考虑建成环境交互影响的共享单车需求预测.pdf
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1、投稿网址:2023 年 第23 卷 第26 期2023,23(26):11424-07科 学 技 术 与 工 程Science Technology and EngineeringISSN 16711815CN 114688/T收稿日期:2023-01-29修订日期:2023-06-27基金项目:国家自然科学基金(52272332);国家自然科学基金青年科学基金(72201080)第一作者:魏晋(1982),男,汉族,甘肃皋兰人,硕士,高级工程师。研究方向:交通规划,市政道路工程设计。E-mail:286144587 。通信作者:张炎棠(1997),男,汉族,内蒙古呼伦贝尔人,博士研究生。研究
2、方向:交通规划与管理,交通行为。E-mail:yantang_。引用格式:魏晋,安实,张炎棠.考虑建成环境交互影响的共享单车需求预测J.科学技术与工程,2023,23(26):11424-11430.Wei Jin,An Shi,Zhang Yantang.Prediction of shared bicycle demand based on environmental factor interactionsJ.Science Technologyand Engineering,2023,23(26):11424-11430.考虑建成环境交互影响的共享单车需求预测魏晋1,安实2,张炎棠2(1
3、.上海市政工程设计研究总院集团第十市政设计院有限公司,兰州 730000;2.哈尔滨工业大学交通科学与工程学院,哈尔滨 150000)摘 要 共享单车的发展有利于交通的节能减排绿色发展。建成环境是影响共享单车出行需求的重要因素,然而很少有学者探究考虑其交互作用。为了准确分析建成环境中各影响因素的交互作用以达到精确预测共享单车出行需求的目的,使用了深圳市共享单车出行数据、兴趣点数据(point of interest,POI)、路网数据和公交线路数据等多源数据,采用梯度提升决策树(gradient boosting decision tree,GBDT)模型预测共享单车出行需求,并与 BP(ba
4、ck propagation)神经网络模型预测结果进行比较;最后借助 SHAP(shapley additive explanation)方法解释 GBDT 模型中各种影响因子对共享单车出行需求产生的影响,并分析各影响因素及其交互作用。实验结果表明:GBDT 模型预测结果平均绝对误差为 0.683,均方根误差为 0.728,较 BP 神经网络模型预测准确性更高;通过 SHAP 方法发现自行车道密度、公交站点数等交通属性因素对于共享单车出行需求作用明显,土地利用中土地利用混合度不是简单线性作用且不同 POI 间存在复杂交互关系。可见通过借助 GBDT 模型和 SHAP 方法可以用来共享单车出行需
5、求预测以及影响因素分析,从而为共享单车发展提出改善建议。关键词 共享单车;需求预测;POI 数据;梯度提升决策树;SHAP(shapley additive explanation)中图法分类号 U484;文献标志码 APrediction of Shared Bicycle Demand Based onEnvironmental Factor InteractionsWEI Jin1,AN Shi2,ZHANG Yan-tang2(1.Shanghai Municipal Engineering Design and Research Institute Group Tenth Munic
6、ipal Design Institute Co.,Lanzhou 730000,China;2.School of Transportation Science and Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150000,China)Abstract The advancement of bike-sharing infrastructure is a pivotal contributor to the promotion of energy conservation and envi-ronmentally-friendly
7、transportation.Undoubtedly,the constructed environment plays a vital role in determining the frequency and popu-larity of bike-sharing usage.Limited research has been conducted on this important interaction.In order to accurately analyze the inter-action of various factors in the built environment t
8、o accurately predict the demand for shared bicycle trips,through multiple sources ofdata such as shared bicycle trips,points of interest data,road network data and bus route data in Shenzhen were crawled,and the gra-dient boosting decision tree(GBDT)model was used to predict the demand for shared bi
