Algorithmen für Routenplanung

im Sommersemester 2014

Allgemeines

  • Dozent: Moritz Baum, Julian Dibbelt, Andreas Gemsa, Prof. Spyros Kontogiannis, Ben Strasser, Prof. Dr. Dorothea Wagner, Prof. Christos Zaroliagis
  • Vorlesung: Montags 14:00–15:30 Uhr, Mittwochs 11:30–13:00 Uhr.
  • Erstmalig: Montag 14. April, 14:00 Uhr.
  • Raum: Raum 301, Informatik-Hauptgebäude (Geb. 50.34)
  • Studiengang: Master/Diplom Informatik/Informationswirtschaft. Weitere nach Rücksprache.
  • Vertiefungsfächer: Theoretische Grundlagen, Algorithmentechnik
  • Module: Algorithmen für Routenplanung [IN4INALGRP], Algorithm Engineering für Routenplanung [IN4INAERP], Algorithm Engineering und Anwendungen [IN4INAEA]
  • Credits: 5 ECTS (3 SWS)

Neuigkeiten

  • Dienstag, 13. Februar: Vorlesungsseite angelegt.
  • Sehr interessantes Informatik-Kolloquium: Recent Results on Hub Labeling. Ist leider schon vor Beginn der Vorlesungszeit, aber wer es einrichten kann, sollte diesen Vortrag besuchen.
  • Montag, 19. Mai: Die für kommenden Mittwoch (21.5.) geplante Vorlesung wird verschoben. Nächster Vorlesungstermin ist also Montag, der 26.5.
  • Es werden Prüfungstermine an den folgenden Tagen angeboten: 02. Oktober, 17. Oktober. Die Anmeldung erfolgt per e-Mail an Lilian Beckert nach dem „first come, first served“-Prinzip. Wichtig: Die Anmeldung muss bis spätestens drei Wochen vor dem Prüfungstermin erfolgen.

Inhalt

Optimale Route in einem Straßennetzwerk mit Suchraum einer Beschleunigungstechnik.

Optimale Routen in Verkehrsnetzen zu bestimmen ist ein alltägliches Problem. Wurden früher Reiserouten mit Hilfe von Karten am Küchentisch geplant, ist heute die computergestützte Routenplanung in weiten Teilen der Bevölkerung etabliert: Die beste Eisenbahnverbindung ermittelt man im Internet, für Routenplanung in Straßennetzen benutzt man häufig mobile Endgeräte.

Ein Ansatz, um die besten Verbindungen in solchen Netzen computergestützt zu finden, stammt aus der Graphentheorie. Man modelliert das Netzwerk als Graphen und berechnet darin einen kürzesten Weg, eine mögliche Route. Legt man Reisezeiten als Metrik zu Grunde, ist die so berechnete Route die beweisbar schnellste Verbindung. Dijkstra's Algorithmus aus dem Jahre 1959 löst dieses Problem zwar beweisbar optimal, allerdings sind Verkehrsnetze so groß (das Straßennetzwerk von West- und Mittel-Europa besteht aus ca. 45 Millionen Abschnitten), dass der klassische Ansatz von Dijsktra zu lange für eine Anfrage braucht. Aus diesem Grund ist die Entwicklung von Beschleunigungstechniken für Dijkstra's Algorithmus Gegenstand aktueller Forschung. Dabei handelt es sich um zweistufige Verfahren, die in einem Vorverarbeitungsschritt das Netzwerk mit Zusatzinformationen anreichern, um anschließend die Berechnung von kürzesten Wegen zu beschleunigen.

Diese Vorlesung gibt einen Überblick über aktuelle Algorithmen zur effizienten Routenplanung und vertieft einige von diesen.

