Análisis de redes sobre viajes en BICIMAD
Fecha del documento: 11-09-2023
1. Introducción
Las visualizaciones son representaciones gráficas de datos que permiten comunicar de manera sencilla y efectiva la información ligada a los mismos. Las posibilidades de visualización son muy amplias, desde representaciones básicas, como los gráficos de líneas, de barras o de sectores, hasta visualizaciones configuradas sobre cuadros de mando interactivos.
En esta sección de “Visualizaciones paso a paso” estamos presentando periódicamente ejercicios prácticos de visualizaciones de datos abiertos disponibles en datos.gob.es u otros catálogos similares. En ellos se abordan y describen de manera sencilla las etapas necesarias para obtener los datos, realizar las transformaciones y los análisis que resulten pertinentes para, finalmente, posibilitar la creación de visualizaciones interactivas que nos permitan obtener unas conclusiones finales a modo de resumen de dicha información. En cada uno de estos ejercicios prácticos, se utilizan sencillos desarrollos de código convenientemente documentados, así como herramientas de uso gratuito. Todo el material generado está disponible para su reutilización en el repositorio Laboratorio de datos de GitHub.
A continuación, y como complemento a la explicación que encontrarás seguidamente, puedes acceder al código que utilizaremos en el ejercicio y que iremos explicando y desarrollando en los siguientes apartados de este post.
Accede al repositorio del laboratorio de datos en Github.
Ejecuta el código de pre-procesamiento de datos sobre Google Colab.
2. Objetivo
El objetivo principal de este ejercicio es mostrar cómo realizar un análisis de redes o de grafos partiendo de datos abiertos sobre viajes en bicicleta de alquiler en la ciudad de Madrid. Para ello, realizaremos un preprocesamiento de los datos con la finalidad de obtener las tablas que utilizaremos a continuación en la herramienta generadora de la visualización, con la que crearemos las visualizaciones del grafo.
Los análisis de redes son métodos y herramientas para el estudio y la interpretación de las relaciones y conexiones entre entidades o nodos interconectados de una red, pudiendo ser estas entidades personas, sitios, productos, u organizaciones, entre otros. Los análisis de redes buscan descubrir patrones, identificar comunidades, analizar la influencia y determinar la importancia de los nodos dentro de la red. Esto se logra mediante el uso de algoritmos y técnicas específicas para extraer información significativa de los datos de red.
Una vez analizados los datos mediante esta visualización, podremos contestar a preguntas como las que se plantean a continuación:
- ¿Cuál es la estación de la red con mayor tráfico de entrada y de salida?
- ¿Cuáles son las rutas entre estaciones más frecuentes?
- ¿Cuál es el número medio de conexiones entre estaciones para cada una de ellas?
- ¿Cuáles son las estaciones más interconectadas dentro de la red?
3. Recursos
3.1. Conjuntos de datos
Los conjuntos de datos abiertos utilizados contienen información sobre los viajes en bicicleta de préstamo realizados en la ciudad de Madrid. La información que aportan se trata de la estación de origen y de destino, el tiempo del trayecto, la hora del trayecto, el identificador de la bicicleta, …
Estos conjuntos de datos abiertos son publicados por el Ayuntamiento de Madrid, mediante ficheros que recogen los registros de forma mensual.
Estos conjuntos de datos también se encuentran disponibles para su descarga en el siguiente repositorio de Github.
3.2. Herramientas
Para la realización de las tareas de preprocesado de los datos se ha utilizado el lenguaje de programación Python escrito sobre un Notebook de Jupyter alojado en el servicio en la nube de Google Colab.
"Google Colab" o, también llamado Google Colaboratory, es un servicio en la nube de Google Research que permite programar, ejecutar y compartir código escrito en Python o R sobre un Jupyter Notebook desde tu navegador, por lo que no requiere configuración. Este servicio es gratuito.
Para la creación de la visualización interactiva se ha usado la herramienta Gephi
"Gephi" es una herramienta de visualización y análisis de redes. Permite representar y explorar relaciones entre elementos, como nodos y enlaces, con el fin de entender la estructura y patrones de la red. El programa precisa descarga y es gratuito.
Si quieres conocer más sobre herramientas que puedan ayudarte en el tratamiento y la visualización de datos, puedes recurrir al informe "Herramientas de procesado y visualización de datos".
4. Tratamiento o preparación de datos
Los procesos que te describimos a continuación los encontrarás comentados en el Notebook que también podrás ejecutar desde Google Colab.
