機(jī)器學(xué)習(xí)實(shí)時(shí)預(yù)測公交延遲!谷歌地圖附加功能上線全球

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全世界有數(shù)億人乘坐公交車進(jìn)行日常通勤，世界上一半以上的交通都涉及公交,與地鐵等出行方式不同，雖然公交運(yùn)輸公司有提供公交線路的發(fā)車時(shí)間表，但是公交車的運(yùn)行時(shí)間會(huì)受限于實(shí)時(shí)的路況、路面上的交通指示燈等。這對(duì)于依靠公交車通勤的人來說，不確定的等待時(shí)間無疑會(huì)影響乘車的心情。

近日，谷歌地圖的附加功能做到了！在之前應(yīng)用的基礎(chǔ)上引入了公交車的實(shí)時(shí)交通延誤，預(yù)測了全球數(shù)百個(gè)城市的公交車延誤情況，從亞特蘭大到薩格勒布，從伊斯坦布爾到馬尼拉等等，這提高了六千多萬人的通勤時(shí)間準(zhǔn)確性。

在了解原理前，隨文摘菌看下這款附加功能的演示吧！

印度首發(fā)！公交延遲實(shí)時(shí)了解

該系統(tǒng)于三周前首次在印度推出，由機(jī)器學(xué)習(xí)模型驅(qū)動(dòng)，該模型將實(shí)時(shí)汽車交通預(yù)測與公交線路和站點(diǎn)數(shù)據(jù)相結(jié)合，以更好地預(yù)測公交車行程需要多長時(shí)間。以下的動(dòng)圖很好地演示了谷歌地圖中的這項(xiàng)附加功能：

動(dòng)圖中展示了從當(dāng)前位置到arsd(印度地名)的實(shí)時(shí)公交狀況，與以往的搜索結(jié)果不同的是，在首頁中，添加了紅色字體的延遲時(shí)間。

點(diǎn)開之后可以看到公交線路情況，紅色的部分表示有延遲，藍(lán)色部分表示正常通行，后續(xù)其他演示功能，詳見下方鏈接：

https://india.googleblog.com/2019/06/stay-informed-about-local-bus-and-long.html

數(shù)據(jù)從哪來？沒有公交實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)也可以！

在沒有來自公交機(jī)構(gòu)實(shí)時(shí)預(yù)測數(shù)據(jù)的許多城市中，開發(fā)者借鑒了用戶采用的一種巧妙的解決方法——使用谷歌地圖的行車路線，考慮到公交運(yùn)輸?shù)奶厥庑裕杭铀?，減速和轉(zhuǎn)彎需要更長時(shí)間; 有時(shí)候甚至還有特殊的道路特權(quán)，比如公共汽車專用車道，所以此方法只適合粗略估計(jì)。另外研究者還結(jié)合了之前項(xiàng)目的數(shù)據(jù)庫和來自用戶提供的數(shù)據(jù)來擴(kuò)充訓(xùn)練語料庫，使得模型能夠擴(kuò)充到多個(gè)城市更加細(xì)粒度的公交線路。

如何建立模型？

為了構(gòu)建開發(fā)模型，在參照公交機(jī)構(gòu)發(fā)布的信息基礎(chǔ)上，開發(fā)人員結(jié)合了一段時(shí)間內(nèi)從公交車位置序列中提取的數(shù)據(jù)，同時(shí)也有考慮到公交線路上其他車輛的行進(jìn)速度。

整個(gè)模型分為一系列時(shí)間軸單元 - 途經(jīng)的街道路線和?？空?- 每個(gè)單元對(duì)應(yīng)一條公交車的時(shí)間線，獨(dú)立地預(yù)測一段延遲，最后的輸出是每個(gè)單元預(yù)測的邏輯求和。其次考慮到一些特殊情況，如：站點(diǎn)之間不頻繁的通信、公交車車速較快、較短的街道路線和?？奎c(diǎn)等，所以相鄰站點(diǎn)之間的預(yù)測通常要跨越多個(gè)時(shí)間單元，以便綜合考慮到各方面的因素，下面的圖片很好地詮釋了建立模型的過程：

