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서울시 공유자전거의 수요 예측 모델 개발
Development of Demand Forecasting Model for Seoul Shared Bicycle 원문보기

한국콘텐츠학회논문지 = The Journal of the Korea Contents Association, v.19 no.1, 2019년, pp.132 - 140  

임희종 (서울시립대학교 경영대학) ,  정광헌 (홍익대학교 경영대학)

초록
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최근 전 세계 많은 도시는 교통량 및 대기오염을 감축하기 위해 공유자전거 시스템을 도입하여 운영하고 있고, 서울시에서도 2015년부터 따릉이 공유자전거 서비스를 제공하고 있다. 공유자전거의 사용이 확산됨에 따라 대여소별로 자전거의 수요는 증가하고 있으나, 제한된 예산 하에서 대여소별로 수요를 관리하기 때문에 운영 및 관리상의 어려움이 존재한다. 현재 자전거 재배치를 통해 대여소별로 수요의 변동을 해결하려고 노력하고 있으나, 불확실한 미래의 사용자 수요를 정확히 예측하는 것이 보다 근본적인 방안이다. 본 연구에서는 통계적 시계열 분석을 통해 서울시 따릉이의 수요를 예측하는 모델을 개발하고, 이를 실제 데이터를 통해 분석하고자 한다. 특히, 전기 사용량의 수요에 사용했던 Holt-Winters방법을 따릉이 수요 예측을 위해 변형하여 적용하였고, 또한 파라미터들의 변동이 실제 수요예측에 어떠한 영향을 미치는지 민감도 분석도 수행하였다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

Recently, many cities around the world introduced and operated shared bicycle system to reduce the traffic and air pollution. Seoul also provides shared bicycle service called as "Ddareungi" since 2015. As the use of shared bicycle increases, the demand for bicycle in each station is also increasing...

주제어

표/그림 (5)

AI 본문요약
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문제 정의

  • 하지만, 이러한 연구들은 전통적으로 생산/운영관리에서 사용하는 시계열 분석과 같은 통계적 분석방법을 사용하지 않아 향후 수요를 정확히 예측하는 데 사용하기에는 여러 가지 한계가 존재한다. 따라서 본 연구에서는 따릉이 사용자 데이터의 시계열 분석에 기반을 둔 통계적 수요예측을 수행하고자 한다.
  • 본 논문에서는 서울시 공유자전거 시스템인 따릉이의 수요데이터를 기반으로 하여 사용자 수요를 예측하는 모델을 개발하고자 한다. 공유자전거의 수요예측에 대한 기존 연구들도 여러 가지 방향으로 진행되어 왔다.
  • 단기간의 전력사용량을 예측하는데, 이중 계절성을 가진 (double seasonal) Holt-Winters방법을 사용하여 기존의 단일 계절성을 가진 Holt-Winters 방법과 승법적 이중계절성을 가진 ARIMA 방법보다 더 나을 결과를 가져왔다[12][13]. 본 연구는 공유자전거의 과거 사용패턴 분석 결과로 계절과 요일에 의한 이중 계절성 (double seasonality)을 가지고 있다고 판단하고, double seasonal Holt-Winters 방법을 사용하여 수요예측 모델을 개발하였다.
  • 본 연구에서는 마포구와 영등포구의 서울시 공유자 전거 시스템인 따릉이의 수요실적 데이터를 이용해서 미래의 수요 변화를 예측하였다. 본 연구에서는 2015년 10월 15일부터 2017년 4월 30일까지의 사용자별 이용실적 데이터에 Holt-Winter방법을 적용하였다.
  • 본 연구에서는 민감도 분석을 수행하기 위해서 다른 모든 조건을 고정하고, 한 개의 지수평활상수를 변화시켜가면서 평균제곱오차(MSE)에 미치는 영향을 관찰하였다. 즉 어떤 1개의 지수평활상수의 민감도를 분석하기 위해서 다른 3개의 지수평활상수를 고정하고, 해당 지수평활 상수를 변화시키면서 수요예측을 하고, 수요 예측 결과와 실제 데이터와의 차이를 평균제곱오차로 측정하였다.
  • 본 연구에서는 시계열 수요예측 방법 중 지수평활법에 기반한 모델을 사용하고자 한다. 지수평활법은 과거 데이터가 추세나 계절성이 없는 경우에 적합한 수요예측 기법으로, 수준에 의해 수요를 예측한다.
  • 절에서 설명한 바와 같이 과거 따릉이 사용자 수요 데이터의 분석 결과에 기반하여 본 연구에서는 수준(level), 추세(trend), 그리고 두 개의 계절성(seasonality) 의 네 가지 요소를 갖는 Double Seasonal Holt-Winters 기법을 사용해 따릉이 수요를 예측하였다. 특히 사계절의 계절별 환경에 따라 변화하는 연간 계절성과 요일별 환경에 따라 변화하는 일간 계절성 등의 두 가지 계절성을 고려하고자 한다. 본 연구에서는 전력수요 예측을 위해 이중 계절성을 고려한 Taylor에서 제안한 방법을 활용하여 서울시 공공자전거의 영등포구와 마포구의 수요를 예측하였다[12].
  • 장에서 설명한 수요예측기법을 적용한 결과를 제시한다. 특히, 지수평활상수에 대한 결정을 위해 사용한 최적화 기법과 민감도 분석의 결과도 함께 제시한다. 마지막으로 IV.