Debido al alto volumen de viajes registrados en los conjuntos de datos, definimos los siguientes puntos de partida a la hora de analizarlos:
- Analizaremos la hora del día con mayor tráfico de viajes
- Analizaremos las estaciones con un mayor volumen de viajes
Antes de lanzarnos a analizar y construir una visualización efectiva, debemos realizar un tratamiento previo de los datos, prestando especial atención a su obtención y a la validación de su contenido, asegurándonos que se encuentran en el formato adecuado y consistente para su procesamiento y que no contienen errores.
Como primer paso del proceso, es necesario realizar un análisis exploratorio de los datos (EDA), con el fin de interpretar adecuadamente los datos de partida, detectar anomalías, datos ausentes o errores que pudieran afectar a la calidad de los procesos posteriores y resultados. Si quieres conocer más sobre este proceso puedes recurrir a la Guía Práctica de Introducción al Análisis Exploratorio de Datos.
El siguiente paso es generar la tabla de datos preprocesada que usaremos para alimentar la herramienta de análisis de redes (Gephi) que de forma visual nos ayudará a comprender la información. Para ello modificaremos, filtraremos y uniremos los datos según nuestras necesidades.
Los pasos que se siguen en este preprocesamiento de los datos, explicados en este Notebook de Google Colab, son los siguientes:
- Instalación de librerías y carga de los conjuntos de datos
- Análisis exploratorio de los datos (EDA)
- Generación de tablas preprocesadas
Podrás reproducir este análisis con el código fuente que está disponible en nuestra cuenta de GitHub. La forma de proporcionar el código es a través de un documento realizado sobre un Jupyter Notebook que, una vez cargado en el entorno de desarrollo, podrás ejecutar o modificar de manera sencilla.
Debido al carácter divulgativo de este post y para favorecer el entendimiento de los lectores no especializados, el código no pretende ser el más eficiente sino facilitar su comprensión, por lo que posiblemente se te ocurrirán muchas formas de optimizar el código propuesto para lograr fines similares. ¡Te animamos a que lo hagas!
5. Análisis de la red
5.1. Definición de la red
La red analizada se encuentra formada por los viajes entre distintas estaciones de bicicletas en la ciudad de Madrid, teniendo como principal información de cada uno de los viajes registrados la estación de origen (denominada como “source”) y la estación de destino (denominada como “target”).
La red está formada por 253 nodos (estaciones) y 3012 aristas (interacciones entre las estaciones). Se trata de un grafo dirigido, debido a que las interacciones son bidireccionales y ponderado, debido a que cada arista entre los nodos tiene asociado un valor numérico denominado "peso" que en este caso corresponde al número de viajes realizados entre ambas estaciones.
5.2. Carga de la tabla preprocesada en Gephi
Mediante la opción “importar hoja de cálculo” de la pestaña archivo, importamos en formato CSV la tabla de datos previamente preprocesada. Gephi detectará que tipo de datos se están cargando, por lo que utilizaremos los parámetros predefinidos por defecto.
5.3. Opciones de visualización de la red
5.3.1 Ventana de distribución
En primer lugar, aplicamos en la ventana de distribución, el algoritmo Force Atlas 2. Este algoritmo utiliza la técnica de repulsión de nodos en función del grado de conexión de tal forma que los nodos escasamente conectados se separan respecto a los que tiene una mayor fuerza de atracción entre sí.
Para evitar que los componentes conexos queden fuera de la vista principal, fijamos el valor del parámetro "Gravedad en Puesta a punto" a un valor de 10 y para evitar que los nodos queden amontonados, marcamos la opción “Disuadir Hubs” y “Evitar el solapamiento”.
Dentro de la ventana de distribución, también aplicamos el algoritmo de Expansión con la finalidad de que los nodos no se encuentren tan juntos entre sí mismos.
Figura 3. Ventana distribución - algoritmo de Expansión
5.3.2 Ventana de apariencia
A continuación, en la ventana de apariencia, modificamos los nodos y sus etiquetas para que su tamaño no sea igualitario, sino que dependa del valor del grado de cada nodo (nodos con un mayor grado, mayor tamaño visual). También modificaremos el color de los nodos para que los de mayor tamaño sean de un color más llamativo que los de menor tamaño. En la misma ventana de apariencia modificamos las aristas, en este caso hemos optado por un color unitario para todas ellas, ya que por defecto el tamaño va acorde al peso de cada una de ellas.
Un mayor grado en uno de los nodos implica un mayor número de estaciones conectadas con dicho nodo, mientras que un mayor peso de las aristas implica un mayor número de viajes para cada conexión.
