Probabilistic Routing for On-Street Parking Search

An estimated 30% of urban traffic is caused by search for parking spots [Shoup, 2005]. Suggesting routes along highly probable parking spots could reduce traffic. In this paper, we formalize parking search as a probabilistic problem on a road graph and show that it is NP-complete. We explore heuristics that optimize for the driving duration and the walking distance to the destination. Routes are constrained to reach a certain probability threshold of finding a spot. Empirically estimated probabilities of successful parking attempts are provided by TomTom on a per-street basis. We release these probabilities as a dataset of about 80,000 roads covering the Berlin area. This allows to evaluate parking search algorithms on a real road network with realistic probabilities for the first time. However, for many other areas, parking probabilities are not openly available. Because they are effortful to collect, we propose an algorithm that relies on conventional road attributes only. Our experiments show that this algorithm comes close to the baseline by a factor of 1.3 in our cost measure. This leads to the conclusion that conventional road attributes may be sufficient to compute reasonably good parking search routes

Navigation with uncertain spatio-temporal resources

Supporting people with intelligent navigation instructions enables users to efficiently achieve trip-related objectives (e.g., minimum travel time or fuel consumption) and preserves them from making unnecessary detours. This, in turn, enables them to save time, money and, additionally, minimize $CO_2$ emissions. For these reasons, manufacturers integrate navigation systems into almost all modern automobiles. Nevertheless, most of them support only simple routing instructions, i.e., how to drive from location A to B. Albeit, people are regularly faced with more complex decisions, e.g. navigating to a cheap gas station on the route while incorporating dynamic gas price changes. Another example-scenario is after reaching the destination, an available facility to park needs to be found. So far, people cruise almost randomly around the goal area in the search for a parking space. As a consequence, persons valuable time is consumed and unnecessary traffic arises. Besides private persons, transportation companies have to make complex mobility decisions. For instance, taxi drivers have to find out where to move next whenever the taxi is idle. There are plenty possibilities for where the taxi driver could go. In case the last drop-off was in a sparsely populated region, waiting for a call from the taxi office will likely result in a longer drive to the next customer. In turn, customer satisfaction decreases with a longer waiting time and implies a potential loss of customers. Recently, the number of data sources that potentially improve these mobility decisions increased. For instance, on-street parking sensors track the current state of the spaces (e.g. Melbourne), mobile applications collect taxi requests from customers and gas stations publish the current prices all in real-time. This thesis investigates the question of how to design algorithms such that they exploit this volatile data. Standard routing algorithms assume a static world. But the availability of passengers, gas prices and the availability of parking spots change over time in a non-deterministic manner. Hence, we model multiple real-world applications as Markov decision processes (MDP), i.e., a framework for sequential decision making under uncertainty. Depending on the task, we propose to solve the MDP with dynamic programming, replanning and hindsight planning or reinforcement learning. Ultimately, we combine all applications in a single problem domain. Subsequently, we propose a reinforcement learning approach that solves all applications in this domain without modification. Furthermore, it decouples the routing task from solving the application itself. Hence, it is transferable to previously unseen street networks without further training.Durch intelligente Navigationssysteme werden Verkehrsteilnehmer davor bewahrt, Umwege zu fahren. Dadurch sparen sie Zeit, Geld und verringern den $CO_2$-Ausstoß. Aus diesem Grund verbauen Hersteller Navigationssysteme in fast allen Neuwägen. Bis heute unterstützen die meisten Systeme nur einfache Routenplanung, die den kürzesten oder schnellsten Pfad von A nach B berechnen. Dennoch müssen Fahrer regelmäßig Entscheidungen darüber hinaus treffen. Beispielsweise soll eine möglichst günstige Tankstelle auf dem Weg zum eigentlichen Ziel besucht werden. Allerdings kann diese ihre Preise, während der Fahrer oder die Fahrerin auf dem Weg dort hin ist, dynamisch ändern. Anschließend muss, sobald das eigentliche Ziel erreicht ist, ein Parkplatz gefunden werden. Bisher fahren Parkplatzsuchende zufällig durch das Zielgebiet in der Hoffnung möglichst schnell einen freien Parkplatz zu finden. Die Suche verursacht zusätzlichen Verkehr und der Fahrer oder die Fahrerin verbringt mehr Zeit auf der Straße. Neben Privatpersonen müssen auch Transportunternehmen komplexe Entscheidungen über Bewegungen treffen. Zum Beispiel muss ein Taxifahrer, wenn er gerade keinen Fahrgast hat, entscheiden, wo er sich als nächstes positioniert. Zwar könnte er am letzten Zielort warten, bis er einen Anruf der Taxizentrale bekommt. Falls jedoch der letzte Zielort in einem entlegenen Gebiet ist, muss der nächste Fahrgast wahrscheinlich lange warten, bis der Fahrer oder die Fahrerin bei ihm ankommt. Damit sinkt die Kundenzufriedenheit, was wiederum einen potentiellen Verlust der Kunden bedeutet. Seit Kurzem gibt es immer mehr Datenquellen, die Entscheidungen für diese Probleme verbessern. Beispielsweise wird durch Parkplatzsensoren die Verfügbarkeit der Parkplätze verfolgt, mobile Anwendungen sammeln Anfragen über Fahrgäste und Tankstellen veröffentlichen ihren aktuellen Preis in Echtzeit. In dieser Arbeit wird der Forschungsfrage nachgegangen, wie Algorithmen gestaltet werden können, sodass diese veränderlichen Informationen verwendet werden können. Standard-Routing-Algorithmen gehen von einer statischen Welt aus. Aber die Verfügbarkeit von Fahrgästen, die Tankstellenpreise und die Parkplatzzustände ändern sich nicht deterministisch. Aus diesem Grund modellieren wir eine Reihe von Anwendungen als Markov-Entscheidungsproblem (MDP). Applikationsabhängig schlagen wir vor, das MDP mit dynamischer Programmierung, Replanning bzw. Hindsight Planning oder Reinforcement Learning zu lösen. Abschließend fassen wir alle Anwendungen in einer Domäne zusammen. Dadurch können wir einen Reinforcement Learning Ansatz definieren, der alle Anwendungen in dieser Domäne ohne Änderung lösen kann. Dieser Ansatz ermöglicht es, die Routenplanung von der eigentlichen Problemstellung zu lösen. Dadurch ist die gelernte Funktionsapproximation auch auf bisher unbekannte Straßennetze ohne weiteres Training anwendbar

