普渡大學(xué)和北京大學(xué)的研究人員最近進(jìn)行了一項(xiàng)研究，旨在使用機(jī)器學(xué)習(xí)工具更好地了解全球城市的道路網(wǎng)絡(luò)。他們的論文發(fā)表在NatureMachineIntelligence上，概述了對(duì)全球30個(gè)城市捕獲的路線(xiàn)圖相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行深入的數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)分析的結(jié)果。

“城市道路網(wǎng)絡(luò)(URN)是城市的經(jīng)濟(jì)引擎，受到多種社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素(包括人口、經(jīng)濟(jì))和城市發(fā)展歷史的影響，”SatishV.Ukkusuri博士和馬建竹博士，兩位進(jìn)行這項(xiàng)研究的研究人員告訴TechXplore。“它們?cè)谌祟?lèi)流動(dòng)性、良好運(yùn)動(dòng)、生物病毒傳播和污染產(chǎn)生方面發(fā)揮著核心作用。然而，基于簡(jiǎn)單測(cè)量的傳統(tǒng)道路網(wǎng)絡(luò)指標(biāo)只能提供URN的粗略表征。”

過(guò)去的研究表明，URN的空間同質(zhì)性存在一系列模式。這些模式可以使用圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(GNN)、基于圖的高級(jí)機(jī)器學(xué)習(xí)工具來(lái)捕獲，這些工具通常用于計(jì)算機(jī)視覺(jué)和自然語(yǔ)言處理應(yīng)用程序中。

GNN的一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是它們可以通過(guò)分析大量數(shù)據(jù)來(lái)學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)表示。在他們的論文中，Ukkusuri、Ma和他們的同事專(zhuān)門(mén)使用GNN分析了全球30個(gè)城市的11,790多個(gè)URN，目的是預(yù)測(cè)一個(gè)新的指標(biāo)，稱(chēng)為網(wǎng)絡(luò)同質(zhì)性。

Ukkusuri和Ma解釋說(shuō)：“許多城市規(guī)劃師使用個(gè)案方法分析城市，孤立地研究每個(gè)城市。”“但是，使用全球數(shù)據(jù)對(duì)不同城市的城市環(huán)境進(jìn)行定量比較是有限的。我們希望利用機(jī)器學(xué)習(xí)方法的力量和來(lái)自海量數(shù)據(jù)的信息，以全球方式了解城市系統(tǒng)，包括來(lái)自任何一個(gè)城市的城市。發(fā)達(dá)國(guó)家或發(fā)展中國(guó)家。”

Ukkusuri是普渡大學(xué)Reilly土木工程教授，二十年來(lái)一直專(zhuān)注于交通系統(tǒng)建模、城市網(wǎng)絡(luò)分析和交通可持續(xù)性研究。另一方面，馬云是北京大學(xué)的副教授，他一直在探索基于圖的機(jī)器學(xué)習(xí)在包括生物學(xué)在內(nèi)的多個(gè)領(lǐng)域的潛力。

Ukkusuri和Ma說(shuō)：“我們對(duì)URN的共同興趣和過(guò)去對(duì)GNN的研究經(jīng)驗(yàn)是促使我們團(tuán)隊(duì)在去年探索道路網(wǎng)絡(luò)同質(zhì)性的原因。”

“主要目標(biāo)是挖掘細(xì)粒度的道路網(wǎng)絡(luò)信息，并展示其與城市內(nèi)發(fā)展和城際城市相似性的聯(lián)系。”

在進(jìn)行分析之前，研究人員將數(shù)據(jù)集中的所有URN分為兩部分：“隱藏區(qū)域”和“觀察區(qū)域”。隨后，他們專(zhuān)門(mén)訓(xùn)練了GNN，以學(xué)習(xí)觀察區(qū)域中道路網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)模式，從而可以預(yù)測(cè)隱藏區(qū)域中的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。

在他們的論文中，Ukkusuri和Ma將他們研究的指標(biāo)“網(wǎng)絡(luò)同質(zhì)性”定義為模型在預(yù)測(cè)URN數(shù)據(jù)中隱藏區(qū)域的性能的F1分?jǐn)?shù)。F1分?jǐn)?shù)代表分類(lèi)器或機(jī)器學(xué)習(xí)方法的精度和召回率。