Termine und Material

# Datum Dozent Inhalt / Kommentar Folien
1 Mo, 14.04. Andreas Einführung, Grundlagen, Modelle, Datenstrukturen, Dijkstras Algorithmus, Bidirektionale Suche Folien
2 Mi, 16.04. Julian Fahrplanauskunft, Modelle, Anfrageszenarien, Graph-Algorithmen Folien
Mo, 21.04. keine Vorlesung
3 Mi, 23.04. Andreas Fahrplanauskunft: RAPTOR Folien
4 Mo, 28.04. Ben Fahrplanauskunft: Connection-Scan Folien
5 Mi, 30.04. Andreas Arc-Flags, SHARC Folien
6 Mo, 05.05. Prof. Zaroliagis A*, Landmarks, ALT, CALT Folien
7 Mi, 07.05. Prof. Zaroliagis Reach; Customizable Route Planning (Multi-Level Dijkstra) CRP (MLD) Folien
8 Mo, 12.05. Ben (Customizable) Contraction Hierarchies (CCH) Folien
9 Mi, 14.05. Ben Hub labeling (HL), Transit Node Routing (TNR) Folien
10 Mo, 19.05. Ben Schnelles APSP: (G)PHAST Folien
Mi, 21.05. verschoben auf 02.06.
11 Mo, 26.05. Prof. Zaroliagis Alternativrouten Folien
12 Mi, 28.05. Prof. Zaroliagis Alternativrouten II Folien
13 Mo, 02.06. Moritz Erweiterte Szenarien (one2many, many2many, POIs, best via queries, Abbiegekosten, Dynamische Szenarien) Folien
Mi, 04.06. keine Vorlesung
Mo, 09.06. keine Vorlesung
14 Mi, 11.06. Prof. Kontogiannis Zeitabhängige Routenplanung Folien
Mo, 16.06. keine Vorlesung
15 Mi, 18.06. Prof. Kontogiannis Zeitabhängige Routenplanung II
Mo, 23.06. keine Vorlesung
Mi, 25.06. keine Vorlesung
Mo, 30.06. keine Vorlesung
16 Mi, 02.07. Moritz Zeitabhängige Routenplanung III, Elektromobilität Folien
17 Mo, 07.07. Moritz Multimodale Routenplanung Folien
18 Mi, 09.07. Moritz Highway Dimension, Shortest Path Cover und Laufzeitgarantien Folien
Mo, 14.07. keine Vorlesung
Mi, 16.07. keine Vorlesung

