TELKOM NIKA Indonesia n  Journal of  Electrical En gineering   Vol. 12, No. 9, September  2014, pp. 66 9 9  ~ 671 0   DOI: 10.115 9 1 /telkomni ka. v 12i9.603 6          6699     Re cei v ed Ma rch 3 0 , 2014;  Re vised June  25, 2014; Accepte d  Jul y  2 0 , 2014   Bee Inspired Zonal Vehicle Routing Algorithm in Urban  Traffic      Lei Wu* 1 , Licai Yang 1 , Haiqing Liu 1 , Ya o Zhang 1,2   1 School of Co n t rol Scienc e an d Engi ne erin g,  Shan do ng Un i v ersit y , Jin an 2 500 61, Ch ina.   2 School of Mec han ial, Electric al & Informatio n  Engi ne erin g, W e ihai  264 20 9 ,  China   *Corres p o ndi n g  author, e-ma i l w u lei- 17 @16 3 .com       A b st r a ct   Dyna mic  Rout e Guid ance Sy stem, w h ich ca n provi de  th e d r ivers w i th the opti m a l  routes,  is one  o f   the  most effici ent sol u tio n s t o  the  traffic  ja m. T h is  pa per  prese n ts a  b ee i n sp ired   z o nal v e h i cle  rou t in g   alg o rith m to  pr ovid e a r eas on abl e a nd  effective o p ti mal  rou t e for the Dy n a mic R oute G u id ance  Syste m .   F i rstly, the pr o pose d   alg o rith divi de d th w hole traffic  n e tw ork into  diff erent traffic  gu i danc z o ne  b a s ed  o n  Sh ap l e y valu e   g a m e . Th en , re al  tim e  traffi c d a t a  wa s co l l e cte d   i n  e a c h  tra ffi c gu id a n ce   z one b y   i n te r- vehicl e a nd v e hicle-t o -infrastr u cture co mmu nicati ons.  Ulti m ate l y, the  pro posa l   si mu late d the  bee f o ra gin g   phenom e non in the  biologic a l system  to synchronous ly c o m p ute the  optim al routes   in each traffic guidanc z o n e . T h e si mu lati on r e sul t s show  that  the a l gor it h m  has hig her  c o mp utatio effi ciency un der th e   preco nditi on of  provid ing th e glo bal o p ti ma l route.      Ke y w ords : be e insp ired, traffic gui danc z o ne, opti m a l  rou t e, dyna mic ro ute gui da nce s ystem   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  In recent years, the co nsta nt ly accel e rating of urb ani zation and m o torization p r og ress of   mode rn  city lead s to veh i cula r num be r increa sin g   year by yea r . The u r ba n  traffic faces  unprecede nte d  p r e s sure,   and th e traffic ja m o c curs  more  and   more  often,  whi c h i n curs the   traffic accide nt, energy waste, and en vironme n ta l pollution that  has be com e  the most so cial  focu s. Intellig ent Tran spo r tation Syste m  (ITS) i s  a n  effective a ppro a ch to  solve urban t r affic   con g e s tion,  ensure  traffi safety, an d imp r ov e t r an spo r tation  efficien cy.  Dynami c   Ro ute  Guida n ce System (DRGS ) , as an im portant pa rt  in ITS, can provide  re liable guid a n c e   informatio n, p l an o p timal travel path,  avoid  con g e s tio n  re gion,  and  bala n ce n e twork t r affic l o ad  by real time t r affic d a ta a c quisitio n  an dynam ic traffic info rmation  pro c e s sing.  The  DRGS can  utilize the  n e twork  ca pa city adeq uat ely to real i z e the o p timization  of urb an road  net work  manag eme n t and control.   In the traditi onal  static route g u ida n ce sy stem th e ind e x of  route  choi ce   model  is  gene rally di stance, th at i s   cal c ulatin g  the  sh o r te st path. T he  most  com m o n ly method s are  Dijkstra, A*,  Floyd, and  so on. Th ese  algo ri thms  have adva n tage s an d di sadvantag es.  The  Dijkstra  algo rithm can  cal c ulate the opti m al sol u tion  of the sho r te st path, ho wever its e r go dic   node n u mbe r  is exce ssive  so as to re d u ce its effici e n cy. It is suitable for small  network, but  its   efficien cy  dro p s whe n   the netwo rk be co mes l a rg e. T he Floyd  alg o rithm e n cod e simply, an d it  can  cal c ul ate  the sho r test  path b e twe e n  any two n ode s. Its efficien cy is hig her th an  Dijkstra   algorith m  in  den se dia g ra m, but the same a s  Di j k stra al go rith m, it is not suitabl e for l a rge  netwo rk a nd  huge d a ta co mputation be ca u s e of its hi gh time com p lexity.  Since the  ro ad network b e com e s m o re and mo re  compl e x, and  the traffic co nge stion   become s  mo re a nd mo re  comm on, the  real time  va riation  of co n gestio n  info rmation i s  hig h ly  nonlin ear a n d  mutability. The Tra d itional stat i c  route guid a n c e system h a s  not bee n full con s id ere d  th e interfe r en ce of traffic j a m to the g u id ance sy stem,  and th e gui d ance efficie n c y   decrea s e s  a s  the nonlin ea r and m u tabl e con g e s ti on  informatio n can be  reflect ed in the mo del.  Hen c e, th e d y namic  ro ute  guida nce  syst em with  t he i ndex  su ch  as time, cost, fu el con s umpti on,  become s  mai n stre am. The  route ch oice  model gene rally calcul ate s  the sho r te st path with th e   time index i n  DRGS.  