Deep Learning Models for Route Planning in Road Networks

• Main Author: Zhou, Tianyu
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Skolan för elektroteknik och datavetenskap (EECS) 2018
• Subjects: Route Planning; Pathfinding; Shortest Path Algorithms; Road Networks; Deep Learning; Neural Networks.; Ruttplanering; Sökning; Algoritmer för att finna kortaste väg; Vägnät; Djupinlärning; Neuronnätverk.; Computer and Information Sciences; Data- och informationsvetenskap
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-235216

Traditional shortest path algorithms can efficiently find the optimal paths in graphs using simple heuristics. However, formulating a simple heuristic is challenging under the road network setting since there are multiple factors to consider, such as road segment length, edge centrality, and speed limit. This study investigates how a neural network can learn to take these factors as inputs and yield a path given a pair of origin and destination. The research question is formulated as: Are neural networks applicable to real-time route planning tasks in a roadnetwork?. The proposed metric to evaluate the effectiveness of the neural network is arrival rate. The quality of generated paths is evaluated by time efficiency. The real-time performance of the model is also compared between pathfinding in dynamic and static graphs, using theabove metrics. A staggered approach is applied in progressing this investigation. The first step is to generate random graphs, which allows us to monitor the size and properties of the training graph without caring too many details in a road network. The next step is to determine, as a proof of concept, if a neural network can learn to traverse simple graphs with multiple strategies, given that road networks are in effect complex graphs. Finally, we scale up by including factors that might affect the pathfinding in real road networks. Overall, the training data is optimal paths in a graph generated by a shortest path algorithm. The model is then applied to new graphs to generate a path given a pair of origin and destination. The arrival rate and time efficiency are calculated and compared with that of the corresponding optimal path. Experimental results show that the effectiveness, i.e., arrival rate ofthe model is 90% and the path quality, i.e., time efficiency has a medianof 0.88 and a large variance. The experiment shows that the model has better performance in dynamic graphs than in static graphs. Overall, the answer to the research question is positive. However, there is still room to improve the effectiveness of the model and the paths generated by the model. This work shows that a neural network trained to make locally optimal choices can hardly give a globally optimal solution. We also show that our method, only making locally optimal choices, can adapt to dynamic graphs with little performance overhead. === Traditionella algoritmer för att hitta den kortaste vägen kan effektivt hitta de optimala vägarna i grafer med enkel heuristik. Att formulera en enkel heuristik är dock utmanande för vägnätverk eftersom det finns flera faktorer att överväga, såsom vägsegmentlängd, kantcentralitet och hastighetsbegränsningar. Denna studie undersöker hur ett neuralt nätverk kan lära sig att ta dessa faktorer som indata och finna en väg utifrån start- och slutpunkt. Forskningsfrågan är formulerad som: Är neuronnätverket tillämpliga på realtidsplaneringsuppgifter i ett vägnät?. Det föreslagna måttet för att utvärdera effektiviteten hos det neuronnätverket är ankomstgrad. Kvaliteten på genererade vägar utvärderas av tidseffektivitet. Prestandan hos modellen jämförs också mellan sökningen i dynamiska och statiska grafer, med hjälp av ovanstående mätvärden. Undersökningen bedrivs i flera steg. Det första steget är att generera slumpmässiga grafer, vilket gör det möjligt för oss att övervaka träningsdiagrammets storlek och egenskaper utan att ta hand om för många detaljer i ett vägnät. Nästa steg är att, som ett bevis på konceptet, undersöka om ett neuronnätverk kan lära sig att korsa enkla grafer med flera strategier, eftersom vägnätverk är i praktiken komplexa grafer. Slutligen skalas studien upp genom att inkludera faktorer som kan påverka sökningen i riktiga vägnät. Träningsdata utgörs av optimala vägar i en graf som genereras av en algoritm för att finna den kortaste vägen. Modellen appliceras sedan i nya grafer för att hitta en väg mellan start och slutpunkt. Ankomstgrad och tidseffektivitet beräknas och jämförs med den motsvarande optimala sökvägen. De experimentella resultaten visar att effektiviteten, dvs ankomstgraden av modellen är 90% och vägkvaliteten dvs tidseffektiviteten har en median på 0,88 och en stor varians. Experimentet visar att modellen har bättre prestanda i dynamiska grafer än i statiska grafer. Sammantaget är svaret på forskningsfrågan positivt. Det finns dock fortfarande utrymme att förbättra modellens effektivitet och de vägar som genereras av modellen. Detta arbete visar att ett neuronnätverk tränat för att göra lokalt optimala val knappast kan ge globalt optimal lösning. Vi visar också att vår metod, som bara gör lokalt optimala val, kan anpassa sig till dynamiska grafer med begränsad prestandaförlust.