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An Evolutionary Algorithm to Generate Real Urban Traffic Flows

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In this article we present a strategy based on an evolutionary algorithm to calculate the real vehicle flows in cities according to data from sensors placed in the streets. We have worked with a map imported from OpenStreetMap into the SUMO traffic simulator so that the resulting scenarios can be used to perform different optimizations with the confidence of being working with a traffic distribution close to reality. We have compared the result of our algorithm to other competitors and achieved results that replicate the real traffic distribution with a precision higher than 90%.

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An Evolutionary Algorithm to Generate Real Urban Traffic Flows

  1. 1. AN EVOLUTIONARY ALGORITHM TO GENERATE REAL URBAN TRAFFIC FLOWS Daniel H. Stolfi dhstolfi@lcc.uma.es Enrique Alba eat@lcc.uma.es Departamento de Lenguajes y Ciencias de la Computación Universidad de Málaga CAEPIA’15 Albacete, España Noviembre 2015 Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 1 / 20
  2. 2. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados CONTENTS 1 INTRODUCCIÓN 2 CASO DE ESTUDIO 3 ARQUITECTURA 4 RESULTADOS Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 2 / 20
  3. 3. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados CONTENTS 1 INTRODUCCIÓN 2 CASO DE ESTUDIO 3 ARQUITECTURA 4 RESULTADOS Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 2 / 20
  4. 4. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados CONTENTS 1 INTRODUCCIÓN 2 CASO DE ESTUDIO 3 ARQUITECTURA 4 RESULTADOS Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 2 / 20
  5. 5. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados CONTENTS 1 INTRODUCCIÓN 2 CASO DE ESTUDIO 3 ARQUITECTURA 4 RESULTADOS Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 2 / 20
  6. 6. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Motivación Nuestra Propuesta Definición del Problema MOTIVACIÓN Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 3 / 20
  7. 7. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Motivación Nuestra Propuesta Definición del Problema MOTIVACIÓN Durante las últimas décadas se ha incrementado el estudio de los problemas de tráfico, en dónde se proponen soluciones que comprenden: Ajuste de los ciclos semafóricos Cambio de rutas para evitar o prevenir atascos Estudios del posicionamiento de paneles informativos Problemas VANET Muchos más. . . La mayoría de estas propuestas recurren a simulaciones para obtener y validar sus resultados Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 3 / 20
  8. 8. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Motivación Nuestra Propuesta Definición del Problema MOTIVACIÓN Durante las últimas décadas se ha incrementado el estudio de los problemas de tráfico, en dónde se proponen soluciones que comprenden: Ajuste de los ciclos semafóricos Cambio de rutas para evitar o prevenir atascos Estudios del posicionamiento de paneles informativos Problemas VANET Muchos más. . . La mayoría de estas propuestas recurren a simulaciones para obtener y validar sus resultados Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 3 / 20
  9. 9. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Motivación Nuestra Propuesta Definición del Problema MOTIVACIÓN Durante las últimas décadas se ha incrementado el estudio de los problemas de tráfico, en dónde se proponen soluciones que comprenden: Ajuste de los ciclos semafóricos Cambio de rutas para evitar o prevenir atascos Estudios del posicionamiento de paneles informativos Problemas VANET Muchos más. . . La mayoría de estas propuestas recurren a simulaciones para obtener y validar sus resultados Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 3 / 20
  10. 10. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Motivación Nuestra Propuesta Definición del Problema MOTIVACIÓN Durante las últimas décadas se ha incrementado el estudio de los problemas de tráfico, en dónde se proponen soluciones que comprenden: Ajuste de los ciclos semafóricos Cambio de rutas para evitar o prevenir atascos Estudios del posicionamiento de paneles informativos Problemas VANET Muchos más. . . La mayoría de estas propuestas recurren a simulaciones para obtener y validar sus resultados Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 3 / 20
  11. 11. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Motivación Nuestra Propuesta Definición del Problema MOTIVACIÓN Durante las últimas décadas se ha incrementado el estudio de los problemas de tráfico, en dónde se proponen soluciones que comprenden: Ajuste de los ciclos semafóricos Cambio de rutas para evitar o prevenir atascos Estudios del posicionamiento de paneles informativos Problemas VANET Muchos más. . . La mayoría de estas propuestas recurren a simulaciones para obtener y validar sus resultados Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 3 / 20