Well-kno w n m e thod s a r D*, tabu  se arch al gorith m , ant colo ny  optimizatio n, and  sim u lat ed a nneali n g  algo rith m,  etc. Fo r the  enla r gem en t of urb an  road  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 9, September 20 14:  66 99 – 671 0   6700 netwo rk a nd  the increa se  of node num ber, the se arch re gion a n d  the calcula t ion quantity o f   these  alg o rit h ms in cre a se, re sultin g i n  the  large  computation  ti me a nd l o efficien cy, which  can not meet the real time  requi reme nt in  DRGS. Rese arche r s p r esented m a ny algorithm s to   improve   the optimal route   se ar chin p e rform a n c e  in complex  road  network with  de crea sing   sea r ching  scales, su ch a s  re stri cted search  area a l gorithm [1], and hie r archi c al se arch a r ea  algorith m  [2], etc. These algorit h m can improve the v ehicl e routing efficie n cy to a ce rtain   extent, but they are  ea sily leadin g  to a l o cal  opt imal  route du e to the limitation  of sea r ch a r e a Even the hierarchi c al  sea r ch a r e a  alg o rithm o ften lead s the vehicle into the backb one lay e r,   whi c h n o t o n ly misses the glo bal o p t imal rout e,  but also re sults in  con g estion, a nd  even   con g e s tion transfe r or  cau s ing n e con gestio n For this  purp o se, this  pap er presents  a  zonal  ve hicl e routin g alg o rithm to de crea se the  spa c com p l e xity of route cal c ul ating.  Mean while,  this alg o rith m employ s the be e in spi r ed  strategy to im prove the efficien cy  of rout e finding. Simulation in a n  actual net work i s  given, and  the re sults  show th at on t he ba si s of e n su ring  th e g l obal o p timal  route, the p r opo sal p e rfo r ms   better efficien cy in route  co mputation.       2. Bee Natur e  and Be e Colon y  Optimizatio n   Social in se cts su ch a s  an ts and be es  have a  kin d  of instinct cal l ed gro up int e lligen ce,  whi c h ca n make the g r oup highly coordi nated,  and complet e  compli cate d and intelli gent  behavio r. Th e wo rke r  be es b r ing the  necta ba ck to their nets and ex cha nge the ne ct ar  informatio with their  co m panio n  throu gh  spe c ific d ance  called  “8 Dan c e” in  orde r to  attra c other b e e s  fol l ow them to  realize the opt imizat ion  of g r oup fo ra ging  behavio r. Th e dan ce fo rm  is   clo s ely rel e va nt to the harv e st, su ch a s   duratio n, angl e, rhythm, wh ich  can exp r e ss th e yield o n   the visited flo w ers. Th e yie l d ca n be  re g a rde d  a s   the function with the  inde pen d ent  varia b le of  honey q uality, quantity, and dista n ce. T he othe r b e e s  ob se rved th e “8  Da nce”  and follo we with  a certain probability, that i s , to forage t o  the  position that the dance indi cated. The foll owi n g   probability is positive correlation  to the intensity of the dance,  consequently to  the previous  foragin g  yield  of the da ncer. The be e swarm  can  fo rm  the optimi z at ion of extra c ti on of the  hon ey  sou r ce thro ug h this self -org anization mo de.  This process  can be introd uce d  to solve  t he optimization pro b lem, whi c h is calle d bee  colo ny algorit hm [3]. The bee col ony is  a bioni c algo rithm based o n  the self-org anization mo del  and  swarm in telligen ce  of  bee  swarm in  the n a ture.  A bee  po pula t ion con s ist s   of thre kind s of  bee s: the em ployed be e, the onl oo kers,  and the  scou ts. At the very beginnin g , half of the col ony  is the  emplo y ed bee,  an d the oth e r i s  the  onlo o ker. The  swa r m intelligen ce of fora ging  is  achi eved by  the comm uni cation  a nd co operation am ong different  kind s of  be es.  The so urce  is  introdu ce d in  the model to rep r e s ent all possibl solutio n s. Th e prog re ss of foraging is  the  pro c e ss  of searchin g for  the optimal  solutio n The  basi c  b eha vior of bee i s  to search,  to  evaluate, a n d  to ab and on t he  sou r ce. T he valu e of  th e source  is in dicate d by th e yield fu ncti on.  The yield fun c tion i s  a jud g ment, whi c h  determi ne s the optimi z ati on directio n. The p r o c e ss  of   solving the o p timal solutio n  is the proce ss of se a r chi ng high yield  sou r ce. The r efore, the ov erall  goal i s  to solv e the optimal  solutio n  of the yield functio n . The em plo y ed bee s corresp ond to the i sea r ching  so urce, in  other wo rd th e so urce i s  the ta rget of th e e m ployed  bee s. The  onl oo kers  obtain the  yield info rmati on fro m  the  employed   be es i n  the  da nce  re gion.  The p r o babili ty of  sou r ce sele ction is p r op ort i onal to the  honey  qu anti t y, namely the yield of so urce. Wh en t h e   yield of source is relatively  low, it will be aban don ed . Meanwhil e , the co rre sp o nding em ploy ed   bee to thi s  source  will be come  sco ut. The sco u ts  rand omly sea r ch  the ne sou r ce ne ar t h e   old so urce so  as to jump o u t of local opt imal boun dary.  Karab oga  su ccessfully ap plied the a r tificial  be e colony (ABC)  al gorithm to n u meri cal   optimizatio n i n  200 5 [4], and propo se a syste m atic  ABC algo rith m, whi c h i s  si mple an d rob u st  with the sup e rio r ity in numeri c al optim izati on of un restrai n t probl em. In 2006, Karabog a a nd  Basturk utili zed the ABC t o  solve  re strained  nume r i c al o p timizati on [5], and o b tained  a go od  effec t.  In combinatorial optimi z ation, Chi n  et  al.  ut ilized bee  colony al gorit hm to  solve workshop  scheduling problem [6], and they  solved the travellin g salesm an  probl em by  using bee  colony  optimizatio n i n  200 8 [7].  