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基于BP神经网络的居民出行方式选择模型_殷焕焕

基于BP神经网络的居民出行方式选择模型_殷焕焕
基于BP神经网络的居民出行方式选择模型_殷焕焕

基于BP神经网络的居民出行方式选择模型*

殷焕焕 关宏志

(北京工业大学交通工程北京市重点实验室 北京100124

)摘 要 以城市居民出行方式选择行为作为研究对象,分析了影响出行方式选择行为的主要因素,利用BP神经网络可以自动获取研究对象的输入、输出间关系和较强的学习训练特性,建立了基于BP神经网络的居民出行方式选择模型,并通过2009年济南市居民出行调查数据对模型进行了实例分析。结果表明:BP神经网络模型能够较好地描述居民出行交通方式选择行为。关键词 居民出行;方式选择;BP神经网络

中图分类号:U491 文献标志码:A DOI:10.3963/j

.ISSN 1674-4861.2011.03.012收稿日期:2011-01-05 修回日期:2011-04-

22 *国家自然科学基金资助项目(

批准号:50978008)、北京市自然科学基金资助项目(批准号:8102007)资助第一作者简介:殷焕焕(1984),硕士.研究方向:交通规划.E-mail:y

huanhuan@emails.bjut.edu.cn0 引 言

居民出行方式选择行为的研究,作为交通需求预测的重要组成部分,一直以来都是交通规划领域研究的一个重要内容。自基于随机效用理论的离散选择模型出现以来,因其能够有效模拟出行者的交通方式选择行为,

在国内外出行方式选择行为的研究中得以广泛应用。然而,离散选择模型通常将效用函数设定为特性变量的线性函数形式,

而居民出行交通方式选择是一个复杂的系统,交通方式选择与其影响因素之间存在着一定的非线性关系,各影响因素之间也存在着多重共线性,离散选择模型的线性效用函数往往忽略了特性变量之间以及选择方案之间的相互关系。鉴于离散选择模型的存在的不足,本文利用BP神经网络可以自动获取研究对象的输入输出间关系和较强的学习训练特性,通过2009年济南市居民出行调查结果提取居民出行交通方式选择行为的数据特征,建立基于BP神经网络的居民出行方式选择模型,分析各影响因素对居民出行方式选择结果的影响,

并对模型的有效性进行实例验证。1 以往相关研究

1996年Nijkamp运用前馈神经网络模型,

对城际间交通方式选择问题进行了研究[

1]

。并通过与传统的Log

it模型进行对比分析,得出神经网络模型能够在交通方式选择方面具有较强的实用性。1998年Subba指出既能识别线性指标又能识别非线性指标的人工神经网络模型在交通方式

选择行为分析中具有一定的优势[2]

。2005年Gi-

ulio将多层前向神经网络运用到交通方式选择研

究中,并详细描述了MLFFN模型在交通需求分

析中的应用步骤及潜力[

3]

。2007年李海峰对与出行个体相关的特征指

标进行了量化。分析了出行者的自身特性、出行特性、

运输系统特性、出行区域特性和目的地区域特性等影响居民出行方式选择的相关因素,建立

了居民出行方式选择神经网络预测模型[4]

。2009

年鲜于建川基于同一组出行方式调查数据构造了MNL模型和BP神经网络模型,含有隐层的BP神经网络模型能够更准确地对描述出行方式选择

行为,

具有更好的预测精度[5]

。综合国内外相关研究可以看出,神经网络模型能够从已有数据中自动获取其内在规律,建立良好的输入与输出的关系映射模型,能够适应交通方式选择预测领域的应用需要。但由于受到研究角度的限制,相关文献大多对影响因素对交通方式选择的相关性分析较少,且很少针对特定的区域类型进行应用研究。

2 出行方式选择分析

建立基于BP神经网络的居民出行方式选择

4基于BP神经网络的居民出行方式选择模型———殷焕焕 关宏志

模型的第一步就是确定模型的输入变量和输出变量参数,从而确定模型结构。其中输出变量为居民出行方式选择结果,输入变量则为影响居民出行方式选择的主要因素。本文结合济南市2009年居民出行调查数据(见图1),对济南市居民出行调查数据进行整理分析,提取出居民出行的主要方式和影响出行方式选择的主要因素,为建立基

于BP神经网络的出行方式选择模型提供依据

图1 济南市居民出行方式选择分布

Fig.1 Jinan residents’traffic mode choice distribution

2.1出行方式选择分布

由图1可见,济南市居民出行方式主要由步行、自行车、电动车、公交车、出租车、小汽车和单位班车等7大类方式组成。其中步行、公交车、自行车及电动车这四类出行方式的比例较大,占到了全部出行的83%。

