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研究生: 薛旻加
Hsueh, Min-Chia
論文名稱: 利用動態模態分解探討公共自行車旅次時空動態特徵
Using Dynamic Mode Decomposition to Explore the Spatio-Temporal Dynamic Feature of Public Bicycle Trips
指導教授: 李子璋
Lee, Tzu-Chang
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 規劃與設計學院 - 都市計劃學系
Department of Urban Planning
論文出版年: 2024
畢業學年度: 112
語文別: 中文
論文頁數: 103
中文關鍵詞: 公共自行車動態模態分解模態
外文關鍵詞: public bicycle, dynamic mode decomposition, mode
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  • 現代都市交通系統中,公共自行車系統佔有重要地位,並在緩解交通擁堵和環境保護等方面發揮了顯著作用。故本研究旨在測試動態模態分解在分析公共自行車租借量上的效果,並瞭解公共自行車租借量在時空上的結構。過往針對公共自行車旅次時空特性的研究多因為將時間與空間視為兩條互不相干的軸線。綜觀先前的研究可以發現,以往研究實際旅運資料的方法在空間上與時間上涇渭分明,通常會先將地理空間編定,以分區內最顯著的指標來替分區命名或解釋,甚少有方法能整合時間與空間於同一模型下進行分析。而動態模態分解可同時從時間與空間兩種面向,解構公共自行車租借量在各種分層模態之組成。
    本研究以臺北市為研究範圍,使用 2023 年 3 月 6 日到同年 3 月 10 日之公共自行車使用資料,整理為時間—站點矩陣進行分析。首先利用動態模態分解的方法,分解公共自行車旅次時空動態結構之組成,以從時間與空間的軸向反映都市活動時空結構,並且利用核密度分析的方法,對分解出的都市活動時空結構進行視覺化解釋,之後分為全臺北市以及內湖區兩個尺度的視角,利用 K-平均演算法與調整蘭德指數找尋模態間的相似性,接著利用調整蘭德指數與 Z 分數輔以外生的環境資料,判斷模態與那些地理現象或社會現象的空間分佈較為相近,再將類似的模態組合。
    最終本研究建立了一個描述公共自行車租借量的動態模態分解模型,研究結果發現,許多的模態公共自行車租借量較大的站點,在空間上具有空間群聚性,其在捷運站的周圍有分解出較明顯的租借量,並透過模態的重疊組合,可還原出捷運站附近公共自行車站點租借量時間分布之大多數特徵。本文的創新與貢獻在於,探討公共自行車借還的旅次特性,如何反映在旅次時空動態結構的群聚性上,並實際測試動態模態分解在都市交通運輸上的應用,並提出使用上的相關心得。

    This paper explores the application of dynamic modal decomposition methods in analyzing public bicycle rental volume, aiming to understand its spatial and temporal structure. The study took Taipei City as the scope, used the rental data of the YouBike 2.0 system, and analyzed the rental volume from March 6 to 10, 2023, after excluding the influence of factors such as rainfall and holidays. Through the dynamic mode decomposition method, the study decomposes the spatiotemporal dynamic structure of public bicycle rental volume, and uses kernel density analysis and K-means algorithm to further understand the similarities between modes. The research results show that the time dynamics of most modes are mainly composed of sine waves with specific periods, and the rental volume near subway stations shows obvious cyclical changes. Research shows that dynamic modal decomposition has potential in urban big data analysis, but further empirical research is needed to improve its accuracy.