  12. 12. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Motivación Nuestra Propuesta Definición del Problema MOTIVACIÓN Durante las últimas décadas se ha incrementado el estudio de los problemas de tráfico, en dónde se proponen soluciones que comprenden: Ajuste de los ciclos semafóricos Cambio de rutas para evitar o prevenir atascos Estudios del posicionamiento de paneles informativos Problemas VANET Muchos más. . . La mayoría de estas propuestas recurren a simulaciones para obtener y validar sus resultados Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 3 / 20
  13. 13. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Motivación Nuestra Propuesta Definición del Problema MOTIVACIÓN Durante las últimas décadas se ha incrementado el estudio de los problemas de tráfico, en dónde se proponen soluciones que comprenden: Ajuste de los ciclos semafóricos Cambio de rutas para evitar o prevenir atascos Estudios del posicionamiento de paneles informativos Problemas VANET Muchos más. . . La mayoría de estas propuestas recurren a simulaciones para obtener y validar sus resultados Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 3 / 20
  14. 14. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Motivación Nuestra Propuesta Definición del Problema MOTIVACIÓN Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 4 / 20
  15. 15. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Motivación Nuestra Propuesta Definición del Problema MOTIVACIÓN El uso de simuladores implica tener en cuenta el realismo de las simulaciones para garantizar la fiabilidad de los resultados obtenidos atendiendo a: Mapa real (OpenStreetMap) Tipos y características de los vehículos (Muestra) Ciclos semafóricos (Ayuntamientos, algoritmos, etc.) Flujos vehiculares Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 4 / 20
  16. 16. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Motivación Nuestra Propuesta Definición del Problema MOTIVACIÓN El uso de simuladores implica tener en cuenta el realismo de las simulaciones para garantizar la fiabilidad de los resultados obtenidos atendiendo a: Mapa real (OpenStreetMap) Tipos y características de los vehículos (Muestra) Ciclos semafóricos (Ayuntamientos, algoritmos, etc.) Flujos vehiculares Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 4 / 20
  17. 17. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Motivación Nuestra Propuesta Definición del Problema MOTIVACIÓN El uso de simuladores implica tener en cuenta el realismo de las simulaciones para garantizar la fiabilidad de los resultados obtenidos atendiendo a: Mapa real (OpenStreetMap) Tipos y características de los vehículos (Muestra) Ciclos semafóricos (Ayuntamientos, algoritmos, etc.) Flujos vehiculares Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 4 / 20
  18. 18. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Motivación Nuestra Propuesta Definición del Problema MOTIVACIÓN El uso de simuladores implica tener en cuenta el realismo de las simulaciones para garantizar la fiabilidad de los resultados obtenidos atendiendo a: Mapa real (OpenStreetMap) Tipos y características de los vehículos (Muestra) Ciclos semafóricos (Ayuntamientos, algoritmos, etc.) Flujos vehiculares Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 4 / 20
  19. 19. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Motivación Nuestra Propuesta Definición del Problema MOTIVACIÓN El uso de simuladores implica tener en cuenta el realismo de las simulaciones para garantizar la fiabilidad de los resultados obtenidos atendiendo a: Mapa real (OpenStreetMap) Tipos y características de los vehículos (Muestra) Ciclos semafóricos (Ayuntamientos, algoritmos, etc.) Flujos vehiculares Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 4 / 20
  20. 20. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Motivación Nuestra Propuesta Definición del Problema FLOW GENERATOR ALGORITHM (FGA) Flow Generator Algorithm: Genera flujos de tráfico reales Se basa en información pública de sensores Como resultado se obtiene: mapa + flujos vehiculares Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 5 / 20
  21. 21. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Motivación Nuestra Propuesta Definición del Problema FLOW GENERATOR ALGORITHM (FGA) Flow Generator Algorithm: Genera flujos de tráfico reales Se basa en información pública de sensores Como resultado se obtiene: mapa + flujos vehiculares Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 5 / 20
  22. 22. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Motivación Nuestra Propuesta Definición del Problema FLOW GENERATOR ALGORITHM (FGA) Flow Generator Algorithm: Genera flujos de tráfico reales Se basa en información pública de sensores Como resultado se obtiene: mapa + flujos vehiculares Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 5 / 20
