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专利号: 2024106145953
申请人: 淮阴工学院
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2026-05-14
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种基于STGNN‑Net的车辆轨迹预测方法,其特征在于,包括以下步骤:

(1)对预先获取的轨迹数据集进行划分与特征构建;

(2)构建基于STGNN‑Net的车辆轨迹预测网络,包括特征提取网络和预测网络;其中特征提取网络包括时间特征提取网络TGCN‑Net和时空特征提取网络STG‑Net;TGCN‑Net中利用双分支结构关注全局和局部时间特征,融合特征从而提取时间特征;STG‑Net中首先通过第一个分支的GAT使网络能考虑交互信息,之后对交互后的节点下采样,使得网络能够有方向的提取节点特征,最后扩充维度,保持输出特征大小不变;利用第二个分支提取时间特征;结合两个分支的特征实现时空特征的融合;

(3)经过TGCN‑Net和STG‑Net提取轨迹中的时间和时空特征,将特征通过自适应学习利用Informer网络进行特征融合,并通过seq2seq模型架构的BiGRU网络预测目标车辆的运动轨迹;

步骤(2)所述TGCN‑Net包括一个BatchNormalization层和两个TE‑Net;所述TE‑Net包括时域模块TM和图卷积网络GCN;所述TM由门控循环单元GRU和时域卷积网络TCN构成;

TGCN‑Net输入仅为最后一个时间帧节点的特征,特征数据首先通过GCN交互邻居节点的信息,再通过TM提取节点的时间信息;在提取最后一个时间帧的时间特征时,利用GRU关注全局的时间信息,通过TCN关注序列中的局部特征;经过特征融合使得TE‑Net能够感知全局上的与局部上的时间特征。

2.根据权利要求1所述的一种基于STGNN‑Net的车辆轨迹预测方法,其特征在于,所述步骤(1)实现过程如下:每十二帧数据构建为一组,在一组数据内将前六帧数据作为训练样本,后六帧数据作为真实标签值。

3.根据权利要求1所述的一种基于STGNN‑Net的车辆轨迹预测方法,其特征在于,所述TM将TE‑Net的主干网络分为两条支路,具体实现过程如下:首先将R0的数据划分为最后一个时间帧的数据R1和前六帧的数据R2,然后将R1送入TGCN‑Net,首先输入Batch Normalization层,然后送入到第一个TE‑Net;TE‑Net先经过一个步长为1,卷积核大小为1×1,输入通道为4,输出通道为192的图卷积层,然后,再与邻接矩阵进行矩阵相乘操作,得到GCN网络的输出R11;

GCN网络节点特征更新的方式如下:

其中,A和IN分别是邻接矩阵和N维的单位矩阵,是自身节点与之相连通的邻接矩阵:

其中,是 的度矩阵,利用度矩阵对 矩阵进行归一化;

构造一个两层的GCN,激活函数分别采用ReLU和softmax,则整体的正向传播的公式为:

0 1

其中,X是输入的节点特征,W代表第一层GCN的权重矩阵,W代表第二层GCN的权重矩阵,Z是更新后的节点特征;

第一个TE‑Net包含一个残差结构,所述残差结构将R1送入到一个步长为1,卷积核大小为1×1,输入通道为4,输出通道为64的卷积层,之后再经过Batch Normalization层得到R12;通过对R11与R12进行矩阵和操作得到特征融合的输出R13;

TM将TE‑Net的主干网络分为两条支路,第一条支路以R13作为输入,首先经过一个通过BatchNormalization层和ReLU激活层,然后送入两个步长为1,padding为(2,0),卷积核大小为5×1,输入通道为64,输出通道为64的卷积层,最终经过Batch Normalization层和Dropout操作得到R131;第二条支路将R13输入到一个输入特征维度为64,隐藏状态维度为

60的2层GRU网络,再经过一个全连接层得到R132;通过R131和R132融合得到TM的输出R14,即第一个TE‑Net的输出;

