Recent studies have significantly improved the prediction accuracy of travel demand using graph neural networks. However, these studies largely ignored uncertainty that inevitably exists in travel demand prediction. To fill this gap, this study proposes a framework of probabilistic graph neural networks (Prob-GNN) to quantify the spatiotemporal uncertainty of travel demand. This Prob-GNN framework is substantiated by deterministic and probabilistic assumptions, and empirically applied to the task of predicting the transit and ridesharing demand in Chicago. We found that the probabilistic assumptions (e.g. distribution tail, support) have a greater impact on uncertainty prediction than the deterministic ones (e.g. deep modules, depth). Among the family of Prob-GNNs, the GNNs with truncated Gaussian and Laplace distributions achieve the highest performance in transit and ridesharing data. Even under significant domain shifts, Prob-GNNs can predict the ridership uncertainty in a stable manner, when the models are trained on pre-COVID data and tested across multiple periods during and after the COVID-19 pandemic. Prob-GNNs also reveal the spatiotemporal pattern of uncertainty, which is concentrated on the afternoon peak hours and the areas with large travel volumes. Overall, our findings highlight the importance of incorporating randomness into deep learning for spatiotemporal ridership prediction. Future research should continue to investigate versatile probabilistic assumptions to capture behavioral randomness, and further develop methods to quantify uncertainty to build resilient cities.


翻译:最近的研究大大提高了使用图形神经网络对旅行需求的预测准确性,然而,这些研究在很大程度上忽视了旅行需求预测中不可避免的不确定性。为填补这一空白,本研究提出了一个概率图形神经网络框架(Prob-GNNN),以量化旅行需求的短暂不确定性。这个Prob-GNN框架得到了确定性和概率性假设的证实,并被实际应用到芝加哥预测过境和搭乘需求的任务中。我们发现,概率假设(如分配尾巴、支持)对不确定性预测的影响大于确定性假设(如深度模块、深度)。在Prob-GNNNS家族中,具有悬浮高山和拉比分布的GNNNMs在过境和搭载数据中表现最高。即使在重大领域转变下,Prob-GNNNN可以以稳定的方式预测骑车的不确定性,当模型在COVID前数据上接受培训并经过多个时期的不确定性测试时,比确定性模型(例如深度模块、深度模块、深度模块)对确定性的不确定性影响更大时期和深度分析中度研究阶段,同时显示未来GNNNRMR的不确定性。</s>

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