On the Potential of Generic Modeling for VANET Data Aggregation Protocols

In-network data aggregation is a promising communication mechanism to reduce bandwidth requirements of applications in vehicular ad-hoc networks (VANETs). Many aggregation schemes have been proposed, often with varying features. Most aggregation schemes are tailored to specific application scenarios and for specific aggregation operations. Comparative evaluation of different aggregation schemes is therefore difficult. An application centric view of aggregation does also not tap into the potential of cross application aggregation. Generic modeling may help to unlock this potential. We outline a generic modeling approach to enable improved comparability of aggregation schemes and facilitate joint optimization for different applications of aggregation schemes for VANETs. This work outlines the requirements and general concept of a generic modeling approach and identifies open challenges

Quality of service aware data dissemination in vehicular Ad Hoc networks

Des systèmes de transport intelligents (STI) seront éventuellement fournis dans un proche avenir pour la sécurité et le confort des personnes lors de leurs déplacements sur les routes. Les réseaux ad-hoc véhiculaires (VANETs) représentent l'élément clé des STI. Les VANETs sont formés par des véhicules qui communiquent entre eux et avec l'infrastructure. En effet, les véhicules pourront échanger des messages qui comprennent, par exemple, des informations sur la circulation routière, les situations d'urgence et les divertissements. En particulier, les messages d'urgence sont diffusés par des véhicules en cas d'urgence (p.ex. un accident de voiture); afin de permettre aux conducteurs de réagir à temps (p.ex., ralentir), les messages d'urgence doivent être diffusés de manière fiable dans un délai très court. Dans les VANETs, il existe plusieurs facteurs, tels que le canal à pertes, les terminaux cachés, les interférences et la bande passante limitée, qui compliquent énormément la satisfaction des exigences de fiabilité et de délai des messages d'urgence. Dans cette thèse, en guise de première contribution, nous proposons un schéma de diffusion efficace à plusieurs sauts, appelé Dynamic Partitioning Scheme (DPS), pour diffuser les messages d'urgence. DPS calcule les tailles de partitions dynamiques et le calendrier de transmission pour chaque partition; à l'intérieur de la zone arrière de l'expéditeur, les partitions sont calculées de sorte qu'en moyenne chaque partition contient au moins un seul véhicule; l'objectif est de s'assurer que seul un véhicule dans la partition la plus éloignée (de l'expéditeur) est utilisé pour diffuser le message, jusqu'au saut suivant; ceci donne lieu à un délai d'un saut plus court. DPS assure une diffusion rapide des messages d'urgence. En outre, un nouveau mécanisme d'établissement de liaison, qui utilise des tonalités occupées, est proposé pour résoudre le problème du problème de terminal caché. Dans les VANETs, la Multidiffusion, c'est-à-dire la transmission d'un message d'une source à un nombre limité de véhicules connus en tant que destinations, est très importante. Par rapport à la diffusion unique, avec Multidiffusion, la source peut simultanément prendre en charge plusieurs destinations, via une arborescence de multidiffusion, ce qui permet d'économiser de la bande passante et de réduire la congestion du réseau. Cependant, puisque les VANETs ont une topologie dynamique, le maintien de la connectivité de l'arbre de multidiffusion est un problème majeur. Comme deuxième contribution, nous proposons deux approches pour modéliser l'utilisation totale de bande passante d'une arborescence de multidiffusion: (i) la première approche considère le nombre de segments de route impliqués dans l'arbre de multidiffusion et (ii) la seconde approche considère le nombre d'intersections relais dans l'arbre de multidiffusion. Une heuristique est proposée pour chaque approche. Pour assurer la qualité de service de l'arbre de multidiffusion, des procédures efficaces sont proposées pour le suivi des destinations et la surveillance de la qualité de service des segments de route. Comme troisième contribution, nous étudions le problème de la congestion causée par le routage du trafic de données dans les VANETs. Nous proposons (1) une approche