CNN实现地铁短时客流预测

news2024/11/14 6:00:15

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《------往期经典推荐------》

项目名称
1.【基于CNN-RNN的影像报告生成】
2.【卫星图像道路检测DeepLabV3Plus模型】
3.【GAN模型实现二次元头像生成】
4.【CNN模型实现mnist手写数字识别】
5.【fasterRCNN模型实现飞机类目标检测】
6.【CNN-LSTM住宅用电量预测】
7.【VGG16模型实现新冠肺炎图片多分类】
8.【AlexNet模型实现鸟类识别】
9.【DIN模型实现推荐算法】
10.【FiBiNET模型实现推荐算法】
11.【钢板表面缺陷检测基于HRNET模型】

1. 项目简介

本项目旨在开发一个基于深度学习的短时客流预测系统,主要解决公共场所或交通枢纽的客流量预测问题,以提高管理和运营效率。项目的背景基于城市化和人口流动的增加,这给城市规划和实时调度带来了挑战,尤其是在突发情况和高峰时段。通过准确的客流量预测,相关部门能够优化资源配置,减少拥堵,提高安全性。项目使用了卷积神经网络(CNN)模型,由于其强大的特征提取能力和高效的空间数据处理性能,CNN 能够很好地捕捉时空数据中的模式和趋势。该模型接收时序客流数据,利用其局部感知和权值共享特性对复杂输入特征进行分析和预测。本项目适用于需要实时或短时预测客流的场景,如地铁站、商场、体育场馆等,通过这种深度学习方案,可以实现精准预测并辅助运营决策,从而实现更高效的城市管理和更好的用户体验。

在这里插入图片描述

2.技术创新点摘要

  1. 结合时序特征和CNN的创新架构:项目通过卷积神经网络(CNN)处理时序客流数据,充分利用CNN在捕获局部特征和空间关系方面的优势,构建了一个专门用于短时预测的架构。模型使用一维卷积层(Conv1d)来处理输入序列,并多层堆叠进行特征提取,这在传统的时间序列分析中具有新颖性。
  2. 滑动时间窗口的动态输入:模型在输入阶段引入了滑动时间窗口的方法,使训练集包含不同的输入-输出对,这种预处理策略可以有效增强模型的泛化能力和数据利用率。时间窗口大小被精心设计以平衡历史依赖性和模型复杂性。
  3. Dropout 防止过拟合:模型在卷积和全连接层后加入了Dropout层,特别是在MaxPool1d之后,有助于减少模型的过拟合风险,使其在预测时保持较高的鲁棒性。
  4. 特定参数调整和高维特征映射:网络中卷积层与全连接层的设计(例如卷积层使用64和32个通道,以及全连接层的维度640)经过细致调优,使模型在保持复杂特征提取能力的同时,不至于过度增加计算开销。
  5. 数据归一化策略:使用MinMaxScaler将数据归一化到[-1, 1]区间,为模型提供了稳定的输入,促进了训练收敛速度和整体性能的提升。

3. 数据集与预处理

本项目所使用的数据集来源于公共场所的实际客流记录,具体包含某地铁站的进站客流量时序数据。数据集的特点是时序性强,单变量记录能够反映出随时间波动的客流变化趋势。数据在原始状态下包含了时间戳和客流数量,具有较为规律的时间间隔,但可能包含异常值和数据缺失情况,这需要在预处理阶段进行修正。

在数据预处理流程中,首先进行数据清洗以删除异常值和填补缺失值,确保数据的完整性。接着,采用归一化方法(例如MinMaxScaler)将数据缩放到[-1, 1]区间,目的是提升模型的训练稳定性和收敛速度。此外,为了训练过程中更好地学习数据的时序特征,使用滑动时间窗口方法来生成输入输出对:每个时间窗口内的数据作为模型输入,而下一个时间步的数据作为输出。

特征工程方面,本项目主要聚焦于从时序数据中提取有价值的模式。通过设置合适的时间窗口大小,使模型能够捕捉到历史数据的影响。此外,为防止模型过拟合,采用了数据增强技术,如数据的随机扰动和时序分段的不同组合,以增强模型对未来未见数据的泛化能力。

4. 模型架构

  1. 模型结构的逻辑

本项目的模型架构为一个定制的卷积神经网络(CNN),专门用于处理时间序列数据。该模型的具体结构如下:

  • 输入层:接收经过预处理的时序数据,输入维度为 (batch_size, channels, sequence_length)。
  • 卷积层1 (conv1):具有 64 个输出通道和核大小为 2 的一维卷积,用于提取序列的初步特征。
  • ReLU 激活函数:在每个卷积层后应用,用于引入非线性并提高模型的表达能力。
  • 卷积层2 (conv2):使用 32 个输出通道和相同的核大小,以进一步提取更深层次的特征。
  • 池化层 (MaxPool1d):池化核大小为 2,用于减少特征维度并抑制过拟合。
  • Dropout 层:设置了 0.5 的丢弃率,以减少过拟合风险并提高模型的泛化能力。
  • 全连接层1 (fc1):输入维度为卷积输出展平后的特征向量,输出维度为 640。
  • 全连接层2 (fc2):将特征映射到单一输出,用于预测。

