TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol.12, No.5, May 2014, pp . 3515 ~ 35 2 0   DOI: http://dx.doi.org/10.11591/telkomni ka.v12i5.3535          3515     Re cei v ed  Jun e  17, 2013; Revi sed  De ce m ber 10, 201 3; Acce pted  De cem ber 3 1 ,  2013   Resear ch on Real-Time Optimal Path Algorithm of  Urban Transport      Jie Zhang, Ji anchun Li, Xiao y a n Fan*, Zhuo Den g   Schoo l of Com puter Scie nce  and C o mmun i c a tion En gi neer i ng, Z hengz ho u  Universit y  of L i ght Industr y,  Z hengZ h ou, 45 000 2, Chi n a   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l : fanxiao y a n 1 8 @ 12 6.com       A b st r a ct   Based o n  the ant colo ny alg o rith m, urba n real -ti m e traffic opti m a l  path al gorith m  w a s desig n e d   through restrict ing s earc h  area and  search  direction of ant  colony system , making the real -tim e traffic  and  distanc e as th e opti m a l  path  w e ights and r egar din g  in ters ection turn in g as the i m pact  of w e ight valu e   combi ned w i th  Chin ese situ ation. T he al g o rith m c oul d calcul ate  the opti m a l  path throu gh al gor ithm  complexity test . We obtained  a traffi c o p ti ma l p a th w i th ti melin ess  an d pr actical  val u e  c o mbi ned  w i th  ant   colo ny al gorith m  co nsid erin g  mult i p l e  par a m eters.T h e ob taine d  path  en abl ed us er to reach d e stin ati o n   w i thin a short time a nd w i th the least fuel thr oug h ac tua l  traffic test. It w a regar ded  as the opti m a l  path.      Ke y w ords :  intelli ge nt transpo rtation, the opti m a l  pat h, rea l -time traffic, ant colo ny alg o rith   Copy right  ©  2014 In stitu t e o f  Ad van ced  En g i n eerin g and  Scien ce. All  rig h t s reser ve d .       1. Introduc tion  The daily number of regis t er ed vehic l has  grown more than 800  vehic l es  in Zhengz hou  in 2012. The  city owned  2 million veh i cle s  till  August 201 2. Ca r use r s are f a ce d with great  difficulty [1] b y  consi deri n g  the current st atus.   Except accel e rating u r ba n  road con s tru c tion, path gu idan ce and o p timization i s  anothe necessa ry way to solve  traffic p r ob lems  and  h e lp car  use r get to th eir d e stin ations  conve n iently.  Dijkstra  al gori t hm [2], A* al gorithm , gen e t ic  alg o rithm  and ant col o n y   algo rithm [3],  etc are co m m on path o p timization  a l gorithm s [4 ]. They are  simulated u n d e r stati c  pat h   con d ition s  an d the wei ght  value consi d ered i s  o n ly the length  of the path.  Except dista n ce, path  para m eters a r e affecte d  b y  real-time traffic [3]  and intersectio n  tu rning  numb e r in urba n traf fic.  Turni ng limita t ions, turnin g time and the delay time ca n rea c h 17% -35% of total time.  A problem n e ed to be solv ed is ho w to combi ne the three p a ramet e rs: real-tim e  traffic,  distan ce   and  intersectio n . Since ea ch p a th  ha its co rre sp ondi ng  real-time  traffic, we  can  re g a rd   each pa rt of real -time traffic as a  part  of the  weight  values an each interse c tion turning i s   rep r e s ente d   by paramete r s [5-8], then  we  can  obt ai n a traffic opt imal path  wit h  timeline s and  pra c tical val u e in combin a t ion with a n t colo ny algo rithm [9] and t h rou gh  con s i der the  multi p le  para m eters a ffecting vehicl e so a s .       2. The Estab lishment of  Road  Ne t w o r k Model   2.1. The Esta blishment of Urban  Road s Model   The  compl e x urba n road  traffic net work ma ke s the st ru cture  of topologi ca l relatio n   network diagram. Plane i n tersection  will be the  analysis  object  of system. T he urban traf fic   netwo rk i s  a n a lyzed  to pl a ne inte rse c tio n  a s   sp lit  poin t, then the  ro ad traffic n e twork ha be come   point and lin e topology n e twork  stru cture. The  stru cture  rep r e s e n ts a plan e intersectio n  a s   a   point and a  road a s  a line.  