場(chǎng)景

圖2(a)和(c)為車(chē)輛振蕩測(cè)試所收集的數(shù)據(jù).圖2(a)對(duì)應(yīng)于遠(yuǎn)距離檔位，圖中顯示車(chē)輛間距大于40 m.圖2(b)對(duì)應(yīng)于近距離檔位，圖中顯示車(chē)輛間距小于40 m.圖2(b)和(d)為在振蕩測(cè)試場(chǎng)景下對(duì)目標(biāo)車(chē)輛加速度的實(shí)測(cè)值和預(yù)測(cè)值，與圖1(b)和(d)的預(yù)測(cè)效果相當(dāng)，所以在測(cè)試場(chǎng)景改變時(shí)，本文所提方法依然有較好的預(yù)測(cè)效果.

3.4 高速測(cè)試場(chǎng)景

圖3為車(chē)輛高速測(cè)試場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)結(jié)果.在圖3(a)中目標(biāo)車(chē)輛由29 m/s平穩(wěn)行駛一段時(shí)間，提速至31 m/s，平穩(wěn)行駛50 s后又提速至33 m/s.隨后又逐步降速.圖3(b)為所對(duì)應(yīng)目標(biāo)車(chē)輛在遠(yuǎn)距離檔位設(shè)置下的實(shí)際測(cè)量值和預(yù)測(cè)值.圖3(c)和(d)為選擇近距離跟隨檔位下的測(cè)試結(jié)果.整體而言，圖3(b)和(d)所示的預(yù)測(cè)結(jié)果符合測(cè)試數(shù)據(jù)的演化趨勢(shì).

圖1 減速測(cè)試結(jié)果

圖2 振蕩測(cè)試結(jié)果

圖3 高速測(cè)試結(jié)果

3.5 低速測(cè)試場(chǎng)景

圖4為車(chē)輛低速測(cè)試場(chǎng)景實(shí)驗(yàn)結(jié)果.圖4(a)和(b)為選擇遠(yuǎn)距離檔位時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及預(yù)測(cè)值與測(cè)量值的比較結(jié)果.圖4(c)和(d)則為選擇近距離跟隨檔位時(shí)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)以及預(yù)測(cè)值與測(cè)量值的比較結(jié)果.綜合圖1至圖4的實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，基于LSTM深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的車(chē)輛行駛數(shù)據(jù)預(yù)測(cè)方法可以在車(chē)輛減速測(cè)試、振蕩測(cè)試、高速測(cè)試和低速測(cè)試多種場(chǎng)景下達(dá)到工程預(yù)測(cè)需求，具有一定的魯棒性和可靠性.

圖4 低速測(cè)試結(jié)果

4 結(jié)束語(yǔ)

本文將LSTM深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的軌跡預(yù)測(cè)，分別選取了車(chē)輛減速測(cè)試、振蕩測(cè)試、高速測(cè)試和低速測(cè)試四種實(shí)測(cè)場(chǎng)景，對(duì)本文所提方式進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示：本文所采用的軌跡預(yù)測(cè)方法可在多種復(fù)雜場(chǎng)景下滿(mǎn)足工程預(yù)測(cè)的精度需求，具有一定的可靠性和魯棒性，可應(yīng)用于智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的車(chē)輛控制、軌跡優(yōu)化以及交通管控領(lǐng)域.因?yàn)橹悄芫W(wǎng)聯(lián)汽車(chē)的廣泛商用普及需要一定的時(shí)間，下一步將研究智能網(wǎng)聯(lián)汽車(chē)在不同市場(chǎng)滲透率下的軌跡預(yù)測(cè)及優(yōu)化問(wèn)題.