第二个TE‑Net将R14首先送入同第一个TE‑Net一致的GCN网络得到R15,紧接着输入到TM得到R16,即TGCN‑Net的输出。

4.根据权利要求1所述的一种基于STGNN‑Net的车辆轨迹预测方法,其特征在于,步骤(2)所述STG‑Net包括两个全连接网络和两个STE‑Net;所述STE‑Net是由图注意力网络GAT、空间卷积网络SCN、图卷积网络GCN、双向门控循环单元BiGRU组成的双分支网络;送入STE‑Net,首先利用全连接网络对数据维度进行扩充,再提取特征;输入为前六个时间帧的全部数据;第一个分支将前六个时间帧的全部节点特征作为输入,构建一个邻接矩阵,通过GAT网络提取空间特征,最后结合数据特点利用SCN将节点个数进行调整,特征进行融合,同时输出特征大小保持不变;第二个分支构建六个邻接矩阵,每一个邻接矩阵分别代表一个时间帧内节点的联通关系,使用GCN网络分别交互每一个时间帧的节点信息,通过BiGRU网络提取每个节点在前六个时间帧节内的时间特征。

5.根据权利要求1所述的一种基于STGNN‑Net的车辆轨迹预测方法,其特征在于,所述步骤(3)所述STG‑Net提取轨迹中的时间和空间特征实现过程如下:以R2作为输入,经过一个输入维度为4,输出维度为16的全连接层,再进行ReLU激活之后送入输入维度为16,输出维度为32的全连接层,然后送入STE‑Net的第一个分支,首先,经过一个GAT网络,得到网络输出R21,具体参数是n_head为4,输入特征维度32,输出特征维度设置16;

利用GAT网络更新特征的方式如下:

eij=a[whi||whj],j∈Ni      (4)

其中,eij是计算两个节点之间的注意力系数,hi和hj分别是第i个和第j个节点的特征,Ni是节点i周围的节点集合,w是共享参数可以对节点特征进行线性变化,[.||.]代表将节点i和j经过变化后的结果进行拼接;a是将拼接后的高维特征映射到一个实数上:其中,LeakyReLU是一个激活函数,exp为指数函数,首先对注意力系数eij做归一化得到aij,通过加权求和之后经过归一化指数函数得到第i个节点更新后的特征h'i;

经过GAT网络后以R21作为输入,送入SCN,SCN包含两个卷积层,第一个卷积层步长为1×4,卷积核大小为5×1,输入通道为64,输出通道为64,第二个卷积层步长为1,卷积核大小为1×1,输入通道为30,输出通道为120;通过第一个卷积下采样每一个帧中的物体个数,利用第二个卷积进行升维,得到SCN的输出R22;

STE‑Net另一个分支为时间特征提取模块,以R2作为输入通过全连接层升维后,首先通过一个步长为1,卷积核大小为1×1,输入通道为32,输出通道为64的GCN网络,再经过一个输入特征维度为64,隐藏状态维度为60的2层BiGRU得到R23;通过对R22与R23进行矩阵和操作得到第一个STE‑Net的输出R24;

第二个STE‑Net将R24先送入第一个分支,该分支由GAT网络和同第一个STE‑Net的SCN组成,通过GAT得到R25,通过SCN得到R26,其中GAT网络n_head为1,输入特征维度为64,输出特征维度为32;另一个分支以R24为输入送到一个步长为1,卷积核大小为1×1,输入通道为

64,输出通道为64的GCN网络,再经过一个特征数量为64,隐藏状态维度为60的2层双向门控循环单元网络得到R27;通过对R26与R27进行矩阵和操作得到第二个STE‑Net的输出R28。

6.根据权利要求1所述的一种基于STGNN‑Net的车辆轨迹预测方法,其特征在于,步骤(3)所述将特征通过自适应学习利用Informer网络进行特征融合实现过程如下:Informer网络有四个输入特征,分别为T1,T2,T3,T4;T1等于第一个TE‑Net的输出R14乘于参数Ra;T2等于第二个TE‑Net的输出R16乘于参数Rb;T3等于第一个STE‑Net的输出R24乘于参数Rc;T4等于第二个STE‑Net的输出R28乘于参数Rd;将T1,T2,T3,T4进行矩阵和操作得到特征T,关注多方面特征。