DOI: https://doi.org/10.1088/1742-5468/ae373d
تاريخ النشر: 2026-01-01
المؤلف: Juan F. Alayón-Martínez وآخرون
الموضوع الرئيسي: تنقل البشر والتحليل القائم على الموقع
نظرة عامة
في هذه الدراسة، نقوم بتحليل سنتين من سجلات التحقق من بطاقات الوصول من نظام النقل العام متعدد الوسائط في بوغوتا، والتي تشمل أكثر من 2.3 مليار رحلة عبر أوضاع النقل المختلفة. من خلال بناء مسارات المستخدمين من هذه السجلات، نحدد أنماط التنقل المتكررة التي تتجاوز الزيارات البسيطة بين موقعين، مما يسمح بإنشاء مصفوفة متكاملة من الأصل إلى الوجهة (OD) تغطي 2,828 منطقة حضرية. تكشف تحليلنا للتشابه، باستخدام تباين جنسن-شانون، أن هياكل التنقل تظل مستقرة زمنياً على الرغم من التغيرات في البنية التحتية وسياسات الأجرة. كما نثبت وجود علاقة قوية من نوع القوة بين احتمالات الانتقال والمسافة الجغرافية، متوافقة مع ديناميات رحلة ليفي، تم التحقق منها من خلال محاكاة مونت كارلو.
تشير النتائج إلى أن تنقل النقل العام في بوغوتا يمكن نمذجته بفعالية باستخدام عمليات ليفي، مما يوفر إطاراً جديداً لتحليل أنظمة النقل المعقدة بناءً فقط على سجلات الوصول. نقوم بتوصيف سلوك المستخدم من خلال تحديد روتين السفر متعدد الخطوات الذي يتضمن عدة توقفات عبر مناطق مختلفة، مما يعزز دقة مصفوفة OD مقارنة بالطرق التقليدية. بينما يقتصر نهجنا على الاعتماد على بيانات الدخول فقط، مما يمنع التعرف النهائي على الوجهات النهائية، فإنه يوفر فهماً أكثر دقة للتنقل الحضري. لا تساهم هذه الدراسة فقط في تحسين تخطيط النقل العام في بوغوتا، بل تضع أيضاً الأساس لتحليلات مقارنة مع أنظمة التنقل الأخرى، مما يبرز الإمكانية لمزيد من الاستكشاف في المدن ذات البنية التحتية للنقل الأقل تطوراً.
مقدمة
تؤكد مقدمة هذه الورقة البحثية على أهمية وتعقيد دراسة التنقل البشري في البيئات الحضرية، خاصة مع عيش أكثر من نصف سكان العالم الآن في المدن. لقد سهل ظهور التقنيات المحمولة والرقمية تحليل حركة البشر من خلال الآثار الرقمية التي يتركها الأفراد، وهو أمر أساسي للتخطيط الحضري، وأنظمة النقل، وفهم الشبكات التي تتشكل من اللقاءات والاتصالات. تسلط الورقة الضوء على فائدة سجلات جمع الأجرة الآلي باستخدام بطاقات ذكية وسجلات تفاصيل مكالمات الهواتف المحمولة في توصيف الركوب، والطلب، وسلوك المستخدم، بينما تتناول أيضاً التحديات المرتبطة بتقدير مصفوفات الأصل-الوجهة (OD) والافتراضات المتأصلة في ربط الرحلات.
يقدم المؤلفون دراسة شاملة لنظام النقل العام في بوغوتا، باستخدام مجموعة بيانات من سجلات بطاقات الوصول التي تم جمعها على مدى عامين. يقومون بتوصيف أنماط الاستخدام اليومية والمكانية، وبناء مصفوفة OD مفصلة تأخذ في الاعتبار خطوات الرحلة المتعددة، وتحليل العلاقة بين احتمالات الانتقال والمسافات الجغرافية. تكشف الدراسة عن سلوك قياس قوي في إزاحات المستخدمين، مما يشير إلى أنه يمكن نمذجتها كرحلات ليفي على شبكة من المناطق الحضرية. تؤكد محاكاة مونت كارلو أن ديناميات رحلة ليفي هذه تعيد بشكل فعال توزيع المسافات بين المناطق، مما يلتقط أنماط التنقل المحلية وطويلة المدى. تؤكد النتائج على استقرار سلوكيات التنقل على الرغم من التغيرات في البنية التحتية للنقل وتقترح إطاراً جديداً لتحليل التنقل الحضري باستخدام سجلات التحقق من الوصول.
الطرق
تحدد قسم “الطرق” في الورقة البحثية الإجراءات التجريبية والتحليلية المستخدمة للتحقيق في أسئلة البحث. يوضح اختيار المشاركين، وتصميم الدراسة، والتقنيات المحددة المستخدمة لجمع البيانات وتحليلها. تم هيكلة المنهجية لضمان إمكانية التكرار والموثوقية، مع دمج كل من الأساليب الكمية والنوعية حسب الاقتضاء.