Alok et  al. succe ssf ully f ound th e mi nimum  spa n n ing tree  with leaf  con s trai nt in a certai n undi recte d  wei ght ed gra ph by usin g ABC algorithm [8]. Kou et al. applied   the ABC  alg o rithm to  sol v e the TSP  probl em [9],  and  put forward th e im provements of  the   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Bee Inspi r ed  Zonal Vehi cle  Routing Algo rithm  in Urba n Traffic (Lei  Wu 6701 para m eters,  whi c perfo rmed g ood  eff e ct. Hu et  al . reali z ed   the a pplication of ABC  alg o rith in   the path plan ning problem  in weldi ng en ginee ring [10]     3. Traffic G u idance Zo ne  Partition   3.1. Definitio n  of Traffic  Guidanc e  Zo ne   A com p lete  road n e two r con s i s ts of va st ro ad  se ctio ns  and i n tersection s. Th obje c t of  traffic  c o ntrol  z o ne is  intersec tion.  However t he traffic guidan ce  zo ne prefers ro ad sectio n, with   the pa ram e te rs such a s  t r affic flow,  o c cup a n c y, and  satu ratio n  et c. Th e u r ba n  ro ad  network i s   abstracte d a s  a con n e c ted  dire cted g r a ph, whe r e th e node s in dicate the intersection s, and t he  edge s indi cat e  the ro ad  se ction s . The at tachme nts  fo rm a network topolo g y stru cture, whi c can  be expre s sed  as follows:     } , { A R S                                                                                                              (1)    Whe r e  R ={ r 1 r 2 , …,  r n } i n d i cate s the   set  of road   secti ons,  and   n   is  the numb e r of  ro ad  se ct ion s ;   A ={ a 1 a 2 , …,  a n }  indicates  the set  of attribut of  R , that is  a i ={ a i1 a i2 , …,  a ip } represe n ts   the set of all attributes of  road sectio n  r i , s u ch as traffic  flow, tr avel time, averag e sp e ed,  saturation, an d occup a n c y, and  is the  numbe r of attribute s . Beca use the di me nsio ns of all t he  attributes a r different, normalizatio n m u st be do ne b e fore data p r oce s sing.   Traffic gui da nce  zon e  is defined a s  a  large net wo rk, whi c h div i des the enti r e ro ad  netwo rk i n to  different re gion s a c cord ing to the traffic ch ara c t e risti cs li ke t r affic flow, fl ow  dire ction, saturation, a nd  occup a n c y etc. Wh en  the  traffic flow  guida nce an d vehicl e ro u t ing   occur,  optima l  path  se arch  is  parallelly i m pleme n ted i n  ea ch  traffic guid a n c zo ne  sep a rately These rel a tively indepe nd ent zon e s a r e   the traffic gui dan ce zone s,  noted as  u ( o ik G i ), which a r the non-null subsets of  enti r e ro ad net wo rk  S ={ R A }.     3.2. Optimization Goal  Analy s is   Traffic  zo ne i s  a  set  of adj ace n t ro ad  se ction  se rie s , i n  whi c h  the  n ode s have  hi gh traffic  simila rity to each  othe r. Mean while, the  roa d  se ctio n  quantitie s of  different  traffic zone s a r as  balan ce d as  possibl e, and  each  roa d  section o n ly  b e long s to on e traffic zone . Therefo r e, the   optimizatio n goal of traffic guid a n c e zone pa rt ition  and its con s traint s can  be expresse d as  follows   12 12 12 1 (, , , ) (, , , ) (, ) m a x ( ( , ) , ( , ) , ,( , ) , , ( , ) ) () , ,1 i t ii i i N ik i i k i k ik i i k t i s im i num t ij k j GG G G Go o o uo G u o G uo G uo G u o G Sim G N oG x                                                                   (2)    Whe r G  in di cate s the  set of zone an t  re present s the  zone  n u mbe r o i1 o i2 ,…,  o iN t   are the road  se ction s  of Zone  i , and  N i  is the road  se ction num b e r in Zon e   i u ( o ik G i ) is t h correl ation b e twee o ik  a nd Z one   i wh ic h is de te rmin e d  b y  bo th  th e d i s t a n ce - p os itio n facto r s   and the traffic simil a rity.  sim  is the mini mum simil a rit y  thresh old,  and  nu m  is the minimum  road   se ction n u mb er threshold.  x kj  is th e attri bution of  roa d  se ction   j  to  Zone  k , that  is, when  roa d   se ction j belo ngs to Zo ne  k x kj  is equal to 1, otherwi se is 0.    3.3. Model Establishment  Define th e ga me  G  a s  the  pro c e ss  of ro ad sectio n pa rt ition acco rdi ng to the traff i c zone   core. The three eleme n ts  of the game p r ocess a r e:   (1) The  ga m e  pa rticip ant  set:  i N , wh ere  N ={1,  2, …,  n }  is  the r o ad   s e c t io ns  in th e   netwo rk;   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 9, September 20 14:  66 99 – 671 0   6702 (2) Strate gy  for ea ch pa rticipa n t:  i ={ i1 i2 ,…,   it } , is the finite mixed strat egy.   is   the spa c of  all pa rticip ant s’ mixed  st rat egie s ij =(1, 2,…, t ) is the  probability  of road  section  i  to   join  t  traffic  zone s. The  va lue of  ij  i s   re lated to th e d i stan ce  between th road   se ction  and  the  gravity cente r  of the traffic zon e , wh i c h can be expressed in Equ a tion (3 ):    1 1 1 ,1 1 t ij ij ij t j j ij d d                                                                           (3)     Whe r d ij  is the Eu clide a n  distan ce  bet wee n  road  section  i  an the gravity center  of  traffic  z o ne  j The bi gge r th e di stan ce  be tween  the  roa d  sectio n a n d  the traffic zo ne i s , the  sm aller th prob ability of the road se ction join s the traffic  zone  core. The road se ction j o ins the ne arest   traffic zo ne core to form th e traffic zo ne  with the maximum pro babil i ty.  (3) The expe cted  p r ofit  of partici pant se t:  u ij ={ u i1 u i2 u it } is  com p o s ed by the p r o f it when  the pa rticip a n ts ta ke  strat egie s  from  the st ra tegy  space. Each road  se ction t a ke s the  traf fic   cha r a c teri stic simila rity wit h  t he traffic zone  whi c h it  might join i n   as the  gam e  profit, such  as  Equation (4)  sho w s:    1 1 [( , ) ] [m a x ( , )] [m a x ( , ) ] ij i j ij ij i j r i j ik ij jk jt k us i m o c di f d if o c dif o c p p                                                     (4)     Whe r jk p  indicates the average attribute  value of  each  road se ction  in the traffic zone   cor e   j   3.4. Game Partition  Algorithm Realization  In a ro und  o f  the game,  each gam partici pant  (p layer, he re  refers to ro ad  se ction )   pursuits its  o w n m a ximum  profit  releva n t  to divi ded  zone s a c cordi ng to th kno w led ge  relate d to  all the zone s,  namely the traffic simila rit y  and  proba b l y joined zon e  strategy co mbination. T h e   strategi es of  all partici pant s co nsi s t of a strategy  co mbination. T he Na sh eq u ilibrium of tra f fi c   z o ne partition refers  to suc h  a s t rategy c o mbin ation: After iterations, any p l ayer obtain s  the   maximum profit under the  existing strategy, that  is, the player e a rns mo re in th e cu rre nt zon e   than  oth e r zo nes, and   the profit  of   the   whole netwo rk won’t red u ce becau se of  pl ayer’s  see k in for the maxim u m profit.   Shapley valu e is a mathe m atical meth od to so lve the probl em of prof it distrib u t i on of n - player with  coo perativ e strategy [11]. When  n  in dividual s are  engage d in an activity  with  eco nomi c  p r ofit, each  in dividual  can   obtain  ce rtai n profit. But whe n  n  indiv i dual s con s titute   allian c e, the  alliance gro ss p r ofit is  bigge r than  the sum of  the indep end ent profits of   n   individual s. Each coop e r ative form  with diffe rent combi n a t ions of se veral individ uals  corre s p ond s to a ce rtain p r ofit. When th e activity  with econ omi c  profit is  non-co nfrontation a l, the  increa se of player num b e r in  the co operation ca nnot cau s e t he profit red u ction. So, the   coo peration  of all the  n   individual s brings the ma ximum  profit. The bigge st advantage  of  Shapley valu e is that its principl e and re sults a r e fair  and ea sily acce ssi ble by e a ch pl ayer. T h e   Shapley valu e method i s   a schem e of  the maximu m profit dist ribution, whi c h is defin ed  as   follows  [12]:  Set  I ={1,2,…, n }, and if any sub s et of  I whi c h re pre s ents any co m b ination of  n  players,  corre s p ond s to a real value d  function  v ( s ),  sat i sf ie s:           0 v                                                                                                   (5)      2 1 2 1 2 1 , s s s v s v s s v                                                           (6)  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Bee Inspi r ed  Zonal Vehi cle  Routing Algo rithm  in Urba n Traffic (Lei  Wu 6703 [ I v ] rep r e s e n ts the  n-pla y er coop erati on  strategy,  and  v  indicates  the  c h arac teris t ic  function of th e cou n term ea sure, whe r v ( s ) is the p r ofi t  of subset  S x i  re presents  the prof it that  player  i  obtains  from  v ( I ). In  coo peratio I , the c o operative   strategy  di stribution i s   re pre s ente d  b y   x =( x 1 x 2 ,… , x n ).  T he coo peration must sati sfy  the   conditions as  follows:     n i i v x n i i , , 2 , 1 , 1                                                                                 (7)       n i i v x i , , 2 , 1 ,                                                                                  (8)    i ( v ) represen ts the profit  distributio n of p l ayer  i  in coo perative g a m e  [ I v ]. The Shapley  value of the profit distrib u tion  of each pl ayer in co ope ration [ I v ] ca n be de scribe d as follo ws:        v v v v n , , , 2 1                                                            (9)        n i i s v s v s w v i S s i , , 2 , 1 , \                                          (10)     ! ! 1 ! n s s n s w                                                                                 (11)    Whe r e  s i   indi cate s all  the   sub s et whi c h contain s   pl ayer  i  in  set  I ,  and  | s | rep r e s ent the  factor numb e r   in sub s et  s w (| s |) is the  weig hted fa ctor, while  v ( s is the p r ofit of  sub s et  s . [ v ( s )- v ( s \ i )]  rep r e s ents th e in crement al  profit after pl aye r   i  joi n s the  su bset  s n ! indicates the  combi nation   of all sub s et s. The  Shapl ey val ue d o e not de al  with all th ese combin atio ns,  however it  o n ly deal wit h  all th e pl ayers when  pla y er  i   do es n t jo in  s u bs e t   S  and  have  joi ned  sub s et   S , namely the ( s -1) ! *( n - s )!  