  23. 23. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Motivación Nuestra Propuesta Definición del Problema FLOW GENERATOR ALGORITHM (FGA) Flow Generator Algorithm: Genera flujos de tráfico reales Se basa en información pública de sensores Como resultado se obtiene: mapa + flujos vehiculares Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 5 / 20
  24. 24. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Motivación Nuestra Propuesta Definición del Problema DEFINICIÓN DEL PROBLEMA Sea v∗ = (v∗ 1 , . . . , v∗ N) un vector conteniendo los valores reales recogidos desde N sensores en la ciudad Y sea v = (v1, . . . , vN) un vector conteniendo los valores obtenidos al evaluar el mapa de la ciudad (simulación) Nuestro objetivo es minimizar el error: ei = |v∗ i − vi|, i ∈ {1, . . . , N} Modificando el número de vehículos en cada flujo: f = (f1, . . . , fM) Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 6 / 20
  25. 25. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Sensores Construcción SENSORES Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 7 / 20
  26. 26. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Sensores Construcción PUNTOS DE MEDICIÓN Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 8 / 20
  27. 27. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Sensores Construcción PUNTOS DE MEDICIÓN OpenStreetMap Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 8 / 20
  28. 28. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Sensores Construcción PUNTOS DE MEDICIÓN OpenStreetMap SUMO Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 8 / 20
  29. 29. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Sensores Construcción PUNTOS DE MEDICIÓN OpenStreetMap SUMO 12 sensores en Málaga (N = 12) Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 8 / 20
  30. 30. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Sensores Construcción OPEN DATA Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 9 / 20
  31. 31. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Sensores Construcción CONSTRUCCIÓN DEL CASO DE ESTUDIO Hemos trabajado con un mapa de la ciudad de Málaga 1 Primero, descargamos el mapa desde OpenStreetMap 2 Segundo, quitamos elementos ajenos al trazado urbano con JOSM 3 Tercero, definimos los flujos vehiculares utilizando DUAROUTER 4 Cuarto, generamos el modelo de la ciudad utilizando NETCONVERT 5 Finalmente, añadimos los puntos de medición Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 10 / 20
  32. 32. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Sensores Construcción CONSTRUCCIÓN DEL CASO DE ESTUDIO Hemos trabajado con un mapa de la ciudad de Málaga 1 Primero, descargamos el mapa desde OpenStreetMap 2 Segundo, quitamos elementos ajenos al trazado urbano con JOSM 3 Tercero, definimos los flujos vehiculares utilizando DUAROUTER 4 Cuarto, generamos el modelo de la ciudad utilizando NETCONVERT 5 Finalmente, añadimos los puntos de medición Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 10 / 20
  33. 33. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Sensores Construcción CONSTRUCCIÓN DEL CASO DE ESTUDIO Hemos trabajado con un mapa de la ciudad de Málaga 1 Primero, descargamos el mapa desde OpenStreetMap 2 Segundo, quitamos elementos ajenos al trazado urbano con JOSM 3 Tercero, definimos los flujos vehiculares utilizando DUAROUTER 4 Cuarto, generamos el modelo de la ciudad utilizando NETCONVERT 5 Finalmente, añadimos los puntos de medición Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 10 / 20
  34. 34. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Sensores Construcción CONSTRUCCIÓN DEL CASO DE ESTUDIO Hemos trabajado con un mapa de la ciudad de Málaga 1 Primero, descargamos el mapa desde OpenStreetMap 2 Segundo, quitamos elementos ajenos al trazado urbano con JOSM 3 Tercero, definimos los flujos vehiculares utilizando DUAROUTER 4 Cuarto, generamos el modelo de la ciudad utilizando NETCONVERT 5 Finalmente, añadimos los puntos de medición Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 10 / 20
  35. 35. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Sensores Construcción CONSTRUCCIÓN DEL CASO DE ESTUDIO Hemos trabajado con un mapa de la ciudad de Málaga 1 Primero, descargamos el mapa desde OpenStreetMap 2 Segundo, quitamos elementos ajenos al trazado urbano con JOSM 3 Tercero, definimos los flujos vehiculares utilizando DUAROUTER 4 Cuarto, generamos el modelo de la ciudad utilizando NETCONVERT 5 Finalmente, añadimos los puntos de medición Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 10 / 20
  36. 36. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Sensores Construcción CONSTRUCCIÓN DEL CASO DE ESTUDIO Hemos trabajado con un mapa de la ciudad de Málaga 1 Primero, descargamos el mapa desde OpenStreetMap 2 Segundo, quitamos elementos ajenos al trazado urbano con JOSM 3 Tercero, definimos los flujos vehiculares utilizando DUAROUTER 4 Cuarto, generamos el modelo de la ciudad utilizando NETCONVERT 5 Finalmente, añadimos los puntos de medición Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 10 / 20