The wh ole n e twork mo del  can b e  de scribed through  grap h G =  (V, D,  W, A) as i s  shown in Figu re 1. V is the  set of  urb a n  road n ode s;  D is the  wei ght values from   node Vi to Vj . W indi cate s the delay ti me when  pa ssing  nod e Vj  from Vi to Vk. The pa ram e ter   has di re ctivity. A stands for road  line  seg m ents an d ha s dire ctivity.  The ro ad traffic dire ction a nd city road  netwo rk m o d e l of the interse c tion was  built. The   probl em for real-time p a th  is equale d  to find the  sm allest weight values b e twe en two nod es in  the diagram  G (V, D, W, A), which sim p l i fies the solvi ng pro c e s s of path.  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3515 – 35 20   3516 2.2. Speed-flo w  M odel Se lection   This sp eed -fl o m odel   is con s i s tent wi th  the  United  States BPR functio n  an d  sp eed - flow mo del  suited for Chi na traffic is  obtaine fro m  Chi n e s Ministry T r a n s po rtation  project  named " H igh w ay Ca pa city rese arch", su ch a s  Equatio n (1).      3 10 23 ,/ 1( / ) V VU C UC                                                 (1)     In Equation (1), V is actua l  spee d, and  V0 is  stan dard spe ed. U is  the actual vehicl e s   and C is the  maximum vehicl es with stand by road α 1,  α 2,  α 3  is the regre ssi on pa ram e ter  who s e val ue  varies with  di fferent road  grad e.  Assu ming L  is th e  roa d  len g th,  and  ro ad tra v el  time can be  show in Equ a tion (2 ):     0 1 ) / ( V C U L L V L T                                                                               (2)     We  sh ould  u pdate  re al-ti m e traffic flo w   U in   t. The  can  dif f er a c cording  to a c tual  situation.  Ge nerally, the  value i s  1 0 mi n. Ro ad  net work i s   refre s he d o n ce  whi c h ca n kee p   system out of  continuo us refres hing  state and en sure  a small error. Combine d  with ant colo ny  algorith m , it  wa s ado pted  to study on  urban re al-time  traffic optimal  path.    2.3. Intersec tion Dela y  Model Design   Before  ea ch  se ction s  d o wn stre am i n tersectio n   ago, the  ve hicle  line d  u p  in  the   downstream  se ction s  of column s and  extends b a ck con s tantly when the light  turns red. The   vehicle  queue length decreases  cons tantly when the red li ght turn ed off. This is called  scattered  wave fo rmati on an d di sa p pearan ce. Se tting the s pee d of vehi cle  q ueue l ength  chang e is fast er  than wave  sp eed ba ck the light turns g r e en,  namely the queu e ca n compl e tely disap pea r.   The  analy s is of q ueue  ve hicle s   dissip a t e rate  in t h e  interse c tion   (by the  jam  to flow)  sho w s that th e delay i s   rel a ted to n u mb er of q ueui ng  vehicle  an queu e di ssi p a tion rate. Qu eue  dissipatio n ra te is the inte rse c tion  ca p a city C( t )  wh en interse c ti on is  con g e s ted. The rate  is  inflow rate of  traffic if there is no qu euin g .   Assu ming do wn strea m  intersectio n  on  Red ti me r, the numb e r o f  queuing ve hicle s  at  time t se ction s   <Vi, Vj >i N an d the t r a ffic sp eed  on  the ro ad  <Vi,Vj> at time t i s  the flo w  V,  we   c an get intersec tion delay within the time interval  t .The res u lt is   s h own in Equation (3):     C t t V r t V r t C t Q t w 2 ) ( ) ( ) ( ) ( ) (                                                                      (3)      3. The Optim a l Path Ba se d on Impro v ed An t Colo n y  Algorithm  3.1. Algorith m  Model-bui lding  The mo re  ant s pa ss o n  a  p a th and  it ca n  affe ct choi ce  of othe r ant s. An optimal  path is  formed  thro u gh iterative. The ant  col ony  algo rith m i s  robu st and  ea sy to pa ram e ters.  