de routage basée sur l’infonuagique qui, contrairement aux approches existantes, prend en compte les chemins de routage existants qui relaient déjà les données dans les VANETs. Les nouvelles demandes de routage sont traitées de sorte qu'aucun segment de route ne soit surchargé par plusieurs chemins de routage croisés. Au lieu d'acheminer les données en utilisant des chemins de routage sur un nombre limité de segments de route, notre approche équilibre la charge des données en utilisant des chemins de routage sur l'ensemble des tronçons routiers urbains, dans le but d'empêcher, dans la mesure du possible, les congestions locales dans les VANETs; et (2) une approche basée sur le réseau défini par logiciel (SDN) pour surveiller la connectivité VANET en temps réel et les délais de transmission sur chaque segment de route. Les données de surveillance sont utilisées en entrée de l'approche de routage.Intelligent Transportation Systems (ITS) will be eventually provided in the near future for both safety and comfort of people during their travel on the roads. Vehicular ad-hoc Networks (VANETs), represent the key component of ITS. VANETs consist of vehicles that communicate with each other and with the infrastructure. Indeed, vehicles will be able to exchange messages that include, for example, information about road traffic, emergency situations, and entertainment. Particularly, emergency messages are broadcasted by vehicles in case of an emergency (e.g., car accident); in order to allow drivers to react in time (e.g., slow down), emergency messages must be reliably disseminated with very short delay. In VANETs, there are several factors, such as lossy channel, hidden terminals, interferences and scarce bandwidth, which make satisfying reliability and delay requirements of emergency messages very challenging. In this thesis, as the first contribution, we propose a reliable time-efficient and multi-hop broadcasting scheme, called Dynamic Partitioning Scheme (DPS), to disseminate emergency messages. DPS computes dynamic partition sizes and the transmission schedule for each partition; inside the back area of the sender, the partitions are computed such that in average each partition contains at least a single vehicle; the objective is to ensure that only a vehicle in the farthest partition (from the sender) is used to disseminate the message, to next hop, resulting in shorter one hop delay. DPS ensures fast dissemination of emergency messages. Moreover, a new handshaking mechanism, that uses busy tones, is proposed to solve the problem of hidden terminal problem. In VANETs, Multicasting, i.e. delivering a message from a source to a limited known number of vehicles as destinations, is very important. Compared to Unicasting, with Multicasting, the source can simultaneously support multiple destinations, via a multicast tree, saving bandwidth and reducing overall communication congestion. However, since VANETs have a dynamic topology, maintaining the connectivity of the multicast tree is a major issue. As the second contribution, we propose two approaches to model total bandwidth usage of a multicast tree: (i) the first approach considers the number of road segments involved in the multicast tree and (ii) the second approach considers the number of relaying intersections involved in the multicast tree. A heuristic is proposed for each approach. To ensure QoS of the multicasting tree, efficient procedures are proposed for tracking destinations and monitoring QoS of road segments. As the third contribution, we study the problem of network congestion in routing data traffic in VANETs. We propose (1) a Cloud-based routing approach that, in opposition to existing approaches, takes into account existing routing paths which are already relaying data in VANETs. New routing requests are processed such that no road segment gets overloaded by multiple crossing routing paths. Instead of routing over a limited set of road segments, our approach balances the load of communication paths over the whole urban road segments, with the objective to prevent, whenever possible, local congestions in VANETs; and (2) a Software Defined Networking (SDN) based approach to monitor real-time VANETs connectivity and transmission delays on each road segment. The monitoring data is used as input to the routing approach

