Algorithmen für Routenplanung

im Sommersemester 2016

Allgemeines

  • Vorlesung: montags, 4. Block, 14:00–15:30 Uhr, mittwochs, 3. Block, 11:30–13:00 Uhr.
  • Raum: Raum 301, Informatik-Hauptgebäude (Geb. 50.34)
  • Studiengang: Master/Diplom Informatik/Informationswirtschaft. Weitere nach Rücksprache.
  • Vertiefungsfächer:
    • Nach alter Prüfungsordnung: Algorithmentechnik oder Theoretische Grundlagen
    • Nach neuer Prüfungsordnung: Algorithmentechnik aber nicht mehr Theoretische Grundlagen
  • Module (Stand alte Prüfungsordnung): Algorithmen für Routenplanung [IN4INALGRP], Algorithm Engineering für Routenplanung [IN4INAERP], Algorithm Engineering und Anwendungen [IN4INAEA]
  • Credits: 5 ECTS (3 SWS)

Prüfungstermine

Für Einzelprüfungen werden Prüfungstermine an den folgenden Tagen angeboten:

  • 19. August
  • 16. September
  • 7. Oktober

Anmeldung: Die Anmeldung erfolgt per e-Mail an Laurette Lauffer nach dem „first come, first served“-Prinzip.

Prüfung: Die Prüfung findet statt in Geb. 50.34, Raum 320.

Wichtig: Die Anmeldung muss bis spätestens 3 Wochen vor dem Prüfungstermin erfolgen.

Bei Sammelprüfungen (nur in neuer Prüfungsordnung): Eine E-Mail schicken, wo alle Prüfer in der Empfängerliste stehen.

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

Termine sind teilweise vorläufig.

1 Mo, 18.04.         Tobias Einführung, Grundlagen, Modelle, Datenstrukturen,
Dijkstras Algorithmus, Bidirektionale Suche
Einführung
Mi, 20.04. keine Vorlesung
2 Mo, 25.04. Tobias Kontraktion, TopoCore Kontraktion
3 Mi, 27.04. Tobias A*, ALT ALT
4 Mo, 02.05. Moritz CALT, Arc-Flags, SHARC Arc-Flags
5 Mi, 04.05. Ben Reach, MLO /CRP Reach, MLO / CRP
6 Mo, 09.05. Ben CH CH/CCH
7 Mi, 11.05. Ben CCH
Mo, 16.05. keine Vorlesung, Feiertag
8 Mi, 18.05. Ben HL HL
9 Mo, 23.05. Ben TNR/PHAST TNR/PHAST
10 Mi, 25.05. Ben Alternative Routen Alternativen
11 Mo, 30.05. Ben Zeitabhängige Routenplanung (Straße) Zeitabh. I
12 Mi, 01.06. Prof. Christos Zaroliagis Zeitabhängige Routenplanung II Zeitabh. II
Mo, 06.06. keine Vorlesung
13 Mi, 08.06. Prof. Christos Zaroliagis Zeitabhängige Routenplanung III Zeitabh. III
14 Mo, 13.06. Moritz Dynamische Szenarien, Abbiegekosten, Multikriterielle Optimierung Multicriteria
15 Mi, 15.06. Moritz Elektromobilität EVs
16 Mo, 20.06. Valentin Erweiterte Szenarien (one2all, one2many, many2many, POIs, best via queries, Isochronen) Erweiterte Szenarien
Mi, 22.06. keine Vorlesung
Mo, 27.06. keine Vorlesung
17 Mi, 29.06. Prof. Sabine Storandt Personalisierte Routenplanung Personalisiert
18 Mo, 04.07. Ben Vorlesungs-Evaluation & Einführung Züge & Zeitexpandierter Graph Zeitexpandierter Graph
19 Mi, 06.07. Ben Zeitabhängier Graph & RAPTOR Zeitabhäniger Graph & RAPTOR
20 Mo, 11.07. Ben Connection Scan Connection Scan
21 Mi, 13.07. Ben Minimum Expected Arrival Time MEAT
Mo, 18.07. Vorlesungsende

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
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. [ 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. [ pdf ]
[DW07] Daniel Delling and Dorothea Wagner:
Landmark-Based Routing in Dynamic Graphs.
In: Proceedings of the 6th Workshop on Experimental Algorithms (WEA'07), 2007. [ 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 ]
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. [ pdf ]
[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. [ web ]
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 ]
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 ]
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 ]
Multikriterielle Optimierung
[DW09] Daniel Delling, Dorothea Wagner:
Pareto Paths with SHARC.
In: Proceedings of the 8th International Symposium on Experimental Algorithms (SEA'09), 2009, pages 125-136. [ pdf ]
Elektromobilität
[EFS11] Jochen Eisner, Stefan Funke, Sabine Storandt:
Optimal Route Planning for Electric Vehicles in Large Networks
In: Proceedings of the 25th AAAI Conference on Artificial Intelligence, 2011 [ pdf ]
[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 ]
[BDGZW15] Moritz Baum, Julian Dibbelt, Andreas Gemsa, Tobias Zündorf, Dorothea Wagner:
Shortest Feasible Paths with Charging Stops for Battery Electric Vehicles
In: Proceedings of the 23rd ACM SIGSPATIAL International Conference on Advances in Geographic Information Systems, 2013 [ link ]
Erweiterte Szenarien (One-to-all, one-to-many, POI, Isochronen)
[DGNW11] Daniel Delling, Andrew V. Goldberg, Andreas Nowatzyk, Renato F. Werneck:
PHAST: Hardware-accelerated shortest path trees
In: Journal of Parallel and Distributed Computing, pages 940-952, 2013. [ link ]
[EP14] Alexandros Efentakis, Dieter Pfoser:
GRASP. Extending Graph Separators for the Single-Source Shortest-Path Problem
In: Proceedings of the 22nd European Symposium on Algorithms (ESA'14), pages 358-370, 2014. [ 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 ]
[BBDW16] Moritz Baum, Valentin Buchhold, Julian Dibbelt, Dorothea Wagner:
Fast Exact Computation of Isochrones in Road Networks
In: Proceedings of the 15th International Symposium on Experimental Algorithms (SEA'16), pages 17-32, 2016. [ link ]