int e r e st ing  seq u e n ce s.  The  ab ove two expression s com b ine  the weighte d  factor [( s -1) ! *( n - s )!]/ n !, which di strib u tes a fair m a rgin al co ntri bution to ea ch  intere sting al liance. Cal c u l ate the accumulative su m of sub s et   S  where p l ayer  i  exist s   repe atedly. The final re sul t  represe n ts  a ll possibl e a lliance assig ned value  of play  i  which is  equal to the e x pected ma rg inal co ntributi on or in creme n tal value.  The Shapl ey value method  pays more a ttention  to the efficien cy of road sectio n profit  and the p r ofit of road  se ction pa rtit ion, rather tha n  on ly the dist ribu tion prin ciple  of road  se ctio occup a n c y in traffic zo ne s. The algo rith m not onl y a v oids the  situ ation that roa d  se ction  size   deci d e s  the  zon e  regio n and  also  p r o m pts the  inte rnal  relatio n   so  as to imp r ove thei r in n e resou r ce utilization  ratio  and the e n tire net work  reso urce  utili zation ratio by  see k ing  f o coo peration  with adj acent  zon e activel y . Thes adv antage s fully  embody the  fair, bala n ce,  and   global o p tima l characte ri stic of Shapley  value,  which  is good fo r the implem en tation of zon a route gui dan ce system.   The Sh apley  value-b a sed t r affic g u ida n ce  zone pa rtition  alg o rithm  can   be de scri bed  a s   follows Step 1 : Set the directio of traffic flow based on th e origi nal  S  o f  guidan ce  ro ute, and  cho o se the ro ad se ction att r ibute s  wh ere   S  is the cent er of the diffraction to com pute the gam e;  Step 2 : A c co rding  to the  simila rity thre shol d an d no de nu mbe r  thre shol d, ch o o se th traffic  z o ne core;   Step 3 : Acco rding to the  maximum ex pecte d prof it  prin ciple, ma ke the road  se ction s   join the  corre s po ndin g  traff i zon e   core  to form t r affic zo ne s. Let t he  zon e   cont enting  S  be  the  Zone  k , a nd the adja c e n t zone be Zo ne  k +1, and so o n Step 4 : In the first rou nd  of game, accordin g to the  average  attribute value a nd the  distan ce to th e gravity coo r dinate of ea ch traffi c guid a n ce  zon e , cal c ulate the ex pecte d profit o f   each node to  every traffic guidan ce zo ne  u ij , and le t  u ma x =max { u ij }. The comp utation data of  Zone  k  i s  the  real time data ,  while the da ta of Zone  k +1 is the pre d i c ted data at the mome nt  k +1,  and so on.   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 9, September 20 14:  66 99 – 671 0   6704 Step 5 Whe n  the expe ct ed profit of  the nod e to the  locate d zone   u 0 < u ma x , choose th e   maximum ex pecte d profit zon e  to join  in, and  re-calcul a te the  averag e attri bute value  a nd  gravity coo r di nates of the n e w traffic g u idan ce zone a nd the Shapl ey value of each n ode.   Step 6 : Ent e r the n e xt roun d of ga me, and re-clu ster the  n ode a c cordin g to the   expecte d pro f it of each node.  When  the Shaple y  value is maximum, n a mely the g a me  equilib rium, the traffic guid ance zo ne s a r e divided;   Step 7 Whe n  the n e xt pe riod  of re al time data  acq u iring  come s, if  S  is still in  Zone  k repe at step 4  to step 6, otherwi se  rep eat  step 2 to ste p  6.      4. Route Ch oice Model   4.1. Optimization Index  Analy s is   Dynami c   Rou t e Guid an ce  System realizes th e vehi cl e ro uting  by u s ing  rolli ng  cy cle  way   [13]. The ma thematical  m odel of the  shorte st path  probl em u s u a lly  adopt s the graph th e o ry  kno w le dge to  de scribe  urb an traffic ro ad  network top o l ogy. The  sp e c ific m odel  ca n be  de scrib e d   as  follows :       E S i E j i S j j i k j i I Z , , min                                                                                     ( 1 2 )   s .t.    . , , , 1 , , , , 0 , E S R j i E S R j i I j i                                                                      (13)    Whe r i  and   j  indicate th e vertex of the di recte d   grap h, nam el y the interse c tion s of  urba n road n e twork, an d ( i j ) indicate the ed ge of th e dire ct ed  graph, that is, t he ro ad  se ction   betwe en inte rse c tion  i  an d intersectio n   j  in the real road network.  Z i , j ( k ) rep r ese n ts the road   resi st an ce  at  mome nt   k whi c h i s   sum  of the t r avel  time in  ro ad  se ction  ( i j ) and  interse c tion  delay (the  av erag e vehi cle  delay in t he  adja c ent e n trance lan e of interse c tion  i  and inte rse c tion  j ) at moment  k S  and  E  indicate th e origin al an d destinatio n  resp ectively , and  R ( S E rep r e s ent s the acycli c path  set from  S  to  E The optim al route from  S  to  E  is t h e  solut i o n  whi c sat i sf ie s t he E q . ( 1 2 ) a nd it con s trai nts E quation (13 )   4.2. Model Establishment  The  whole  ne twork i s  divid ed into diffe re nt tr affic zone s, and  every t r affic  zon e  co ntains  two ki nd s of  node s: inn e node s a nd b o rde r  n ode s.  The  inn e r no des maintain the  optimal route  table to th e o t her n ode s i n  the  same  zo ne, while th e  borde r n ode s mai n tain th e optimal  rou t e   table to the other bo rd er no des in a d ja ce nt zone s.   