Vergangene Veranstaltungen

Literatur

Übersicht über das Themengebiet
[DSSW09] Daniel Delling, Peter Sanders, Dominik Schultes, Dorothea Wagner:
Engineering Route Planning Algorithms.
In: Algorithmics of Large and Complex Networks, Lecture Notes in Computer Science. Springer, 2009. [ pdf ]
[BDGMPSW14] Hannah Bast, Daniel Delling, Andrew Goldberg, Matthias Müller-Hannemann, Thomas Pajor, Peter Sanders, Dorothea Wagner, and Renato Werneck:
Route Planning in Transportation Networks.
Preprint. [ web ]
Grundlagen
[CLRS01] Cormen, Leiserson, Rivest, Stein: Introduction to Algorithms
[MS08] Mehlhorn, Sanders: Algorithms and Data Structures
Fahrplanauskunft
[PSWZ08] Evangelia Pyrga, Frank Schulz, Dorothea Wagner, Christos Zaroliagis:
Efficient Models for Timetable Information in Public Transportation Systems
In: ACM Journal of Experimental Algorithmics, 2008 [ pdf ]
[DPW09] Daniel Delling, Thomas Pajor, Dorothea Wagner:
Engineering Time-Expanded Graphs for Faster Timetable Information
In: Robust and Online Large-Scale Optimization, 2009 [ pdf ]
[DKP10] Daniel Delling, Bastian Katz, Thomas Pajor:
Parallel Computation of Best Connections in Public Transportation Networks
In: 24th International Parallel and Distributed Processing Symposium (IPDPS'10), 2010 [ pdf ]
[DMS08] Yann Disser, Matthias Müller-Hannemann, Mathias Schnee:
Multi-Criteria Shortest Paths in Time-Dependent Train Networks
In: Proceedings of the 7th Workshop on Experimental Algorithms (WEA’08), 2008 [ pdf ]
[DPW12] Daniel Delling, Thomas Pajor, Renato Werneck:
Round-Based Public Transit Routing
In: Proceedings of the 14th Meeting on Algorithm Engineering and Experiments (ALENEX'12), 2012 [ pdf ]
[DPSW13] Julian Dibbelt, Thomas Pajor, Ben Strasser, Dorothea Wagner:
Intriguingly Simple and Fast Transit Routing
In: Proceedings of the 12th International Symposium on Experimental Algorithms (SEA'13), 2013 [ pdf ]
Arc-Flags, SHARC
[HKMS09] Moritz Hilger and Ekkehard Köhler and Rolf H. Möhring and Heiko Schilling:
Fast Point-to-Point Shortest Path Computations with Arc-Flags
In: Shortest Paths: Ninth DIMACS Implementation Challenge, 2009.
[BD09] Reinhard Bauer and Daniel Delling:
SHARC: Fast and Robust Unidirectional Routing
In: ACM Journal of Experimental Algorithmics, 2009 [ pdf ]
[BBRW13] Reinhard Bauer, Moritz Baum, Ignaz Rutter, and Dorothea Wagner:
On the Complexity of Partitioning Graphs for Arc-Flags
In: Journal of Graph Algorithms and Applications, 2013 [ html ]
A*, ALT, CALT, bidirektionale Suche
[GH05] Andrew V. Goldberg and Chris Harrelson:
Computing the Shortest Path: A Search Meets Graph Theory
In: Proceedings of the 16th Annual ACM–SIAM Symposium on Discrete Algorithms (SODA'05), 2005 pages 156–165. [ pdf ]
[GW05] Andrew V. Goldberg and Renato F. Werneck:
Computing Point-to-Point Shortest Paths from External Memory.
In: Proceedings of the 7th Workshop on Algorithm Engineering and Experiments (ALENEX'05), 2005 pages 26–40. some link
[DW07] Daniel Delling and Dorothea Wagner.
Landmark-Based Routing in Dynamic Graphs.
In: Proceedings of the 6th Workshop on Experimental Algorithms (WEA'07), 2007 pages 52–65. [ pdf ]
[BDS+09] Reinhard Bauer, Daniel Delling, Peter Sanders, Dennis Schieferdecker, Dominik Schultes, and Dorothea Wagner:
Combining Hierarchical and Goal-Directed Speed-Up Techniques for Dijkstra's Algorithm
In: ACM Journal of Experimental Algorithmics, 2010. [ pdf ]
Reach
[Gut04] Ronald J. Gutman:
Reach-Based Routing: A New Approach to Shortest Path Algorithms Optimized for Road Networks
In: Proceedings of the 6th Workshop on Algorithm Engineering and Experiments (ALENEX'04), 2004, pages 100–111. [ download ]
[GKW09] Andrew V. Goldberg and Haim Kaplan and Renato F. Werneck:
Reach for A*: Shortest Path Algorithms with Preprocessing
In: Shortest Paths: Ninth DIMACS Implementation Challenge, 2009. [ download ]
Multi-Level Overlays
[SWZ02] Frank Schulz, Dorothea Wagner, Christos Zaroliagis:
Using Multi-Level Graphs for Timetable Information in Railway Systems
In: Proceedings of the 4th Workshop on Algorithm Engineering and Experiments (ALENEX'02), 2002, pages 43-59. [ pdf ]
[SS07] Dominik Schultes, Peter Sanders:
Dynamic Highway-Node Routing
In: Proceedings of the 6th Workshop on Experimental Algorithms (WEA'07), 2007, pages 66-79. [ pdf ]
[DGP11] Daniel Delling, Andrew V. Goldberg, Thomas Pajor, Renato F. Werneck:
Customizable Route Planning
In: Proceedings of the 10th International Symposium on Experimental Algorithms (SEA'11), 2011, pages 376-387. [ pdf ]
Contraction Hiearchies, CCH, HubLabels, HLDB
[GSSV12] Robert Geisberger, Peter Sanders, Dominik Schultes, Christian Vetter:
Exact Routing in Large Road Networks Using Contraction Hierarchies
In: Transportation Science, 2012. [ link , dazugehörige Diplomarbeit (keine Paywall) ]
[DSW14] Julian Dibbelt, Ben Strasser, Dorothea Wagner:
Customizable Contraction Hierarchies
In: Proceedings of the 13th International Symposium on Experimental Algorithms (SEA'14), 2014. [ arxiv ]
[ADGW11] Ittai Abaraham, Daniel Delling, Andrew V. Goldberg, Renato F. Werneck:
A Hub-Based Labeling Algorithm for Shortest Paths on Road Networks
