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딥러닝 모형을 활용한 공공자전거 대여량 예측에 관한 연구
Forecasting of Rental Demand for Public Bicycles Using a Deep Learning Model 원문보기

韓國ITS學會 論文誌 = The journal of the Korea Institute of Intelligent Transportation Systems, v.19 no.3, 2020년, pp.28 - 37  

조근민 (아주대학교 교통연구소) ,  이상수 (아주대학교 교통공학과) ,  남두희 (한성대학교 사회과학부)

초록
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본 연구는 공공자전거의 대여량을 예측하는 딥러닝 모형을 개발하였다. 이를 위하여 공공자전거 대여량 자료, 기상 자료, 그리고 지하철 이용량 자료를 수집하였다. 지수평활 모형, ARIMA 모형과 LSTM기반의 딥러닝 모형을 구축한 후 MSE와 MAE 평가 지표를 사용하여 예측 오차를 비교·평가하였다. 평가 결과, 지수평활 모형으로 MSE 348.74, MAE 14.15 값이 산출되었다. ARIMA 모형으로 MSE 170.10, MAE 9.30 값을 얻었다. 그리고 딥러닝 모형으로 MSE 120.22, MAE 6.76 값이 산출되었다. 지수평활 모형의 값과 비교하여 ARIMA 모형의 MSE는 51%, MAE는 34% 감소하였다. 그리고 딥러닝 모형의 MSE는 66%, MAE는 52% 감소하여 딥러닝 모형의 오차가 가장 적은 것으로 파악되었다. 이러한 결과로부터 공공자전거 대여량 예측 분야에서 딥러닝 모형의 적용시 예측 오차를 크게 감소시킬 수 있을 것으로 판단된다.

Abstract AI-Helper 아이콘AI-Helper

This study developed a deep learning model that predicts rental demand for public bicycles. For this, public bicycle rental data, weather data, and subway usage data were collected. After building an exponential smoothing model, ARIMA model and LSTM-based deep learning model, forecasting errors were...

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

  •  또한 반경 100m 이내에 주거 시 설, 업무 시설, 근린 시설이 모두 존재하는 토지 이용 특성을 갖는 대여소를 선정하고자 하였다.
  •  이러한 결과로부터 공공자전거 대여량 예측 분야에서 딥러닝 모형의 적용 가능성을 평가하여 제시하고자 한다.
  • 또한 연구에서는 제안한 모형의 성능이 인접한 정류장수, 패치 크기, 학습 비율 등과 같은 다양한 변수를 포함함에 따라 변할 수 있음을 보여주었다. 따라서 사용되는 변수에 대한 정산이 필요하며, 이를 통하여 딥러닝 모델의 활용 가능성을 제시하였다.
  • 본 연구는 공공자전거의 대여량을 예측하는 딥러닝 모형을 개발하여 평가하였다. 이를 위하여 공공자전거 대여량 자료와 이와 상관관계가 높은 변수인 기상 자료, 지하철 이용량 자료를 수집하였다.
  • 본 연구에서 공공자전거의 대여량을 예측하기 위한 딥러닝 모형을 구축하였고 기존 연구에서 많이 사용 된 시계열 분석 모형과 비교하였다. 이때 시계열 분석 기법은 지수평활 모형과 ARIMA 모형 두 가지를 선정 하였다.
  • 본 연구에서는 기존 연구에서 언급된 기상 특성이외에 지하철 이용 및 시간대 특성을 함께 사용하여 대여 량 예측과정에 보다 국내 환경에 적합한 변수들을 포함하도록 하였다. 이때, 토지 이용 특성에 따른 영향을 상쇄하기 위해서 주거 시설과 업무 시설, 근린 시설이 균일하게 분포되어있는 곳을 분석 지점으로 선정하였 다.
  • 본 연구의 목적은 공공자전거의 대여량을 예측하는 딥러닝 모형을 개발하여 평가하는 것이다. 이를 위하여 공공자전거 대여량 자료를 활용하였고, 또한 이와 상관관계가 높은 변수인 기상 자료, 지하철 이용량 자 를 수집하였다.
  • 운영자 홈페이지의 자료를 기반으로 도시내 시·공간적 이용자 형태를 예측하고자 하였다.