2.2 出行方式选择影响因素分析

影响城市居民出行方式选择的因素有很多,参考国内外城市居民出行方式选择行为的相关研究成果,主要包括有出行者的个人属性、家庭属性、交通特性等。其中出行者的个人属性主要包括性别、年龄、职业、收入、是否拥有公交月票、是否持有驾照等;家庭属性主要包括家庭拥有自行车、电动车和小汽车的数量等;交通特性的影响则主要体现在出行目的、出行距离、出行目的、出行费用以及出行时间等方面[6]。

为检验上述各属性变量与交通方式选择之间的相关关系,本文通过交叉列联表分析计算各属性变量与出行方式选择结果之间的相伴概率。从变量相关性分析结果可以看出:个人属性、家庭属性和交通特性等3大类因素对城市居民出行方式的选择有着明显的影响。

3 基于BP神经网络理论的居民出行方式选择模型

以出行方式选择结果作为输出,影响出行方式选择的各属性变量作为输入,通过对BP神经网络的各参数如输入输出层节点数、隐层节点数、

学习速度等的设定对网络进行训练,建立拟合和仿真性能都相对较好的居民出行方式选择神经网络模型,能够映射出出行方式选择与其各影响因素之间的关系。

3.1 输入输出层节点数的确定

本文采用3层BP神经网络模型来研究居民出行方式的选择。其中输入层的变量选择的是对居民出行方式选择影响最显著的14个因素:性别、年龄、职业、月收入、是否拥有公交月票、是否拥有驾照、家庭拥有自行车数量、家庭拥有电动车数量、家庭拥有小汽车数量、出行距离、出行目的、出行费用、出发时刻、到达时刻等,因而输入层节点数为14,见表1。

表1 输入变量表

Tab.1 Input variables setting

变量输入变量名定义

x1性别1-女,0-男

x2年龄数值

x3职业

 1-工人,2-农牧渔业人员,3-公

司职员,4-事业单位人员,5-商业

人员,6-教师,7-军人,8-专业技

术人员,9-个体经营,10-服务人

员,11-中小学生,12-大中专学

生,13-家务,14-待业,15-下岗,

16-退休,17-其他

x4月收入/元

 1-≤600,2-600~999,3-1 000

~1 999,4-2 000~2 999,5-

3 000~3 999,6-4 000~4 999,

7-5 000~5 999元,8-6 000~

6 999,9-7 000~7 999,10-8 000

~8 999,11-9 000~9 999,12->

10 000

x5是否拥有公交月票1-有,0-无

x6是否拥有驾照1-有,0-无

x7家庭拥有自行车数量数值

x8家庭拥有电动车数量数值

x9家庭拥有小汽车数量数值

x10出行距离/km 1-≤1,2-1~5,3-5~10,4->10

x11出行目的

 1-上班,2-上学,3-回家,4-回

程,5-购物娱乐,6-外出吃饭,7-

公务外出,8-看病,9-探亲访友

10-接送孩子,11-银行,12其他

x12出行费用数值

x13出发时刻数值

x14到达时刻数值

居民出行方式选择结果作为输出,包括步行、自行车、电动车、公交车、出租车、小汽车和单位班车等7种方式,因而输出层节点数为7。

3.2 数据的归一化处理

当所有训练样本的输入信号都为正值时,与隐层神经元节点相连的权值只能同时增加或同时减小,容易导致网络的学习速度很慢。为避免这种情况的出现,加快网络的学习速度,通常对输入变量进行归一化处理到一个统一的范围之内,从

4交通信息与安全 2011年第3期 第29卷 总161期

而使各变量的重要性处于同等地位。本文中输入变量和输出变量均归一化为[0,1]之间的数。本文中家庭拥有自行车数量、家庭拥有电动车数量、家庭拥有小汽车数量和出行距离等输入变量采用分别除以10,年龄、职业、月收入、出行目的、出行费用等输入变量均采用原始值减去样本值中的最小值再被样本的值域范围除的方法进行归一化处理办法。

3.3 隐层节点数的确定

BP神经网络模型识别能力的高低,与隐层节点数目设计合理与否有很大的关系。若隐层节点数目太少,可能网络训练不出来,或者训练出的网络不强壮,泛化能力较差等;若隐层节点数目太多,容易导致模型学习时间过长,不能识别以前没有看到的样本,误差不一定最佳等问题[8]。因此需综合多方面因素考虑,确定一个最佳的隐层节点数目。本文中,隐层节点数目的初始值根据经验公式来确定。

L=m+

槡n+α

式中:m为输入节点数;n为输出节点数;α为[1,10]之间的整数。

将输入输出节点数目带入上式可得:隐层的节点数目介于6~14之间。因此,设计一个隐层节点数目为6~14个的BP神经网络模型,用训练样本进行网络训练。通过对模型的反复训练比较得出:隐层节点数目为12的BP神经网络的平方和误差最小,对样本的逼近效果最好。因此,本文中交通方式选择BP神经网络模型的隐层节点数设定为12。

