Crowdsensing-driven route optimisation algorithms for smart urban mobility

Urban rörlighet anses ofta vara en av de främsta möjliggörarna för en hållbar statsutveckling. Idag skulle det dock kräva ett betydande skifte mot renare och effektivare stadstransporter vilket skulle stödja ökad social och ekonomisk koncentration av resurser i städerna. En viktig prioritet för städer runt om i världen är att stödja medborgarnas rörlighet inom stadsmiljöer medan samtidigt minska trafikstockningar, olyckor och föroreningar. Att utveckla en effektivare och grönare (eller med ett ord; smartare) stadsrörlighet är en av de svåraste problemen att bemöta för stora metropoler. I denna avhandling närmar vi oss problemet från det snabba utvecklingsperspektivet av ITlandskapet i städer vilket möjliggör byggandet av rörlighetslösningar utan stora stora investeringar eller sofistikerad sensortenkik. I synnerhet föreslår vi utnyttjandet av den mobila rörlighetsavkännings, eng. Mobile Crowdsensing (MCS), paradigmen i vilken befolkningen exploaterar sin mobilkommunikation och/eller mobilasensorer med syftet att frivilligt samla, distribuera, lokalt processera och analysera geospecifik information. Rörlighetavkänningssdata (t.ex. händelser, trafikintensitet, buller och luftföroreningar etc.) inhämtad från frivilliga i befolkningen kan ge värdefull information om aktuella rörelsesförhållanden i stad vilka, med adekvata databehandlingsalgoriter, kan användas för att planera människors rörelseflöden inom stadsmiljön. Såtillvida kombineras i denna avhandling två mycket lovande smarta rörlighetsmöjliggörare, eng. Smart Mobility Enablers, nämligen MCS och rese/ruttplanering. Vi kan därmed till viss utsträckning sammanföra forskningsutmaningar från dessa två delar. Vi väljer att separera våra forskningsmål i två delar, dvs forskningssteg: (1) arkitektoniska utmaningar vid design av MCS-system och (2) algoritmiska utmaningar för tillämpningar av MCS-driven ruttplanering. Vi ämnar att visa en logisk forskningsprogression över tiden, med avstamp i mänskligt dirigerade rörelseavkänningssystem som MCS och ett avslut i automatiserade ruttoptimeringsalgoritmer skräddarsydda för specifika MCS-applikationer. Även om vi förlitar oss på heuristiska lösningar och algoritmer för NP-svåra ruttproblem förlitar vi oss på äkta applikationer med syftet att visa på fördelarna med algoritm- och infrastrukturförslagen.La movilidad urbana es considerada una de las principales desencadenantes de un desarrollo urbano sostenible. Sin embargo, hoy en día se requiere una transición hacia un transporte urbano más limpio y más eficiente que soporte una concentración de recursos sociales y económicos cada vez mayor en las ciudades. Una de las principales prioridades para las ciudades de todo el mundo es facilitar la movilidad de los ciudadanos dentro de los entornos urbanos, al mismo tiempo que se reduce la congestión, los accidentes y la contaminación. Sin embargo, desarrollar una movilidad urbana más eficiente y más verde (o en una palabra, más inteligente) es uno de los temas más difíciles de afrontar para las grandes áreas metropolitanas. En esta tesis, abordamos este problema desde la perspectiva de un panorama TIC en rápida evolución que nos permite construir movilidad sin la necesidad de grandes inversiones ni sofisticadas tecnologías de sensores. En particular, proponemos aprovechar el paradigma Mobile Crowdsensing (MCS) en el que los ciudadanos utilizan sus teléfonos móviles y dispositivos, para nosotros recopilar, procesar y analizar localmente información georreferenciada, distribuida voluntariamente. Los datos de movilidad recopilados de ciudadanos que voluntariamente quieren compartirlos (por ejemplo, eventos, intensidad del tráfico, ruido y contaminación del aire, etc.) pueden proporcionar información valiosa sobre las condiciones de movilidad actuales en la ciudad, que con el algoritmo de procesamiento de datos adecuado, pueden utilizarse para enrutar y gestionar el flujo de gente en entornos urbanos. Por lo tanto, en esta tesis combinamos dos prometedoras fuentes de movilidad inteligente: MCS y la planificación de viajes/rutas, uniendo en cierta medida los distintos desafíos de investigación. Hemos dividido nuestros objetivos de investigación en dos etapas: (1) Desafíos arquitectónicos en el diseño de sistemas MCS y (2) Desafíos algorítmicos en la planificación de rutas aprovechando la información del MCS. Nuestro objetivo es demostrar una progresión lógica de la investigación a lo largo del tiempo, comenzando desde los fundamentos de los sistemas de detección centrados en personas, como el MCS, hasta los algoritmos de optimización de rutas diseñados específicamente para la aplicación de estos. Si bien nos centramos en algoritmos y heurísticas para resolver problemas de enrutamiento de clase NP-hard, utilizamos ejemplos de aplicaciones en el mundo real para mostrar las ventajas de los algoritmos e infraestructuras propuestas

