[发明专利]一种室内停车场剩余车位预测方法

权利要求书

1.一种室内停车场剩余车位预测方法，包括如下步骤：

步骤1.获取停车场空余泊位序列，并进行数据预处理；

获取停车场空余泊位历史数据，以5分钟为间隔提取数据，得到停车场空余泊位时间序列，记为X＝{X_i|i＝1,2,…,n}，其中，X_i为第i时间段的停车场空余泊位数量，n和i取值为自然数，n为时间序列中时间段总数量；对数据的完整性进行检验，查看是否存在缺值；当存在缺值时，采用插值的方法进行处理；所得序列记为初始序列；

步骤2.对初始序列的训练集进行去噪处理，得到去除噪声的时间序列，记为平滑序列，将其划分为测试集与训练集；使用平滑序列训练集训练LSTM神经网络预测模型；

(21)在初始序列的去噪处理中，采用经遗传算法改进的一阶滞后滤波算法；公式为：

其中，c_j为本次滤波结果；x_j为本次采样值；c_j-1为上次滤波结果，j为采样时间段；α为滤波系数，取值为0到1之间，β为误差修正系数，取值为0到1之间；N为每批采样数据的个数；

改进一阶滞后滤波算法，每隔N个采样数据，采用遗传算法优化方法对系数α和β进行动态参数选定，将取出的样本数据，经过一阶滞后滤波算法做滤波处理，再更新样本数据；最终得到序列B＝{b_i|i＝1,2,…,n}，其中，b_i表示初始序列经过预处理后的待预测序列，记为去噪序列，{}表示集合，n和i取值为自然数，n为时间序列中时间段总数量；

(22)对去噪序列进行极差标准化处理，使样本数据处于[0,1]之间；

X＝X_nor·(X_max-X_min)+X_min

其中，X_nor和X为数据转化前后的数据；X_max与X_min表示样本中数据的最大值和最小值；

(23)用以上方法处理之后的去噪序列按照简单交叉验证法划分为训练集与测试集，前85％组数据作为训练集，余下的15％组数据作为测试集，输入到LSTM神经网络预测模型中进行训练；

(24)所述LSTM神经网络的具体构建过程如下：

步骤24.1：确定输入层、输出层；设置网络输入为每批n个变量作为输入X＝{X_i|i＝1,2,…,n}，m个变量作为输出O＝{O_i|i＝1,2,…,m}，其中，X_i表示输入层第i个输入变量，O_i表示输出层第i个输出结果；

LSTM神经网络经过训练会输出接下来连续的m个时间段的预测值；每批n个数据预测未来m个时间段的泊位占有率，n和m取值为自然数；

步骤24.2：隐藏层参数设置；设定隐藏层数为2层，每层R个神经元；隐藏层神经元的个数确定方法为其中，p为输入神经元的个数，l为输出神经元的个数，ψ为待定常数，取值在1到10之间；

步骤24.3：LSTM神经网络预测模型训练过程参数设置；构建LSTM神经网络预测模型之后，对数据进行训练过程中，由loss损失函数获得LSTM神经网络预测模型的输出误差，并由梯度下降法寻找最小值，更新权重，最终使模型收敛；loss损失函数选择均方误差，用来衡量网络每一步训练后预测值与真实值的偏差，在运行过程中loss损失函数输出值越来越小，最终趋近于0；优化器算法选择RMSProp法；

RMSprop法是对梯度下降法进行的改进，能够自动调节学习速率；

步骤24.4：判定LSTM神经网络预测模型误差；对LSTM神经网络预测模型的预测结果，采用均方根误差和平均相对误差验证其预测精度；

步骤3.使用初始序列构建并训练灰色残差神经网络模型；使用步骤1所得的初始序列构建灰色残差神经网络模型，使用灰色残差神经网络模型进行s步预测；由得到的s步预测结果和实际该时间段的车位数量序列构建残差序列；使用该残差序列训练LSTM神经网络计算得到补偿序列；使用补偿序列补偿上述的灰色残差神经网络模型预测结果得到灰色残差神经网络的预测结果；