3.4 模型的训练及检验

本文使用的样本数据来源于2009年5月在济南市城区进行的居民出行调查中的部分数据。其中用于训练模型的样本数为700个,用于检验模型的样本数为307个,共计1007个样本,利用

MATLAB7.1的神经网络工具箱进行模型的训练和仿真。为了提高训练速度,训练函数采用默认的训练函数trainlm函数,性能函数采用默认的性能函数mse即均方误差函数,目标误差设为小于等于1×10-2。经过多次调试和改进网络参数,运行程序进行模型的训练,模型建立及训练的有关程序如下。

net=newff(minmaxp,[14 11 7],{'logsig''logsig''logsig'},'trainlm');

net.trainParam.epochs=1000;

net.trainParam.goal=0.01;

net.trainParam.show=10;

net=train(net,p,t);

经过26次迭代学习,训练累计误差达到0.009 984 47,精度达到目标要求,模型训练停止

,其训练误差曲线见图2。

图2 训练累计误差曲线图

Fig.2 Training cumulative error curve

应用该BP神经网络模型对检验样本进行居民出行方式选择预测,得到预测结果见表2。从模型的预测结果来看,预测精度为86.6%,模型的精度较高,效果较好。可见:基于BP神经网络的居民出行方式选择模型能够准确地描述居民出行方式选择行为,可以较好地应用于出行方式选择预测研究中,且具有较好的预测精度。

4 结束语

出行方式选择是居民根据自己的个人属性、

表2 BP神经网络模型的预测结果

Tab.2 Prediction for calibration sample

样本数

预测结果

步行自行车电动车公交车小汽车出租车单位班车

预测精度

rijr

步行(98)91 6 0 0 0 0 1 92.7自行车(41)7 32 0 0 0 0 2 78.1电动车(37)4 0 30 3 0 0 0 81.1

公交(70)0 0 1 69 0 0 0 98.6小汽车(16)0 0 1 3 9 3 0 56.3出租车(31)0 0 0 0 0 31 0 100.0单位班车(14)2 2 0 0 0 0 10 71.486.6

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基于BP神经网络的居民出行方式选择模型———殷焕焕 关宏志

家庭属性以及出行目的、出行距离等交通特性,选择的最适合出行的一种交通方式的过程,且影响居民出行方式选择的因素是多方面的、复杂的。本文利用BP神经网络可以自动获取研究对象的输入输出间关系和较强的学习训练特性,建立了基于BP神经网络的居民出行方式选择模型,可以为出行方式选择预测研究提供一种思路和方法。

参考文献

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P,Reggiani A,Tritapepe T.Modellinginter-urban transport flows in italy:a comparisonbetween neural network analysis and logit analysis[J].Transport Research Part C,1996,4(6):323-338.

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K V,etal.Another insight into artificial neural networksthrough behavioral analysis of access mode choice[J].Compute,Environment and Urban System,1998,22(5):485-

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120.A Back-propag

ation(BP)Neural NetworkBased Traffic Mode Choice 

ModelYIN Huanhuan GUAN Hong

zhi(Key Laboratory of Traffic Engineering,Beijing University 

of Technology,Beijing100124,China)Abstract:This paper analyzes the related factors affecting 

resident traffic mode choice and develops a BP neural net-work based traffic mode choice model based on its strengths in automatically correlating input/output and strong learningcapability.The model is verified by 2009residential travel survey data from City of Jinan.The results show that the mod-el has good prediction accuracy and can be utilized for resident trip 

traffic mode choice forecast.Key 

words:residential travel;traffic mode choice;Back-propag檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾檾

ationneuralnetwork(上接32页)

Psychological Delaying 

Model of Bicycle PassingEvents on Physically 

Separated Bicycle RoadwaysWANG Yi WANG Wei LI Zhibin FU Qian(School of Transportation,Southeast University,Nanjing2

10000,China)Abstract:The passing events,which signify 

the cyclist's degree of comfort,can reflect the LOS(level of service).Hummer's bicycle passing events prediction model based on mechanism of passing events is widely 

accepted.This paperfigured out the characteristics of China's road and the inapplicability of Hummer's model.According to statistics,delayedpassing events and bicyclists'overtaking 

motivation,which were found to be important Chinese road factors,were bothconsidered in our modified model.Compared with Hummer's model,the analysis of the field data of Nanjing proves thatthe modified model is more 

accurate.Key 

words:bicycle;passing events;coefficient of delayed passing events;overtaking motivation0

5交通信息与安全 2011年第3期 第29卷 总161期

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