9、cycle trips.Finally,with the help of theSHAP(shapley additive explanation)method,the influence of the various influencing factors in the GBDT model on the demand for bi-cycle sharing trips was explained,and the influencing factors and their interactions were analysed.Results show that the average ab
10、so-lute error of the GBDT model prediction results is 0.683 and the root mean square error is 0.728,which is higher than the predictionaccuracy of the BP neural network model.The SHAP method reveals that traffic attributes such as the density of bicycle lanes and thenumber of bus stops play a signif
11、icant role in the demand for shared bicycle trips,and that the land use mix is not simply linear andthere are complex interactions between different POIs.The GBDT model and the SHAP method can be employed to predict the demandfor shared bicycle trips and analyse the influencing factors,so as to sugg
12、est improvements for the development of shared bicycle trips.Keywords shared bicycle;demand forecast;POI(point of interest)data;GBDT(gradient boosting decision tree);SHAP(sha-pley additive explanation)伴随着实现双碳目标重大时间节点的提出,交通领域践行节能减排可持续发展任务迫在眉睫。大力发展公共交通是实现绿色交通的重要途径,然而公共交通“最后一公里”问题决定着其使用的吸投稿网址:引力、竞争力。而自
13、行车等慢行交通以其灵活轻便、可达性高等出行特点1,成为“最后一公里”的有利助力。随着共享经济的发展,以共享单车为核心的慢行交通正在被居民普遍接受2-3。共享交通成为解决“最后一公里”问题的关键,是实现可持续交通发展的有效途径4。为支撑城市可持续交通的发展以及为城市规划政策提供理论依据,有必要精准预测共享单车出行需求。在以往研究中,建成环境因素常被用来预测共享单车出行需求5。Li 等6利用普通最小二乘回归和地理加权回归模型探讨建成环境和社会人口特征对共享单车利用的影响,研究发现兴趣点数据(point of interest,POI)混合度大大增加居民出行的多样性。徐标等7使用 POI 数据构建以
14、骑行距离为约束的多尺度时空地理加权回归模型,探究建成环境和区域经济属性对停车需求影响的时空异质性模式。Ma 等8利用时空地理加权回归模型研究了南京市建成环境和社会经济属性在时空维度上对定桩和无桩共享单车使用的影响。崔树强等9采用逐步回归分析方法研究了长沙共享单车出行需求,发现 POI 密度与多样性、路网密度、土地利用类型多样性等因素对共享单车出行需求产生正向作用。现有的研究已经表明,建成环境即土地利用对共享单车出行需求影响十分关键。然而,以往的研究较少突破线性假设的限制,尽管能够得到建成环境要素与出行需求的影响,但其关系相对粗糙,忽视非线性关系所导致的阈值效应以及各土地利用要素间的交互作用将会
15、对城市交通规划中的空间布局以及基础设施建设资源造成浪费和损失10-11。因此,需准确说明各影响因素对共享单车出行需求产生的影响。此外,最近有限的研究尽管使用机器学习模型如随机森林与梯度提升树等非线性模型审视了建成环境要素对共享骑行的影响,但鉴于机器学习模型的“黑箱”特性,对于预测结果无法有效解释。考虑到以上研究不足,现提出一种基于 GBDT 模型的共享单车出行需求预测模型,为提高模型精度引入自行车道密度、公交站点数等交通属性的建成环境影响因素,以及对预测结果进行解释来阐明各影响因素的交互作用,借助 SHAP 方法对 GBDT 模型进行解释,分析各影响因子对于共享单车出行需求的作用,并为深圳市共
16、享单车发展提出合理建议。1 GBDT 模型和 SHAP 解释方法1.1 GBDT 模型GBDT 模型是由 Fridman 等12提出的一种集成模型,它由多棵弱决策树组成,并通过提升策略提高模型质量。每一棵决策树的构建都使得残差向梯度方向减少,在逐次迭代中使得模型残差不断减小。利用损失函数来评价模型性能,认为损失函数越小,性能越好。在共享单车出行需求预测领域,与传统的回归模型相比13-14,它具有预测精度高、非线性、鲁棒性强等优点。GBDT 模型工作流程如下。(1)初始化弱学习器。f0(x)=arg mincni=1L(yi,c)(1)式(1)中:n 为样本数;f0(x)为初始弱学习器;yi为训
17、练集中第 i 个样本的标签数据;在初始化弱学习器时,c 取值为所有样本标签值的均值;L(yi,c)为单个弱学习器的损失函数。(2)对于 m=1,2,M,重复步骤 步骤。其中,M 为回归树迭代次数。对 i=1,2,n,计算负梯度,即rmi=-Lyi,f(xi)f(xi)f(x)=fm-1(x)(2)式(2)中:rmi为第 i 个样本 m 次迭代的负梯度函数;f(xi)为第 i 个样本对应的弱学习器。对 rmi拟合一棵 CART 回归树,得到第 m 个回归树对应的叶子节点区域为 Rmj,j=1,2,J,其中 J 为第 m 棵回归树的叶子节点个数。对 j=1,2,J,线性搜索损失函数的最小值,并计算
