شماره ركورد
24969
شماره راهنما
MAP2 124
عنوان
پيشبيني حجم ترافيك معابر اصلي شهر اصفهان با استفاده از روشهاي يادگيري ماشين و نظريه گراف
مقطع تحصيلي
كارشناسي ارشد
رشته تحصيلي
مهندسي نقشه برداري- سيستم اطلاعات مكاني
دانشكده
مهندسي عمران و حمل و نقل
تاريخ دفاع
1404/06/03
صفحه شمار
160 ص .
استاد راهنما
جمشيد مالكي
كليدواژه فارسي
پيشبيني حجم ترافيك ساعتي , تبديل فوريه سريع , دادههاي سرويس نشان , مدلسازي مكاني – زماني , يادگيري ماشين , يادگيري عميق , نظريه گراف
چكيده فارسي
تقاضاي روزافزون استفاده از وسايل حملونقل شخصي، مشكل تراكم ترافيك را به يكي از مهمترين بحرانها در اكثر كلانشهرهاي جهان تبديل كرده است. توانايي پيشبيني ميزان حجم ترافيك خيابان¬ها ميتواند در بسياري از برنامههاي مديريتي و كنترل ترافيك كمك كند. اطلاعات مربوط به حجم دقيق ترافيك در تصميمگيريهاي مهم حوزه حملونقل و شهرسازي نقش كليدي دارد. دسترسي به اين دادهها به مسئولين كمك ميكند تا با ديدي روشنتر در موردنيازهاي زيرساختي برنامهريزي كنند. ولي بااينوجود پيشبيني دقيق و اقتصادي وضعيت ترافيك يك مسئله چالشبرانگيز است؛ زيرا شمارش خودرو تنها در مكانهايي كه به حسگرهاي ثابت ترافيكي مجهز هستند، امكانپذير است. در ايران، زيرساختهاي كافي براي جمعآوري دادههاي ترافيكي بهروز و دقيق در همه مناطق وجود ندارد.
مدلسازي، تحليل و پيشبيني ترافيك شهري نيازمند دادههاي دقيق و جامع است. در اين پژوهش، بهمنظور جبران كمبود يا نقص در دادههاي ترافيكي، از دادههاي مسيريابي سرويس «نشان» بهره گرفته شده است. سرويس نشان با ارائه وبسرويسهايي كاربردي، امكان دسترسي به دادههاي مربوط به فاصله و زمان سفر ميان مجموعهاي از نقاط مبدأ و مقصد را فراهم ميكند. با انجام مسيريابي در ساعات مختلف شبانهروز و ثبت اطلاعات مدتزمان سفر، ميتوان حجم ترافيك بر روي يالهاي شبكه معابر شهري را برآورد كرد.
در همين راستا، بهمنظور پيشبيني حجم ترافيك معابر منطقه يك شهر اصفهان (شامل 251 خيابان)، در ساعات آينده از مجموعهاي از روشهاي يادگيري ماشين و يادگيري عميق استفاده شده است. الگوريتمهاي يادگيري ماشين شامل جنگل تصادفي و گراديان تقويتشده شديد، و الگوريتمهاي يادگيري عميق شامل شبكههاي عصبي حافظه كوتاهمدت بلند، شبكههاي بازگشتي دوطرفه و مدل Transformer در اين پژوهش به كار گرفته شدهاند. از تبديل فوريه سريع نيز جهت شناسايي فركانسهاي اصلي تغييرات حجم ترافيك و مقايسه با روشهاي ديگر استفاده شده است. پيشبيني ميزان ترافيك معابر منطقه يك اصفهان در سه روش، پيشبيني خيابانها بهصورت مستقل، بهصورت مدل واحد بدون درنظرگيري گراف و مدل واحد با درنظرگيري گراف و وابستگي مكاني صورت گرفت. در اين مدلها، ويژگيهايي از جمله وابستگي مكاني (مجموع مدتزمان سفر يالهاي ورودي خيابان)، تاريخچه مدتزمان سفر، ويژگيهاي زماني (ساعت و روزهاي هفته)، تعداد يالهاي ورودي و تعداد مراكز تأثيرگذار در ترافيك شهري مانند: تعداد مدارس، تعداد بانكها، هتلها، شهرداريها، داروخانهها، اورژانس و بيمارستانها، جمعيت محصل و كل جمعيت در محدوده 150 متري هر معبر استفاده شده است.