在團(tuán)隊(duì)研究的背景下，較高的F1分?jǐn)?shù)意味著該模型很可能從觀察到的區(qū)域準(zhǔn)確地推斷出隱藏區(qū)域。因此，這也意味著URN的同質(zhì)性更高。

Ukkusuri和Ma說(shuō)：“我們的網(wǎng)絡(luò)同質(zhì)性指標(biāo)量化了URN的城內(nèi)和城際相似性。移動(dòng)代理通過(guò)日常活動(dòng)無(wú)意識(shí)地感知到城內(nèi)相似性，而城市規(guī)劃者通過(guò)專(zhuān)業(yè)考試定性地感知到了城內(nèi)相似性。”“此外，人類(lèi)很久以前就已經(jīng)描述了城際相似性，當(dāng)時(shí)他們稱(chēng)布達(dá)佩斯或上海為‘東方巴黎’。從定性評(píng)估到定量測(cè)量的進(jìn)展使我們能夠以標(biāo)準(zhǔn)方式有效地記錄、比較和預(yù)測(cè)城市演變。”

大城市道路網(wǎng)絡(luò)的演變通常以自上而下的城市規(guī)劃政策為指導(dǎo)。Ukkusuri、Ma和他們的同事介紹的基于圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的模型和度量可以幫助評(píng)估和比較其中一些政策。

“在中國(guó)，城市化進(jìn)程中的一個(gè)共同口號(hào)是：‘始終如一地遵循藍(lán)圖’(中文：一張藍(lán)圖繪制到底)，這意味著城市利益相關(guān)者需要長(zhǎng)期堅(jiān)持一個(gè)不變的城市規(guī)劃政策，”Ukkusuri和Ma解釋。“城市規(guī)劃者可以使用我們提出的同質(zhì)性度量來(lái)衡量不同時(shí)代建造的URN的相似性，并最終驗(yàn)證該時(shí)期內(nèi)城市建設(shè)的時(shí)間一致性。”

除了引入可以幫助評(píng)估城市規(guī)劃政策的指標(biāo)外，研究人員的研究還揭示了URN、一個(gè)國(guó)家的國(guó)內(nèi)生產(chǎn)總值和人口增長(zhǎng)之間的聯(lián)系。他們收集的結(jié)果證實(shí)了人類(lèi)活動(dòng)與城市環(huán)境之間的密切聯(lián)系。

“我們研究的見(jiàn)解使我們能夠了解城市系統(tǒng)中多個(gè)因素之間復(fù)雜的相互作用，”Ukkusuri和Ma。“我們工作的獨(dú)特之處在于我們將機(jī)器學(xué)習(xí)與城市科學(xué)聯(lián)系起來(lái)：F1分?jǐn)?shù)是機(jī)器學(xué)習(xí)的標(biāo)準(zhǔn)衡量標(biāo)準(zhǔn)，同質(zhì)性表征了URN的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。”

Ukkusuri、Ma和他們的同事是第一個(gè)研究是否可以通過(guò)機(jī)器學(xué)習(xí)模型以有意義的方式分析URN系統(tǒng)的人。他們的研究結(jié)果表明，先進(jìn)的機(jī)器學(xué)習(xí)模型可用于提取與社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素和城市隨時(shí)間演變相關(guān)的豐富信息。

Ukkusuri和Ma說(shuō)：“想象一下，當(dāng)你走在街角時(shí)，有時(shí)你甚至可以根據(jù)你剛經(jīng)過(guò)的街區(qū)預(yù)測(cè)下一個(gè)街區(qū)的樣子。”“當(dāng)你在一個(gè)你從未去過(guò)的城市開(kāi)車(chē)時(shí)，有時(shí)你會(huì)覺(jué)得對(duì)周邊地區(qū)非常熟悉，感覺(jué)就像另一個(gè)你熟悉的城市。這可能發(fā)生在同一個(gè)國(guó)家的不同城市，也可能發(fā)生在多個(gè)國(guó)家。令人驚訝的是，這種現(xiàn)象并非隨機(jī)，很大程度上是由城內(nèi)、城際同質(zhì)性等簡(jiǎn)單因素決定的，可以追溯到從歐洲到北美和亞洲，從古代城市到現(xiàn)代城市的城市規(guī)劃文化。”