In se ction  1,  bee s a r disti ngui she d  into  thre e  ki nd s: the em ployed   bee s, the o n l ookers,  and the scou ts. The empl oyed bee s collect the info rmatio n, wh ile the onloo kers wait in the  beehive to  o b se rve the fe llow’ s da nce, and th e sc o u ts  sea r ch fo r food  so urce  ran domly. T h e   numbe of th e em ployed  b ees is eq ual  t o  that of  the  onloo ke rs,  no ted a s   BN , a nd the  same   as  that of the fo od  sou r ce  ( SN ). T h e r efore ,  the solution  set  co mpo s e s   SN  D-di me nsio nal  ve cto r s,   and the ist solution ca n b e  expre s sed  as  x i =( x i1 x i2 , …,  x iD ), whe r i =1, 2, …,  SN . The pollen   quantity of food so urce correspon ds to the quality  of the sol u tion, n a mely the fitness value.   Initially, generate the initi a l solutio n  set  P  ( G =0 ) randomly, an d ev aluate its fitness  value. After the initializatio n, the emplo y ed bee s, the onloo ke rs, and the  scou ts are  circul a r ly  sea r ching fo r the optimal solutio n , here standi ng for the optim al route. The  employed b e e s   amend  the p o sition  relyin g  on the  lo cal i n formatio in  their me mory,  and te st the  fitness value  of  new po sition.  If the fitness value is high er t han the previous on e, the  employe d  bee s reme m ber  the new solut i on instea d of the old one, otherwise  still  hold the old one. After a round of se arch   pro c e ss,  bee s sha r e the fi tness value  a nd po siti on i n formation  wit h  the o n loo k ers in the  da nce  regio n . The o n loo k ers eval uate all the fitness  value i n formatio n from the empl oyed bee s, a n d   select the food source  according to the  probability of  the fit ness value. Like t he employed  bees,  the onl oo ke rs also  amen d t he p o sitio n   re lying on   the  l o cal  info rmati on in  thei r m e mory, a nd  test  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Bee Inspi r ed  Zonal Vehi cle  Routing Algo rithm  in Urba n Traffic (Lei  Wu 6705 the fitness va lue of  ne w p o s ition. If the fi tness  valu e i s  hi ghe r tha n  the p r eviou s  one, th ey drop  the old  one.  An artificial  o n loo k er select the  food  so urce a c cordi ng to the  pro bability of fo od   source qualit y as follows:    SN n n i i fit fit p 1                                                                                                (14)    Whe r e,  fit i  indicate s the fitness val ue of food source p o sition.   The alg o rith m use s  the f o llowin g  expression  to  cre a te a com pet ition positio of an old  positio n.    kj ij ij ij x x rand x v ) 1 , 1 (                                                                      (15)    Whe r e the in dex  k  is ran d o mly sele cte d , and  k {1, 2,  …,  BN },  j {1, 2, …,  D }. Although  k  is ra ndo mly decid ed, it must be differe nt to  i . rand(-1,1) is the ran dom num ber i n  the regio n  [-1,  1], which d e c ide s  the ad jace nt food sou r ce creati on of  x i . Thi s  co rrectio n   rep r e s ent s the  comp ari s o n  o f  adjace n t food sou r ce in b ee visual, na mely the neig hborhoo d se a r ch p r o c e s s.  The food sou r ce s ab and o ned by the b ees a r e repla c ed by ne w food source  which the  scouts find. I f  a position  can not be a m ende d by  a pre s et cy cl e numb e ca lled “limit”, the  aban done d food so urce  will be repl aced by the new  food so urce found by the sco uts with  the   assumptio n  t hat this foo d  sou r ce i s  a band oned.  T he op eratio n  is reali z ed  by the following  equatio n:     j j j j rand x min max 1 , 0 min                                                             (16)    This up date  equatio n rep r ese n ts the gl obal se arch  strategy. The  maintenan ce of th e   scouts ma ke s the algo rith m a better global se arch   ability so as to avoid the bee swarm falling   into local mini ma.  After the establishment of   every comp etitor’s po siti on  v i , evaluat e them and comp are   them with  x i . If the new food so urce is  better, aban d on t he old, otherwise ke ep  the old, that  is,  sele ct the foo d  sou r ce bet wee n  the old  and the curre n t in greedy selectio n mechani sm.    4.3. Zonal Guidance Pro cedure   Whe n  travele r s h a ve a ro ute guida nce  dem and,  ch oose the ori g inal and d e st ination,  divide the tra ffic guida nce  zon e  ba se on Shapl ey  value, an d se arch the o p timal ro ute in  each   traffic zone  b y  using  bee i n spi r ed  algo ri thm. The rout e guid a n c e o r iginal l o cate d Zon e   k  ado pts  the real-tim e  data at the moment  k  to cal c ulate the optimal route in the zon e . Define  the   adja c ent zo n e  of  S  located Zone  k  a s  Zone  k +1, an d cal c ulate th e optimal rout e in Zone  k +1 by   usin g predi cted data at th e mome nt  k +1, and so on . All the marginal road  se ction s  of traffic  zon e s compo s e th e inte rval net work to  provid e the   con n e c tion  of se gmente d   optimal  route  in   traffic zo ne s. The implem e n tation of the algorith m  is a s  follows:   Step 1 : Set the traffic di re ction b a sed o n  route  guid a n ce  origi nal  S  as be nchm ark, a nd  sele ct the traf fic attribute of  diffraction di re ction of the  origin al to co mpute the ga me;  Step 2 : Adop t Shapley value-b a sed ga me theory to divide the traffic zon e Step 3 : Calculate the  opti m al route i n   each tr affic  zone  by u s ing  pa rallel  co m puting.  