Decentralised control of material or traffic flows in networks using phase-synchronisation

We present a self-organising, decentralised control method for material flows in networks. The concept applies to networks where time sharing mechanisms between conflicting flows in nodes are required and where a coordination of these local switches on a system-wide level can improve the performance. We show that, under certain assumptions, the control of nodes can be mapped to a network of phase-oscillators. By synchronising these oscillators, the desired global coordination is achieved. We illustrate the method in the example of traffic signal control for road networks. The proposed concept is flexible, adaptive, robust and decentralised. It can be transferred to other queuing networks such as production systems. Our control approach makes use of simple synchronisation principles found in various biological systems in order to obtain collective behaviour from local interactions

Scaling laws in the spatial structure of urban road networks

The urban road networks of the 20 largest German cities have been analysed, based on a detailed database providing the geographical positions as well as the travel-times for network sizes up to 37,000 nodes and 87,000 links. As the human driver recognises travel-times rather than distances, faster roads appear to be 'shorter' than slower ones. The resulting metric space has an effective dimension d>2, which is a significant measure of the heterogeneity of road speeds. We found that traffic strongly concentrates on only a small fraction of the roads. The distribution of vehicular flows over the roads obeys a power law, indicating a clear hierarchical order of the roads. Studying the cellular structure of the areas enclosed by the roads, the distribution of cell sizes is scale invariant as well

Physics, Stability and Dynamics of Supply Networks

We show how to treat supply networks as physical transport problems governed by balance equations and equations for the adaptation of production speeds. Although the non-linear behaviour is different, the linearized set of coupled differential equations is formally related to those of mechanical or electrical oscillator networks. Supply networks possess interesting new features due to their complex topology and directed links. We derive analytical conditions for absolute and convective instabilities. The empirically observed "bull-whip effect" in supply chains is explained as a form of convective instability based on resonance effects. Moreover, it is generalized to arbitrary supply networks. Their related eigenvalues are usually complex, depending on the network structure (even without loops). Therefore, their generic behavior is characterized by oscillations. We also show that regular distribution networks possess two negative eigenvalues only, but perturbations generate a spectrum of complex eigenvalues.Comment: For related work see http://www.helbing.or

Self-Control of Traffic Lights and Vehicle Flows in Urban Road Networks

Based on fluid-dynamic and many-particle (car-following) simulations of traffic flows in (urban) networks, we study the problem of coordinating incompatible traffic flows at intersections. Inspired by the observation of self-organized oscillations of pedestrian flows at bottlenecks [D. Helbing and P. Moln\'ar, Phys. Eev. E 51 (1995) 4282--4286], we propose a self-organization approach to traffic light control. The problem can be treated as multi-agent problem with interactions between vehicles and traffic lights. Specifically, our approach assumes a priority-based control of traffic lights by the vehicle flows themselves, taking into account short-sighted anticipation of vehicle flows and platoons. The considered local interactions lead to emergent coordination patterns such as ``green waves'' and achieve an efficient, decentralized traffic light control. While the proposed self-control adapts flexibly to local flow conditions and often leads to non-cyclical switching patterns with changing service sequences of different traffic flows, an almost periodic service may evolve under certain conditions and suggests the existence of a spontaneous synchronization of traffic lights despite the varying delays due to variable vehicle queues and travel times. The self-organized traffic light control is based on an optimization and a stabilization rule, each of which performs poorly at high utilizations of the road network, while their proper combination reaches a superior performance. The result is a considerable reduction not only in the average travel times, but also of their variation. Similar control approaches could be applied to the coordination of logistic and production processes

Reglerentwurf zur dezentralen Online-Steuerung von Lichtsignalanlagen in Straßennetzwerken