Survey of smart parking systems

The large number of vehicles constantly seeking access to congested areas in cities means that finding a public parking place is often difficult and causes problems for drivers and citizens alike. In this context, strategies that guide vehicles from one point to another, looking for the most optimal path, are needed. Most contributions in the literature are routing strategies that take into account different criteria to select the optimal route required to find a parking space. This paper aims to identify the types of smart parking systems (SPS) that are available today, as well as investigate the kinds of vehicle detection techniques (VDT) they have and the algorithms or other methods they employ, in order to analyze where the development of these systems is at today. To do this, a survey of 274 publications from January 2012 to December 2019 was conducted. The survey considered four principal features: SPS types reported in the literature, the kinds of VDT used in these SPS, the algorithms or methods they implement, and the stage of development at which they are. Based on a search and extraction of results methodology, this work was able to effectively obtain the current state of the research area. In addition, the exhaustive study of the studies analyzed allowed for a discussion to be established concerning the main difficulties, as well as the gaps and open problems detected for the SPS. The results shown in this study may provide a base for future research on the subject.Fil: Diaz Ogás, Mathias Gabriel. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; ArgentinaFil: Fabregat Gesa, Ramon. Universidad de Girona; EspañaFil: Aciar, Silvana Vanesa. Universidad Nacional de San Juan. Facultad de Ciencias Exactas, Físicas y Naturales; Argentina. Consejo Nacional de Investigaciones Científicas y Técnicas. Centro Científico Tecnológico Conicet - San Juan; Argentin

