交通流数据清洗与状态辨识及优化控制关键理论方法

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页数:231
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出版时间:2011-1
价格:49.00元
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isbn号码:9787030295781
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  • 交通
  • 交通流
  • 数据清洗
  • 状态辨识
  • 优化控制
  • 智能交通
  • 大数据
  • 机器学习
  • 信号处理
  • 系统辨识
  • 控制理论
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具体描述

《交通流数据清洗与状态辨识及优化控制关键理论方法》是作者在交通流辨识及优化控制领域近十年研究成果的系统总结。在全面总结国内外交通流辨识及优化控制研究现状及发展趋势的基础上,《交通流数据清洗与状态辨识及优化控制关键理论方法》着重介绍作者在这一领域的研究成果,主要包括交通流数据清洗关键理论及方法、交通流状态辨识关键理论及方法、交通流优化控制关键理论及方法。

《交通流数据清洗与状态辨识及优化控制关键理论方法》可为交通运输工程、控制科学与工程、系统科学与工程、车辆工程以及智能科学等多学科交叉领域从事交通流状态辨识及优化控制研究的相关专业技术人员提供参考,也可作为相关专业研究生和高年级本科生教材。

本书聚焦于现代交通系统中的一个核心难题:如何从海量、多源、异构的交通数据中提取有效信息,并在此基础上实现交通状态的精准辨识以及运行状态的最优化控制。全书共分为三个主要部分,层层递进,系统阐述了解决这一问题的关键理论与核心方法。 第一部分:交通流数据清洗与预处理 在复杂多变的交通环境下,原始采集的交通数据往往伴随着噪声、缺失、异常值等问题,严重影响后续分析的准确性。本部分将深入探讨交通流数据清洗与预处理的系统性方法。 数据源与特点分析: 详细介绍当前主流的交通数据采集方式,包括但不限于线圈检测器、地磁传感器、GPS、雷达、视频监控、浮动车数据(手机信令、网约车轨迹)等。分析不同数据源在采集精度、覆盖范围、数据粒度、更新频率、成本效益以及固有的误差类型上的差异。理解数据的特性是有效清洗的前提。 噪声识别与过滤技术: 针对交通流数据中的随机噪声和系统性噪声,介绍多种有效的过滤算法。例如,基于统计方法的如滑动平均、指数平滑、卡尔曼滤波;基于信号处理方法的如小波变换、傅里叶变换;以及机器学习方法如支持向量机(SVM)、随机森林等在噪声识别和剔除中的应用。重点分析不同方法在处理不同类型噪声时的优缺点和适用场景。 缺失数据处理策略: 交通数据的缺失是普遍存在的现象,如传感器故障、通信中断等。本部分将系统梳理多种缺失数据填充技术。包括简单的插值法(线性插值、样条插值)、基于统计的填充(均值、中位数填充)、以及更复杂的模型驱动方法,如基于时间序列模型(ARIMA)的预测填充,以及利用深度学习模型(如LSTM、GAN)进行上下文感知的智能填充。讨论不同填充方法对后续模型性能的影响。 异常值检测与修正: 异常值可能源于传感器误报、人为干扰或极端交通事件。介绍多种异常值检测算法,如基于阈值的方法、基于统计分布的方法(Z-score、IQR)、聚类分析(DBSCAN)以及基于机器学习的异常检测模型(One-Class SVM、Isolation Forest)。对于检测到的异常值,将探讨其修正策略,包括移除、替换或使用异常值附近的有效数据进行插补。 数据融合与标准化: 随着数据源的多样化,如何有效地融合来自不同传感器、不同时间尺度、不同精度的交通数据成为关键。本部分将介绍多源数据融合的理论框架与技术,包括基于权重的融合、基于贝叶斯理论的融合以及深度学习中的多模态融合技术。同时,阐述数据标准化和归一化的必要性,以及常用的标准化方法,为后续模型训练奠定基础。 