[论文解读] Diversity of Individual Mobility Patterns

Xiao-Yong Yan, Xiao-Pu Han+2 more|arXiv (Cornell University)|Nov 13, 2012

COVID-19 epidemiological studies被引用 2

一句话总结

本文表明，个体人类移动模式在位移分布上不具有标度性，而聚合数据则遵循带有指数截断的幂律分布。通过在出行成本约束下使用最大熵原理，作者从理论上推导出这种聚合标度性，表明单一模式出行服从指数分布，从而确立出行成本是宏观移动模式的关键驱动因素。

ABSTRACT

Uncovering human mobility patterns is of fundamental importance to the understanding of epidemic spreading, urban transportation and other socioeconomic dynamics embodying spatiality and human travel. According to the direct travel diaries of volunteers, we show the absence of scaling properties in the displacement distribution at the individual level,while the aggregated displacement distribution follows a power law with an exponential cutoff. Given the constraint on total travelling cost, this aggregated scaling law can be analytically predicted by the mixture nature of human travel under the principle of maximum entropy. A direct corollary of such theory is that the displacement distribution of a single mode of transportation should follow an exponential law, which also gets supportive evidences in known data. We thus conclude that the travelling cost shapes the displacement distribution at the aggregated level.

研究动机与目标

• 研究个体人类移动是否在位移分布中表现出标度律特征。
• 解释在聚合移动数据中观察到的幂律标度的起源。
• 确定出行成本约束在塑造集体移动模式中的作用。
• 检验单一模式出行应服从指数分布的预测。

提出的方法

• 分析志愿者提供的直接出行日记，以研究个体位移分布。
• 应用最大熵原理，对在总出行成本约束下的人类出行进行建模。
• 在熵最大化条件下，推导出个体出行模式混合而成的聚合位移分布。
• 利用推导出的模型预测聚合数据中幂律形式与指数截断的出现。
• 将理论预测与单一模式出行的实证数据进行验证。

实验结果

研究问题

• RQ1 个体人类移动是否在位移分布中表现出标度特性？
• RQ2 尽管个体模式缺乏标度性，为何聚合移动遵循带有指数截断的幂律？
• RQ3 能否从个体约束中解析预测聚合标度行为？
• RQ4 在出行成本约束下的最大熵原理是否能再现观测到的移动模式？
• RQ5 单一模式出行位移是否预期服从指数分布，且该预测是否得到数据支持？

主要发现

• 个体位移分布不表现出标度特性，与无标度行为的假设相矛盾。
• 聚合位移分布遵循带有指数截断的幂律，与实证观察一致。
• 在总出行成本约束下，聚合标度律源于个体出行模式的混合。
• 在出行成本约束下的最大熵原理可解析预测观测到的聚合标度行为。
• 单一模式出行位移被预测服从指数分布，且得到实证数据支持。
• 出行成本被确定为塑造人类移动模式宏观结构的根本因素。