1.一种基于低秩先验的高速公路数据补全方法,其特征在于,包含如下步骤:步骤1、获取带有缺失项的高速公路数据并归一化,然后将归一化后的数据表示为“传感器×一天中的时间序列×一周中的天×周”的四阶张量形式;
步骤2、将高速公路数据补全问题视作低秩张量补全问题,构建秩极小化模型并基于加权伽马‑p范数进行模型转换;
步骤3、引入辅助变量和附加约束条件构建目标函数;
步骤4、采用交替方向乘子法求解目标函数,得到最终的高速公路补全数据;
所述步骤2中,将高速公路数据补全问题表示为如下带约束的秩极小化模型:(1)式中,min表示求最小值; 是归一化后的带有缺失值的部分可观测张量, 是补全张量, 是实数集,N1、N2、N3、N4分别对应张量不同维度的大小;rank(·)表示秩;s.t.表示约束条件;Ω是 中可观测数据点的集合;
是Ω上的正交投影;定义 是Ω的补集Ωc上的投影,两种运算符满足在公式(1)中,使用加权伽马‑p范数作为张量秩的非凸代理,公式(1)转换为:(2)式中,ak是权重系数;X(k)是 的模‑k展开矩阵; 是伽马‑p范数; 的计算公式为: a和b分别是X(k)的行数和列数,σi(X(k))是X(k)的第i个奇异值,i是奇异值索引,γ、p是非负参数,p∈(0,1);
所述步骤3中,引入辅助变量 和一组附加约束条件 公式(2)转化为如下的目标函数:
(3)式中, 是辅助变量 的模‑k展开矩阵;
公式(3)对应的增广拉格朗日函数表示为:(4)式中, 均为辅助变量; 根据k的取值对应不同的拉格朗日乘子 β是惩罚参数;<,>表示两个张量的内积; 是F‑范数的平方;
所述步骤4中,求解过程为:
步骤4.1、输入归一化后的带有缺失值的部分可观测张量 可观测索引集Ω,权重系数α1、α2、α3、α4,惩罚参数β,非负参数γ、p,终止条件ε,更新率ρ,迭代次数l,最大迭代次数lmax;
步骤4 .2 、初始化参数,得到补全张量初始值 辅助变量初始值以及拉格朗日乘子初始值
步骤4.3、使用交替方向乘子法迭代更新各变量;
步骤4.4、判断是否满足迭代停止条件,满足迭代停止条件后迭代停止;
步骤4.5、迭代停止后,输出最终的补全张量,对最终的补全张量进行反归一化,得到最终的高速公路补全数据;
所述步骤4.3中,更新过程为:
步骤4.3.1、更新补全张量 公式如下:(5)式中, 是第l+1次迭代后的补全张量; 是第l次迭代后的辅助变量; 是第l次迭代后的拉格朗日乘子;
步骤4.3.2、更新辅助变量 公式如下:(6)式中, 是第l+1次迭代后的辅助张量;flodk(·,dim,k)表示将目标矩阵沿模‑k进行折叠操作,dim是张量的维度,k=1,2,3,4;diag(·)表示构建对角矩阵函数;U和V是将矩阵 进行奇异值分解后得到的两个正交矩阵;S是将矩阵进行奇 异值分解 后得到的 对角矩阵 ,unflodk(·,dim,k)表示将目标张量沿模‑k进行展开操作;max表示求最大值;grad(σ)表示将矩阵 的伽马‑p范数对奇异值σ求梯度,直至收敛;T是转置符号; 是第l+1次迭代后的 的模‑k展开矩阵; 是第l次迭代后的 的模‑k展开矩阵;
步骤4.3.3、更新拉格朗日乘子 公式如下:(7)式中, 和 分别是第l+1次和第l次迭代后的拉格朗日乘子;
步骤4.3.4、更新惩罚参数β,公式如下:(8)式中, 是更新后的惩罚参数;ρ是更新率;
步骤4.3.5、更新迭代次数l=l+1;
所述步骤4.4中,迭代停止条件为:当 或l≥lmax时终止迭代,其中, 是第l次迭代后的补全张量;‖·‖F表示F‑范数。