第二部分:交通流状态辨识理论与方法 在完成数据清洗与预处理后,如何准确地辨识交通流的当前状态,是实现智能交通控制的关键。本部分将聚焦于交通流状态辨识的理论基础和技术手段。 交通流基本理论回顾: 简要回顾经典的交通流理论,如宏观交通流模型(Lighthill-Whitham-Richards模型、Payne-Whitham模型)、元胞自动机模型等,为理解交通流的动态演化提供理论支撑。 交通状态的定义与指标: 深入探讨不同交通状态的定义,如自由流、稳定流、拥堵流、临界流等,并界定相应的辨识指标。例如,车速、车头时距、车道占有率、流量、密度等宏观参数,以及微观参数如换道行为、加减速模式等。 基于统计模型的辨识方法: 介绍基于统计学原理的交通状态辨识方法。例如,利用概率分布模型(如高斯混合模型)对不同交通状态下的参数进行建模,再通过最大似然估计或贝叶斯推理进行状态判别。 基于机器学习的辨识模型: 重点阐述各类机器学习模型在交通状态辨识中的应用。包括: 监督学习方法: 如支持向量机(SVM)、决策树、随机森林、梯度提升树(如XGBoost、LightGBM)等,利用已标记的交通数据集训练分类器,识别当前交通状态。 无监督学习方法: 如聚类算法(K-means、谱聚类)用于发现交通流数据中潜在的、未被预先定义的交通状态模式。 深度学习方法: 重点介绍卷积神经网络(CNN)在处理空间结构化的交通数据(如路段流量矩阵、图像数据)中的优势,以及循环神经网络(RNN)、长短期记忆网络(LSTM)、门控循环单元(GRU)在捕捉交通流时间序列动态性方面的能力。以及Transformer模型在长程依赖性建模方面的潜力。 混合辨识模型与集成学习: 探讨如何结合不同模型的优势,构建混合辨识模型或利用集成学习技术(如Bagging、Boosting、Stacking)来提高辨识的鲁棒性和准确性。 实时性与鲁棒性要求: 强调交通状态辨识在实际应用中对实时性和鲁棒性的高要求,分析如何设计计算效率高且能够抵御数据扰动的辨识算法。 第三部分:交通流优化控制关键理论与方法 基于精确的交通状态辨识,本部分将深入探讨如何对交通流进行优化控制,以提升交通效率、缓解拥堵、保障安全。 交通控制目标与优化准则: 明确交通优化的目标,如减少行程时间、降低延误、减少停车次数、提高通行能力、降低排放、提升安全性等。介绍常用的优化准则,如最小化总延误、最大化通行量、最小化拥堵范围等。 信号控制优化: 传统信号配时方法: 回顾并分析Webster法、饱和度法等经典信号配时方法。 自适应信号控制: 重点介绍基于实时交通数据的自适应信号控制策略,包括基于排队论的控制、基于强化学习(如Q-learning、Deep Q-Network, DQN)的自适应信号控制,以及基于模型预测控制(MPC)的信号优化。 区域协调控制: 探讨如何实现交叉口之间的信号协调,形成绿波带,提高干线通行效率。 匝道控制与流量调节: 分析高速公路入口匝道控制(ramp metering)的原理与技术,介绍各种匝道控制算法,如ALINEA、AC07、MMAC等,以及基于预测的匝道控制策略。 出行诱导与路径优化: 介绍可变信息标志(VMS)、导航系统等出行信息发布方式,以及如何基于实时交通信息进行动态路径诱导,引导车辆选择最优路径,分散交通流量。 协同控制策略: 探讨不同交通控制子系统的协同,如信号控制与匝道控制、信号控制与公共交通优先、车辆与基础设施协同(V2I)等,以实现全局最优。 仿真与评估: 强调交通仿真在优化控制策略验证和评估中的重要性。介绍常用的交通仿真软件(如VISSIM, SUMO)以及仿真结果的分析与评估方法。 面向未来的交通控制: 展望未来交通控制的发展方向,如基于人工智能的预测性控制、车联网(V2X)驱动的协同控制、以及对新兴交通方式(如自动驾驶车辆)的适应性控制。 本书内容严谨,理论扎实,方法实用,旨在为交通工程、计算机科学、控制工程等领域的科研人员、工程师以及高等院校师生提供一份全面而深入的参考。通过对交通流数据清洗、状态辨识和优化控制关键理论方法的系统性阐述,期望能够推动智能交通系统的理论研究与工程实践。

