Daily pattern recognition of dynamic origin-destination matrices using clustering and kernel principal component analysis

• Main Author: Dong, Zhiwu
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Transportplanering 2021
• Subjects: origin-destination; pattern recognition; principal component analysis; kernel principal component analysis; k-means cluster; ursprung-destination; mönsterigenkänning; huvudkomponentanalys; analys av kärnhuvudkomponent; k-medelkluster; Transport Systems and Logistics; Transportteknik och logistik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-302962

Origin-Destination (OD) matrix plays an important role in traffic management and urban planning. However, the OD estimation demands large data collection which has been done in past mostly by surveys with numerous limitations. With the development of communication technology and artificial intelligence technology, the transportation industry experiences new opportunities and challenges. Sensors bring big data characterized by 4V (Volume, Variety, Velocity, Value) to the transportation domain. This allows traffic practitioners to receive data covering large-scale areas and long time periods, even several years of data. At the same time, the introduction of artificial intelligence technology provides new opportunities and challenges in processing massive data. Advances from computer science have also brought revolutionary advancements in the field of transportation. All these new advances and technologies enable large data collection that can be used for extracting and estimating dynamic OD matrices for small time intervals and long time periods.Using Stockholm as the focus of the case study, this thesis estimates dynamic OD matrices covering data collected from the tolls located around Stockholm municipality. These dynamic OD matrices are used to analyze the day-to-day characteristics of the traffic flow that goes through Stockholm. In other words, the typical day-types of traffic through the city center are identified and studied in this work. This study analyzes the data collected by 58 sensors around Stockholm containing nearly 100 million vehicle observations (12GB).Furthermore, we consider and study the effects of dimensionality reduction on the revealing of most common day-types by clustering. The considered dimensionality reduction techniques are Principal Component Analysis (PCA) and its variant Kernel PCA (KPCA). The results reveal that dimensionality reduction significantly drops computational costs while resulting in reasonable day-types. Day-type clusters reveal expected as unexpected patterns and thus could have potential in traffic management, urban planning, and designing the strategy for congestion tax. === Origin-Destination (OD) -matrisen spelar en viktig roll i trafikledning och stadsplanering. Emellertid kräver OD-uppskattningen stor datainsamling, vilket har gjorts tidigare mest genom enkäter med många begränsningar. Med utvecklingen av kommunikationsteknik och artificiell intelligens upplever transportindustrin nya möjligheter och utmaningar. Sensorer ger stor data som kännetecknas av 4V (på engelska, volym, variation, hastighet, värde) till transportdomänen. Detta gör det möjligt för trafikutövare att ta emot data som täcker storskaliga områden och långa tidsperioder, till och med flera års data. Samtidigt ger introduktionen av artificiell intelligens teknik nya möjligheter och utmaningar i behandlingen av massiva data. Datavetenskapens framsteg har också lett till revolutionära framsteg inom transportområdet. Alla dessa nya framsteg och tekniker möjliggör stor datainsamling som kan användas för att extrahera och uppskatta dynamiska OD-matriser under små tidsintervall och långa tidsperioder.Genom att använda Stockholm som fokus för fallstudien uppskattar denna avhandling dynamiska OD-matriser som täcker data som samlats in från vägtullarna runt Stockholms kommun. Dessa dynamiska OD-matriser används för att analysera de dagliga egenskaperna hos trafikflödet i Stockholm genom stadens centrum. Med andra ord känns igen och studeras de typiska dagtyperna av trafik genom stadens centrum i detta arbete. Denna studie analyserar data som samlats in av 58 sensorer runt Stockholm som innehåller nästan 100 miljoner fordonsobservationer (12 GB)Dessutom överväger och studerar vi effekterna av dimensioneringsreduktion på avslöjandet av de vanligaste dagtyperna genom kluster. De betraktade dimensioneringsreduktionsteknikerna är Principal Component Analysis (PCA) och dess variant Kernel PCA (KPCA). Resultaten avslöjar att dimensioneringsreduktion avsevärt minskar beräkningskostnaderna, samtidigt som det ger rimliga dagtyper. Dagstyp kluster avslöjar förväntade som oväntade mönster och därmed kan ha potential i trafikledning, stadsplanering och utformning av strategin för trängselskatt.