18、计算最佳拟合值。cmj=argminxiRmjLyi,fm-1(xi)+c(3)式(3)中:cmj为 Rmj的平方损失最小值。更新:fm(x)=fm-1(x)+Jj=1cmjI,x Rmj(4)式(4)中:I 为指示函数,若 x Rmj则 I=1,否则I=0。(3)得到强学习器。f(x)=fM(x)=Mm=1Jj=1cmjI,x Rmj(5)损失函数一般使用平方损失、对数损失、交叉熵损失函数等。本文研究采用平方损失函数,即Lyi,f(xi)=yi-f(xi)2,利用损失函数的负梯度作为模型残差的近似值。1.2 模型评价指标为评价 GBDT 模型的性能,选用平均绝对误差(mean absolut
19、e error,MAE)和均方根误差(root meansquare erro,RMSE)来评价模型的预测有效性和可靠性,其计算公式分别为524112023,23(26)魏晋,等:考虑建成环境交互影响的共享单车需求预测投稿网址:MAE=1nni=1yi-yi(6)RMSE=1nni=1(yi-yi)2(7)式中:yi为模型预测值;yi为真实值。1.3 SHAP 解释SHAP 是基于博弈构建的一个加性解释模型,其中构建了不同输入变量的组合,通过输入变量的存在与否比较模型输出的平均变化来阐明目标输入变量的重要性15。SHAP 将模型的预测值解释为每个输入特征的 SHAP 值之和,即y-=f0+Ni
20、=1fi(8)式(8)中:N 为特征总数;y-为模型预测值;f0为所有训练样本的预测均值;fi为特征 i 对应的归因值。则模型中特征 i 的 SHAP 值为i=SNi|S|!(M-|S|-1)!M!fx(S i)-fx(S)(9)式(9)中:N 为训练集中所有的特征的集合,其维度为 M;S 为从 N 中抽取出来的子集,其维度为S;fx(S)表达的是只利用特征集合 S,根据树的结构,叶子节点的取值,内部节点的 Cover 值等,计算出样本的平均值;fx(Si)表达的是在特征集合 S 的基础上,结合特征 i,再次根据树的结构,叶子节点的取值,内部节点的 Cover 值等,计算出样本的平均值;|S|
21、!(M-|S|-1)!M!为对应特征子集 S 下,对于上述包含特征 i 和不包含特征 i 情况下,样本取值之差的权重。2 案例分析2.1 实验环境所有实验分析均在 Windows7,AMD Ryzen 95900HX,3.30 GHz,and 32 GB RAM 系统中,使用Anaconda Navigator3(Jupyter notebook)Python3.6 进行。2.2 数据来源及处理深 圳 市 总 面 积 1 997.47 km2,常 住 人 口1 768.16 万人。市政府为积极推动公共自行车发展,试图解决“最后一公里”问题,提升公共交通效率。截至2022 年8 月,深圳全市现有
22、共享单车数量约为41 万多辆,注册用户有近3 000 万,日骑行辆129 万次。研究数据包括:获取于深圳政府数据开放平台(https:/ POI 数据,数据包含兴趣点的土地利用信息及其经纬度信;含有道路类型、里程及位置信息的深圳道路网数据;含有站点名称、经过线路及其经纬度信息的深圳市公交线路数据。一方面由于共享单车出行数据具有缺省值和偏差值,另一方面各种数据间进行匹配,需要对数据进行预处理。具体处理步骤如下。(1)遍历共享单车出行数据,若存在缺省值、错误值等,将该条数据进行删除。(2)通过共享单车出行起终点经纬度计算单次出行距离,将不满足真实出行距离的数据删除。本文定义单次出行距离在 50 m
23、 到 5 km 之间。(3)借助 TransBigData 模块将共享单车出行数据、POI 数据、道路网数据和公交站点栅格化并匹配,计算各栅格共享单车发生吸引量、各类土地利用和土地混合使用度、公交站点数目及道路网密度等的情况。2.3 出行需求分析分别绘制各栅格共享单车发生吸引量分布图如图 1 图 2 所示。可以发现,共享单车发生吸引分布接近且比较集中,在东南部,此处为沿海地区,经济发达,土地利用程度大;在西北和东北地区,共享单车出行需求量不大,该处为龙岗区和宝安区多为工业园区,因此共享单车出行需求较少。图 1 共享单车发生分布图Fig.1 Distribution map of shared
24、bicycle occurrence图 2 共享单车吸引分布图Fig.2 Distribution map of shared bicycle attraction62411科 学 技 术 与 工 程Science Technology and Engineering2023,23(26)投稿网址:2.4 出行需求预测大量研究表明,共享单车出行需求受土地利用、道路网等建成环境因素影响,结合上节分析,本文选取土地利用及服务设施和交通属性两类因素共 17 个变量分析预测土地利用等建成环境条件对共享单车出行需求的影响。表 1 详细地展示了 17 个变量及其统计特征,其中混合土地利用无量纲。由表 1
25、可知,在各类土地要素中,餐饮美食、购物消费和公司企业 POI 数量最大,但其对应的标准差也较大说明其分布并不均匀;混合土地利用度均值为1.851,标准差为0.332,分布较为均匀,反映深圳各地区土地开发的混合程度一致,多种用地存在。在交通属性中,深圳市的自行车道密度以及公交车站数目均值较小,说明其设施不完善,而且自行车道密度的标准差较大,反映了各地区自行车道密度分布不均匀,自行车道建设存在较大的进步空间。表 1 影响因素统计Table 1 Descriptive statistics of influence variables变量类型变量名称均值/标准差混合土地利用度1.851/0.332交
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