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目录信息

目录
前言
1 绪论
1.1 its发展背景
1.2 国内外its研究历史与发展现状
1.2.1 国外its研究历史与发展现状
1.2.2 我国its研究历史与发展现状
1.2.3 its主要功能子系统
1.3 交通流数据清洗与状态辨识及优化控制概述
1.4 本书主要内容
参考文献
第一篇 交通流数据清洗关键理论及方法
2 交通流数据清洗概述
2.1 研究背景
2.2 研究的必要性及数据清洗
2.2.1 必要性
2.2.2 交通流数据清洗的主要内容
2.3 国内外相关研究状况
2.3.1 数据清洗研究状况
2.3.2 交通流数据清洗研究状况
2.4 本篇主要研究内容
2.5 本章小结
参考文献
3 交通流丢失数据补齐算法
3.1 丢失数据的分析
3.2 基于粗集理论的交通流丢失数据补齐算法
3.2.1 粗集理论
3.2.2 roustida算法流程
3.2.3 模型应用与结果分析
3.2.4 结论
3.3 基于最小二乘支持向量机的交通流丢失数据补齐算法
3.3.1 支持向量机和最小二乘支持向量机的原理
3.3.2 交通流丢失数据补齐模型及仿真
3.3.3 结论
3.4 本章小结
参考文献
4 交通流错误数据判别和修正算法
4.1 错误数据判别模型
4.1.1 孤立点检测算法
4.1.2 边界检测算法
4.1.3 阈值理论与交通流理论的组合检测算法
4.2 错误数据修正模型
4.2.1 灰色gm(1,1)模型
4.2.2 错误数据修正模型
4.3 应用实例
4.3.1 数据来源
4.3.2 算法流程
4.3.3 模型应用
4.3.4 结果分析
4.4 结论
4.5 本章小结
参考文献
5 交通流冗余数据约简算法
5.1 冗余数据识别和约简方法
5.1.1 基于等级分组法的冗余数据识别方法
5.1.2 冗余数据的约简方法
5.2 应用实例
5.2.1 数据来源
5.2.2 算法流程
5.2.3 模型应用
5.2.4 结果分析
5.3 结论
5.4 本章小结
参考文献
6 本篇内容总结及其展望
6.1 总结
6.2 未来的研究方向
第二篇 交通流状态辨识关键理论及方法
7 交通流状态辨识系统框架
7.1 交通流状态辨识系统框架结构
7.2 系统框架的主要组成部分
7.2.1 交通状态判别子系统
7.2.2 动态交通信息采集子系统
7.2.3 交通流数据清洗子系统
7.2.4 交通流控制子系统
7.2.5 调度子系统
7.2.6 交通信息发布子系统
7.2.7 事件数据管理子系统
7.2.8 通信子系统
7.3 本篇主要研究内容与方法
7.4 本章小结
参考文献
8 交通流状态预辨识方法
8.1 交通流预测方法简介
8.1.1 基于统计理论的模型
8.1.2 基于非线性预测理论的模型
8.1.3 基于神经网络理论的模型
8.1.4 基于动态分配理论的模型
8.1.5 基于微观交通仿真的模型
8.2 基于非参数回归样条的交通流短时预测方法
8.2.1 非参数回归
8.2.2 非参数回归样条拟合方法
8.2.3 非参数回归样条拟合方法在交通流短时预测中的应用
8.3 基于投影寻踪自回归的短时交通流预测方法
8.3.1 投影寻踪技术
8.3.2 pp自回归模型[ppar(k)]
8.3.3 交通流ppar回归预测
8.3.4 结论
8.4 本章小结
参考文献
9 交通流量变检测方法
9.1 概述
9.2 指数分布概率变点模型研究
9.2.1 指数分布参数的变点
9.2.2 均值变点搜索方法
9.2.3 模型应用与结果分析
9.3 二项分布概率变点模型研究
9.3.1 累次计数法
9.3.2 模型应用与结果分析
9.4 本章小结
参考文献
10 交通流质变检测方法
10.1 交通事件检测方法简介
10.1.1 交通事件
10.1.2 主要事件检测算法及评价指标
10.2 交通流突变分析的变点统计方法
10.2.1 概述
10.2.2 交通流突变分析的最小二乘法
10.2.3 交通流突变分析的局部比较法
10.3 基于多分辨分析的交通事件自动检测方法
10.3.1 多分辨分析mallat算法
10.3.2 小波滤波器及mallat算法的具体实现
10.3.3 多分辨分析在交通事件自动检测中的应用
10.4 本章小结
参考文献
11 信息融合技术在交通流状态实时辨识中的应用
11.1 信息融合及交通信息融合简介
11.1.1 信息融合
11.1.2 信息融合的层次级别
11.1.3 信息融合方法
11.2 基于支持向量机的交通信息融合方法研究
11.2.1 支持向量机简介
11.2.2 基于svm的信息融合方法在交通流状态实时辨识中的应用
11.2.3 结论
11.3 基于遗传算法的交通信息模糊融合方法
11.3.1 模糊控制和遗传算法
11.3.2 基于遗传算法的信息模糊融合方法在交通流状态实时辨识中的应用
11.4 本章小结
参考文献
12 本篇内容总结及其展望
第三篇 交通流优化控制关键理论及方法
13 交通流优化控制
13.1 研究的背景和意义
13.2 dta问题
13.2.1 国外研究现状
13.2.2 我国研究现状
13.3 最短路径问题
13.4 本篇主要内容
参考文献
14 蚁群算法概述
14.1 算法的基本理论
14.1.1 基本原理
14.1.2 基本模型
14.1.3 理论基础
14.1.4 算法框架
14.1.5 算法的特点
14.2 算法的研究进展
14.2.1 理论研究
14.2.2 应用研究
14.2.3 我国研究情况
14.3 本章小结
参考文献
15 基于自适应蚁群算法的交通网络中最短路径搜索方法
15.1 交通网络中最短路径问题
15.1.1 交通网络的表示
15.1.2 最短路径问题的描述
15.2 用自适应蚁群算法求解交通网络中最短路径问题
15.2.1 寻优思路
15.2.2 算法设计
15.2.3 算法的具体实现步骤
15.2.4 算法流程图
15.3 仿真实验
15.4 本章小结
参考文献
16 基于混沌蚁群算法的动态用户最优配流方法
16.1 基本问题
16.1.1 交通分配理论概述
16.1.2 dta特征
16.1.3 动态交通网络配流原则
16.1.4 动态交通网络约束条件
16.2 离散型动态用户最优配流模型
16.3 dta方法
16.3.1 混沌蚁群算法
16.3.2 用caco求解离散型动态用户最优配流问题
16.4 仿真实验
16.5 本章小结
参考文献
17 本篇内容总结及其展望
17.1 总结
17.2 研究展望
附录
附录a 王晓原主持的科研项目
附录b 作者的代表性论著
· · · · · · (收起)

