Traffic congestion forecasting using machine learning methods

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Background. This study develops a comprehensive approach to traffic congestion forecasting using synthetic data that simulates the dynamics of urban traffic. A hybrid methodology is proposed that combines time series analysis and deep learning, which is highly relevant for modeling nonlinear dependencies and patterns in traffic data.

Purpose. The purpose of this study is to develop and test a predictive model capable of accurately forecasting traffic congestion levels while accounting for seasonal and weather-related factors.

Materials and methods. To identify patterns in the data, additive time series decomposition, spectral analysis based on the fast Fourier transform, and autocorrelation analysis were applied. The predictive model was implemented using a two-stage approach: the classical ARIMA algorithm was used for baseline forecasting, while an LSTM architecture with two recurrent layers and regularization was trained on 24-hour sequences. Additionally, to compare and validate the results, the ensemble method Random Forest was used, configured with the following hyperparameters: 200 trees, maximum depth of 12, minimum samples per leaf of 2.

Results. The results demonstrate the superiority of the LSTM model over ARIMA and Random Forest in terms of predictive accuracy, as confirmed by visual comparison of forecasts with test data and by the mean squared error metric. Key factors influencing congestion were identified, including daily traffic intensity cycles, increased load during precipitation events (up to 30% during snow and 20% during rain), as well as temperature-dependent modulation of traffic flow.

About the authors

Ramil R. Zagidullin

Kazan (Volga region) Federal University

Author for correspondence.
Email: Ramil.Zagidullin@kpfu.ru
ORCID iD: 0000-0001-5185-2690
Scopus Author ID: 57193743308
ResearcherId: E-5671-2018

Candidate of Technical Sciences, Associate Professor of the Department of Structural and Design Engineering, Institute of Design and Spatial Arts

Russian Federation, 18, Kremlevskaya Str., Kazan, 420008, Russian Federation

Almaz N. Khaybullin

Kazan (Volga region) Federal University

Email: almaz.khaybullin@mail.ru
ORCID iD: 0009-0001-7321-956X
Scopus Author ID: 5830790020
ResearcherId: LMP-8981-2024

Technician at the "Intelligent Mobility" Research Laboratory (R&D Lab), Institute of Design and Spatial Arts

Russian Federation, 18, Kremlevskaya Str., Kazan, 420008, Russian Federation

References

  1. Khamidulin, T. G. (2019). Application of artificial neural networks in the transport industry. Economics and Society, (4), 851–858. EDN: https://elibrary.ru/ZZRFOP
  2. Galushkin, A. I. (2015). Neural networks: Fundamentals of theory. Moscow: RIS. 496 p.
  3. Red'ko, V. G. (2019). Evolution, neural networks, intelligence: Models and concepts of evolutionary cybernetics. Moscow: Lenand. 224 p.
  4. Bochkarev, A. A., & Bochkarev, P. A. (2024). Urban transport logistics systems: A textbook for universities (3rd ed., revised and supplemented). Moscow: Yurayt. 162 p. EDN: https://elibrary.ru/BVRIOQ
  5. Gerami, V. D., & Kolik, A. V. (2024). Transport systems management. Transport logistics support: A textbook and practical guide for universities (3rd ed., revised and supplemented). Moscow: Yurayt. 536 p. EDN: https://elibrary.ru/BCZLEH
  6. Andreeva, L. A., et al. (2015). Innovative processes of logistics management in intelligent transport systems (under the editorship of Mirotin, L. B., & Levin, B. A.). Volume 2. Formation of industry-specific intelligent transport logistics systems. Moscow: Educational and Methodological Center for Education in Railway Transport. 343 p.
  7. Dushkin, R. V. (2020). Intelligent transport systems: Traffic modeling and forecasting. Transport Systems and Technologies, (4), 45–62.
  8. Boukerche, A., & Wang, J. (2020). Machine learning-based traffic prediction models for intelligent transportation systems. Computer Networks, 181, 107530. https://doi.org/10.1016/j.comnet.2020.107530 EDN: https://elibrary.ru/HKZXAK
  9. Nikolaenko, S. I., Kadurin, A., & Arkhangelskaya, E. V. (2018). Deep learning: Diving into the world of neural networks. Saint Petersburg: Piter. 480 p.
  10. Flach, P. (2015). Machine learning: The science and art of building algorithms that extract knowledge from data. Moscow: DMK Press. 400 p.
  11. Burkov, A. (2020). Machine learning without unnecessary words. Moscow: Alpina Publisher. 100 p.
  12. Faustova, K. I. (2017). Neural networks: Current applications and future development prospects. Territory of Science, (4), 83–87. EDN: https://elibrary.ru/ZXPNRL
  13. Ivanko, A. F., Ivanko, M. A., & Sizova, Yu. A. (2019). Neural networks: General technological characteristics. Scientific Review. Engineering Sciences, (2), 17–23. EDN: https://elibrary.ru/QHUGLR
  14. Haykin, S. (2006). Neural networks: A comprehensive foundation (2nd ed.). Moscow: Williams. 1104 p.
  15. Ezhov, A. A., & Shumsky, S. A. (1998). Neurocomputing and its applications in economics and business. Moscow: MEPhI. 268 p.
  16. Tarkhov, D. A. (2005). Neural networks. Models and algorithms. Moscow: Radiotekhnika.
  17. Hastie, T., Tibshirani, R., & Friedman, J. (2009). The Elements of Statistical Learning: Data Mining, Inference, and Prediction (2nd ed.). New York: Springer-Verlag.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML

Copyright (c) 2025 Zagidullin R.R., Khaybullin A.N.

Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution-NonCommercial-NoDerivatives 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».