가설 설정

  • 계절성은 일반적으로 가법적(Additive) 반영과 승법적(Multiplicative) 반영으로 나눠진다. 우연 변동은 잡음(Noise)나 예측에 반영하지 못한 요소에 의한 영향을 뜻하며, 이것은 일반적으로 예측이 불가능한 것으로 가정한다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
공유 자전거를 도입한 이유는? 공유 자전거(Shared Bicycle)는 전 세계 많은 도시들이 도심 내 교통량 감축 및 대기 환경 오염을 줄이기 위해 도입하여 현재 널리 활용되고 있다. 서울시에서도 2015년에 “따릉이”라는 이름의 공공 자전거 시스템을 도입하였고, 현재는 서울시 모든 자치구에서 쉽게 사용할 수 있도록 많이 보급되었다[1].
기존의 자전거 재배치 연구들이 가지는 문제점과 대비책은? 이러한 자전거 재배치 연구들에서 공통으로 문제가 되는 것은 대여소별로 사용자의 요구, 즉 수요 데이터가 필요한데, 이는 과거 데이터를 기반으로 통계적으로 예측하는 방법이 가장 널리 사용되고 있다. 본 연구는 영등포구와 마포구의 총 수요를 과거 실적을 이용하여 예측하였다.
따릉이 도입 초기 이후에 발생하는 문제는 무엇인가? 하지만 따릉이 도입 초기에는 공유 자전거 시스템의 초기 구축 비용이 상대적으로 적으나, 사용자가 증가함에 따라 수요/공급의 불일치로 인한 시스템의 효율적 관리가 필요하게 되었다. 특히, 도입 초기에는 시스템 확산을 위해 자전거 확대 보급 및 대여소 설치에 관심을 기울였다면, 이제는 주어진 예산의 범위 내에서 대여소별로 사용자 수요를 만족시키기 위해 충분히 자전거를 배치해야 하는 문제가 발생하고 있다. 이러한 자전거 배치 문제의 전제는 신뢰할 수 있는 데이터 분석을 통한 사용자의 수요예측이 있어야 한다.
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참고문헌 (16)

  1. 장재민, 김태형, 이무영, "서울시 공공자전거 이용특성에 관한 연구 - 여의도 및 상암 지구를 사례로," 서울도시연구, 제17권, 제4호, pp.77-91, 2016. 

  2. T. Raviv, M. Tzur, and I. A. Forma, "Static repositioning in a bike-sharing system: models and solution approaches," EURO Journal on Transportation and Logistics, Vol.2, No.3, pp.187-229, 2013. 

  3. J. Schuijbroek, R. C. Hampshire, and W. J. van Hoeve, "Inventory rebalancing and vehicle routing in bike sharing systems," European Journal of Operational Research, Vol.257, No.3, pp.992-1004, 2017. 

  4. 이상복, 임희종, 정광헌, "서울시 공공자전거 시스템 운영을 위한 효율적 관리 구역 설정," 경영과학, 제35권, 제1호, pp.55-67, 2018. 

  5. M. Dell'Amico, E. Hadjicostantinou, M. Iori, and S. Novellani, "The bike sharing rebalancing problem: Mathematical formulations and benchmark instances," Omega, Vol.45, pp.7-19, 2014. 

  6. O. O'Brien, J. Cheshire, and M. Batty, "Mining bicycle sharing data for generating insights into sustainable transport systems," Journal of Transport Geography, Vol.34, pp.262-273, 2014. 

  7. P. Vogel, T. Greiser, and D. Mattfeld, "Understanding bike-sharing systems using Data Mining: Exploring activity patterns," Procedia Social and Behavioral Sciences, Vol.20, pp.514-523, 2011. 

  8. C. Rudloff and B. Lackner, "Modeling demand for bikesharing system," Transportation Research Record: Journal of the Transportation Research Board, Vol.2430, pp.1-11, 2014. 

  9. A. Kaltenbrunner, R. Meza, J. Grivolla, J. Codina, and R. Banchs, "Urban cycles and mobility patterns: Exploring and predicting trends in a bicycle-based public transport system," Pervasive and Mobile Computing, Vol.6, No.4, pp.455-466, 2010. 

  10. C. Chatfield, "The Holt-Winters Forecasting Procedure," Journal of the Royal Statistical Society, Series C(Applied Statistics), Vol.27, No.3, pp.264-279, 1978. 

  11. P. Newbold and C. Granger, "Experience with Forecasting Univariate Time Series and the Combination of Forecasts," Journal of the Royal Statistical Society Series A(General), Vol.137, No.2, pp.131-165, 1974. 

  12. J. Taylor, "Short-term electricity demand forecasting using double seasonal exponential smoothing," Journal of the Operational Research Society, Vol.54, pp.799-805, 2003. 

  13. J. Taylor and P. McSharry, "Short-term load forecasting methods: An evaluation based on european data," IEEE Transactions on Power Systems, Vol.22, No.4, pp.2213-2219, 2007. 

  14. S. Chopra and P. Meindl, Supply Chain Management Strategy, Planning & Operation, Gabler, 2007. 

  15. P. Winters, "Forecasting sales by exponentially weighted moving averages," Management Science, Vol.6, pp.324-342, 1960. 

  16. 서정민, "시계열 모형을 활용한 사회서비스 수요.공급모형 구축," 한국콘텐츠학회논문지, 제15권, 제6호, pp.399-410, 2015. 

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