Here only ca lculate the  S  located Z o n e   i  and the  adja c ent Zo n e   k +1, Zone  k +2, until the  E   locate d Zone  k + i Step 4 Cal c ulate the  opti m al route of t he inte rv al ne twork to  co nn ect the  optim al ro ute  in each traffic zone  so a s  to form the op timal route fro m   S  to  E Step 5 : If  S  enters  a Zo ne  k +1, rep eat S t ep 2 to Step  4 to re -divide  the traffic zo ne an d   update the o p t imal route.       5. Simulation and Analy s is  Take  part of  an urb an ro ad network a s  an exam pl e, which cov e rs  abo ut 15  squa re  kilomete rs, a nd  contain s   184  roa d  sections, in cludi ng 10  on e-way se ction s   and 1 55 t w o-way   Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 9, September 20 14:  66 99 – 671 0   6706 se ction s . Tre a t the road  section s  a s  n ode s, so  that  the actual  road  net wo rk  and the a b stract  road  net work are  sho w n i n  Figu re  1 a nd Fig u re  2  respe c tively. Establish the  roa d  n e two r topology in   VISSIM, and acquire the  traffic p a ra meters of al l the road  section s  th rou g h   simulatio n . T he real -time d a ta is colle cte d  ever 5min utes, a nd th predi cted  dat a is obtai ned   by  usin g RBF ne ural net wo rk [ 14].             Figure 1. Actual Ro ad Network an d its Topolo g y Architecture       Divide the wh ole netwo rk into traffic zon e s by usin g Shapley value - based gam e theory.  After limited i t eration s , the  game  gets  converg e n c and e quilib riu m , thus the  traffic  zon e are   determi ned a s  sh own in Figure 3.         Figure 2. Abstraction of  Ro ad Section s  o f   Actual Ro ad  Network      Figure 3. Traf fic Zone Pa rtition Based o n  the  Shapley Valu     Cho o se p a rt  re sult s of  zonal  and  no n-zonal  opti m al route s  from a  ma ss  of optimal   route s  se arch   re sult a s  sh own   in Tabl e 1,  one   of  whi c h f r om  ori g i nal 1 392  to d e stinatio n 1 2 25  is sh own in Figure 4  (in bol d).   Figure 4 sh o w s that the zonal  optimal  route an d no n-zonal o p timal route fro m  Node   1392 to  Nod e .  Table 1 li sts that the zo na l optimal  ro utes a r con s i s tent with the  non-zo nal o n e s.  Therefore, th e algo rithm  can p r ovide  gl obal o p ti mal  route  after p a rtition of the  whol e net wo rk  into different traffic zon e s,  and cannot  make the  o p timal route  se arch into loca l optimum du e to   decentrali ze t he ro ute  sea r ch  regio n  into  each tra ffic  zone. On th basi s  of gl ob al optimal  rou t e   guarantee, th e optimal rou t e sea r ch pro c e ss  afte r zo ne pa rtition a dopts  parallel  comp uting f o r   optimal route  cal c ulatio n i n  ea ch traffic  zon e  sy n c h r o nou sly. Furth e rmo r e, the  a l gorithm  doe sn’t  Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
TELKOM NIKA   ISSN:  2302-4 046     Bee Inspi r ed  Zonal Vehi cle  Routing Algo rithm  in Urba n Traffic (Lei  Wu 6707 sea r ch  relati vely far  zon e s f r om th e  zo ne s that  origin al a nd  destin a tion l o cate so  a s  to   decrea s th e ergo dic nod e quantity  and redu ce  the co mputing  com p lexity. Table 1 lists that th cal c ulatio n time of zon a l vehicl e routin g  algorithm  i s  l e ss than 1  se con d , whi c h i s  five time less  than the  non -zon al alg o rith m. Con s e que ntly, the  zon a l vehicl e rou t ing algo rithm  increa se s th routing effici e n cy, and short ens the calculation time.          Figure 4. The  Optimal Rout e of Zonal Ve hicle  Routin g Algorithm      Figure 5. The  Optimal Rout e of Hiera r chi c al  Algorithm       Dividing the  entire n e two r k into differe nt traffic zon e can  not o n ly redu ce th e erg odi node  qua ntity, comp uting  complexity, and cal c ul ation  time so  as i n cre a se the  search  efficien cy  and  real -time  perfo rma n ce , but it al so  can  prov ide  a glo bal o p timal route.  Consequ ently, the  traffic  zon e   partition  can  en su re th e  premise  of  accuracy  an d imp r ove  th e efficie n cy   and   perfo rman ce  of DRGS.  Furthe rmo r e,  the traffi c zone pa rtition  can al so  o p timize the  data  colle ction an d pro c e ssi ng  in vehicle-i n frastructu re  coope rative re al-time a c qui sition so as  to   provide  conv enient an d effective data fo r the DRGS to enha nce its performan ce     Table 1. Re sults of Optim a l Route s  Co mpared with  Non - zonal Al gorithm   Original Destination  Zonal  vehicle  routing  Non-zonal vehicle routing   Node No.   Cal. time  Node No.   