An artificial bee colony algorithm for public bike repositioning problem

Paper PresentationConference Theme: Informing transport’s future through practical researchPublic bike repositioning is crucial in public bike sharing systems due to the imbalanced distribution of public bikes. This paper models the public bike repositioning problem (PBRP) involving two non-linear objectives, which are to minimize total service duration and the duration of the longest vehicle route. It includes practical constraints such as the tolerance of demand dissatisfaction and the limitation of duration on the longest route. These objective functions and constraints make the PBRP become NP-hard, so here introduces an artificial bee colony (ABC) algorithm to solve this PBRP. Three neighbourhood operators are introduced to improve the solution search. A modified ABC is proposed to further improve the solution quality. The performance of the modified heuristic was evaluated with the network of Vélib', and compared with the original heuristic and the Genetic Algorithm. These results may therefore prove that the modified heuristic can be an alternative to solve the PBRP. The numerical studies demonstrated that the two objective functions performed differently in which the increase in fleet size may not improve the objective value. This paper will therefore discuss on the practical implications of the trade-offs and provide suggestions about similar repositioning operations.postprin

A Study of the Static Bicycle Reposition Problem with a Single Vehicle

The Bicycle Sharing System (BSS), a public service system operated by the government or a private company, provides the convenient use of a bicycle as a temporary method of transportation. More specifically, this system allows people to rent a bike from one location, use it for a short time period and then return it to either to the same or a different location for an inexpensive fee. With the development of IT technology in the 1990s, it became possible to balance the bicycle inventory among the various destinations. In fact, a critical aspect to maintaining a satisfactory BSS is effectively rebalancing bicycle inventory across the various stations. In this research, we focus on the static bicycle repositioning problem with a single vehicle which is abstracted from the operation issue in the bicycle sharing system. The mathematical model for the static bicycle reposition problem had been created and several variations had been analyzed. This research starts to solve the problem from a very restrictive and constrained model and relaxes the constraints step by step to approach the real world case scenario. Several realistic assumptions have been considered in our research, such as a limited working time horizon, multiple visit limitation for the same station, multiple trips used for the vehicle, etc. In this research, we use the variable neighborhood search heuristic algorithm as the basic structure to find the solution for the static bicycle reposition problem. The numeric results indicate that our algorithms can provide good quality result within short solving time. By solving such a problem well, in comparison to benchmark algorithms, this research provides a starting place for dynamic bicycle repositioning and multiple vehicle repositioning