Searching and mining in enriched geo-spatial data

The emergence of new data collection mechanisms in geo-spatial applications paired with a heightened tendency of users to volunteer information provides an ever-increasing flow of data of high volume, complex nature, and often associated with inherent uncertainty. Such mechanisms include crowdsourcing, automated knowledge inference, tracking, and social media data repositories. Such data bearing additional information from multiple sources like probability distributions, text or numerical attributes, social context, or multimedia content can be called multi-enriched. Searching and mining this abundance of information holds many challenges, if all of the data's potential is to be released. This thesis addresses several major issues arising in that field, namely path queries using multi-enriched data, trend mining in social media data, and handling uncertainty in geo-spatial data. In all cases, the developed methods have made significant contributions and have appeared in or were accepted into various renowned international peer-reviewed venues. A common use of geo-spatial data is path queries in road networks where traditional methods optimise results based on absolute and ofttimes singular metrics, i.e., finding the shortest paths based on distance or the best trade-off between distance and travel time. Integrating additional aspects like qualitative or social data by enriching the data model with knowledge derived from sources as mentioned above allows for queries that can be issued to fit a broader scope of needs or preferences. This thesis presents two implementations of incorporating multi-enriched data into road networks. In one case, a range of qualitative data sources is evaluated to gain knowledge about user preferences which is subsequently matched with locations represented in a road network and integrated into its components. Several methods are presented for highly customisable path queries that incorporate a wide spectrum of data. In a second case, a framework is described for resource distribution with reappearance in road networks to serve one or more clients, resulting in paths that provide maximum gain based on a probabilistic evaluation of available resources. Applications for this include finding parking spots. Social media trends are an emerging research area giving insight in user sentiment and important topics. Such trends consist of bursts of messages concerning a certain topic within a time frame, significantly deviating from the average appearance frequency of the same topic. By investigating the dissemination of such trends in space and time, this thesis presents methods to classify trend archetypes to predict future dissemination of a trend. Processing and querying uncertain data is particularly demanding given the additional knowledge required to yield results with probabilistic guarantees. Since such knowledge is not always available and queries are not easily scaled to larger datasets due to the #P-complete nature of the problem, many existing approaches reduce the data to a deterministic representation of its underlying model to eliminate uncertainty. However, data uncertainty can also provide valuable insight into the nature of the data that cannot be represented in a deterministic manner. This thesis presents techniques for clustering uncertain data as well as query processing, that take the additional information from uncertainty models into account while preserving scalability using a sampling-based approach, while previous approaches could only provide one of the two. The given solutions enable the application of various existing clustering techniques or query types to a framework that manages the uncertainty.Das Erscheinen neuer Methoden zur Datenerhebung in räumlichen Applikationen gepaart mit einer erhöhten Bereitschaft der Nutzer, Daten über sich preiszugeben, generiert einen stetig steigenden Fluss von Daten in großer Menge, komplexer Natur, und oft gepaart mit inhärenter Unsicherheit. Beispiele für solche Mechanismen sind Crowdsourcing, automatisierte Wissensinferenz, Tracking, und Daten aus sozialen Medien. Derartige Daten, angereichert mit mit zusätzlichen Informationen aus verschiedenen Quellen wie Wahrscheinlichkeitsverteilungen, Text- oder numerische Attribute, sozialem Kontext, oder Multimediainhalten, werden als multi-enriched bezeichnet. Suche und Datamining in dieser weiten Datenmenge hält viele Herausforderungen bereit, wenn