读后感

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用户评价

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这本书的书名,光是“交通流数据清洗与状态辨识及优化控制关键理论方法”这几个字眼组合在一起,就足以让人感到一种扑面而来的专业气息和硬核深度。我抱着极大的期待翻开了它,希望能在这本书中找到解决实际工作中那些棘手问题的钥匙。然而,当我深入阅读后,发现这本书的叙事方式和内容组织,似乎更像是一部严谨的学术专著,而不是我期待中那种能让我快速掌握“怎么做”的实操指南。它花了大量的篇幅去阐述那些基础性的数学模型和统计学原理,这对于希望快速上手进行数据预处理和模型构建的工程师来说,可能有些过于晦涩和繁琐了。比如,在讨论数据清洗的章节,作者深入探讨了傅里叶变换在去除周期性噪声中的应用,尽管理论上无懈可击,但对于那些日常只需处理传感器漂移或测量误差的读者而言,可能感觉像是在用牛刀杀鸡,并且这把“牛刀”的说明书过于复杂。我更期望看到一些关于实际数据集的案例分析,哪怕只是一个简化的模拟场景,来展示这些复杂理论在实际应用中是如何落地的。坦白说,这本书的深度毋庸置疑,但它的“可读性”对于非专业研究人员来说,确实是一个不小的挑战。我总觉得,作者似乎更专注于构建一个理论的完美闭环,而不是在引导读者完成一次流畅的学习体验。