這組研究人員開(kāi)發(fā)的圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)最終可用于全球不同國(guó)家，以衡量城市之間的相似性、評(píng)估城市政策和總結(jié)城市活動(dòng)。值得注意的是，最近論文中介紹的模型也可以擴(kuò)展，既可以分析更大的城市區(qū)域，也可以檢查更長(zhǎng)時(shí)期內(nèi)的變化。

“其他研究人員可以調(diào)查來(lái)自不同、不同規(guī)模的城市的道路網(wǎng)絡(luò)，而我們的研究以30個(gè)大城市為例，”Ukkusuri和Ma說(shuō)。“此外，他們可以衡量和比較不同歷史時(shí)期的道路網(wǎng)絡(luò)的同質(zhì)性。除了道路網(wǎng)絡(luò)，還可以建立街景、土地利用和其他基礎(chǔ)設(shè)施網(wǎng)絡(luò)的同質(zhì)性理論。有更多的機(jī)會(huì)去發(fā)現(xiàn)更深入地了解復(fù)雜的城市系統(tǒng)。”

該團(tuán)隊(duì)最近的研究是最早嘗試將最先進(jìn)的圖神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于URN研究的研究之一。在接下來(lái)的研究中，研究人員希望進(jìn)一步開(kāi)發(fā)他們的模型并將其應(yīng)用于更多數(shù)據(jù)，以收集有關(guān)URN同質(zhì)性的更多信息。目前，他們正在進(jìn)行一項(xiàng)研究，研究URN及其與特定社會(huì)經(jīng)濟(jì)因素的聯(lián)系。

未來(lái)，Ukkusuri、Ma和他們的同事還想研究URN同質(zhì)性的歷史演變。為此，他們將使用在全球眾多城市收集的時(shí)間序列數(shù)據(jù)和更復(fù)雜的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型。

“我們受到了一項(xiàng)關(guān)于1790年至1999年巴黎URN結(jié)構(gòu)不變量的研究的啟發(fā)(Kirkley,A.,Barbosa,H.,Barthelemy,M.,&Ghoshal,G.,2018)，”Ukkusuri和Ma說(shuō)。“從街道網(wǎng)絡(luò)的中介中心性到隨機(jī)平面圖中的結(jié)構(gòu)不變量，我們希望研究歷史尺度上廣泛城市的同質(zhì)性，從數(shù)據(jù)完整的現(xiàn)代城市到數(shù)據(jù)有限的古代城市，如馬丘15世紀(jì)印加帝國(guó)的比丘。”

除了使用機(jī)器學(xué)習(xí)模型來(lái)檢查URN隨著時(shí)間的推移的發(fā)展之外，研究人員還希望使用它來(lái)檢查在城市環(huán)境中收集的其他類(lèi)型的數(shù)據(jù)。例如，他們希望同時(shí)分析街景圖像、移動(dòng)交互和互聯(lián)網(wǎng)瀏覽數(shù)據(jù)，以確定影響城市環(huán)境中人類(lèi)生活的更復(fù)雜的模式。例如，這有助于更好地理解與社會(huì)平等和地區(qū)貧困相關(guān)的問(wèn)題。

“路網(wǎng)數(shù)據(jù)簡(jiǎn)單且相對(duì)穩(wěn)定，適合開(kāi)始我們的分析，”Ukkusuri和Ma說(shuō)。“我們目前正在與的互聯(lián)網(wǎng)公司合作，利用大數(shù)據(jù)和機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)探索人類(lèi)-城市環(huán)境系統(tǒng)。”

最后，研究人員希望進(jìn)行更多研究，調(diào)查人工智能在城市科學(xué)領(lǐng)域的一般潛力。他們的工作還可以激發(fā)其他研究小組將機(jī)器學(xué)習(xí)應(yīng)用于城市科學(xué)領(lǐng)域，這可能會(huì)導(dǎo)致有關(guān)全球城市歷史和發(fā)展的有趣發(fā)現(xiàn)。

Ukkusuri和Ma補(bǔ)充說(shuō)：“我們意識(shí)到AI為了解城市中存在的潛在特征以及如何利用它們使城市更加高效和可持續(xù)發(fā)展鋪平了道路。”“此外，我們意識(shí)到需要非常注意避免在沒(méi)有城市科學(xué)領(lǐng)域知識(shí)的情況下濫用人工智能。我們將繼續(xù)探索人工智能與城市科學(xué)問(wèn)題的交叉點(diǎn)，并希望為跨學(xué)科研究社區(qū)做出貢獻(xiàn)。”