步骤3.1：首先对初始序列X⁽⁰⁾＝{X⁽⁰⁾(i)|i＝1,2,…,n}进行定性计算，判断其是否可使用灰色残差神经网络模型进行预测，若不满足条件，则对初始序列做平移变换处理，在得出预测结果后做相对应的反变换处理，X⁽⁰⁾(i)的上标(0)表示对序列X_i进行0次累加生成，即不进行累加操作，等同于初始序列X_i；

计算时间序列的级比为：

其中，λ(d)为级比，X⁽⁰⁾(d)为第d个时间段的空余泊位数量，n为输入总时间段个数；

当所有的级比在区间(e^-2/(n+1),e^2/(n+2))内时，表示可以使用灰色残差神经网络模型进行预测；若不在区间内，则进行相应的变换，即

Y(d)＝X⁽⁰⁾(d)+c，d＝1,2,…,n，其中，Y(d)为X⁽⁰⁾(d)进平移变换后对应的值，c为常数；此时数列级比为：

步骤3.2：确认序列可进行灰色预测后，使用灰色残差神经网络模型进行预测；

求出预测值：累加还原生成 第k步预测值：

记为其中，k，s取值为自然数，s为灰色残差神经网络模型预测总步数，a为发展系数，b为灰作用量，为m-1次累加生成的第k步的预测值，X^(m)(k+1)为m次累加生成的第k步的预测值，X^(m)(k)为m次累加生成的k-1步的预测值；

步骤3.3：根据步骤3.2中的预测公式得到灰色残差神经网络模型预测结果，定义k时间段的初始序列X(k)与灰色残差神经网络模型预测值的差为k时间段的残差，记作e(k)，

步骤3.4：根据步骤3.3得到的残差序列建立LSTM神经网络模型，对残差进行预测；LSTM神经网络训练输入样本为e(k)，k＝1,2,…,s；

步骤3.5：用步骤3.4的LSTM神经网络模型预测得出残差序列为利用得出的残差序列补偿步骤3.3的灰色预测结果得到新的预测值G(t)，即其中，t，m取值为自然数，m为灰色残差神经网络模型的预测总步长；

步骤4.加权组合两种预测模型，得到最终预测模型；以步骤2所得的去噪序列的测试集作为步骤2训练完成的LSTM神经网络的输入，得到第t时间段的输出结果，记为L(t)，t＝1,2,3,…,m，t和m取值为自然数，m为预测总步长；灰色残差神经网络模型在t时间段的预测值为G(t)，t＝1,2,3,…,m，构建LSTM神经网络预测模型和灰色残差神经网络模型的组合模型，两种模型集成的表达式为：

其中，φ，为动态权值，且φ取值先从0.1到1.0，间隔长度为0.1，取10个值，再从2取到10，间隔长度为1，取9个值；通过循环计算，输出每个t时间段的19组与权值φ,相关的数据，Y(t)为LSTM神经网络预测模型和灰色残差神经网络模型的预测值通过权值相加的结果，t为该预测值出现的时间段；具体为，权值系数φ取值为0.1时，计算t＝1时间段到t＝19时间段的组合模型的数值，得到19个预测值，记为从Y(t₁)到Y(t₁₉)；再将权值系数φ依次递增，总共取19组φ相关的数值；最后输出每组权值φ下的19个组合模型预测值，构成19×19的矩阵；

通过循环计算，t每次递增是输出19组与权值φ和相关的数据，共得到361个模型输出数据，如下：

为确定φ和的具体值采用计算关联度的方法；用组合模型预测值和实际值曲线间的差值大小作为关联度的衡量标准；关联度计算公式如下：

其中，r为关联度，X_t为实际泊位时间序列中第t个时间段的实际值，为m个X_t的平均值，Y_t为组合模型输出的预测值，为m个Y_t的均值，∑表示连加；取使得关联度r为最大时的一组权值数据为最佳权重，即为φ_op，最终预测模型在t时间段的预测结果为：