가설 설정

  • 수집한 대여량 자료와 기타 자료를 딥러닝 모형에 입력하기 위하여 하나의 데이터 셋으로 가공하였다. 이때, 공공자전거 대여량은 출퇴근 시간 등의 영향을 받기 때문에 1시간 단위 분석이 가장 적합하다고 판단 하여 데이터 셋을 1시간 단위로 구성하였다.
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질의응답

핵심어 질문 논문에서 추출한 답변
공공자전거는 어떻게 인식되는가? 공공자전거는 교통 혼잡을 완화하고 접근성을 높여주는 친환경적인 교통수단으로 인식되고 있으며, 이에 따라 많은 지자체에서 선도적인 교통사업으로 추진되고 있다. 서울시에서는 2015년 10월, ‘따릉이’라는 명칭으로 공공자전거 사업을 시작하였으며 현재는 약 1,500개의 대여소, 약 2만대의 자전거를 운영 중이다.
서울시는 가장 많은 공공자전거를 소유한 도시를 목표하고 있으며 그에 따른 적정 규모의 산정 및 사업 효율화 방안을 마련 중이지만 수요가 많아지면서 문제점들이 있는가? 그러나 이용 수요가 많아지는 만큼 문제점들도 발생하고 있다. 이 중 이용자 측면에서 가장 큰 문제점은 수요와 공급의 불균형이 존재한다는 것이다. 또한 운영자 측면에서는 정확한 수요예측 방법이 확립되지 않고 운영되고 있다는 것이다. 예를 들어, 강북 지역의 공공자전거 대여량은 강남 지역보다 약 3만 건 많은데 비하여 공급되는 자전거 댓 수는 오히려 406대가 적었다. 이런 문제는 지역별 대여량 예측 값의 큰 오차 때문에 발생된 것으로 자전거 수요에 맞는 적정 공급량을 예측하지 못하여 이용자에게 불편을 제공하는 것은 물론 사업 운영에 따른 적자도 함께 증가하는 원인이 되고 있다. 또한 향후 사업 확대 시 보다 정확한 정량적 근거를 제시할 수 없는 한계점도 갖고 있다.
지수평활 모형의 특징은? 지수평활 모형은 단변량 예측 방법으로서, 독립변수와 종속변수는 동일하다. 즉 대여량 외에 다른 변수를 입력하지 않는다.
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참고문헌 (11)

  1. Do M. and Noh Y.(2014), "Analysis of the Affecting Factors on the Bike-sharing Demand focused on Daejeon City," Journal of the Korean Society of Civil Engineers, vol. 34, no. 5, pp.1517-1524. 

  2. Faghih-Imani A., Eluru N., El-Geneidy A. M., Rabbat M. and Haq U.(2014), "How land-use and urban form impact bicycle flows: Evidence from the bicycle-sharing system (BIXI) in Montreal," Journal of Transport Geography, vol. 41, pp.306-314. 

  3. Fu R., Zhang Z. and Li L.(2016), "Using LSTM and GRU Neural Network Methods for Traffic Flow Prediction," 31st Youth Academic Annual Conference of Chinese Association of Automation, p.329. 

  4. Kaltenbrunner A., Meza R., Grivolla J., Codina J. and Banchs R.(2010), "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. 

  5. Kim D., Shin H., Park J. and Im H.(2012), "The Impact of Weather on Bicycle Usage-Focus on Usage of Bike-sharing System in Goyang," Journal of Transport Research, vol. 19, no. 3, pp.77-88. 

  6. Kim Y., Kim W., Park B., Park S., Park T., Oh H., Lee S., Lee Y., Lee J., Lim Y., Jeon J. and Cho S.(1989), Introduction to Statistics, Yongji-Munhwa, Korea. 

  7. Lee J., Jeong G. and Shin H.(2016), "Impact Analysis of Weather Condition and Locational Characteristics on the Usage of Public Bike Sharing System," Journal of the Korean Society of Transportation, vol. 34, no. 5, pp.394-408. 

  8. Lim H. and Chung K.(2019), "Development of Demand Forecasting Model for Seoul Shared Bicycle," Journal of the Korea Contents Association, vol. 19, no. 1, pp.132-140. 

  9. Min J., Mun H. and Lee Y.(2017), "Demand Forecast for Public Bicycles ("Tashu") in Daejeon using Random Forest," Proc. of the Korea Information Science Society Congress, p.969. 

  10. Sa K.(2019), A Study on the Characteristics of Physical Environments Affecting the Usage of Public Bike in Seoul, Korea, Master's Thesis, Hanyang University. 

  11. Yang H., Xie K., Ozbay K., Ma Y. and Wang Z.(2015), "Use of Deep Learning to Predict Daily Usage of Bike Sharing Systems," Transportation Research Record, vol. 2672, no. 36, pp.92-102. 

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