Modeling and Control of a Cooperative Road Traffic by means of Petri-Nets and Consensus-Algorithms

Die vorliegende Arbeit behandelt die Konzeption eines zukünftigen automatisierten Straßenverkehrs für Autobahnen auf Basis von fahrzeuglokalen Entscheidungsmechanismen und Fahrzeug-Fahrzeug-Kommunikation. Der derzeitige Straßenverkehr zeichnet sich durch unterschiedliches und deviantes Fahrzeug- bzw. Fahrerverhalten aus, dessen Konsequenz Phänomene wie Staus und Verkehrsunfälle sind. Die Homogenisierung des Fahrzeugverhaltens soll diese negativen Phänomene eliminieren und durch autonom fahrende Fahrzeuge, die untereinander kommunizieren können, realisiert werden. Hierzu ist der Entwurf einer fahrzeuglokalen homogenen Regelbasis erforderlich, die das spezifizierte Verkehrsverhalten realisiert. Zu diesem Zweck wird der Straßenverkehr als ein Objektsystem auf Basis von Petrinetzen mit zwei Ebenen modelliert. Die Straßennetzebene bildet das globale Verhalten einer Fahrzeuggruppe ab, während die Formationsnetzebene die Interaktionen zwischen den Fahrzeugen repräsentiert. Durch Kombination von Straßen- und Formationsnetzen werden verschiedene Verkehrssituationen generiert. Mit den jeweils assoziierten Formationsnetzen wird eine Erreichbarkeitsanalyse durchgeführt. In jedem Erreichbarkeitsgraphen werden anschließend Zielzustände identifiziert und ein Pfad zu diesen ermittelt, der ein definiertes Gütemaß minimiert und konsekutiven Interaktionen der Fahrzeuge entspricht. Mittels der Analyse fahrzeuglokaler Umgebungsparameter werden die jeweiligen Aktionen der Fahrzeuge zu einer fahrzeuglokalen Regelbasis kombiniert. Zur Koordination der beteiligten Fahrzeuge wird auf dieser Basis ein Kommunikationsprotokoll definiert, das um Konsens-Algorithmen ergänzt wird, welche die Stabilisierung der Formationen sicherstellen. Resultat sind eine Regelbasis und ein Kommunikationsprotokoll, die als verteiltes Regelungssystem ein Verkehrsverhalten erzeugen, das die Straßenkapazität bestmöglich ausnutzt und Unfälle inhärent vermeidet. Ein Rahmenwerk ermöglicht neben der Unterstützung beim Entwurf der Regelbasis auch eine fahrphysikalische Simulation von Fahrzeuggruppen auf begrenzten Fahrbahnabschnitten, sodass das hieraus resultierende Verkehrsverhalten erkennbar wird.This contribution presents a concept of a future automated road traffic for highways, based on vehicle-local decision-making and car2car communication. Present road traffic is characterized by varying and deviant vehicles' and drivers' behavior, that results in phenomena as traffic jams and accidents. A homogenization of the vehicles' behavior shall be a remedy against this, by means of autonomous driving and communicating vehicles. Main objective is the development of a vehicle-local homogenous rule-base realizing a specified traffic behavior. For this purpose road traffic is modeled as an object system by means of Petri Nets, consisting of a system net and an object net. The system net represents the road network, whereas an object net is a representation of a vehicle formation. This concept is used to model different traffic scenarios. For each associated formation net the reachability graph is calculated and analyzed regarding target states and their shortest paths minimizing the predefined cost function. The shortest paths are equivalent to consecutive vehicle interactions, which are furthermore mapped to vehicle-local environmental parameters to construct a well-defined rule-base. For the coordination between the vehicles an associated communication protocol is generated and combined with consensus-algorithms to ensure stability of the vehicle formations. Result is a rule-base realizing a distributed vehicle control which inherently avoids accidents while utilizing full road capacity. According to this, a framework offers, besides support at the rule-base generation, the simulation of the resulting collective behavior of a scalable vehicle formation in certain traffic scenarios with high physical insight

Modellierung und Analyse individuellen Konsumentenverhaltens mit probabilistischen Holonen