تم إجراء التحليلات الإحصائية باستخدام برامج قياسية، مع تحديد مستويات الدلالة عند p < 0.05. يصف القسم أيضاً أي نماذج رياضية أو معادلات تم استخدامها لتفسير البيانات، مما يضمن وضوح تطبيق هذه الطرق. بشكل عام، تم تصميم الإطار المنهجي لاختبار الفرضيات بدقة والتحقق من النتائج المقدمة في الدراسة.
النتائج
في هذا القسم، يستخدم المؤلفون تباين جنسن-شانون لتقييم صلاحية ومعلوماتية دمج مصفوفات الأصل-الوجهة (OD) من مسارات مختلفة عبر الفصول الدراسية. يعتبر تباين جنسن-شانون مقياساً إحصائياً يعمم تباين كولباك-ليبلر، ويquantifies التشابه بين توزيعين احتماليين، مع قيم قريبة من الصفر تشير إلى تشابه عالٍ وقيم تقترب من الواحد تشير إلى اختلاف كبير. لتطبيق هذا المقياس، يتم تطبيع مصفوفة OD، التي تمثل الرحلات بين مناطق الأصل والوجهة، لتشكيل توزيع احتمالي.
تظهر النتائج، الموضحة في الشكل 4، أنه مع تضمين المزيد من المسارات في مصفوفة OD، ينخفض تباين جنسن-شانون، مما يؤكد فعالية الطريقة في تعزيز تحليل التنقل. بشكل خاص، تساهم المصفوفات المكونة من مسارين وثلاثة مسارات بشكل كبير في المصفوفة الكلية، مما يعكس أكبر عدد من الرحلات. بالإضافة إلى ذلك، يظهر تحليل مصفوفات OD عبر فصول دراسية مختلفة أن تنقل النقل العام في بوغوتا قد تطور تدريجياً، مع نموذج صفري يشير إلى تباين عالٍ عندما يتم خلط الإدخالات عشوائياً. يشير هذا إلى أنه على الرغم من التغيرات في البنية التحتية وتوحيد الأجرة، تظل أنماط التنقل العامة متسقة، مما يبرز تنظيم هيكلي مستقر في نظام النقل في المدينة على مر الزمن.
المناقشة
يوفر قسم المناقشة في الورقة البحثية تحليلاً عميقاً لأنماط التنقل البشري ضمن نظام النقل العام المتكامل في بوغوتا (SITP)، الذي يعمل بدون شبكة مترو. تشمل مجموعة البيانات أكثر من ملياري سجل وصول تم جمعها من يوليو 2023 إلى يونيو 2025، مما يكشف عن رؤى هامة حول سلوك المستخدم وديناميات التنقل. تشير النتائج الرئيسية إلى أن الغالبية العظمى من المستخدمين يقومون برحلتين إلى ثلاث رحلات يومياً، مع نسبة ملحوظة تبلغ 18.6% من الرحلات تتضمن تحويلات بين أوضاع النقل المختلفة. يبرز التحليل أنماط زمنية مميزة، مع ذروة الاستخدام خلال أيام الأسبوع، وهيكل تنقل مستقر يستمر عبر فصول دراسية مختلفة.
تستخدم الدراسة مصفوفات الأصل-الوجهة (OD) لتوصيف تحركات المستخدمين، مما يكشف عن تنظيم مكاني معقد حيث تقع المناطق السكنية بشكل أساسي في الأطراف وتتركز الأنشطة التجارية في وسط المدينة. يتم نمذجة احتمالات الانتقال المستمدة من هذه المصفوفات باستخدام ديناميات رحلة ليفي، مما ينتج عنه أس exponent الأمثل بحوالي $\gamma \approx 0.93$. تشير هذه القيمة إلى نظام فائق الانتشار، مما يدل على ميل للسفر لمسافات طويلة ضمن شبكة النقل المترابطة بشكل كبير. يتم التحقق من قوة هذه النتائج من خلال محاكاة مونت كارلو، التي تظهر أن أنماط التنقل الملاحظة تظل متسقة حتى خلال عطلات نهاية الأسبوع، على الرغم من التغيرات في أغراض السفر وتوقيته. بشكل عام، تؤكد الدراسة على أهمية فهم ديناميات التنقل الحضري في سياق البنية التحتية الفريدة للنقل في بوغوتا وسلوك المستخدمين.
DOI: https://doi.org/10.1088/1742-5468/ae373d
Publication Date: 2026-01-01
Author(s): Juan F. Alayón-Martínez et al.
Primary Topic: Human Mobility and Location-Based Analysis
Overview
In this study, we analyze two years of access card validation records from Bogotá’s multimodal public transport system, encompassing over 2.3 billion trips across various transit modes. By constructing user trajectories from these records, we identify recurrent mobility patterns that extend beyond simple two-location visits, allowing for the creation of an integrated origin-destination (OD) matrix covering 2,828 urban zones. Our similarity analysis, utilizing the Jensen-Shannon divergence, reveals that mobility structures remain temporally stable despite changes in infrastructure and fare policies. We also establish a robust power-law relationship between transition probabilities and geographical distance, consistent with Lévy flight dynamics, validated through Monte Carlo simulations.