Crowdsensing-driven route optimisation algorithms for smart urban mobility

Cotutela Universitat Politècnica de Catalunya i KTH Royal Institute of TechnologyUrban rörlighet anses ofta vara en av de främsta möjliggörarna för en hållbar statsutveckling. Idag skulle det dock kräva ett betydande skifte mot renare och effektivare stadstransporter vilket skulle stödja ökad social och ekonomisk koncentration av resurser i städerna. En viktig prioritet för städer runt om i världen är att stödja medborgarnas rörlighet inom stadsmiljöer medan samtidigt minska trafikstockningar, olyckor och föroreningar. Att utveckla en effektivare och grönare (eller med ett ord; smartare) stadsrörlighet är en av de svåraste problemen att bemöta för stora metropoler. I denna avhandling närmar vi oss problemet från det snabba utvecklingsperspektivet av ITlandskapet i städer vilket möjliggör byggandet av rörlighetslösningar utan stora stora investeringar eller sofistikerad sensortenkik. I synnerhet föreslår vi utnyttjandet av den mobila rörlighetsavkännings, eng. Mobile Crowdsensing (MCS), paradigmen i vilken befolkningen exploaterar sin mobilkommunikation och/eller mobilasensorer med syftet att frivilligt samla, distribuera, lokalt processera och analysera geospecifik information. Rörlighetavkänningssdata (t.ex. händelser, trafikintensitet, buller och luftföroreningar etc.) inhämtad från frivilliga i befolkningen kan ge värdefull information om aktuella rörelsesförhållanden i stad vilka, med adekvata databehandlingsalgoriter, kan användas för att planera människors rörelseflöden inom stadsmiljön. Såtillvida kombineras i denna avhandling två mycket lovande smarta rörlighetsmöjliggörare, eng. Smart Mobility Enablers, nämligen MCS och rese/ruttplanering. Vi kan därmed till viss utsträckning sammanföra forskningsutmaningar från dessa två delar. Vi väljer att separera våra forskningsmål i två delar, dvs forskningssteg: (1) arkitektoniska utmaningar vid design av MCS-system och (2) algoritmiska utmaningar för tillämpningar av MCS-driven ruttplanering. Vi ämnar att visa en logisk forskningsprogression över tiden, med avstamp i mänskligt dirigerade rörelseavkänningssystem som MCS och ett avslut i automatiserade ruttoptimeringsalgoritmer skräddarsydda för specifika MCS-applikationer. Även om vi förlitar oss på heuristiska lösningar och algoritmer för NP-svåra ruttproblem förlitar vi oss på äkta applikationer med syftet att visa på fördelarna med algoritm- och infrastrukturförslagen.La movilidad urbana es considerada una de las principales desencadenantes de un desarrollo urbano sostenible. Sin embargo, hoy en día se requiere una transición hacia un transporte urbano más limpio y más eficiente que soporte una concentración de recursos sociales y económicos cada vez mayor en las ciudades. Una de las principales prioridades para las ciudades de todo el mundo es facilitar la movilidad de los ciudadanos dentro de los entornos urbanos, al mismo tiempo que se reduce la congestión, los accidentes y la contaminación. Sin embargo, desarrollar una movilidad urbana más eficiente y más verde (o en una palabra, más inteligente) es uno de los temas más difíciles de afrontar para las grandes áreas metropolitanas. En esta tesis, abordamos este problema desde la perspectiva de un panorama TIC en rápida evolución que nos permite construir movilidad sin la necesidad de grandes inversiones ni sofisticadas tecnologías de sensores. En particular, proponemos aprovechar el paradigma Mobile Crowdsensing (MCS) en el que los ciudadanos utilizan sus teléfonos móviles y dispositivos, para nosotros recopilar, procesar y analizar localmente información georreferenciada, distribuida voluntariamente. Los datos de movilidad recopilados de ciudadanos que voluntariamente quieren compartirlos (por ejemplo, eventos, intensidad del tráfico, ruido y contaminación del aire, etc.) pueden proporcionar información valiosa sobre las condiciones de movilidad actuales en la ciudad, que con el algoritmo de procesamiento de datos adecuado, pueden utilizarse para enrutar y gestionar el flujo de gente en entornos urbanos. Por lo tanto, en esta tesis combinamos dos prometedoras fuentes de movilidad inteligente: MCS y la planificación de viajes/rutas, uniendo en cierta medida los distintos desafíos de investigación. Hemos dividido nuestros objetivos de investigación en dos etapas: (1) Desafíos arquitectónicos en el diseño de sistemas MCS y (2) Desafíos algorítmicos en la planificación de rutas aprovechando la información del MCS. Nuestro objetivo es demostrar una progresión lógica de la investigación a lo largo del tiempo, comenzando desde los fundamentos de los sistemas de detección centrados en personas, como el MCS, hasta los algoritmos de optimización de rutas diseñados específicamente para la aplicación de estos. Si bien nos centramos en algoritmos y heurísticas para resolver problemas de enrutamiento de clase NP-hard, utilizamos ejemplos de aplicaciones en el mundo real para mostrar las ventajas de los algoritmos e infraestructuras propuestas.Postprint (published version