das gesamte Potenzial der Daten genutzt werden soll. Diese Arbeit geht auf mehrere große Fragestellungen in diesem Feld ein, insbesondere Pfadanfragen in multi-enriched Daten, Trend-mining in Daten aus sozialen Netzwerken, und die Beherrschung von Unsicherheit in räumlichen Daten. In all diesen Fällen haben die entwickelten Methoden signifikante Forschungsbeiträge geleistet und wurden veröffentlicht oder angenommen zu diversen renommierten internationalen, von Experten begutachteten Konferenzen und Journals. Ein gängiges Anwendungsgebiet räumlicher Daten sind Pfadanfragen in Straßennetzwerken, wo traditionelle Methoden die Resultate anhand absoluter und oft auch singulärer Maße optimieren, d.h., der kürzeste Pfad in Bezug auf die Distanz oder der beste Kompromiss zwischen Distanz und Reisezeit. Durch die Integration zusätzlicher Aspekte wie qualitativer Daten oder Daten aus sozialen Netzwerken als Anreicherung des Datenmodells mit aus diesen Quellen abgeleitetem Wissen werden Anfragen möglich, die ein breiteres Spektrum an Anforderungen oder Präferenzen erfüllen. Diese Arbeit präsentiert zwei Ansätze, solche multi-enriched Daten in Straßennetze einzufügen. Zum einen wird eine Reihe qualitativer Datenquellen ausgewertet, um Wissen über Nutzerpräferenzen zu generieren, welches darauf mit Örtlichkeiten im Straßennetz abgeglichen und in das Netz integriert wird. Diverse Methoden werden präsentiert, die stark personalisierbare Pfadanfragen ermöglichen, die ein weites Spektrum an Daten mit einbeziehen. Im zweiten Fall wird ein Framework präsentiert, das eine Ressourcenverteilung im Straßennetzwerk modelliert, bei der einmal verbrauchte Ressourcen erneut auftauchen können. Resultierende Pfade ergeben einen maximalen Ertrag basieren auf einer probabilistischen Evaluation der verfügbaren Ressourcen. Eine Anwendung ist die Suche nach Parkplätzen. Trends in sozialen Medien sind ein entstehendes Forscchungsgebiet, das Einblicke in Benutzerverhalten und wichtige Themen zulässt. Solche Trends bestehen aus großen Mengen an Nachrichten zu einem bestimmten Thema innerhalb eines Zeitfensters, so dass die Auftrittsfrequenz signifikant über den durchschnittlichen Level liegt. Durch die Untersuchung der Fortpflanzung solcher Trends in Raum und Zeit präsentiert diese Arbeit Methoden, um Trends nach Archetypen zu klassifizieren und ihren zukünftigen Weg vorherzusagen. Die Anfragebearbeitung und Datamining in unsicheren Daten ist besonders herausfordernd, insbesondere im Hinblick auf das notwendige Zusatzwissen, um Resultate mit probabilistischen Garantien zu erzielen. Solches Wissen ist nicht immer verfügbar und Anfragen lassen sich aufgrund der \P-Vollständigkeit des Problems nicht ohne Weiteres auf größere Datensätze skalieren. Dennoch kann Datenunsicherheit wertvollen Einblick in die Struktur der Daten liefern, der mit deterministischen Methoden nicht erreichbar wäre. Diese Arbeit präsentiert Techniken zum Clustering unsicherer Daten sowie zur Anfragebearbeitung, die die Zusatzinformation aus dem Unsicherheitsmodell in Betracht ziehen, jedoch gleichzeitig die Skalierbarkeit des Ansatzes auf große Datenmengen sicherstellen

Leveraging information in vehicular parking games

Our paper approaches the parking assistance service in urban environments as an instance of service provision in non-cooperative network environments. We propose normative abstractions for the way drivers pursue parking space and the way they respond to partial or complete information for parking demand and supply as well as specific pricing policies on public and private parking facilities. The drivers are viewed as strategic agents who make rational decisions attempting to minimize the cost of the acquired parking spot. We formulate the resulting games as resource selection games and derive their equilibria under different expressions of uncertainty about the overall parking demand. The efficiency of the equilibrium states is compared against the optimal assignment that could be determined by a centralized entity and conditions are derived for minimizing the related price of anarchy value. Our results provide useful hints for the pricing and practical management of on-street and private parking resources. More importantly, they exemplify counterintuitive less-is-more effects about the way information availability modulates the service cost, which underpin general competitive service provision settings and contribute to the better understanding of effective information mechanisms