基于機器學(xué)習(xí)方法的共享單車需求分析

李天騁

摘要：共享單車是當(dāng)前一種流行的出行方式，不同地區(qū)和不同時段對共享單車的需求不同。更好的共享單車需求分析能夠優(yōu)化共享單車配置，降低閑置率，提高利用率。本文依據(jù)Kaggle華盛頓共享單車使用的歷史數(shù)據(jù)，對未來幾天的共享單車需求進行預(yù)測，要求利用每月前19天的歷史數(shù)據(jù)預(yù)測20天之后的共享單車租賃情況。這一問題屬于機器學(xué)習(xí)中的回歸問題，在Kaggle提供的數(shù)據(jù)集上分別采用了線性模型（Ridge Regression），基于回歸樹的集成學(xué)習(xí)模型（Random Forest）以及深度學(xué)習(xí)模型（Neural Network）。以預(yù)測結(jié)果和真實值的RMSE（Root Mean Squared Logarithmic Error）作為模型表現(xiàn)的評價指標。對不同的模型特點以及在共享單車數(shù)據(jù)集上的表現(xiàn)進行了對比分析，對結(jié)果進行了總結(jié)。

關(guān)鍵詞：共享單車需求分析;嶺回歸;隨機森林

中圖分類號：F27文獻標識碼：Adoi：10.19311/j.cnki.16723198.2020.25.019

0引言

共享單車是一種十分便捷環(huán)保的出行方式，人們可以從任意提供共享單車的位置通過手機APP租借，在到達目的地之后直接在APP上選擇歸還將共享單車落鎖即可。

回歸問題的研究在機器學(xué)習(xí)領(lǐng)域具有重要意義，不同的回歸分析方法由于各自的思想以及采用的優(yōu)化方式不同因而在不同的訓(xùn)練數(shù)據(jù)上表現(xiàn)會出現(xiàn)差異?；趯?shù)據(jù)本身的分析和理解，從機器學(xué)習(xí)回歸方法中挑選幾個模型進行訓(xùn)練，并在此基礎(chǔ)上進行優(yōu)化。

本文依據(jù)共享單車預(yù)測這一具體問題，構(gòu)建了一些回歸學(xué)習(xí)模型，將歷史數(shù)據(jù)與未來的天氣信息相結(jié)合，更加準確地預(yù)測華盛頓特區(qū)的共享單車租賃需求。

1數(shù)據(jù)集描述

Kaggle比賽給出的數(shù)據(jù)集劃分為訓(xùn)練集和測試集，其中訓(xùn)練集包含10886個訓(xùn)練樣本，測試集包含6493個測試樣本。數(shù)據(jù)包含12列特征，包括datetime（日期，精確到整點時刻），season（季節(jié)，1=春，2=夏，3=秋，4=冬），holiday（是否假日），workingday（是否工作日），weather（天氣等級：1=晴天或多云，2=有霧，3=小雪或小雨，4=暴雨或大雪，冰雹等惡劣天氣），temp（溫度，攝氏度），atemp（體感溫度），humidity（相對濕度），windspeed（風(fēng)速），casual（非會員租賃數(shù)量），registered（會員租賃數(shù)量），count（總租賃數(shù)量，會員+非會員）。數(shù)據(jù)中只有日期特征為字符串類型，其他特征都是數(shù)值類型，數(shù)據(jù)中不存在缺失情況。

1.1數(shù)據(jù)集分析

1.1.1數(shù)據(jù)預(yù)處理

經(jīng)過數(shù)據(jù)探查，發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)中不存在缺失值和重復(fù)值，因此對數(shù)據(jù)進行異常值分析。

1.1.2數(shù)據(jù)加工

對字符串類型的日期數(shù)據(jù)進行轉(zhuǎn)換，從中提取出年，月，日，小時，單獨作為特征。

1.2特征分析

1.2.1日期和共享單車租賃總數(shù)

對于訓(xùn)練數(shù)據(jù)，分別計算每日對應(yīng)的共享單車租賃總數(shù)和當(dāng)月共享單車租賃的中位數(shù)，畫出2011年1月到2012年12月的折線圖。可以直觀地看到，2012年和2011年的數(shù)據(jù)，年內(nèi)波動曲線類似，但2012年每月租賃數(shù)據(jù)同比2011年均有增長。

1.2.2月度和共享單車租賃總數(shù)

通過對月份和共享單車租賃情況畫圖分析，年內(nèi)隨著月份變化租賃總量會有規(guī)律地變化，此外，每個月的數(shù)據(jù)中存在不同程度的離群點。

1.2.3季度和共享單車租賃總數(shù)

