吉林大学学报(工学版) ›› 2025, Vol. 55 ›› Issue (4): 1336-1345.doi: 10.13229/j.cnki.jdxbgxb.20230689

• 交通运输工程·土木工程 • 上一篇    下一篇

基于时空Transformer网络的隧道交通运行风险动态辨识方法

李振江1(),万利1,周世睿2,陶楚青1,魏巍2()   

  1. 1.山东省交通规划设计院集团有限公司 隧道与地下工程设计分院,济南 250000
    2.吉林大学 交通学院,长春 130022
  • 收稿日期:2023-06-01 出版日期:2025-04-01 发布日期:2025-06-19
  • 通讯作者: 魏巍 E-mail:jnlzj@163.com;weiwei@jlu.edu.cn
  • 作者简介:李振江(1965-),男,研究员. 研究方向:隧道安全设计.E-mail: jnlzj@163.com
  • 基金资助:
    国家重点研发计划项目(2019YFB1600500);山东省交通运输厅科技计划项目(KJ-2019-SDSJTT-04)

Dynamic estimation of operational risk of tunnel traffic flow based on spatial-temporal Transformer network

Zhen-jiang LI1(),Li WAN1,Shi-rui ZHOU2,Chu-qing TAO1,Wei WEI2()   

  1. 1.Tunnel and Underground Engineering Design Branch,Shandong Provincial Communications Planning and Design Institute Group Company Limited,Jinan 250000,China
    2.College of Transportation,Jilin University,Changchun 130022,China
  • Received:2023-06-01 Online:2025-04-01 Published:2025-06-19
  • Contact: Wei WEI E-mail:jnlzj@163.com;weiwei@jlu.edu.cn

摘要:

为了及时发现、评估与应对高速公路隧道交通风险隐患,确保隧道运行安全通畅,本文构建了基于时空Transformer网络的隧道运行风险状态动态辨识方法。以隧道交通流全域检测数据与关键断面集计数据为输入,通过空间CNN卷积与时序LSTM对隧道车流不同运行状态的时空分布特征进行无监督提取;利用大样本训练Transformer网络层参数,以捕获隧道交通运行状态在高维风险特征空间的分布与差异,实现隧道交通状态的风险划分与评估。采用真实隧道交通检测数据验证了本文方法的有效性,对隧道运行风险评估精度约为96%。

关键词: 交通运输工程, 隧道交通安全, 动态评估, 深度学习, 时序卷积网络

Abstract:

To promptly detect, evaluate, and address potential traffic risks in highway tunnels, ensuring the safe and efficient operation of tunnels, a dynamic estimation method for tunnel operational risk states was proposed based on spatial-temporal Transformer network. Tunnel traffic flow holographic detection and key cross-section aggregation information as inputs was utilized, the spatial convolution and temporal LSTM was employed by proposed model for unsupervised extraction of spatiotemporal distribution features of different tunnel traffic operational states. Through extensive sample training of Transformer network layer parameters,it aims to capture the distribution and variances of tunnel traffic states in a high-dimensional risk feature space. This facilitates the estimation of operational risk of tunnel traffic flow. The effectiveness of the proposed method is verified by using real tunnel traffic detection data, and the accuracy of tunnel operation risk estimation is about 96%.

Key words: traffic transport engineering, tunnel traffic safety, dynamic evaluation, deep learning, time series convolutional network

中图分类号: 

  • U458

图1

基于时空Transformer网络的隧道运行风险评估框架"

图2

CNN空间特征卷积层结构"

图3

LSTM时序特征提取层结构"

图4

Transformer风险评估层结构"

图5

隧道风险状态仿真示意图"

表1

深度时序卷积网络其他相关参数设置"

相关参数设定值
激活函数σRelu
网络学习率0.001
最大训练次数Ttrain30 000
最小批训练尺寸10
式(13)中分类数3

表2

隧道风险状态评估结果混淆矩阵"

真实类别评估结果
正例反例
正例真正例TP假反例FN
反例假正例FP真反例TN

图6

不同数据利用情况隧道风险状态评估混淆矩阵"

表3

不同数据利用情况隧道风险状态评估结果对比"

模型精确率召回率F1分数准确率/%
全域数据+时空Transformer0.941 30.931 50.937 793.12
断面数据+时空Transformer0.910 20.898 10.904 290.37
本文方法0.960 30.963 20.964 196.18

图7

不同隧道风险状态评估方法的混淆矩阵(全域数据)"

表4

不同方法隧道风险状态评估结果对比(全域数据)"

模型精确率召回率F1分数准确率/%
SVM0.773 20.763 10.771 577.32
XGBoost0.738 70.753 60.752 275.57
CNN+Transformer0.879 80.858 10.868 887.02
LSTM+Transformer0.895 20.905 30.892 490.24
本文方法(全域数据)0.941 30.931 50.937 793.12

表5

不同方法隧道风险状态评估结果对比(断面集计数据)"

模 型精确率召回率F1分数准确率/%
贝叶斯分类0.798 20.815 40.806 780.57
随机森林0.803 70.821 40.815 481.37
XGBoost0.849 80.868 10.858 886.02
LSTM+Softmax0.836 10.849 80.833 784.24

本文方法

(断面集计数据)

0.910 20.898 10.904 290.37
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