The  path  is  determi ned th roug h wei ght, includi ng dist ance, real -time traffic and d e lay.  Assu ming th ere a r m a n ts at sta r tin g  poi nt. Th e  path is  <Vi, Vj>. Wei ght i s  d.  τ  is   pheromo ne o n  the p a th.  η   is p a th visibili ty or expe ctat ions to  choo se <Vi,Vj> wit h  a valu e of  1 /   dij. Allowed k   is the next selecte d  set of  node s.  α  is  stimulating  p hero m on e factor.  β  is  de sir e inspi r ation fa ctor. The n  an ts cho o se a p a th to  Vj. The proba bility can be sho w in Equation (4).       else allowed j p k allowed j ij ij ij ij ij k 0                                                 (4)   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re sea r ch on  Real -Tim e Optim a l Path Algorithm  of Urban Tran spo r t (Jie Zha ng)  3517 This p a th ph erom one  will be upd ated a fter an ant ch ooses a p a th . It can be sh own in   Equation (5).      1 (1 ) 1 ( ) , ( ) f r ij ij ij ij ij r Q tt d                          (5)     In Equation  (5), t is numb e r  of iteration s ρ  is phe romo ne evapo ratio n  coeffici ent.  τ ij(t+1)  rep r e s ent s p hero m on ch ange s i n  n e xt iteration  on <vi,vj>.  ∆τ ij  i s  in crea sed   pheromo ne  whe n   ants choo se  <vi,vj>. Q is the quality factor of  pherom one, whi c h i s  a con s tant, often taken 1.   Optimal network  path is o b tained by combinin g the  actual mod e l road n e twork  an d   improvin g the  basi c  ant col ony algorith m   3.2. Optimization of Tim e liness     If we consi d er the wh ole  city node s, it  will  nee d a long com putati on time. In real driving   situation, the y  are limite d  to so me a r e a s  un de r eal  f a ct or s su ch a s   t i me, fuel  consumption  a nd  traffic. Ant colony algo rithm  ca n be  sim p l i fied if  the rea s on able  se arch  of  a rang e  of area  can   be  sele ct ed.   Selection  of  sea r ch  are a  i s   sho w n  in  F i gure  2.  The   recta ngul ar I  is fo rmed  ba sed  on   diago nal re ct angle of sta r t and en d. The  recta ngle  ca n be used a s   the smalle st  area to  cal c ul ate   optimal p a th, but  we  sh ou ld be  mag n ified the  sea r ch a r ea  be cau s of the  re striction s  in  re al   traffic. Extending the  diag onal fo r oute r  of sta r t an d end  point s to take i n terse c t nod es,  we   sho u ld scale  out  1 - 2 nod e s  on the diag onal of  recta ngle I. The search area is enlarg ed fro m   recta ngul ar I to recta ngul ar  II.            A vector is fo rmed  from  be ginnin g  to e n d , as  is sho w n in Fi gu re  3. Algorithm  co mputing  spe ed can b e  accele rate d and the  complexity ca n be re du ce d throu gh m a kin g  the se arch  dire ction alm o st acco rd wit h  vector du rin g  the pro c e s s.  Value of  η ij controls  direction.  η ij re prese n ts exp e ctations  that  a n ts choo se  the pat h   <vi,vj>. The  pa ramet r ic  dje, dje  represe n ts  li nea r dista n ce from vj to ta rget  point, a n d   para m eters d j e aims to st rengt he n the sea r ch directi on.  λ 1 a nd  λ 2 rep r e s ent t he scale fa ct or .It  can b e  sh own in Equation  (6).     12 12 1 1/ , ( 1 ) ij ij ij j e d dd                                                             (6)                                              Ant colo ny al gorithm  is re stricted  from  sear ch area a nd  di re ction, and  th e com p lexity  of  the algorithm is greatly reduced. It  will be proved by following instances.     3.3. Obtainm e nt of  the O p tim a l Path Weigh t   The o p timal p a th in sy stem  is ba se d o n  time, namely t he optim al pa th is the  path  whi c h   tak e s  the  s h ortes t  time. I n  order to mak e  the  cal c ulation of the  optimal path  timely, real-t ime  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3515 – 35 20   3518 Speed -flow a nd interse c tion delay time sho u ld be  rega rde d  a s  part s  of the weig ht value.   