  37. 37. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Flow Generator Algorithm Representación Función de Evaluación Operadores ARQUITECTURA Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 11 / 20
  38. 38. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Flow Generator Algorithm Representación Función de Evaluación Operadores FLOW GENERATOR ALGORITHM (FGA) (10+2)-EA El resultado es el número de vehículos en cada flujo La solución se calcula en base a los sensores Los individuos se evalúan utilizando el simulador SUMO La búsqueda local implementada requiere de una simulación adicional para contar el número de vehículos en cada sensor Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 12 / 20
  39. 39. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Flow Generator Algorithm Representación Función de Evaluación Operadores REPRESENTACIÓN El vector solución contiene los valores que representan al número de vehículos en cada flujo En este trabajo hemos trabajado con 12 sensores de Málaga y 63 flujos (M = 63) Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 13 / 20
  40. 40. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Flow Generator Algorithm Representación Función de Evaluación Operadores FUNCIÓN DE EVALUACIÓN F(v) =    N i=1 | vi −v∗ i v∗ i | if C(v) ≤ 0.2, ∞ if C(v) > 0.2. C(v) = max vi − v∗ i v∗ i , i ∈ {1, . . . , N} Estamos minimizando: cuanto más bajo el valor de F(v), mejor Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 14 / 20
  41. 41. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Flow Generator Algorithm Representación Función de Evaluación Operadores BÚSQUEDA LOCAL ∆(t) = α ∗ e(min Fitnessi (t))/β , i ∈ [1, λ], λ = 10 Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 15 / 20
  42. 42. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Resultados Conclusiones Trabajo Futuro RESULTADOS Sensor Vehículos Diferencia Real FGA 5 1088 1078 -0.92% 6 349 351 0.57% 7 289 289 0.00% 8 265 265 0.00% 9 263 265 0.76% 10 653 648 -0.77% 13 228 230 0.88% 14 510 512 0.39% 15 663 658 -0.75% 16 522 470 -9.96% 17 850 852 0.24% 18 571 570 -0.18% La diferencia media es 1.3% Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 16 / 20
  43. 43. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Resultados Conclusiones Trabajo Futuro ANOMALÍA Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 17 / 20
  44. 44. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Resultados Conclusiones Trabajo Futuro CONCLUSIONES Hemos presentado una nueva estrategia para configurar flujos vehiculares basada en un EA. Hemos utilizado datos reales publicados por el ayuntamiento de Málaga que provienen de sensores ubicados en la ciudad El número de vehículos medidos tras la optimización se encuentra muy cerca al real Los escenarios obtenidos podrán utilizarse para realizar diferentes optimizaciones con un grado superior de realismo aumentando la fiabilidad de los resultados Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 18 / 20
  45. 45. Introducción Caso de Estudio Arquitectura Resultados Resultados Conclusiones Trabajo Futuro TRABAJO FUTURO Necesitamos estudiar y aplicar posibles optimizaciones previas (semáforos, rutas, etc.) a los escenarios El objetivo es abarcar los 65 puntos de medición (sensores) disponibles en Málaga así como diferentes períodos (cuatrimestres) Esto implica abordar la simulación de la ciudad al completo (tiempo, complejidad, etc.) Búsqueda de posible competidores que se puedan utilizar con los datos disponibles Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 19 / 20
  46. 46. PREGUNTAS http://neo.lcc.uma.es http://danielstolfi.com Acknowledgements: This research has been partially funded by project number 8.06/5.47.4142 in collaboration with the VSB-Technical University of Ostrava and Universidad de Málaga UMA/FEDER FC14-TIC36, programa de fort- alecimiento de las capacidades de I+D+i en las universidades 2014-2015, de la Consejería de Economía, Innovación, Ciencia y Empleo, confinanciado por el fondo europeo de desarrollo regional (FEDER). Also, partially funded by the Spanish MINECO project TIN2014-57341-R (http://moveon.lcc.uma.es). The authors would like to thank the FEDER of European Union for financial support via project “Movilidad Inteligente: Wi-Fi, Rutas y Contaminación“ (maxCT) of the ”Programa Operativo FEDER de Andalucía 2014-2020“. We also thank all Agency of Public Works of Andalusia Regional Government staff and researchers for their dedication and professionalism. Daniel H. Stolfi is supported by a FPU grant (FPU13/00954) from the Spanish Ministry of Education, Culture and Sports. University of Malaga. International Campus of Excellence Andalucía TECH. Daniel H. Stolfi & Enrique Alba Un EA para generar flujos vehiculares reales 20 / 20

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