In: Proceedings of the 10th International Symposium on Experimental Algorithms (SEA'11), 2011, pages 230-241. [ link ]
[ADGW12] Ittai Abaraham, Daniel Delling, Andrew V. Goldberg, Renato F. Werneck:
Hierarchical Hub Labelings for Shortest Paths
MSR-TR-2012-46, 2012. [ link ]
[ADFGW12] Ittai Abaraham, Daniel Delling, Amos Fiat, Andrew V. Goldberg, Renato F. Werneck:
HLDB: Location-Based Services in Databases
MSR-TR-2012-59, 2012. [ link ]
Transit Node Routing
[SS09] Peter Sanders and Dominik Schultes:
Robust, Almost Constant Time Shortest-Path Queries in Road Networks
In: The Shortest Path Problem: Ninth DIMACS Implementation Challenge, 2009. [ pdf ]
[ALS13] Julian Arz, Dennis Luxen and Peter Sanders:
Transit Node Routing Reconsidered
In: Proceedings of the 12th International Symposium on Experimental Algorithms (SEA'13), 2013. [ Springer, arxiv ]
Batched Shortest Paths (One-to-all, one-to-many, POI)
[DGNW11] Daniel Delling, Andrew V. Goldberg, Andreas Nowatzyck, Renato F. Werneck:
PHAST: Hardware-Accelerated Shortest Path Trees
In: Journal of Parallel and Distributed Computing, 2012. [ link ]
[KSSSW07] Sebastian Knopp, Peter Sanders, Dominik Schultes, Frank Schulz, Dorothea Wagner:
Computing Many-to-Many Shortest Paths Using Highway Hierarchies
In: Proceedings of the 9th Workshop on Algorithm Engineering and Experiments (ALENEX'07), pages 36-45, 2007. [ pdf ]
[DGW11] Daniel Delling, Andrew V. Goldberg, Renato F. Werneck:
Faster Batched Shortest Paths in Road Networks
In: Proceedings of the 11th Workshop on Algorithmic Approaches for Transportation Modeling, Optimization, and Systems (ATMOS'11), pages 52-63, 2011. [ pdf ]
[ADFGW12] Ittai Abaraham, Daniel Delling, Amos Fiat, Andrew V. Goldberg, Renato F. Werneck:
HLDB: Location-Based Services in Databases
MSR-TR-2012-59, 2012. [ link ]
Alternativrouten
[ADGW10] Ittai Abaraham, Daniel Delling, Andrew V. Goldberg, Renato F. Werneck:
Alternative Routes in Road Networks
In: Proceedings of the 9th International Symposium on Experimental Algorithms (SEA '10), 2010. [ pdf ]
[LS12] Dennis Luxen, Dennis Schieferdecker:
Candidate Sets for Alternative Routes in Road Networks
In: Proceedings of the 11th International Symposium on Experimental Algorithms (SEA '12), 2012. [ pdf ]
[BDGS11] Roland Bader, Jonathan Dees, Robert Geisberger, Peter Sanders:
Alternative Route Graphs in Road Networks
In: Proceedings of the 1st International ICST Conference on Theory and Practice of Algorithms in Computer Systems (TAPAS'11), 2011. [ pdf ]
[PZ13] Andreas Paraskevopoulos, Christos Zaroliagis:
Improved Alternative Route Planning
In: Proceedings of the 13th Workshop on Algorithmic Approaches for Transportation Modeling, Optimization, and Systems (ATMOS'13), 2013. [ pdf ]
Abbiegekosten
[GS11] Robert Geisberger, Christian Vetter:
Efficient Routing in Road Networks with Turn Costs.
In: Proceedings of the 10th International Symposium on Experimental Algorithms (SEA'11), 2011, pages 100-111. [ pdf ]
[DGP11] Daniel Delling, Andrew V. Goldberg, Thomas Pajor, Renato F. Werneck:
Customizable Route Planning
In: Proceedings of the 10th International Symposium on Experimental Algorithms (SEA'11), 2011, pages 376-387. [ pdf ]
Zeitabhängige Routenplanung
[Del09] Daniel Delling:
Engineering and Augmenting Route Planning Algorithms
Ph.D. Thesis, Universität Karlsruhe (TH), 2009. [ pdf ]
[BDSV09] Gernot Veit Batz, Daniel Delling, Peter Sanders, Christian Vetter:
Time-Dependent Contraction Hierarchies
In: Proceedings of the 11th Workshop on Algorithm Engineering and Experiments (ALENEX'09), April 2009. [ pdf ]
[BGNS10] Gernot Veit Batz, Robert Geisberger, Sabine Neubauer, Peter Sanders:
Time-Dependent Contraction Hierarchies and Approximation
In: Proceedings of the 9th International Symposium on Experimental Algorithms (SEA'10), May 2010. [ link ]
[KZ14] Spyros Kontogiannis, Christos Zaroliagis:
Distance Oracles for Time Dependent Networks.
In: Automata, Languages and Programming (ICALP'14), 2014. [ arxiv ]
Elektromobilität
[BDPW13] Moritz Baum, Julian Dibbelt, Thomas Pajor, Dorothea Wagner:
Energy-Optimal Routes for Electric Vehicles
In: Proceedings of the 21st ACM SIGSPATIAL International Conference on Advances in Geographic Information Systems, 2013 [ link ]
Multimodale Routenplanung
[DPW09] Daniel Delling, Thomas Pajor, Dorothea Wagner:
Accelerating Multi-Modal Route Planning by Access-Nodes.
In: Proceedings of the 17th Annual European Symposium on Algorithms (ESA'09). [ pdf ]
[DPW12] Julian Dibbelt, Thomas Pajor, Dorothea Wagner:
User-Constrained Multi-Modal Route Planning
In: Proceedings of the 14th Meeting on Algorithm Engineering and Experiments (ALENEX'12). [ pdf ]
[DDP+13] Daniel Delling, Julian Dibbelt, Thomas Pajor, Dorothea Wagner, Renato F. Werneck:
Computing Multimodal Journeys in Practice
In: Proceedings of the 12th International Symposium on Experimental Algorithms (SEA'13). [ pdf ]
Highway-Dimension
[AFGW10] Ittai Abraham, Amos Fiat, Andrew V. Goldberg, Renato F. Werneck:
Highway Dimension, Shortest Paths, and Provably Efficient Algorithms
In: Proc. ACM-SIAM Symposium on Discrete Algorithms (SODA10), 2010 [ download ]