Der Schwerpunkt dieser Arbeit liegt in der Entwicklung eines agentenbasierten, probabilistischen Konsumentenverhaltensmodells zur Repräsentation und Analyse individuellen Kaufverhaltens. Das Modell dient zur Entscheidungsunterstützung im Handel und speziell im Customer Relationship Management (CRM). Als Modellgrundlage wird eine Klasse probabilistischer Agenten eingeführt, die sich zu Holonen zusammenschließen können und deren Wissensbasen erweiterte Bayes';sche Netze (Verhaltensnetze) sind. Mit Hilfe probabilistischer Holone werden Kundenagenten entwickelt, die einzelne reale Kundenmodellieren. Dazu werden kundenindividuelle Verhaltensmuster unter Berücksichtigung von Domänenwissen aus historischen Kundendaten extrahiert und als nichtlineare Abhängigkeiten zwischen Einflussfaktoren und artikelbezogenen Kundenreaktionen in Verhaltensnetzen repräsentiert. Ein Kundenagent ist dabei ein Holon aus mehreren so genannten Feature-Agenten, die jeweils einzelne Kundeneigenschaften repräsentieren, entsprechende Feature-Verhaltensnetze verwalten und durch Interaktion das Gesamtverhalten des Kunden bestimmen. Die Simulation des Verhaltens besteht aus der Ermittlung von Kundenreaktionen auf vorgegebene Einkaufsszenarien mit Hilfe quantifizierbarer probabilistischer Schlussfolgerungen. Kundenagenten können sich durch Holonisierung zu Kundengruppenagenten zusammenschließen, die unterschiedliche Aggregationen des Kaufverhaltens der Gruppenmitglieder repräsentieren. Zur Bestimmung gleichartiger Kunden werden auf Basis der Verhaltensnetze mehrere Ähnlichkeitsanalyseverfahren sowie verhaltensbezogene Ähnlichkeitsmaße zum Vergleich des dynamischen Kaufverhaltens entwickelt. Bestehende Klassifikations- und Clusteringverfahren werden anschließend so erweitert, dass sie neben klassischen Attributvektoren verhaltensnetzbasierte Repräsentationen als Vergleichsgrundlage verwenden können. Darüber hinaus werden Verfahren zur Zuordnung anonymer Kassenbons zu vorgegebenen Kundengruppen entwickelt, um Ergebnisse von Kundensimulationen auf die Gesamtheit der anonymen Kunden eines Unternehmens übertragen zu können. Nutzen und Qualität der entwickelten Modelle, Verfahren und Maße werden mit Hilfe einer umfangreichen Software-Implementierung anhand mehrerer Anwendungsbeispiele aus der Praxis demonstriert und in einigen Fallstudien evaluiert — basierend auf realen Daten eines deutschen Einzelhandelsunternehmens.The focus of this work is the development of an agent-based, probabilistic model for representing and analysing individual consumer behaviour. The model provides a basis for decision making in marketing and especially in customer relationship management (CRM). As foundation of the model, a class of probabilistic agents is introduced. These agents can be merged to holonic agents (holons) and have probabilistic knowledge bases adapted from Bayesian networks (behaviour networks). An individual customer is modelled as a customer agent which is a probabilistic holon consisting of several feature agents. A feature agent represents a particular property (feature) of the customer';s behaviour and encapsulates appropriate feature-related behaviour networks. The total behaviour of a customer agent is determined by interaction of its feature agents. Individual behaviour patterns of a customer are extracted from real data — in consideration of given domain knowledge — and are represented within behaviour networks as non-linear dependencies between influencing factors and the customer';s product-related reactions. Behaviour simulation is realised by evaluation of expected reactions of customers on given shopping scenarios based on quantifiable, probabilistic reasoning. Customer agents are able to join to customer group agents which represent different behaviour aggregations of their members. Based on behaviour networks, several behaviour-related methods of analysis as well as distance measures are developed to identify homogeneous customers on the basis of their dynamic shopping behaviour. Subsequently, existing vector-based methods of classification and clustering are extended by these behaviour-related methods and measures. In addition, methods are developed to assign anonymous receipts to given customer groups in order to extent customer-related simulation results to anonymous customers of a company. Benefits and quality of the developed models, methods and measures, which are implemented within a complex software system, are shown by practical examples and evaluated in several case studies — based on real data from a German retailer