Namely, the model of valu e is esta blish ed throu gh th ese two facto r s.   Assu ming  th e path  length  is  L. S is th e av erage  ve hicle  length,  r represents  red li ght  time of intersection. The  re sults a r sho w n in Equatio n (7).     r t V CS t t V t V LC t QCV ij )] ( )][ ( ) ( [ 2 ) ( 2                                                                               (7)    12 12 2( ) ,( 1 ) { 2 [ ( ) ( )][ ( ) ] } 2 ( ) ij je CV t L C Vt Vt t C S V t r C V t d                           (8)    Whe n  ant col ony algo rithm  values  cha n ge,  η ij and  ∆τ ij will ch ang e. Then valu e of pij is  affected  , and finally we sh ould sele ct the optimal pat h.      4. Applicatio n Experimen t   The timeli ne ss a n d  effectiv ene ss ba se on im pr ove d   ant colony  al gorithm  is verified by  an example, takin g  part in  Zheng zh ou City. The map is sh own in Figure 4.             The m a p  is a b stra cted  a s   a net wo rk mo del  diag ram with weig ht. There are 21  node s in   the diag ram   and the  flow of path s  i s   measured  sh own i n  Fig u re 5. Di re ctio n of the  arro w i s   pointed f r om  vi to vj. Times of e a ch inte rse c tion  traffi c light s h a ve  been te sted  to obtain  the  d a ta  in advan ce. If steerin g is p r ohibited, the time of traffic lights is infinit e  ( ).   We ta ke  α  = 1,   β  = 2, Q  = 1,  λ 1  = 0.4,  λ 2 =  0.3,  λ 3  =  0.3,  α 1 = 1 . 00,  α 2 = 1.8 8 α 3 =  7.00. The  pro c e ss i s  im ple m ented  by using MATLAB 7. 0. It is verifi ed by  sele ctin g the  same  time  for thre e con s e c utive day s in different  st arting  a nd e n d ing for  auth enticatio n: Experim ent A: A1 - A2; Experime n t B: B1-B2;  Experiment C: C1-C2.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Re sea r ch on  Real -Tim e Optim a l Path Algorithm  of Urban Tran spo r t (Jie Zha ng)  3519 The b a si c a n t  colony al go rithm and th improve d  ant  colo ny algo ri thm we re  co mpared   in timeliness  and a c tual jo urney time.     4.1. Algorithm Simulatio n  Test  Test s a r written by  Usi ng MATLAB.  The tim e lin ess of th algorith m  i s   made  c o mparis on firs tly.  As can b e  se en from  Figu re 6, It can  be  see n  that the  improve d  ant  colo ny algo ri thm on  the co nverge nce  rate i s   better tha n   basi c  a n t co lony algo rith m in term of timeline s s or  optimizatio n capabilitie s.   As can b e  se en from Expe riment A, the two  cu rves a r e not su bsta ntially chan g ed after  50 iteration s .  However, the improve d  ant colony  alg o rithm ha s g o t its optimal value after 28   iteration s . It  can be  see n  that the imp r oved ant  col ony algorith m  on the co nverge nce ra te is  signifi cantly b e tter than  ba sic ant  colo n y  algor ith m .As  can  be  se e n  from  Experi m ent B, opti m al  path wei ghts obtained fro m  improved  ant colo ny al gorithm i s  lower tha n  tha t  from basi c  ant   colo ny alg o rithm, so  the cal c ulati on  spe ed of im proved  alg o rithm in crease  signifi cantly.Experime n t C proved o n ce again the  con c lu sion s of A and B.                       4.2. Actu al Trav el Time T est    For different  algo rithm s , we m ade  a c tual travel  time text. As sa me weight v a lue i s   obtaine d from  A, two different algorithm in B and C wil l  be tested.   Experiment   B ,ant colon y  algo rithm  p a th is :  B1-v1 9 -v14 -v8-v7 -v6-B2. It  cont ains five  intersectio n s,  v19-v14 and  v8-v7 road a r e co nge st ed  to delay travel time. Improved ant colo ny  algorith m  pat h is: B1-v19-v 18-v15 - v16 - v6-B 2. Five intersectio n s a r e contai ned.   Experiment  C, ant  col ony algo rith m pat h is :  C 1 - v 2- v9- v 8- v7- v 6- v16-C 2 . Six  intersectio n s are contai n ed. v8-v7 is conge st ed t o  delay travel time. Improved ant col ony  algorith m  pat h is: C1 -v2- v 3 -v4-v5 -v6-v1 6-C2, six  inte rse c tion s a r e  contain ed, while the path  is   smooth.   