5.3.3 Ventana de grafo
Por último, en la zona inferior de la interfaz de la ventana de grafo, tenemos diversas opciones como activar/desactivar el botón para mostrar las etiquetas de los distintos nodos, adecuar el tamaño de las aristas con la finalizad de hacer más limpia la visualización, modificar el tipo de letra de las etiquetas, …
A continuación, podemos ver la visualización del grafo que representa la red una vez aplicadas las opciones de visualización mencionadas en los puntos anteriores.
Figura 6. Visualización del grafo
Activando la opción de visualizar etiquetas y colocando el cursor sobre uno de los nodos, se mostrarán los enlaces que corresponden al nodo y el resto de los nodos que están vinculados al elegido mediante dichos enlaces.
A continuación, podemos visualizar los nodos y enlaces relativos a la estación de bicicletas “Fernando el Católico". En la visualización se distinguen con facilidad los nodos que poseen un mayor número de conexiones, ya que aparecen con un mayor tamaño y colores más llamativos, como por ejemplo "Plaza de la Cebada" o "Quevedo".
5.4 Principales medidas de red
Junto a la visualización del grafo, las siguientes medidas nos aportan la principal información de la red analizada. Estas medias, que son las métricas habituales cuando se realiza analítica de redes, podremos calcularlas en la ventana de estadísticas.
- Nodos (N): son los distintos elementos individuales que componen una red, representando entidades diversas. En este caso las distintas estaciones de bicicletas. Su valor en la red es de 243
- Enlaces (L): son las conexiones que existen entre los nodos de una red. Los enlaces representan las relaciones o interacciones entre los elementos individuales (nodos) que componen la red. Su valor en la red es de 3014
- Número máximo de enlaces (Lmax): es el máximo posible de enlaces en la red. Se calcula mediante la siguiente fórmula Lmax= N(N-1)/2. Su valor en la red es de 31878
- Grado medio (k): es una medida estadística para cuantificar la conectividad promedio de los nodos de la red. Se calcula promediando los grados de todos los nodos de la red. Su valor en la red es de 23,8
- Densidad de la red (d): indica la proporción de conexiones existentes entre los nodos de la red con respecto al total de conexiones posibles. Su valor en la red es de 0,047
- Diámetro (dmax ): es la distancia de grafo más larga entre dos nodos cualquiera de la res, es decir, cómo de lejos están los 2 nodos más alejados. Su valor en la red es de 7
- Distancia media (d): es la distancia de grafo media promedio entre los nodos de la red. Su valor en la red es de 2,68
- Coeficiente medio de clustering (C): Índica cómo los nodos están incrustados entre sus nodos vecinos. El valor medio da una indicación general de la agrupación en la red. Su valor en la red es de 0,208
- Componente conexo: grupo de nodos que están directa o indirectamente conectados entre sí, pero no están conectados con los nodos fuera de ese grupo. Su valor en la red es de 24
5.5 Interpretación de los resultados
La probabilidad de grados sigue de forma aproximada una distribución de larga cola, donde podemos observar que existen unas pocas estaciones que interactúan con un gran número de ellas mientras que la mayoría interactúa con un número bajo de estaciones.
El grado medio es de 23,8 lo que indica que cada estación interacciona de media con cerca de otras 24 estaciones (entrada y salida).
En el siguiente gráfico podemos observar que, aunque tengamos nodos con grados considerados como altos (80, 90, 100, …), se observa que el 25% de los nodos tienen grados iguales o inferiores a 8, mientras que el 75% de los nodos tienen grados inferiores o iguales a 32.
La gráfica anterior se puede desglosar en las dos siguientes correspondientes al grado medio de entrada y de salida (ya que la red es direccional). Vemos que ambas tienen distribuciones de larga cola similares, siendo su grado medio el mismo de 11,9.
Su principal diferencia es que la gráfica correspondiente al grado medio de entrada tiene una mediana de 7 mientras que la de salida es de 9, lo que significa que existe una mayoría de nodos con grados más bajos en los de entrada que los de salida.
El valor del grado medio con pesos es de 346,07 lo cual nos indica la media de viajes totales de entrada y salida de cada estación.
La densidad de red de 0,047 es considerada una densidad baja indicando que la red es dispersa, es decir, contiene pocas interacciones entre distintas estaciones en relación con las posibles. Esto se considera lógico debido a que las conexiones entre estaciones estarán limitadas a ciertas zonas debido a la dificultad de llegar a estaciones que se encuentra a largas distancias.
