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融合兴趣点和联合损失函数的长时航迹预测模型

周传鑫 简刚 李凌书 杨壹 胡宇 刘正铭 张伟 饶真珍 李云霄 吴超

周传鑫, 简刚, 李凌书, 杨壹, 胡宇, 刘正铭, 张伟, 饶真珍, 李云霄, 吴超. 融合兴趣点和联合损失函数的长时航迹预测模型[J]. 电子与信息学报, 2025, 47(8): 2841-2849. doi: 10.11999/JEIT250011
引用本文: 周传鑫, 简刚, 李凌书, 杨壹, 胡宇, 刘正铭, 张伟, 饶真珍, 李云霄, 吴超. 融合兴趣点和联合损失函数的长时航迹预测模型[J]. 电子与信息学报, 2025, 47(8): 2841-2849. doi: 10.11999/JEIT250011
ZHOU Chuanxin, JIAN Gang, LI Lingshu, YANG Yi, HU Yu, LIU Zhengming, ZHANG Wei, RAO Zhenzhen, LI Yunxiao, WU Chao. Long-Term Trajectory Prediction Model Based on Points of Interest and Joint Loss Function[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2025, 47(8): 2841-2849. doi: 10.11999/JEIT250011
Citation: ZHOU Chuanxin, JIAN Gang, LI Lingshu, YANG Yi, HU Yu, LIU Zhengming, ZHANG Wei, RAO Zhenzhen, LI Yunxiao, WU Chao. Long-Term Trajectory Prediction Model Based on Points of Interest and Joint Loss Function[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2025, 47(8): 2841-2849. doi: 10.11999/JEIT250011

融合兴趣点和联合损失函数的长时航迹预测模型

doi: 10.11999/JEIT250011 cstr: 32379.14.JEIT250011
详细信息
    作者简介:

    周传鑫:男,硕士,助理工程师,研究方向为人工智能、大数据分析

    简刚:男,硕士,助理研究员,研究方向为大数据分析、大模型

    李凌书:男,博士,助理研究员,研究方向为人工智能、大模型

    杨壹:男,硕士,助理工程师,研究方向为人工智能、大模型

    胡宇:男,硕士,助理研究员,研究方向为数据分析、人工智能

    刘正铭:男,硕士,助理研究员,研究方向为数据分析、深度学习

    张伟:男,硕士,副研究员,研究方向为数据分析、人工智能

    饶真珍:女,硕士,助理研究员,研究方向为数据分析、深度学习

    李云霄:男,硕士,助理研究员,研究方向为数据分析、人工智能

    吴超:男,硕士,助理研究员,研究方向为数据分析、深度学习

    通讯作者:

    简刚 lyonardo@163.com

  • 中图分类号: TN919.81; TP391.41

Long-Term Trajectory Prediction Model Based on Points of Interest and Joint Loss Function

  • 摘要: 航迹预测在飞机舰船交通管理、路径规划和安全监测等领域具有重要意义。针对现有Transformer模型在航迹预测任务中存在的训练收敛速度慢、模型过拟合、长时误差大等问题,该文提出一种融合兴趣点和联合损失函数的长时航迹预测模型(PL-Transformer)。首先,通过专家经验定义预测范围内兴趣点的位置,引入航迹范围内待预测轨迹点与兴趣点间的关联特征,联合已有特征并转化为数据特征的稀疏表示,增强模型对运动航迹的全局特征捕捉能力,解决Transformer模型仅关注航迹自身局部特征变化的问题;其次,通过优化损失函数,将模型经纬度特征与兴趣点特征损失相关联,挖掘不同特征间的内涵损失,从而提高对航迹的长时预测精度。实验结果表明,PL-Transformer模型在较长时间尺度的航迹预测任务中,相较于基准长时模型预测误差平均降低了约10%,验证了该模型在航迹预测中的有效性与可靠性。
  • 图  1  PL-Transformer模型预测过程

    图  2  数据特征稀疏表示

    图  3  航迹预测空间中的兴趣点

    图  4  TrajAir数据集可视化展示

    图  5  模型训练过程loss曲线图

    图  6  航迹预测可视化

    1  PL-Transformer模型算法

     输入:训练集$ \{ {{\boldsymbol{x}}_{0:L}}\} $,训练模型参数$ \theta $,学习率$ \eta $,分类区域
     R,速度sog,方向角cog。
     输出:模型训练参数$ \theta $。
     for $ {{\boldsymbol{x}}_{0:L}} $ in $ \{ {{\boldsymbol{x}}_{0:L}}\} $ do
      // 根据经纬度,计算与兴趣点A的距离和方向角
      $ d_i^{{{\mathrm{A}}}},\theta _i^{{{\mathrm{A}}}} = {R_{{\mathrm{lat}}}},{R_{{\mathrm{lon}}}} $
      for t in 0: L do
        // 对每个时刻向量进行one-hot编码
        $ {{\boldsymbol{h}}_t} = {\mathrm{onehot}}({R_{{\mathrm{lat}}}},{R_{{\mathrm{lon}}}},{\mathrm{cog}},{\mathrm{sog}},d_i^{{{\mathrm{A}}}},\theta _i^{{{\mathrm{A}}}}) $
       end
      // embedding编码和transformer模型
      $ {{\boldsymbol{e}}_t} = {\mathrm{embedding}}({{\boldsymbol{h}}_t}) $
      $ {{\boldsymbol{p}}_t} = {\mathrm{transformer}}({{\boldsymbol{e}}_t}) $
       // 损失计算
      $ {\mathrm{loss}} = 0 $
      for l in 1: L do
        $ {\mathrm{loss}} = {\mathrm{loss}} + \ell ({{\boldsymbol{h}}_t},{{\boldsymbol{p}}_t}) $
       end
      // 优化函数
      $ \theta = {\mathrm{AdamW}}({\mathrm{loss}},\theta ,{{\boldsymbol{x}}_{0:L}}) $
     end
     Return: $ \theta $
    下载: 导出CSV

    表  1  不同算法的评价指标值情况(×10–3)

    指标 MSE MAE MdAE R2 MAPE
    GRU 0.187 6.484 4.874 994.974 19.214
    LSTM 0.255 12.695 10.663 996.164 54.235
    TrAISformer 0.122 3.130 1.889 996.628 17.817
    PL-Transformer 0.122 3.172 1.904 996.426 15.317
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    表  2  长期预测性能(km)

    模型1 h2 h3 h
    TrAISformer2.1604.1956.145
    PL-Transformer2.0583.8155.561
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2025-01-07
  • 修回日期:  2025-07-10
  • 网络出版日期:  2025-07-17
  • 刊出日期:  2025-08-27

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