（a）圖中藍(lán)色的圖標(biāo)表示站點(diǎn)，公交車在此開始啟動(dòng)，在（b）圖中將藍(lán)色的站點(diǎn)抽象成Stop unit的時(shí)間單元，包括發(fā)車時(shí)間表Time、位置信息Location、站點(diǎn)周圍的狀況Stop features以及向前行進(jìn)Feed-forward等一系列特征；

（a）圖中的紅色、黃色和綠色的線路表示公交車的行進(jìn)路線，同理每個(gè)路線抽象建模成Road Unit,除了一些共有的Time、Lacation、Feed-forward特征外，還加入了路況信息Road features、以及路線上的其他車輛的速度預(yù)測Car forecast等信息。

模型包含了上下文場景的預(yù)測信息，最終的結(jié)果是這些時(shí)間單元的邏輯求和。這種時(shí)間序列的建模結(jié)構(gòu)非常適合neural sequence model（神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)中的序列模型），最近成功應(yīng)用于語音處理、機(jī)器翻譯等。一般情況下使用標(biāo)簽數(shù)據(jù)（X,Y）（輸入數(shù)據(jù)為X,輸出數(shù)據(jù)為Y）的監(jiān)督學(xué)習(xí)任務(wù)都需要使用序列模型，如在NLP領(lǐng)域內(nèi)大放光彩的RNN模型，也是序列模型的應(yīng)用。

考慮到汽車速度的影響

舉例說明Car forecast對(duì)Road unit時(shí)間單元的影響，我們以周三下午乘坐Sydney（悉尼）的巴士為例。 公交車的實(shí)際運(yùn)行狀況（藍(lán)色的線路）比公交運(yùn)輸機(jī)構(gòu)公布的時(shí)間表（黑色的線路）滯后幾分鐘，從下圖可以看到， 紅色的線路也就是汽車的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)確確實(shí)實(shí)地影響了公交車的前行。

例如，明顯看到圖中紅色標(biāo)記在2000米處的斷層和斜率的變化，這預(yù)示著汽車2000米處的減速，這一減速也同樣體現(xiàn)在了藍(lán)色的公交線路上，同樣地，800米處的暫停，公交的停滯時(shí)間要比汽車長很多。

上文已經(jīng)舉例說明了汽車車速對(duì)公交車行進(jìn)途中造成的影響，那么，如何將Car Speed（汽車速度）轉(zhuǎn)換為公交速度呢？

在下圖的左側(cè)部分，模型對(duì)公交車行駛速度和汽車速度之間的預(yù)測比率進(jìn)行了顏色編碼。 較慢的紅色部分，對(duì)應(yīng)于?？奎c(diǎn)附近的公共汽車減速。 至于速度較快的綠色部分，我們從右圖StreetView中看到了一個(gè)只有公交車的轉(zhuǎn)彎車道。（附：這條路線在澳大利亞，右轉(zhuǎn)彎比左轉(zhuǎn)慢，其他模型可能會(huì)欠缺這些細(xì)節(jié)方面的考量）

捕捉不同地區(qū)線路的差異

不同城市、社區(qū)和街道都有其獨(dú)特性，那么模型如何捕捉這些差異呢？

為了使模型捕捉到更加細(xì)節(jié)的信息，開發(fā)者讓模型學(xué)習(xí)不同大小區(qū)域的表示層次結(jié)構(gòu)，以及每個(gè)時(shí)間軸單元的地理位置（道路或站點(diǎn)的精確位置），這些位置的表達(dá)，通過在時(shí)間軸單元中嵌入不同大小區(qū)域的位置表示，最終邏輯求和得到。