整个前向传播过程中,输入经过两层卷积、激活、池化和 Dropout 后被展平,接着经过全连接层进行特征映射和最终预测输出。

  1. 模型的整体训练流程和评估指标

模型的训练流程如下:

  • 损失函数:使用均方误差(MSELoss)来衡量模型预测与真实值之间的差距。

  • 优化器:采用 Adam 优化器,学习率为 0.0005,提供较快的收敛速度和稳定的性能。

  • 训练步骤

    • 初始化网络和优化器,将梯度置零。
    • 将输入序列调整形状为适合 CNN 的输入格式 (batch_size, channel, sequence_length)
    • 执行前向传播以获取预测值。
    • 计算损失并反向传播梯度。
    • 使用优化器更新权重。
  • 训练周期:模型设置为运行 20 个周期 (epochs),每个周期打印当前损失值以监控训练进展。

  • 评估指标:训练过程中主要通过损失函数值 (MSE) 来评估模型性能,越小的损失表明模型预测越准确。测试阶段可以进一步通过均方根误差 (RMSE) 或平均绝对误差 (MAE) 等指标进行精度验证。

5. 核心代码详细讲解

1. 数据预处理与特征工程
  • data_csv = pd.read_csv('./zhongshanpark.csv', encoding='gb2312') :从本地加载数据集,encoding='gb2312' 适用于处理中文字符的编码格式。

  • y = data_csv["中山公园"].values.astype(float) :提取数据集中指定列作为时序数据,并转换为浮点型,确保数据类型适合后续处理。

  • plt.plot(y) :简单绘制数据序列图,方便初步观察数据趋势和分布。

  • Time_window_size = 72:定义滑动时间窗口的大小,表示使用过去 72 个时间点的数据作为输入。

  • def input_data(seq, ws): :函数用于从原始数据中生成训练样本。

    • for i in range(L-ws): :循环遍历序列,生成多个样本。
    • window = seq[i:i + ws] :提取时间窗口内的数据作为输入特征。
    • label = seq[i + ws:i + ws + 1] :对应的下一个时间点作为目标标签。
2. 模型架构构建
  • class CNNnetwork(nn.Module): :定义了 CNN 模型结构。
  • self.conv1 = nn.Conv1d(in_channels=1, out_channels=64, kernel_size=2) :第一层卷积层,输入通道为 1,输出通道为 64,卷积核大小为 2,用于提取局部时序特征。
  • self.relu = nn.ReLU(inplace=True) :ReLU 激活函数,提供非线性变换。
  • self.conv2 = nn.Conv1d(in_channels=64, out_channels=32, kernel_size=2) :第二层卷积层,进一步提取更深层次的特征。
  • self.pool = nn.MaxPool1d(kernel_size=2, stride=2) :池化层,用于降维和减少参数。
  • self.fc1 = nn.Linear(32*35, 640) :全连接层,将特征映射到 640 维。
  • self.fc2 = nn.Linear(640, 1) :输出层,最终输出单一预测值。
  • self.drop = nn.Dropout(0.5) :Dropout 层,防止过拟合。
3. 模型训练与评估
  • criterion = nn.MSELoss() :定义损失函数,使用均方误差(MSE)。

  • optimizer = torch.optim.Adam(net.parameters(), lr=0.0005) :定义优化器,采用 Adam 算法,学习率设为 0.0005。

  • for epoch in range(epochs): :训练过程循环 20 个 epoch。

    • optimizer.zero_grad() :在每次迭代开始前将梯度归零。
    • seq = seq.reshape(1, 1, -1) :调整输入形状为适合 Conv1d 的格式 (batch_size, channel, sequence_length)
    • y_pred = net(seq) :通过模型进行前向传播,获取预测结果。
    • loss.backward() :计算梯度。
    • optimizer.step() :更新模型参数。
  • print(f'Epoch: {epoch + 1:2} Loss:{loss.item():10.8f}') :打印每个 epoch 的损失值,用于监控训练过程。

6. 模型优缺点评价

模型优点在于其结构简单且高效,能够通过卷积操作捕捉时序数据中的局部模式。使用一维卷积网络(CNN)不仅加快了模型的训练速度,还能够减少参数量,提升模型的可扩展性和运行效率。Dropout层的引入有效地防止了过拟合,使得模型在测试集上的表现更加稳健。同时,CNN擅长提取时空特征,适合处理类似客流量预测的时间序列任务。

模型的缺点在于其对长时间依赖的捕捉能力有限,可能在处理具有复杂长期依赖关系的数据时表现不佳。此外,该模型的输入为单变量数据,缺乏对多维度信息的融合和利用,可能限制了模型的整体预测能力。

改进方向包括:1) 增强模型结构,如结合LSTM或GRU层以提升长期依赖的捕捉能力;2) 调整超参数,如学习率、卷积核大小和层数,以提高模型性能;3) 引入更多数据增强方法,如时间序列的平移、缩放变换等,丰富训练数据集,提升模型的泛化能力;4) 考虑多特征输入模型,通过整合天气、事件等外部数据进一步提高预测的精度。

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