數(shù)據(jù)呈現(xiàn)出比較明顯的季度趨勢，通過分析發(fā)現(xiàn)，租賃總數(shù)的峰值出現(xiàn)在秋季，低谷出現(xiàn)在春季，此外，春季具有較多的離群值。

1.2.4周幾和共享單車租賃總數(shù)

通過對數(shù)據(jù)取中位數(shù)分析，相比工作日，周末會有較多的非會員用戶租賃共享單車，工作日則有較多的會員用戶使用共享單車。統(tǒng)計共享單車的日內(nèi)使用總數(shù)，工作日共享單車有更多的用戶。

1.2.5工作日、節(jié)假日和共享單車租賃總數(shù)

整體而言，共享單車的租賃在節(jié)假日呈下滑趨勢，而在工作日呈上升趨勢。同時，在節(jié)假日會有更多的非會員用戶使用共享單車服務(wù)，而在工作日，使用共享單車的非會員用戶較少。可能節(jié)假日的非會員用戶來源為游客，較多的會員用戶會在工作日使用共享單車來通勤。

1.2.6整點時間共享單車租賃總數(shù)

對整點時間的分析劃分成節(jié)假日和工作日兩部分。

在節(jié)假日期間，非會員用戶與會員用戶的共享單車使用趨勢比較接近，峰值出現(xiàn)時間不同，非會員用戶峰值出現(xiàn)在下午2點左右，會員用戶的峰值則出現(xiàn)在下午5點。

在工作日期間，會員用戶的共享單車使用呈現(xiàn)出兩個峰值，分別為早上8點和下午5點。這兩個時段為上下班高峰期，符合會員用戶通勤需要的推測。非會員用戶則不存在雙高峰的情況，在一天之中呈現(xiàn)出先上升后下降的趨勢，高峰出現(xiàn)在中午。

1.2.7天氣和共享單車租賃總數(shù)

在工作日以及非工作日，共享單車的租賃數(shù)量會明顯受到天氣的影響，當(dāng)天氣越糟糕，共享單車的使用量越低。如果非工作日遇到最惡劣的天氣（暴雨/大雪）則不會產(chǎn)生共享單車的租賃。

2構(gòu)建回歸模型

2.1構(gòu)建嶺回歸（Ridge Regression）模型

2.1.1基本原理

線性回歸實際上是假設(shè)訓(xùn)練數(shù)據(jù)X和預(yù)測目標Y之間滿足線性關(guān)系，假設(shè)一組線性方程，利用預(yù)測值和真實值的誤差構(gòu)建損失函數(shù)來描述線性方程的擬合效果，用訓(xùn)練數(shù)據(jù)對模型進行訓(xùn)練，通過梯度下降算法來減小誤差（即降低損失），從而修正線性方程。損失函數(shù)是一種評判標準。通過求得損失函數(shù)的最小值來確定最能擬合數(shù)據(jù)的線性方程。梯度下降算法是一種用來計算損失函數(shù)最小值的方法。

2.1.2在共享單車預(yù)測數(shù)據(jù)集上應(yīng)用Ridge Regression模型

對于一組線性方程Y=wx+b構(gòu)造一個損失函數(shù)，預(yù)測值和真實值之間的平方誤差，使用梯度下降的方法求得損失函數(shù)的最小值，能夠使組線性方程最好地擬合數(shù)據(jù)集，求出此時的w，b即確定了線性方程的參數(shù)，得到訓(xùn)練好的模型。

嶺回歸則是在線性回歸的基礎(chǔ)上增加正則化參數(shù)，能夠有效地防止模型過擬合。

2.1.3結(jié)果分析

訓(xùn)練過程中，通過交叉驗證來挑選最優(yōu)的alpha參數(shù)，最終選定的alpha參數(shù)為805。采用最優(yōu)的參數(shù)訓(xùn)練模型，分別計算模型在訓(xùn)練集和測試集上的RMSE（均方根誤差，預(yù)測值與真實值偏差的平方與觀測次數(shù)n比值的平方根）以及模型的擬合優(yōu)度R2（R2 <=1，R2越大越好，模型baseline對應(yīng)的R2接近0，當(dāng)模型完全擬合時，R2 = 1）。模型在訓(xùn)練集上的RMSE：1.034，模型擬合優(yōu)度評分：0.466，模型在測試集上的RMSE：1050，模型擬合優(yōu)度評分：0.4580。

2.2構(gòu)建隨機森林（Random Forest）模型

2.2.1基本原理

以cart回歸樹作為基礎(chǔ)學(xué)習(xí)器，采用最小均方差來決定劃分特征以及特征值。（遍歷所有特征以及特征值，選定任意特征值作為劃分依據(jù)將數(shù)據(jù)劃分成兩部分，S1和S2，篩選出能夠令S1和S2集合內(nèi)均方差最小的劃分特征以及特征值）。