剛開始模型的訓(xùn)練，對(duì)特殊情況下的細(xì)粒度位置進(jìn)行強(qiáng)化學(xué)習(xí)（對(duì)模型預(yù)測結(jié)果進(jìn)行反饋評(píng)估），調(diào)整模型參數(shù)，使得模型能夠更好地學(xué)習(xí)特征，并使用結(jié)果進(jìn)行特征選擇。 這樣就可以確?？紤]到百米內(nèi)的更加全面的道路信息。

位置和時(shí)間相結(jié)合：適應(yīng)不同城市的“節(jié)奏”

除了考慮到不同位置線路的獨(dú)特性外，每個(gè)城市都有其不同的節(jié)奏，對(duì)于節(jié)奏較慢的小鎮(zhèn)，下午6:30到下午6:45可能是偏安靜的黃昏與日落，對(duì)于其他的城市可能是下班高峰期或用餐時(shí)間，因此需要在模型中嵌入時(shí)間表示。

在模型中嵌入當(dāng)?shù)貢r(shí)間和星期幾這些時(shí)間表示，同時(shí)結(jié)合地理位置，可以捕捉到各城市高峰時(shí)段的公交線路，這是之前模型的又一個(gè)擴(kuò)充。

這種擴(kuò)充使得數(shù)據(jù)變成四維（星期幾，幾時(shí)，城市名稱，站點(diǎn)），四維的數(shù)據(jù)很難可視化，為了更直觀地解釋，利用下圖藝術(shù)家Will Cassella設(shè)計(jì)的圖片，來講解四維中的其中三維數(shù)據(jù)：

晝夜更替，這種循環(huán)往復(fù)，使得模型的時(shí)間表示為一個(gè)類似鐘表的“Loop”結(jié)構(gòu)，但是細(xì)心地讀者可能會(huì)發(fā)現(xiàn)這種鐘表的盤面形成了很多的“褶皺”，這也是時(shí)間模型設(shè)計(jì)的精髓。這種“褶皺”結(jié)構(gòu)可以在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)訓(xùn)練過程中，讓神經(jīng)元區(qū)分“半夜”“深夜”這樣的概念。除此外，鐘表盤面上16到21的刻度上有很大的“彎曲”，而2到5的刻度則表現(xiàn)的很“平坦”，這也體現(xiàn)著不同時(shí)段公交的擁堵情況，16到21的刻度代表著下午4點(diǎn)到晚上9點(diǎn)，而2到5的刻度則表示半夜或者是下午的時(shí)間。

這種時(shí)間結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，使得汽車速度是常量時(shí)，設(shè)計(jì)的模型也能感知到公交車的高峰擁堵情況，以New Jersey乘坐10km的公交巴士為例，模型呈現(xiàn)的效果如下圖，從圖中可以看到周一到周日每天特定時(shí)刻的公交運(yùn)行時(shí)長，耗時(shí)較多的時(shí)刻集中在一天的7點(diǎn)到8點(diǎn)，也就是早高峰，同時(shí)17點(diǎn)到18點(diǎn)的Bus travel time也稍有上浮。

模型效果：讓數(shù)據(jù)“開口”證明

在訓(xùn)練好模型后，模型對(duì)Sydney（悉尼）的公交擁堵情況進(jìn)行了實(shí)時(shí)的預(yù)測：

圖中藍(lán)色的線路是真實(shí)的公交行進(jìn)狀況，綠色的線路是預(yù)測后的公交運(yùn)動(dòng)路線，可以看到真實(shí)情況下，公交在800米處有大約半分鐘（30s）左右的停車，預(yù)測模型有感知到差不多10s的停車，這有些許的誤差，統(tǒng)計(jì)完后，整個(gè)模型的預(yù)測結(jié)果與真實(shí)的效果只差1.5分鐘，這已經(jīng)非常貼近真實(shí)值了。

預(yù)測不同城市的高峰時(shí)段

除了對(duì)Sydney（悉尼）的預(yù)測外，模型也對(duì)全世界各大城市的交通擁堵狀況做了統(tǒng)計(jì)。

下圖是對(duì)Chicago最擁堵的公交線路和經(jīng)停站的統(tǒng)計(jì)：