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专利号: 2022111261601
申请人: 山东科技大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-10-27
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于时空约束的交通数据张量补全方法,其特征在于,包括如下步骤:步骤1、将从一个地区到另一个地区的交通流数据建模为一个时空张量;

步骤2、采用Tucker分解算法对张量进行分解;

步骤3、建立基于Tucker分解的张量补全优化目标函数;

所述步骤3中,首先建立基于Tucker分解的张量补全优化目标函数,如下所示:然后对目标函数进行加权处理,如(3)所示:

其中,W是一个维度大小与X相同的二元指示张量,张量W中条目Wijk如下式所示,通过(3)式的最小化目标函数得到优化的因子矩阵A、B、C以及核心张量G,从而获得恢复后的完整数据张量;

步骤4、增加空间正则化约束,根据研究区域中POI数量和类别来分析各区域的类别占比、类别丰富度和交通便利程度,获得每个区域的城市特征向量,进而获得城市相似矩阵;

所述步骤4的具体过程为:

步骤4.1、获得分割后各区域的POI数量和类别数,然后根据其数据获得各区域各类别占比Cns:其中,Pns表示第n个区域第s个类别的POI数量;

步骤4.2、定义各区域类别丰富度Rn(n=1,2,…,N)和交通便利性Qn(n=1,2,…,N),其中Qn是与公共交通站点、停车场交通类别有关的POI数量比例,从而获得每个区域的城市特征向量vn=[Cn1,Cn2,……,Cns,Rn,Qn];

步骤4.3、构建城市相似矩阵M;定义城市相似矩阵M的第(p,q)个元素为Mpq,Mpq表示区域p和区域q的相似度:其中,vp表示区域p的城市特征向量,vq表示区域q的城市特征向量;

此外,A是张量分解后的空间潜在因子矩阵,其行向量ai表示第i个区域对所有起点空间模式的得分,相似的城市区域应该有类似的空间模式,因此,用 来表示区域i和区域j的相似性;类似地,空间潜在因子矩阵B的行向量表示区域间的相似性,用 来表示区域i和区域j的相似性,从而获得如下关系:T T

M=AA+εA,M=BB+εB                 (6)εA和εB均表示随机误差矩阵;

步骤4.4、在模型公式(3)的基础上进行改进,增加空间正则化约束后的优化目标函数为:其中,α和β是正则化参数, 为空间正则化约束部分;

步骤5、通过时间序列分析得到Toeplite矩阵T°来捕获时间依赖性,进而添加时间正则化约束;

所述步骤5中,使用Pearson相关系数来描述两个相邻时间序列的相关性,系数范围是‑

1到1;通过T°=Toeplite(0,1,‑2,0)矩阵来捕获时间依赖性;将时间正则化约束添加到目标函数中,改进后的模型如下:其中, 为时间正则化约束部分,ε是正则化参数;

步骤6、加入L2范数得到最终的优化目标函数;

所述步骤6中,最终的优化目标函数为:

其中,σ表示惩罚因子;

步骤7、对优化目标函数进行迭代计算,得到最终的因子矩阵和核心张量;

步骤8、基于因子矩阵和核心张量进行张量补充,得到最终补全后的交通流数据张量。

2.根据权利要求1所述基于时空约束的交通数据张量补全方法,其特征在于,所述步骤

1的具体过程为:首先将研究区域通过基于网格的方法平均分割为面积大小相等的N个区N×N×T域,给定T个时间段,构成交通流原始张量X∈R ,张量X中条目xijk表示时间段k时出现在区域Ni并且在Nj区域也出现的所有对象的数量。

3.根据权利要求1所述基于时空约束的交通数据张量补全方法,其特征在于,所述步骤

2的具体过程为:

将N个区域T个时间段的交通流数据建模如下:

其中,A,B,C均是Tucker分解的因子矩阵,A和B是空间潜在因子矩阵,表示空间特征,ap、bq分别是A的第p个列向量和B的第q个列向量;C是时间潜在因子矩阵,表示时间特征,cr是C的第r个列向量;G是核心张量,其中每个条目是一个单独的特征,表示不同模态因子中基本分量之间的相互强度;gpqr表示ap、bq和cr三个基本分量之间的作用强度。

4.根据权利要求1所述基于时空约束的交通数据张量补全方法,其特征在于,所述步骤

7中,使用交替最小二乘法对优化目标函数进行迭代计算,所需优化的参数为因子矩阵A、B、C以及核心张量G,固定其中任意三个参数,对第四个参数进行更新,更新公式见式(10)‑(13),依次迭代,直到达到收敛条件时停止,(l) * (l‑1) (l‑1) (l‑1) 2G =argminGf(G,A ,B ,C )+σ‖G‖                      (10)(l) * (l) (l‑1) (l‑1) 2A =argminAf(G ,A,B ,C )+σ‖A‖                       (11)(l) * (l) (l) (l‑1) 2

B =argminBf(G ,A ,B,C )+σ‖B‖                      (12)(l) * (l) (l) (l) 2

C =argminCf(G ,A ,B ,C)+σ‖C‖                       (13)(0) (0) (0) (0)

其中,l表示迭代次数,对四个参数首先进行初始化处理:G 、A 、B 、C ,然后根据以上公式依次进行迭代。

5.根据权利要求1所述基于时空约束的交通数据张量补全方法,其特征在于,所述步骤

8中,得到最后的因子矩阵A、B、C以及核心张量G之后,利用式(14)计算将原张量补充完整,进行插补缺失值,