    1. 緒論 1 1.1. 研究背景與動機 1 1.2. 研究目的 3 1.3. 研究流程 4 1.4. 名詞定義與符號系統 6 1.4.1. 名詞定義 6 1.4.2. 符號系統 6 2. 文獻回顧 8 2.1. 公共自行車性質 8 2.1.1. 國外公共自行車系統案例 8 2.1.2. 公共自行車相關研究 10 2.2. 都市內的交通運輸 13 2.2.1. 都市活動與交通運輸 13 2.2.2. 流場理論在交通領域中的應用 14 2.3. 模態分解 16 2.3.1. 模態分解 16 2.3.2. 動態模態分解 16 2.4. 文獻回顧小結 20 3. 研究設計與方法 21 3.1. 實證地區與研究範圍 21 3.1.1. 實證地區 21 3.1.2. 研究範圍 23 3.2. 資料蒐集與整理 25 3.3. 研究架構 26 3.4. 研究方法 28 3.4.1. 動態模態分解 (Dynamic Mode Decomposition, DMD) 28 3.4.2. 模態視覺化呈現 30 3.4.3. 模態分群 31 3.4.4. 變數相關性 33 4. 實證分析 35 4.1. 資料基本描述 35 4.1.1. 空間特徵 35 4.1.2. 時間特徵 37 4.2. 模型建立 39 4.2.1. 參數決定與模型準確性 39 4.2.2. 模型解釋 40 4.3. 臺北市全域性模態解釋 45 4.3.1. 模態分類 45 4.3.2. 模態解釋 49 4.3.3. 模態組合 56 4.4. 局部區域解釋—以內湖區為例 63 4.4.1. 內湖區基本介紹 63 4.4.2. 以時序變化檢視分解結果 65 4.4.3. 模態組合 67 4.5. 實證分析小結 71 5. 結論與討論 72 5.1. 研究結論 72 5.2. 討論與建議 74 5.2.1. 研究貢獻與突破 74 5.2.2. 動態模態分解應用在公共自行車租借量上的限制 74 5.2.3. 研究建議 75 參考文獻 76 附錄一 模態結果 81

    Ahmed, M., Seraj, R., & Islam, S. M. S. (2020). The k-means algorithm: A comprehensive survey and performance evaluation. Electronics, 9(8), 1295.
    Cheng, Y.-h., & Lin, Y.-C. (2017). Expanding the effect of metro station service coverage by incorporating a public bicycle sharing system. International Journal of Sustainable Transportation, 12, 1-12.
    Chow, V.T. (1959) Open Channel Hydraulics. McGraw-Hill, New York.
    Garin, R. A. (1966). Research Note: A Matrix Formulation of the Lowry Model for Intrametropolitan Activity Allocation. Journal of the American Institute of Planners, 32(6), 361-364.
    Grosek, J., & Kutz, J. N. (2014). Dynamic Mode Decomposition for Real-Time Background/Foreground Separation in Video. ArXiv, abs/1404.7592.
    Groun, N., Villalba-Orero, M., Lara-Pezzi, E., Valero, E., Garicano-Mena, J., & Le Clainche, S. (2022). Higher order dynamic mode decomposition: From fluid dynamics to heart disease analysis. Computers in Biology and Medicine, 144, 105384.
    Hägerstrand, T. (1970). What about people in Regional Science? Papers of the Regional Science Association, 24(1), 6-21.
    Harris, C. D., & Ullman, E. L. (1945). The Nature of Cities. The Annals of the American Academy of Political and Social Science, 242, 7-17.
    Herbert, J., & Stevens, B. (2006). A Model of the Distribution of Residential Activity in Urban Areas. Journal of Regional Science, 2, 21-36.
    Hill, D. M., Brand, D., & Hansen, W. B. (1966). PROTOTYPE DEVELOPMENT OF STATISTICAL LAND-USE PREDICTION MODEL FOR GREATER BOSTON REGION. Highway Research Record.
    Hoyt, H. (1939). The structure and growth of residential neighborhoods in American cities. US Government Printing Office.
    Hua, J.-C., Roy, S., McCauley, J. L., & Gunaratne, G. H. (2016). Using dynamic mode decomposition to extract cyclic behavior in the stock market. Physica A: Statistical Mechanics and its Applications, 448, 172-180.
    Ichinaga, Andreuzzi, Demo, Tezzele, Lapo, Rozza, Brunton, Kutz. PyDMD: A Python package for robust dynamic mode decomposition. arXiv preprint, 2024.
    Jabari, S. E. G., Dilip, D. M., Lin, D., & Thodi, B. T. (2019). Learning Traffic Flow Dynamics Using Random Fields. IEEE Access, 7, 130566-130577.
    Kurihara, A. (2016). Citi Bike, the largest bike share company in the United States. Clair Forum, 324.
    Kutz, J. N., Fu, X., & Brunton, S. L. (2015). Multiresolution dynamic mode decomposition. SIAM Journal on Applied Dynamical Systems, 15(2), 713-735.
    Li, G., Wang, X., Njoo, G. S., Zhong, S., Chan, S. H. G., Hung, C. C., & Peng, W. C. (2022). A Data-Driven Spatial-Temporal Graph Neural Network for Docked Bike Prediction. 2022 IEEE 38th International Conference on Data Engineering (ICDE).