باتوجهبه نتايج بهدستآمده از سه رويكرد مختلف مدلسازي، ميتوان نتيجه گرفت كه درنظرگرفتن وابستگيهاي مكاني و ساختار گرافي شبكه معابر نقش تعيينكنندهاي در ارتقاي دقت پيشبيني حجم ترافيك دارد. درحاليكه رويكرد اول با ويژگيهاي پايهاي عملكرد مناسبي در افقهاي كوتاهمدت داشت، افزودن اطلاعات مكاني - كاربري در رويكرد دوم باعث بهبود محسوس دقت مدلهاي XGBoost و Random Forest شد. نهايتاً، بهرهگيري از ساختار گراف و مدل Bidirectional LSTM در رويكرد سوم، به دليل توانايي در استخراج الگوهاي پيچيده مكاني - زماني، دقيقترين نتايج را با MAE برابر 5.77 ثانيه، RMSE برابر 12.69 ثانيه، R² برابر 0.96 و MAPE برابر 8.25 درصد ارائه داد. اين يافتهها نشان ميدهد كه تركيب دادههاي مسيريابي، اطلاعات مكاني و الگوريتمهاي يادگيري عميق مبتني بر گراف ميتواند راهكاري كارآمد براي پيشبيني دقيق ترافيك در شبكه معابر شهري فراهم آورد.
كليدواژه لاتين
Hourly Traffic Volume Prediction , Fast Fourier Transform (FFT) , Neshan Service Data , Spatio-Temporal Modeling , Machine Learning , Deep Learning , Graph Theory
عنوان لاتين
Prediction the traffic volume in the main streets of Isfahan city using machine learning methods and graph theory
گروه آموزشي
مهندسي نقشه برداري
چكيده لاتين
The growing demand for personal transportation has made traffic congestion one of the most significant crises in most major cities worldwide. The ability to predict street traffic volume is immensely helpful in various traffic management and control programs. Accurate traffic volume data plays a key role in important decision-making for urban planning and transportation. Access to this data enables officials to plan infrastructure needs with a clearer vision. However, accurate and cost-effective prediction of traffic conditions remains a challenging problem because vehicle counting is only possible in locations equipped with fixed traffic sensors. In Iran, there is a lack of sufficient infrastructure for collecting up-to-date and precise traffic data across all areas.
Modeling, analysis, and prediction of urban traffic necessitate accurate and comprehensive data. In this research, to compensate for the deficiency or lack of traffic data, routing data from the "Nesh@n" service has been utilized. The Neshan service provides practical web services, offering access to data on distance and travel time between a set of origin and destination points. By performing routing at different times of the day and recording the travel time information, the traffic volume on the edges of the urban road network can be estimated.
In this regard, a set of Machine Learning and Deep Learning methods was used to predict the traffic volume of roads in Region 1 of Isfahan (comprising 251 streets) for future hours. The employed ML algorithms include Random Forest and Extreme Gradient Boosting (XGBoost), and the DL algorithms include Long Short-Term Memory (LSTM) Networks, Bidirectional Recurrent Networks (Bi-RNN), and the Transformer model. Fast Fourier Transform (FFT) was also used to identify the main frequencies of traffic volume changes and for comparison with other methods. Traffic prediction for Region 1 of Isfahan was performed using three approaches: independent street prediction, a single model without considering the graph structure, and a single model with graph structure and spatial dependency. In these models, features such as spatial dependency (sum of travel time of incoming street edges), travel time history, temporal features (hour and day of the week), number of incoming edges, and the number of traffic-influencing city centers (like schools, banks, hotels, municipalities, pharmacies, emergency services, and hospitals) as well as student and total population within a 150-meter radius of each road were used.
Based on the results obtained from the three different modeling approaches, it can be concluded that considering spatial dependencies and the graph structure of the road network plays a decisive role in enhancing traffic volume prediction accuracy. While the first approach with basic features performed well in short-term horizons, the addition of spatial-land use information in the second approach led to a noticeable improvement in the accuracy of the XGBoost and Random Forest models. Finally, leveraging the graph structure and the Bidirectional LSTM model in the third approach, due to its ability to extract complex spatio-temporal patterns, provided the most accurate results with an MAE of 5.77 seconds, an RMSE of 12.69 seconds, an of 0.96, and a MAPE of 8.25%. These findings indicate that combining routing data, spatial information, and graph-based deep learning algorithms can provide an efficient solution for accurate traffic prediction in urban road networks.
تعداد فصل ها
5
فهرست مطالب pdf
144978
نويسنده