This study explores traffic patterns on Taiwanese highways during consecutive holidays and focuses on understanding Taiwanese highway traffic behavior. We propose a prediction-based detection method for finding highway traffic anomalies using reconciled ordinary least squares (OLS) forecasts and bootstrap prediction intervals. Two fundamental features of traffic flow time series -- namely, seasonality and spatial autocorrelation -- are captured by adding Fourier terms in OLS models, spatial aggregation (as a hierarchical structure mimicking the geographical division in regions, cities, and stations), and a reconciliation step. Our approach, although simple, is able to model complex traffic datasets with reasonable accuracy. Being based on OLS, it is efficient and permits avoiding the computational burden of more complex methods. Analyses of Taiwan's consecutive holidays in 2019, 2020, and 2021 (73 days) showed strong variations in anomalies across different directions and highways. Specifically, we detected some areas and highways comprising a high number of traffic anomalies (north direction-central and southern regions-highways No. 1 and 3, south direction-southern region-highway No.3), and others with generally normal traffic (east and west direction). These results could provide important decision-support information to traffic authorities.


翻译:本研究探讨台湾连续假期期间的高速公路交通模式,重点理解台湾高速公路的交通行为。我们提出一种基于预测的异常检测方法,利用协调的普通最小二乘(OLS)预测和自助法预测区间发现高速公路交通异常。通过向OLS模型添加傅里叶项、空间聚合(模拟区域-城市-站点地理分层结构的层级体系)及协调步骤,捕获交通流时间序列的两个基本特征——季节性与空间自相关性。该方法虽形式简洁,却能以合理精度建模复杂交通数据集。基于OLS的框架使其兼具高效性,避免复杂方法的计算负担。对台湾2019、2020及2021年连续假期(共73天)的分析显示,不同方向与高速公路的异常模式存在显著差异:我们检测到部分区域及高速公路存在高密度交通异常(北向-中部及南部区域-1号及3号高速公路,南向-南部区域-3号高速公路),而其他方向(东向及西向)整体交通正常。这些结果可为交通管理部门提供重要的决策支持信息。

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在数据挖掘中,异常检测(英语:anomaly detection)对不符合预期模式或数据集中其他项目的项目、事件或观测值的识别。通常异常项目会转变成银行欺诈、结构缺陷、医疗问题、文本错误等类型的问题。异常也被称为离群值、新奇、噪声、偏差和例外。 特别是在检测滥用与网络入侵时,有趣性对象往往不是罕见对象,但却是超出预料的突发活动。这种模式不遵循通常统计定义中把异常点看作是罕见对象,于是许多异常检测方法(特别是无监督的方法)将对此类数据失效,除非进行了合适的聚集。相反,聚类分析算法可能可以检测出这些模式形成的微聚类。 有三大类异常检测方法。[1] 在假设数据集中大多数实例都是正常的前提下,无监督异常检测方法能通过寻找与其他数据最不匹配的实例来检测出未标记测试数据的异常。监督式异常检测方法需要一个已经被标记“正常”与“异常”的数据集,并涉及到训练分类器(与许多其他的统计分类问题的关键区别是异常检测的内在不均衡性)。半监督式异常检测方法根据一个给定的正常训练数据集创建一个表示正常行为的模型,然后检测由学习模型生成的测试实例的可能性。
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