El coeficiente medio de clustering es de 0,208 significando que la interacción de dos estaciones con una tercera no implica necesariamente la interacción entre sí, es decir, no implica necesariamente transitividad, por lo que la probabilidad de interconexión de esas dos estaciones mediante la intervención de una tercera es baja.
Por último, la red presenta 24 componentes conexos, siendo 2 de ellos componentes conexos débiles y 22 componentes conexos fuertes.
5.6 Análisis de centralidad
Un análisis de centralidad se refiere a la evaluación de la importancia de los nodos en una red utilizando diferentes medidas. La centralidad es un concepto fundamental en el análisis de redes y se utiliza para identificar nodos clave o influyentes dentro de una red. Para realizar esta tarea se parte de las métricas calculadas en la ventana de estadísticas.
- La medida de centralidad de grado indica que cuanto más alto es el grado de un nodo, más importante es. Las cinco estaciones con valores más elevados son: 1º Plaza de la Cebada, 2º Plaza de Lavapiés, 3º Fernando el Católico, 4º Quevedo, 5º Segovia 45.
- La media de centralidad de cercanía indica que cuanto más alto sea el valor de cercanía de un nodo, más central es, ya que puede alcanzar cualquier otro nodo de la red con el menor esfuerzo posible. Las cinco estaciones que valores más elevados poseen son: 1º Fernando el Católico 2º General Pardiñas, 3º Plaza de la Cebada, 4º Plaza de Lavapiés, 5º Puerta de Madrid.
Figura 13. Distribución medida centralidad de cercanía
- La medida de centralidad de intermediación indica que cuanto mayor sea la medida de intermediación de un nodo, más importante es dado que está presente en más rutas de interacción entre nodos que el resto de los nodos de la red. Las cinco estaciones que valores más elevados poseen son: 1º Fernando el Católico, 2º Plaza de Lavapiés, 3º Plaza de la Cebada, 4º Puerta de Madrid, 5º Quevedo.
FIgura 16. Visualización grafo centralidad de intermediación
Con la herramienta Gephi se pueden calcular gran cantidad de métricas y parámetros que no se reflejan en este estudio ,como por ejemplo, la medida de vector propio o distribucción de centralidad "eigenvector".
5.7 Filtros
Mediante la ventana de filtrado, podemos seleccionar ciertos parámetros que simplifiquen las visualizaciones con la finalidad de mostrar información relevante del análisis de redes de una forma más clara visualmente.
A continuación, mostraremos varios filtrados realizados:
- Filtrado de rango (grado), en el que se muestran los nodos con un rango superior a 50, suponiendo un 13,44% (34 nodos) y un 15,41% (464 aristas)
- Filtrado de aristas (peso de la arista), en el que se muestran las aristas con un peso superior a 100, suponiendo un 0,7% (20 aristas)
Figura 19. VIsualización grafo filtrado de arista (peso)
Dentro de la ventana de filtros, existen muchas otras opciones de filtrado sobre atributos, rangos, tamaños de particiones, las aristas, … con los que puedes probar a realizar nuevas visualizaciones para extraer información del grafo. Si quieres conocer más sobre el uso de Gephi, puedes consultar los siguientes cursos y formaciones sobre la herramienta.
6. Conclusiones del ejercicio
Una vez realizado el ejercicio, podemos apreciar las siguientes conclusiones:
- Las tres estaciones más interconectadas con otras estaciones son Plaza de la Cebada (133), Plaza de Lavapiés (126) y Fernando el Católico (114).
- La estación que tiene un mayor número de conexiones de entrada es la Plaza de la Cebada (78), mientras que la que tiene un mayor número de conexiones de salida es la Plaza de Lavapiés con el mismo número que Fernando el Católico (57)
- Las tres estaciones con un mayor número de viajes totales son Plaza de la Cebada (4524), Plaza de Lavapiés (4237) y Fernando el Católico (3526).
- Existen 20 rutas con más de 100 viajes. Siendo las 3 rutas con un mayor número de ellos: Puerta de Toledo – Plaza Conde Suchil (141), Quintana Fuente del Berro – Quintana (137), Camino Vinateros – Miguel Moya (134).
- Teniendo en cuenta el número de conexiones entre estaciones y de viajes, las estaciones de mayor importancia dentro de la red son: Plaza la Cebada, Plaza de Lavapiés y Fernando el Católico.
Esperemos que esta visualización paso a paso te haya resultado útil para el aprendizaje de algunas técnicas muy habituales en el tratamiento y representación de datos abiertos. Volveremos para mostraros nuevas reutilizaciones. ¡Hasta pronto!