The findings indicate that Bogotá’s public transport mobility can be effectively modeled using Lévy processes, providing a novel framework for analyzing complex transportation systems based solely on access records. We characterize user behavior by identifying multi-step travel routines that include multiple stops across different zones, enhancing the resolution of the OD matrix compared to traditional methods. While our approach is limited by the reliance on entry-only data, which precludes definitive identification of final destinations, it offers a more nuanced understanding of urban mobility. This research not only contributes to optimizing public transportation planning in Bogotá but also sets the stage for comparative analyses with other mobility systems, highlighting the potential for further exploration in cities with less developed transport infrastructures.
Introduction
The introduction of this research paper emphasizes the significance and complexity of studying human mobility in urban environments, particularly as over half of the global population now lives in cities. The advent of mobile and digital technologies has facilitated the analysis of human movement through the digital traces left by individuals, which is essential for urban planning, transportation systems, and understanding the networks formed by encounters and contacts. The paper highlights the utility of smart-card automated fare collection records and mobile-phone call detail records in characterizing ridership, demand, and user behavior, while also addressing the challenges associated with estimating origin-destination (OD) matrices and the assumptions inherent in trip chaining.
The authors present a comprehensive study of Bogotá’s public transportation system, utilizing a dataset of access card records collected over two years. They characterize daily and spatial usage patterns, construct a detailed OD matrix that accounts for multiple trip steps, and analyze the relationship between transition probabilities and geographic distances. The study reveals a robust scaling behavior in user displacements, suggesting that these can be modeled as Lévy flights on a network of urban zones. Monte Carlo simulations validate that this Lévy flight dynamics effectively replicate the empirical distribution of interzonal travel distances, capturing both local and long-range mobility patterns. The findings underscore the stability of mobility behaviors despite changes in transport infrastructure and propose a novel framework for analyzing urban mobility using access validation records.
Methods
The “Methods” section of the research paper outlines the experimental and analytical procedures employed to investigate the research questions. It details the selection of participants, the design of the study, and the specific techniques used for data collection and analysis. The methodology is structured to ensure reproducibility and reliability, incorporating both quantitative and qualitative approaches as appropriate.
Statistical analyses were performed using standard software, with significance levels set at p < 0.05. The section also describes any mathematical models or equations utilized to interpret the data, ensuring clarity in the application of these methods. Overall, the methodological framework is designed to rigorously test the hypotheses and validate the findings presented in the study.
Results
In this section, the authors utilize the Jensen-Shannon divergence to assess the validity and informativeness of merging origin-destination (OD) matrices from different trajectories across semesters. The Jensen-Shannon divergence, a statistical measure that generalizes the Kullback-Leibler divergence, quantifies the similarity between two probability distributions, with values close to zero indicating high similarity and values approaching one indicating significant dissimilarity. To apply this measure, the OD matrix, which represents trips between origin and destination zones, is normalized to form a probability distribution.
The results, illustrated in Figure 4, reveal that as more trajectories are included in the OD matrix, the Jensen-Shannon divergence decreases, confirming the method’s effectiveness in enhancing mobility analysis. Specifically, matrices constructed from two and three trajectories contribute significantly to the overall matrix, reflecting the largest number of trips. Additionally, the analysis of OD matrices across different semesters shows that public transport mobility in Bogotá has evolved gradually, with a null model indicating a high divergence when entries are randomly shuffled. This suggests that despite infrastructural changes and fare unifications, the overall mobility patterns remain consistent, highlighting a stable structural organization in the city’s transport system over time.
Discussion
The discussion section of the research paper provides an in-depth analysis of human mobility patterns within Bogotá’s Integrated Public Transport System (SITP), which operates without a metro network. The dataset encompasses over two billion access records collected from July 2023 to June 2025, revealing significant insights into user behavior and mobility dynamics. Key findings indicate that the majority of users make two to three trips per day, with a notable 18.6% of trips involving transfers between different transport modes. The analysis highlights distinct temporal patterns, with peak usage during weekdays, and a stable mobility structure that persists across different semesters.
The study employs Origin-Destination (OD) matrices to characterize user movements, revealing a complex spatial organization where residential areas are primarily located in the periphery and commercial activities are concentrated in the city center. Transition probabilities derived from these matrices are modeled using Lévy flight dynamics, yielding an optimal exponent of approximately $\gamma \approx 0.93$. This value suggests a superdiffusive regime, indicating a propensity for long-distance travel within the highly interconnected transport network. The robustness of these findings is further validated through Monte Carlo simulations, which demonstrate that the observed mobility patterns remain consistent even during weekends, despite variations in travel purposes and timing. Overall, the research underscores the importance of understanding urban mobility dynamics in the context of Bogotá’s unique transport infrastructure and user behavior.