전기 마이크로 모빌리티 공유 시스템에서의 배터리 교체와 재배치 작업 최적화

학위논문 (석사) -- 서울대학교 대학원 : 공과대학 산업공학과, 2021. 2. 박건수.In this thesis, we consider a battery swapping and mobility inventory rebalancing problem arising in electric micro-mobility sharing systems. Vehicles are equipped with swappable batteries and they are managed by staffs' visiting each vehicle and changing depleted batteries. With the free-floating property of the system, vehicles can locate anywhere in a service area without designated stations, which increases the difficulty to visit and collect every single vehicle. In order to successfully meet user demand during the daytime, operators have to redistribute the vehicles with the right number in the right place and swap batteries with insufficient levels into fully charged ones overnight. Therefore, it is essential that operators take battery charging(swapping), staff routing, rebalancing problem all together into consideration. We aim to satisfy demand as much as possible and at the same time minimize routing and swapping costs. We formulate this problem in a mixed integer linear programming. Target inventory level for rebalancing, an important parameter used in the system, is suggested by analyzing a stochastic process that incorporates demand changes. Being a special case of vehicle routing problem with pickup and delivery, it shares the difficulty and complexity of VRP in practically large size. So as to give efficient solutions in large size problems, we develop a Cluster-first Route-second heuristic where a set partitioning problem considers inventory imbalances and approximates routing distances. We benchmark our heuristic approach on a pure MLIP formulation. The experimental result confirms that the heuristic is good at decomposing a large problem and gives efficient solutions even in practically large instances.본 연구는 교체형 배터리를 이용하는 전기 마이크로 모빌리티 공유 시스템에서의 배터리 교체 및 차량 재배치를 효율적으로 수행하는 방법을 제시하고자 한다. 수요를 성공적으로 충족시키기 위해선 모빌리티의 공급과 이용자의 수요를 맞춰주기 위한 차량 재고 차원에서의 재배치 작업과 배터리 수준을 유지시켜주는 배터리 관리 차원에서의 교체 작업이 필수적이다. 또한 충전소로 차량을 옮길 필요 없이 바로 교체할 수 있으므로 담당 직원이 산발적으로 위치한 각 모빌리티들을 순회하며 위 작업들을 진행해야 한다. 이동하며 작업하는 비용과 시간이 대부분이기 때문에 이동 순서를 함께 최적화하는 것이 비용 개선에 필수적이다. 따라서 작업 결정과 경로 결정을 동시에 고려하는 충전 및 재배치 모형을 제시한다. 이때 free-floating 모빌리티 공유시스템의 이용 수요를 효과적으로 반영하고자 수요를 stochastic process로 모델링하고 이를 이용하여 재배치 목표 수량을 구한다. 문제의 크기가 큰 경우 효율적으로 본 충전 및 재배치 모형의 좋은 해를 얻기 위한 방법으로, 해당 서비스지역의 각 구역들을 클러스터링하고 그 뒤에 스태프들의 경로와 작업을 결정하는 휴리스틱을 제안한다. 여러 스태프를 순회시키는 복잡한 형태를 클러스터링으로써 작은 크기의 문제들로 분해하여 빠르게 문제를 풀고자 한다. 이를 위해 각 클러스터에는 한 명의 스태프가 배정되고, 한 클러스터 내에서 소속된 구역들이 필요로 하는 작업들을 한 명의 스태프가 모두 진행하도록 구성한다. 최소걸침나무 근사법을 적용한 set partitioning 문제를 풀어 클러스터링을 진행한다. 계산실험 결과, 고안된 휴리스틱은 차량의 수가 많아 크기가 큰 상황에서도 빠른 시간내에 더 좋은 해를 냈다.Chapter 1. Introduction 1 1.1 Background 1 1.2 Related literature 6 1.2.1 Rebalancing in bike sharing systems 6 1.2.2 Charging and rebalancing in free-floating electric vehicle(FFEV) sharing 9 1.2.3 Charging of electric micro-mobility with swappable batteries 10 1.3 Motivation and contributions 12 1.4 Organization of the thesis 14 Chapter 2. Mathematical formulations 15 2.1 Basic assumptions and problem description 15 2.2 Demand Modeling and Target Inventory 18 2.3 Mixed integer linear programming formulation 23 Chapter 3. Heuristic approach 30 3.1 Cluster-first route-second approach 31 3.2 Clustering problem with routing cost approximation 33 3.2.1 Minimum spanning tree approximation 33 3.2.2 Clustering problem 35 3.2.3 Cluster-first Route-second heuristic 41 Chapter 4. Computational experiments 42 4.1 Design of experiment 42 4.2 Comparative Analysis 47 Chapter 5. Conclusion 52Maste

A heuristic algorithm for a single vehicle static bike sharing rebalancing problem

The static bike rebalancing problem (SBRP) concerns the task of repositioning bikes among stations in self-service bike-sharing systems. This problem can be seen as a variant of the one-commodity pickup and delivery vehicle routing problem, where multiple visits are allowed to be performed at each station, i.e., the demand of a station is allowed to be split. Moreover, a vehicle may temporarily drop its load at a station, leaving it in excess or, alternatively, collect more bikes from a station (even all of them), thus leaving it in default. Both cases require further visits in order to meet the actual demands of such station. This paper deals with a particular case of the SBRP, in which only a single vehicle is available and the objective is to find a least-cost route that meets the demand of all stations and does not violate the minimum (zero) and maximum (vehicle capacity) load limits along the tour. Therefore, the number of bikes to be collected or delivered at each station must be appropriately determined in order to respect such constraints. We propose an iterated local search (ILS) based heuristic to solve the problem. The ILS algorithm was tested on 980 benchmark instances from the literature and the results obtained are competitive when compared to other existing methods. Moreover, our heuristic was capable of finding most of the known optimal solutions and also of improving the results on a number of open instances

Matemática em duas rodas

Pedalar é bom para o ambiente, para o bolso, exercita os músculos e... gera problemas interessantes de matemática. Numa das cidades com mais mobilidade alternativa do mundo, um grupo de matemáticos está a tentar tornar mais e$ciente o sistema de aluguer por hora de bicicletas. Assim torna-se mais simples ir de um lado para o outro na musical cidade de Viena, capital da Áustria.publishersversionpublishe