隨機森林，森林的概念是指由多棵樹組成。每棵樹用Bootstrapping（有放回抽樣）的方式構(gòu)造訓(xùn)練集，在構(gòu)建每棵樹的時候按照設(shè)定好的比例隨機抽取一些訓(xùn)練特征參與樹的構(gòu)建。最后將每棵樹集成在一起作為最終的預(yù)測模型。當(dāng)有一個新的測試樣本輸入時，讓森林中的每一課決策樹對它進行判斷，輸出一個類別（分類算法）或一個平均值（回歸算法），避免了一棵樹的決策失誤。

2.2.2在共享單車預(yù)測數(shù)據(jù)集上應(yīng)用Random Forest模型

共享單車數(shù)據(jù)中除了部分數(shù)值類型的特征之外，存在較多類別類型的特征，從特征情況來看比較適合使用隨機森林來建模。

2.2.3結(jié)果分析

在Random Forest模型中采用了1000個估計器，用MSE（均方誤差）作為評價指標，每棵樹的深度采用默認值。模型在訓(xùn)練集上的準確率達到： 0.94338，在測試集上的準確率達到0.92173。

2.3構(gòu)建DNN模型

2.3.1基本原理

DNN模型即人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)（Neural Network），以神經(jīng)元作為基本運算單元。每個神經(jīng)元按照線性變換和非線性變換相結(jié)合的運算邏輯，對輸入數(shù)據(jù)進行運算，將結(jié)果順著網(wǎng)絡(luò)連接輸送給下一層神經(jīng)元。每個神經(jīng)元數(shù)據(jù)變換的線性函數(shù)形式為：W* X+b，其中X為輸入數(shù)據(jù)，W為權(quán)重參數(shù)，b為偏置參數(shù)，參數(shù)是隨機初始化的，需要網(wǎng)絡(luò)在訓(xùn)練過程中進行修改。非線性函數(shù)通常使用ReLu以及l(fā)eakyReLu等非線性函數(shù)，起到了過濾信號的作用。

DNN結(jié)構(gòu)包括輸入層，隱藏層和輸出層，其中隱藏層可能是一層或多層神經(jīng)元結(jié)構(gòu)。每層設(shè)定好神經(jīng)元的個數(shù)，相鄰兩層神經(jīng)元之間是全連接的（每兩個神經(jīng)元之間都有連線），而連接表示上一個神經(jīng)元的輸出要作為下一個神經(jīng)元的輸入。

對于神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整可以從改變隱藏層數(shù)目以及修改每層神經(jīng)元個數(shù)入手，為了避免過擬合情況，還可以在Dense層后面增加Dropout層，不僅能簡化模型，還能夠增強網(wǎng)絡(luò)的魯棒性。理論上來說，在沒有過擬合的前提下，增加神經(jīng)元個數(shù)以及層數(shù)能夠增強模型的預(yù)測能力。

2.3.2在共享單車預(yù)測數(shù)據(jù)集上應(yīng)用DNN模型

構(gòu)建了一個三層128 個神經(jīng)元的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，采用‘a(chǎn)dam作為優(yōu)化器。在原始模型的基礎(chǔ)上嘗試增加或減少hidden layer，在訓(xùn)練過程中為了避免過擬合采用了early stop。加入了 weight dacay。

2.3.3結(jié)果分析

在原始模型基礎(chǔ)上增加了Dropout，修改了模型學(xué)習(xí)率。最終模型在訓(xùn)練集上的RMSE：0.4213，模型準確率：0.9526，模型在測試集上的RMSE：0.4437，模型擬合優(yōu)度評分：0.9506。

3結(jié)語

通過對各個模型的特點以及結(jié)果對比分析，集成學(xué)習(xí)和深度學(xué)習(xí)均表現(xiàn)出比較明顯的優(yōu)勢。對比三層DNN以及線性模型嶺回歸在共享單車需求預(yù)測上的效果差異，深度學(xué)習(xí)相對于其他機器學(xué)習(xí)方法而言，對特征的自動提取是其最大的特點，在沒有充分的人工特征的前提下，深度學(xué)習(xí)能夠發(fā)揮出較大的作用。深度學(xué)習(xí)對比傳統(tǒng)方法來說，最大的優(yōu)勢是自動特征的提取。對比集成學(xué)習(xí)以及線性模型嶺回歸在共享單車需求預(yù)測上的效果差異，集成學(xué)習(xí)得益于對于單個預(yù)測模型的綜合。如果對特征進行進一步擴展和篩選，可能在此基礎(chǔ)上能夠得到更好的模型效果。

參考文獻

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