    Lin, B.-C., & Chan, T.-C. (2023). Visualizing population mobility from spatiotemporally aggregated mobile phone data via a 3D gradient approach. Transactions in GIS, 27(1), 40-56.
    Lin, J.J, Wang, N.L and Feng, C.M. (2017). Public bike system pricing and usage in Taipei. International Journal of Sustainable Transportation, 11(9), 633–641.
    Lin, L., He, Z., & Peeta, S. (2018). Predicting station-level hourly demand in a large-scale bike-sharing network: A graph convolutional neural network approach. Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 97, 258-276.
    Liu, G., Li, Y., Yang, J., Cai, G., & Zhang, X. (2014). Gravitational field routing strategy considering the distribution of traffic flow. International Journal of Geographical Information Science, 28(1), 39-55.
    Lowry, I. S. (1964). A Model of Metropolis. the RAND Corporation.
    Mann, J., & Kutz, J. N. (2016). Dynamic mode decomposition for financial trading strategies. Quantitative Finance, 16(11), 1643-1655.
    Martin, E. and Shaheen, S. (2014). Evaluating public transit modal shift dynamics in response to bikesharing: a tale of two U.S. cities, Journal of Transport Geography, 41, 315-324.
    McElrath, D. (1968). Societal scale and social differentiation: Accra, Ghana. The new urbanization, 33-52.
    Mignacca, M., Brugiapaglia, S., & Bramburger, J. J. (2024). Real-Time Motion Detection Using Dynamic Mode Decomposition. arXiv preprint arXiv:2405.05057.
    Munson, B. R., Young, D. F., & Okiishi, T. H. (1995). Fundamentals of fluid mechanics. Oceanographic Literature Review, 10(42), 831.
    Pan, Y., Zheng, R. C., Zhang, J., & Yao, X. (2019). Predicting bike sharing demand using recurrent neural networks. Procedia Computer Science, 147, 562-566.
    PARK, R. E., BURGESS, E. W., & MACKENZIE, R. D. (1967). The City. University of Chicago Press.
    Park, R. E., Burgess, E. W., & McKenzie, R. D. (1925). The growth of the city: An introduction to a research project. The city, 47-62.
    Park, R. E., Burgess, E. W., & McKenzie, R. D. (1925). The growth of the city: An introduction to a research project. The city, 47-62.
    Saarinen, E. (1945). The city. Its growth. Its decay. Its future.
    Sayadi, T., Schmid, Peter J., Nichols, J. W., & Moin, P. (2014). Reduced-order representation of near-wall structures in the late transitional boundary layer. Journal of Fluid Mechanics, 748, 278-301.
    Schmid, P. J. (2022). Dynamic Mode Decomposition and Its Variants. Annual Review of Fluid Mechanics, 54, 225-254.
    Schmid, P. J., Li, L., Juniper, M. P., & Pust, O. (2011). Applications of the dynamic mode decomposition. Theoretical and Computational Fluid Dynamics, 25(1), 249-259.
    Schmid, P., & Sesterhenn, J. (2008). Dynamic Mode Decomposition of numerical and experimental data. Journal of Fluid Mechanics, 656.
    Shaheen S., Sperling D. and Wagner C. (1999). A short history of carsharing in the 90's., The Journal of World Transport Policy &Practice, 5, 18–40.
    Steinley, D. (2006). K‐means clustering: a half‐century synthesis. British Journal of Mathematical and Statistical Psychology, 59(1), 1-34.
    Tennekes, H., & Lumley, J. L. (1972). A first course in turbulence. MIT press.
    Terrell, G. R., & Scott, D. W. (1992). Variable kernel density estimation. The Annals of Statistics, 1236-1265.
    Timms, D. (1976). Social bases to social areas. Social areas in cities, 1.
    Timms, D. (1976). Social bases to social areas. Social areas in cities, 1.
    Tobler, W. (2004). On the first law of geography: A reply. Annals of the Association of American Geographers, 94(2), 304-310.
    Wang, X., & Sun, L. (2023). Anti-circulant dynamic mode decomposition with sparsity-promoting for highway traffic dynamics analysis. Transportation Research Part C: Emerging Technologies, 153, 104178.
    Wegener, M., & Fuerst, F. (2004). Land-Use Transport Interaction: State of the Art. SSRN Electronic Journal.