The  im proved  ant col ony algorith m  can   re du ce  th e u s er's path  tra v el time a c co rding  t o   Table 1. The  results a r e sh own in Ta ble  1.      Table 1. Co m pari s on of Act ual Travel Ti me  Algorithm  Basic ant colony   algorithm  Improved Ant Co lon y  Algorithm   (B)  (B)41  mi n   (B)30mi n   (C)  (C)32  mi n   (C)25mi n       In summa ry, improve d  ant  colony alg o ri thm is  su pe rior to ba sic a n t colony alg o rithm i n   timeliness an d sele ction of  optimal path, and user s ca n quickly find the optimal p a th to drive.      5. Conclusio n   The o p timal p a th algo rithm  of urb an  real -time traffic i s   based o n  a n colo ny algo rit h m for  recta ngul ar  restri ction s  an d limit ations dire ction,  det ermin ed weig hts by the  re al-time traffi and   distan ce, an d  con s ide r ing i n tersectio n . Throu gh the a c tual test, con c lu sion s are as follo ws:     (1) We can cal c ulate  th e optimal  path  i n   short tim e  throu gh  re ctangle rest rict ion an dire ction restriction for the  ant colo ny algorithm,      (2)  The  opti m al path,  whose  weig ht value  i s   de termine d  by  real -time t r affic an distan ce  an d  is  add ed  b y  the inte rse c tion tu rnin g  facto r s,  ca n  help  the  users g e t to th eir   destin a tion wi thin a sho r t time and with l e ss fuel.    (3) If there is emerg e n c y situation and t he user  want s to re-sel ect  the optimal p a th, the   algorith m   will  re -sele c t the  optimal  path  ba sed  on  re gardi ng th e l o catio n  of  user  as a  sta r ting   point.   In co nclu sio n , the optim al path  algo rithm of re al-time traffic  h a high vali dity and   practicability for car  users i n  the city.        Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 5, May 2014:  3515 – 35 20   3520 Referen ces   [1]   YANG Li. An Optimist ic P a th Alg o rithm  for Lo gistics  T r ansportatio n  Base d o n   D y namic  T r affi Information.  Pa ckagi ng En gin eeri n g . 20 10; 3 1 (23): 10 2-1 0 4 .   [2]    GE Li. Stu d y  on  Pla n n i ng   Method  of Op timum Ro ute  i n  Mu lti-scal e   Roa d  N e t w ork s  Base on   Dijksrac a’s Algorithm.  Journ a l  of Hubei U n iv ersity for Natio naliti e s.  20 12; 30(3): 27 8-2 8 0 .   [3]    CHEN L i an g, HE W e i, HAN Liq un. Stud y o n  an ur ban tra n sportati on o p timal p a th al go rithm.  CAA I   T r ansactio n s o n  Intelli ge nt Systems . 20 12; 7 ( 2): 167-1 73.   [4]    W A N W e i, LIU  Ye, LI L i -ho ng.  Rese arch  on   optim a l  p a th s e arch  alg o rithm  ado ptin g u n io n  optimiz atio n   method.  Co mp uter Engi ne erin g and Ap pl icati ons . 200 7; 43( 30): 97- 10 0.   [5]    W A NG W e i.Hi gh w a y Sp ee d- F l o w   practica relati onsh i p  m ode l.  Jo urna o f  South east U n iversity . 2 003;  25(7): 48 7-4 9 0 .   [6]   WANG  Yaw e n ,, W A NG Xili CAO Han. Sh ortest route-p l ann i ng al gorith m  w i t h in d y n a m ic  restricted   search-i ng ar e a Applic atio n Rese arch of C o mputer.  20 07;  24(7): 89-9 1   [7]    Hossei n  Miar  Naimi, Nim a T aher ine j a d . Ne w   r obust a nd  efficient a n t co lon y  a l g o rithm s : Using n e w   interpr e tatio n  o f  local up dati n g  process . Expe rt Systems w i th Applic ations . 2 009; 36( 1): 481 -487.   [8]    BAI Chen.T he Selectio n of  t he Ro uteW  eight for Optim u m Path  Alg o r ithmin the T r ansp o rtatio n   Net w ork.  Ch in a Mana ge ment  Informati oni z a tion.  200 9; 12( 15): 54-5 6 [9]    W A NG Ying. Ant Algorithm  and Its Applic ation  R e searc h  on W i rel e ss  Sensor Net w ork. Compute r   Simulati on. 20 11; 28(6): 1 21- 124.     Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.