Die Dissertationsschrift widmet sich einer systemtheoretischen Untersuchung zur verkehrsabhängigen Steuerung von Lichtsignalanlagen in Straßennetzwerken. Aus einem mathematischen Modell für den Verkehrsablauf auf Knotenzufahrten wird ein Verfahren abgeleitet, mit dem sich Umschaltzeitpunkte und Phasenwechsel flexibel an das tatsächliche Verkehrsgeschehen anpassen lassen. Der Ansatzpunkt ist, die einzelnen Knotenpunkte des Netzwerks lokal zu optimieren. Eine "Grüne Welle" soll sich von selbst einstellen, und zwar genau dann, wenn dadurch lokal Wartezeiten eingespart werden. Indem die lokale Optimierung in ein lokales Stabilisierungsverfahren eingebettet wird, können Instabilitäten aufgrund netzwerkweiter Rückkopplungen ausgeschlossen werden. Das vorgestellte Verfahren setzt sich aus drei Teilen zusammen: (i) einem lokalen Prognoseverfahren zur Bewertung von Schaltzuständen und Phasenübergängen bezüglich zukünftig entstehender Wartezeiten, (ii) einem lokalen Optimierungsverfahren, das jeder Phase einen dynamischen Prioritätsindex zuweist und die Phase mit höchster Priorität zur Bedienung auswählt und (iii) einem lokalen Stabilisierungsverfahren, das zum Einhalten einer mittleren und einer maximalen Bedienperiode korrigierend in die lokale Optimierung eingreift. Indem die Knotenpunkte ausschließlich über die Verkehrsströme gekoppelt sind, ergeben sich die Umschaltzeitpunkte unmittelbar aus den Ankunftszeitpunkten der Fahrzeuge selbst. Die Phasenwechsel stellen sich somit von selbst bedarfsgerecht ein. Simulationsergebnisse machen deutlich, dass sich aufgrund der höheren Flexibilität sowohl die Wartezeiten als auch der Kraftstoffverbrauch senken lassen

Reglerentwurf zur dezentralen Online-Steuerung von Lichtsignalanlagen in Straßennetzwerken

Die Dissertationsschrift widmet sich einer systemtheoretischen Untersuchung zur verkehrsabhängigen Steuerung von Lichtsignalanlagen in Straßennetzwerken. Aus einem mathematischen Modell für den Verkehrsablauf auf Knotenzufahrten wird ein Verfahren abgeleitet, mit dem sich Umschaltzeitpunkte und Phasenwechsel flexibel an das tatsächliche Verkehrsgeschehen anpassen lassen. Der Ansatzpunkt ist, die einzelnen Knotenpunkte des Netzwerks lokal zu optimieren. Eine "Grüne Welle" soll sich von selbst einstellen, und zwar genau dann, wenn dadurch lokal Wartezeiten eingespart werden. Indem die lokale Optimierung in ein lokales Stabilisierungsverfahren eingebettet wird, können Instabilitäten aufgrund netzwerkweiter Rückkopplungen ausgeschlossen werden. Das vorgestellte Verfahren setzt sich aus drei Teilen zusammen: (i) einem lokalen Prognoseverfahren zur Bewertung von Schaltzuständen und Phasenübergängen bezüglich zukünftig entstehender Wartezeiten, (ii) einem lokalen Optimierungsverfahren, das jeder Phase einen dynamischen Prioritätsindex zuweist und die Phase mit höchster Priorität zur Bedienung auswählt und (iii) einem lokalen Stabilisierungsverfahren, das zum Einhalten einer mittleren und einer maximalen Bedienperiode korrigierend in die lokale Optimierung eingreift. Indem die Knotenpunkte ausschließlich über die Verkehrsströme gekoppelt sind, ergeben sich die Umschaltzeitpunkte unmittelbar aus den Ankunftszeitpunkten der Fahrzeuge selbst. Die Phasenwechsel stellen sich somit von selbst bedarfsgerecht ein. Simulationsergebnisse machen deutlich, dass sich aufgrund der höheren Flexibilität sowohl die Wartezeiten als auch der Kraftstoffverbrauch senken lassen