    Wei, X., Zhang, Y., Wei, Y., Hu, Y., Tong, S., Huang, W., & Cao, J. (2023). Metro Passenger-Flow Representation via Dynamic Mode Decomposition and Its Application. IEEE Transactions on Neural Networks and Learning Systems, 34(1), 157-170.
    Yu, Y., Zhang, Y., Qian, S., Wang, S., Hu, Y., & Yin, B. (2021). A Low Rank Dynamic Mode Decomposition Model for Short-Term Traffic Flow Prediction. IEEE Transactions on Intelligent Transportation Systems, 22(10), 6547-6560.
    中村英夫、林良つぐ、宮本和明.(1983)。広域都市圏土地利用交通分析システム。土木学会論文報告集,335。
    交通部中央氣象署 (2023)。氣候資料服務系統。Retrieved 2024/3/10 from https://codis.cwa.gov.tw/。
    交通部統計處 (2023)。111 年民眾日常使用運具狀況調查摘要分析。
    李恒綺、楊大輝、楊明德、巫妮蓉 (2016)。公共腳踏車使用者特性及偏好分析-以高雄市C-Bike為例。運輸計劃季刊,45(4),331-355。
    谷口航太郎、小谷通泰(2018)。都心部における利用者による回遊行動の分析-GPSによる自転車の走行履歴データを用いて。第58回土木計画学研究発表会・講演集(127-135)。
    周志龍 (2003)。後工業臺北多核心的空間結構化及其治理政治學。地理學報,34,1-18。
    岡道也、村上俊、吉森裕 (1996)。北九州市と福岡市の臨海地域における市街地形成。日本沿岸域学会論文集,8(1),105-118。
    松本江利奈、宮澤仁(2015)。東京都世田谷区におけるコミュニティサイクルの利用特性。季刊地理学,7,69-86。
    林威延、林保宏、黃志偉 (2013)。應用GIS技術於計程車旅行時間與共乘路線之初步探勘-以台中港路為例。都市交通,27-28,25-37。
    浅野光行 (1979)。都市における交通-活動分布モデルに関する基礎的研究。土木学会論文報告集,285。
    寇家慶、張偉偉(2018)。動力學模態分解及其在流體力學中的應用。空氣動力學學報,36(2)。
    張芳、陳彬、湯楊華、董健、艾川、邱曉剛。基於興趣點聚類的無樁共享單車時空模式分析。系統仿真學報,31(12)。
    張哲(2017年11月29日)。中国自転車シェア企業6社倒産、日本進出のofoが経営危機か。路透社,経済総合版。
    章英華. (2021) 。臺灣都市的內部結構:續篇,邁入21世紀。巨流:高雄。
    陳明石、柯耀宗、陳毓婷 (2020)。高齡者就醫交通資訊整合平台需求研究。福祉科技與服務管理學刊,8(1),1-19。
    黃仲由、賴世剛 (2015)。都市發展理論之傳統與過渡趨向生物有機增長的思考方式. 地理學報(79), 31-64。
    解鴻年、張馨文 (2011)。新竹科學城民眾使用公共自行車意願分析。建築與規劃學報,12(3)。
    詹明憲 (2003)。多核心都市空間轉化之研究-以台中市為例(1986-2002)。﹝碩士論文。逢甲大學﹞。
    臺北市政府交通局 (2024)。臺北市公共自行車 2.0 租借紀錄資料。數位發展部。Retrieved 2024/3/10 from https://data.gov.tw/。
    橋本成仁、中島那枝(2017)。コミュニティサイクルの導入がまちの魅力に与える効果に関する研究。公益社団法人日本都市計画学会 都市計画論文集,52(2)。
    謝高橋 (1990)。都市的結構模式。巨流:高雄。
    鍾智林、李舒媛 (2018)。以悠遊卡大數據初探YouBike租賃及轉乘捷運行為。都市交通,33(1),16-36。
    鍾智林、黃晏珊 (2016)。開放式數據為基礎之公共自行車營運特性分析:以臺北YouBike為例。運輸學刊,28(4),455-478。
    顏進儒(2006)。運輸學。臺北:五南。
    黨青梅、李強、丁暉殿、賈勝坤、錢行、苑楊、黃克謹、陳海勝 (2023)。基於動態模式分解的精餾吸收狀態變數非設計條件下的重構與預測。化工學報,74(10)。

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