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关于优化控制的章节,作者采用了非常前沿的次梯度算法来处理大规模交通网络下的非光滑优化问题,这在理论上代表了学科的前沿方向。然而,在实际应用中,这类算法对计算资源的需求是极其苛刻的,并且其收敛速度和稳定性往往受到初始点和步长选择的强烈影响。这本书对于这些实际操作中的“陷阱”几乎没有提及,它只是给出了算法的收敛性证明,这对于那些需要在有限算力(比如车载计算单元或边缘服务器)上实时运行控制策略的工程师来说,参考价值大打折扣。一个更实用的处理方式,或许是引入一些工程上更鲁棒、对计算复杂度友好的近似算法,或者至少提供一些关于如何在资源受限环境下对复杂优化算法进行“剪枝”或“近似化”的工程策略。现在这本书给出的方案,虽然在数学上是“最优”的,但在工程实践中,可能因为计算延迟过高而完全无法部署。它像是一个完美的理论模型,却忘记了我们生活在一个充满约束和不确定性的真实世界里,这种对工程现实的“失焦”,让这本书的实用价值大打折扣。

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我花了相当大的精力去钻研其中关于“状态辨识”的部分,因为它直接关系到我们如何准确地推断出隐藏在观测数据背后的真实交通状况。理论上,作者提出的基于卡尔曼滤波的扩展模型似乎很有前景,它试图整合多种异构传感器数据,以期达到更高的鲁棒性。然而,在实际操作层面,这本书对如何确定滤波器的初始协方差矩阵和过程噪声协方差矩阵的经验性描述几乎为零。它只是轻描淡写地提到了这些参数的重要性,却完全没有提供任何关于如何根据实际交通数据特性去“调优”这些关键参数的实践建议或启发式规则。这就好比,给了你一个极其精密的引擎蓝图,却没告诉你应该用什么标号的机油才能让它平稳运行。对于希望将这套理论应用于实际交通管理系统的工程师来说,这无疑是一个巨大的鸿沟。我们需要的不仅仅是“是什么”,更需要知道“怎么办”以及“在什么情况下应该怎么调”。这种理论与实践之间的巨大信息缺失,使得这本书在作为一本实用参考手册方面,显得力不从心,更像是一篇停留在概念验证阶段的研究报告的集合。

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这本书的版式设计和排版风格,给我留下了一种强烈的“上世纪末教科书”的印象,这多少影响了我的阅读心情。大量的公式、复杂的符号,以及几乎没有留白的紧凑布局,使得眼睛在长时间阅读后感到非常疲惫。我尝试在其中寻找一些能让我眼前一亮的图表或示意图来辅助理解那些抽象的概念,但很遗憾,图例稀少,且很多关键流程图的绘制也显得非常简陋,几乎完全依赖文字来描述一个动态的优化过程。例如,在介绍多智能体协同控制算法时,理论描述非常详尽,涉及了复杂的博弈论基础,但如果没有一张清晰的交互网络图来辅助理解不同智能体间的依赖关系,光靠文字来想象整个系统的运行逻辑,实在是一项考验脑力的工作。我甚至怀疑,这本书的审校过程中,是否充分考虑了现代读者的阅读习惯?在如今这个视觉信息爆炸的时代,一本技术书籍如果不能用直观的图形语言来传递复杂信息,无疑会大大降低读者的吸收效率。我希望作者能在后续的修订中,能够增加更多高质量的插图和流程图,将那些深奥的理论“视觉化”,让数据流动的轨迹和控制信号的传递过程不再是抽象的数学符号,而是可以被直观观察到的实体。

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这本书的语言风格,用一个词来形容就是“极度学术化”,它似乎是直接从多篇高水平的期刊论文中整合而来,缺乏一种连贯的、面向读者的引导性叙事。每一个章节的切换都显得有些生硬,仿佛是不同研究者在不同时间段独立完成的工作拼凑在一起。例如,前一章还在讨论宏观交通流模型的演进,下一章立刻跳跃到微观层面关于车辆跟驰行为的随机微分方程建模,两者之间的过渡和逻辑衔接非常突兀,读者需要自己花费大量精力去构建知识点之间的桥梁。我希望能看到一种更具逻辑递进的叙事结构,比如先建立数据获取与预处理的通用流程,再引入基础的状态估计方法,最后才深入到复杂的优化控制策略,形成一个从低阶到高阶、由浅入深的知识体系。目前这种零散的知识点堆砌,虽然内容密度很高,但对于建立一个系统性的认知框架来说,帮助非常有限,读起来感觉像是“在知识的海洋中游泳,却找不到灯塔指引方向”。这种结构上的松散感,让原本就复杂的理论更难被消化和吸收。

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读了第一篇:交通流数据清洗关键理论及方法,较全。

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读了第一篇:交通流数据清洗关键理论及方法,较全。

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