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

Artificial Intelligence based multi-agent control system

Le metodologie di Intelligenza Artificiale (AI) si occupano della possibilità di rendere le macchine in grado di compiere azioni intelligenti con lo scopo di aiutare l’essere umano; quindi è possibile affermare che l’Intelligenza Artificiale consente di portare all’interno delle macchine, caratteristiche tipiche considerate come caratteristiche umane. Nello spazio dell’Intelligenza Artificiale ci sono molti compiti che potrebbero essere richiesti alla macchina come la percezione dell’ambiente, la percezione visiva, decisioni complesse. La recente evoluzione in questo campo ha prodotto notevoli scoperte, princi- palmente in sistemi ingegneristici come sistemi multi-agente, sistemi in rete, impianti, sistemi veicolari, sistemi sanitari; infatti una parte dei suddetti sistemi di ingegneria è presente in questa tesi di dottorato. Lo scopo principale di questo lavoro è presentare le mie recenti attività di ricerca nel campo di sistemi complessi che portano le metodologie di intelligenza artifi- ciale ad essere applicati in diversi ambienti, come nelle reti di telecomunicazione, nei sistemi di trasporto e nei sistemi sanitari per la Medicina Personalizzata. Gli approcci progettati e sviluppati nel campo delle reti di telecomunicazione sono presentati nel Capitolo 2, dove un algoritmo di Multi Agent Reinforcement Learning è stato progettato per implementare un approccio model-free al fine di controllare e aumentare il livello di soddisfazione degli utenti; le attività di ricerca nel campo dei sistemi di trasporto sono presentate alla fine del capitolo 2 e nel capitolo 3, in cui i due approcci riguardanti un algoritmo di Reinforcement Learning e un algoritmo di Deep Learning sono stati progettati e sviluppati per far fronte a soluzioni di viaggio personalizzate e all’identificazione automatica dei mezzi trasporto; le ricerche svolte nel campo della Medicina Personalizzata sono state presentate nel Capitolo 4 dove è stato presentato un approccio basato sul controllo Deep Learning e Model Predictive Control per affrontare il problema del controllo dei fattori biologici nei pazienti diabetici.Artificial Intelligence (AI) is a science that deals with the problem of having machines perform intelligent, complex, actions with the aim of helping the human being. It is then possible to assert that Artificial Intelligence permits to bring into machines, typical characteristics and abilities that were once limited to human intervention. In the field of AI there are several tasks that ideally could be delegated to machines, such as environment aware perception, visual perception and complex decisions in the various field. The recent research trends in this field have produced remarkable upgrades mainly on complex engineering systems such as multi-agent systems, networked systems, manufacturing, vehicular and transportation systems, health care; in fact, a portion of the mentioned engineering system is discussed in this PhD thesis, as most of them are typical field of application for traditional control systems. The main purpose if this work is to present my recent research activities in the field of complex systems, bringing artificial intelligent methodologies in different environments such as in telecommunication networks, transportation systems and health care for Personalized Medicine. The designed and developed approaches in the field of telecommunication net- works is presented in Chapter 2, where a multi-agent reinforcement learning algorithm was designed to implement a model-free control approach in order to regulate and improve the level of satisfaction of the users, while the research activities in the field of transportation systems are presented at the end of Chapter 2 and in Chapter 3, where two approaches regarding a Reinforcement Learning algorithm and a Deep Learning algorithm were designed and developed to cope with tailored travels and automatic identification of transportation moralities. Finally, the research activities performed in the field of Personalized Medicine have been presented in Chapter 4 where a Deep Learning and Model Predictive control based approach are presented to address the problem of controlling biological factors in diabetic patients

SOLVING TRAFFIC CONGESTION FROM THE DEMAND SIDE

It is nowadays widely accepted that solving traffic congestion from the demand side is more important and more feasible than offering more capacity or facilities for transportation. Following a brief overview of evolution of the concept of Travel Demand Management (TDM), there is a discussion on the TDM foundations that include demand-side strategies, traveler choice and application settings and the new dimensions that ATDM (Active forms of Transportation and Demand Management) bring to TDM, i.e. active management and integrative management. Subsequently, the authors provide a short review of the state-of-the-art TDM focusing on relevant literature published since 2000. Next, we highlight five TDM topics that are currently hot: traffic congestion pricing, public transit and bicycles, travel behavior, travel plans and methodology. The paper closes with some concluding remarks

Advances on Smart Cities and Smart Buildings

Modern cities are facing the challenge of combining competitiveness at the global city scale and sustainable urban development to become smart cities. A smart city is a high-tech, intensive and advanced city that connects people, information, and city elements using new technologies in order to create a sustainable, greener city; competitive and innovative commerce; and an increased quality of life. This Special Issue collects the recent advancements in smart cities and covers different topics and aspects

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