Cal. time  1392  1225   73  832ms  202  4827ms  Route  1392 136 1 13 59 1360 1355 1354 1 318 1258 123 2 12 25  1420   1212   104 916ms 238  5383ms  Route  1420 141 5 13 60 1355 1354 1318 1 258 1232 122 5 12 12  1093   1353   115 985ms 259  5195ms  Route   1093 109 7 11 42 1140 1156 1155 1 182 1181 120 1 12 17 1223 1233 1234 1 240 1258 1232 1 253 1289 131 6 13 22 1356 1350 1353   1105   1314   101 875ms 239  4967ms  Route  1105 111 4 11 69 1212 1225 1232 1 258 1276 131 5 13 14  1304  1387   26  812ms  136  4662ms  Route  1304 134 6 13 59 1360 1355 1354 1 398 1397 136 9 13 56 1350 1367 1386 1 387   989 1407   43  907ms  236  5217ms  Route   989 1017 102 6 1041 1075 1108 1 127 1131 114 8 11 68 1213 1232 1253 1 289 1316 1322 1 356 1369 139 7 14 07      To co mpa r with hie r archi c al vehi cle  ro uting  algo rith m, the urba netwo rk i s  div i ded into  two laye rs. T he trun road com p o s e th e ba ckbo ne l a yer  as sho w n in  Figu re  1  (bold  line s ), a n d   the  other ro a d s surro und e d   the  trun k ro ads co nstitu t e  the bran ch  layers. In hi erarchical vehi cle   routing  algo rit h m, se arch th e optimal  rout e from  the  ori g inal a nd the  destin a tion to  the ba ckbon layer respe c tively, and the optimal  ro ute on the  b a ckbo ne to  con n e c t the  origin al an the   destin a tion to  gene rate th e  optimal  rout e from  orig i n al to de stinati on. The  opti m al ro ute results   of the hierarchical an d zo n a l vehicle rou t ing al gorithm s are  sho w in Table 2, a nd the optim al  route fro m  13 92 to 1225 of  hiera r chi c al a l gorithm i s  sh own in Fig u re  5 (in bold ) Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.
                               ISSN: 23 02-4 046                     TELKOM NI KA  Vol. 12, No. 9, September 20 14:  66 99 – 671 0   6708 Table 2. Re sults of Optim a l Route s   Co mpared  with Hierarchi c al Algorithm   O r iginal  Desti natio Zonal vehicle routing  Hier archical vehicle routing  S E  Node  No.  Cal. time  Trav .   Node No.   Cal. time  Trav .   1392  1225   73  832ms  18.2min  56  437ms  25.7min  RouteZ  1392 136 1 13 59 1360 1355 1354 1 318 1258 123 2 12 25  RouteH   1392 136 1 14 18 1419 1388 1345 1 319 1311 130 4 13 02 1299 1276 1258 1 232 1225(differ ent fro m  RouteZ )   1420   1 2 1 104 916ms  19.4min  73 519ms  32.2min  RouteZ  1420 141 5 13 60 1355 1354 1318 1 258 1232 122 5 12 12  RouteH   1420 141 5 14 10 1411 1398 1354 1 318 1258 123 2 12 25 1212 differ ent from  RouteZ   1105   1 3 1 101 875ms  13.7min  85 492ms  13.7min  RouteZ  1105 111 4 11 69 1212 1225 1232 1 258 1276 131 5 13 14  RouteH    The same  w i th  RouteZ   1304   1 3 8 26 812ms  22.5min  62 467ms  40.8min  RouteZ  1304 134 6 13 59 1360 1355 1354 1 398 1397 136 9 13 56 1350 1367 1386 1 387   RouteH   1304 130 2 12 99 1276 1258 1232 1 225 1212 128 6 13 08 1324 1334 1353 1 370 1387 (differ ent fr om RouteZ )   1407   9 8 43 907ms  14.6min  76 485ms  35.9min  RouteZ   1407 139 7 13 69 1356 1322 1316 1 289 1253 123 2 12 13 1168 1148 1131 1 127 1108 107 5 10 41 1026 1017 989   RouteH   1407 140 9 14 11 1398 1354 1318 1 258 1240 123 4 12 19 1215 1188 1178 1 173 1151 113 6 11 16 1095 1089 1072 1 063 1048 103 1 10 17 989( differen t  from Rout eZ)       Due to the ch ara c teri stic of  hierarchi c al  v ehicle routin g algorithm, it provide s  an optimal  route  with le ss  erg odi c n ode qu antity and  sho r ter  cal c ulatio n time than  zon a l vehicle  ro uting  algorith m . Ho wever, m o st  optimal route s  of hi era r chi c al al go rithm  have lon ger travel time th an   that of the  zonal al go rith m. The  rea s on is that th e aim  of hie r archical  sea r ch i s  to  sh rin k  the   sea r ch  regi o n  into  the t r u n k l a yer so  as to  o p timize the  calcula t ion time. Alt houg h the  traffic   cap a city of b a ckbo ne laye r is hig her th a n  that of  the bran ch laye r, the travel time, occupa ncy ,  or   saturation  of backb one l a yer i s  bette r th an that of  the  bra n ch layer.  Therefore, the optimal  rout e   of hierarchi c al alg o rithm   is e a sy to  lo st in  l o cal o p timum. On   the othe r h a nd, du e to t h e   backb one l a yer o n ly co nsi s ts  of the tru n roa d s,  if t here  are ple n ty of routing  deman ds at the   same  time, t he b a ckb one  layer will  be come   con gested, whi c h  ca nnot  solve th e traffic jam,  but   bring  furthe new conge sti on in  co ntra ry. Therefo r e,  com p a r ed  with hierarchi c al algo rithm,  the   zon a l algo rith m can p r ovid e a global o p timal rout with approp riate  calculation ti me sa crifi c e.   Select cou p l e s of  ori g inal a nd de stin ations and  verify the  sea r ch  efficie n cy  of be inspi r ed  algo rithm comp ared with  ant  colo ny al go rithm an d D*   algorith m . Th e optimal  ro ute  results given  by the above algorith m s a r e sho w n in T able 3 an d Ta ble 4.       Table 3. Re sults of Optim a l Route s  Co mpared with  Ant Colony & D* Algorith m   Org.   Dest.  Zonal vehicle routing  Ant colo n y  vehicle routing   D* vehicle routing  S E  Node  No.  Cal.  time  Trav .   Node  No.  Cal.  time  Trav .   Node  No.  Cal.  time  Trav .   1392  1225   73  832ms  18.2min  85  1263ms  18.2min  137  3792ms  18.2min  1420   1212   104  916ms  19.4min  127 1419ms  27.1min  196 3942ms  19.4min  1105   1314   101  875ms  13.7min  132 1463ms  13.7min  217 4049ms  13.7min  1304   1387   26  812ms  22.5min  44 1184ms  32.5min  82 3563ms  22.5min  1407  989  43  907ms  14.6min  69  1231ms  14.6min  115  3631ms  14.6min    Evaluation Warning : The document was created with Spire.PDF for Python.