Estimation of the transport demand for real-time aplications
Authors:   , Casas Vilaró Jordi 
Published: September 2023

La implementació dels sistemes de transport intel·ligent (ITS) ha possibilitat disposar de gran quantitat de dades de trànsit en temps real, utilitzant les actuals infrastructures en la xarxa viària que ens permeten recollir informació on-line. Mesures de flux de trànsit, velocitats o ocupació proporcionats pels detectors son un exemple. Com utilitzar les dades de trànsit en temps real, així com les dades històriques, per realitzar una predicció a curt termini és encara un problema obert als investigadors. El problema de la predicció del trànsit a curt termini és determinar l'evolució del flux del trànsit o, de forma equivalent, l'estat de la xarxa. La possibilitat de realitzar una predicció dinàmica de l'estat de la xarxa és essencial per la gestió del trànsit i centres d'informació de trànsit, permetent l'aplicació de polítiques de control o gestió per prevenir les congestions, i evitar el problemes que es deriven quan aquesta congestió ja és present.<br/>Els sistemes avançats de gestió de trànsit (ATMS) i sistemes avançats d'informació de trànsit (ATIS) han de considerar en temps real períodes de temps on ni la demanda ni el flux de trànsit son constants ni homogenis. La demanda i el flux tenen un comportament dinàmic, és a dir, son dependents del temps. El concepte de gestió de trànsit, com es defineix en Barceló (1991), té un sentit més ampli que el clàssic concepte de control de trànsit, ja que realitza accions sobre el temps, incloent el control sobre l'espai, com per exemple la redistribució dels fluxos amb accions de "rerouting" proposant rutes alternatives. Com a conseqüència la gestió de trànsit requereix una modelització dinàmica que representi la variació del flux a través del temps. <br/>Totes les propostes de sistemes avançats de trànsit i sistemes de control basats en les tecnologies telemàtiques estan d'acord amb la importància de la predicció a curt termini de l'evolució del flux de trànsit, que és equivalent a tenir una predicció a curt termini de l'estat de la xarxa viària per gestionar correctament el trànsit, disseminació de la informació als usuaris, etc. Algunes arquitectures de sistemes han estat proposades i avaluades en projectes Europeus en els darrers anys. Malauradament els resultats obtinguts en aquests projectes no es poden extrapolar o aplicar a estructures urbanes complexes. Altres propostes més adequades a estructures més complexes han estat desenvolupades, com per exemple les referenciades en Cascetta (1993) i Barceló (1997), però aquests models no son massa apropiats en aplicacions totalment dinàmiques i això ens ha portat a explorar altres direccions per cercar un model de predicció adequat. Davant les prometedores capacitats de les xarxes neuronals com a eines útils en la predicció, (Baldi i Hornik, 1995), vàrem decidir explorar aquesta alternativa. Aquest plantejament, basat en l'obtenció de dades de detecció reals combinat amb les matrius OD històriques, determina la predicció a curt termini de la matriu OD, definida per períodes. Aquesta matriu obtinguda com a resultat, pot ser utilitzada com a dada d'entrada en el simulador microscòpic de trànsit i obtenir l'evolució dels fluxos de trànsit, i com a conseqüència, la predicció de l'estat de la xarxa.<br/>Considerant aquesta visió dinàmica de la demanda, podem considerar cada element de la matriu O/D com una sèrie temporal, i per tant la predicció d'una matriu OD consisteix en realitzar la predicció de cada component de la matriu, és a dir, la predicció simultània de diverses sèries temporals multivariants. Solucions a aquest problema basades en mètodes de predicció clàssics, com per exemple Box-Jenkins o filtres de Kalman, han estat proposat per diversos autors (Davis, 1993; Davis et al., 1994; Van der Ziipp i Hamerslag, 1996), i aquestes propostes donen bons resultats en infrastructures lineals, com podria ser el cas d'autopistes, però en el cas de xarxes amb una estructura més complexa, com podria ser un xarxa urbana, no està clar si proporcionen resultats acceptables, encara que en alguns del més prometedors casos, (Davis,1994), la càrrega computacional necessària posa en dubte el seu ús en aplicacions en temps real de xarxes d'una mida considerable, fent necessari la cerca d'altres mètodes.<br/>Les xarxes neuronals apareixen com a candidates naturals per un model de predicció, amb el valor afegit de la seva estructura fàcilment paral·lelitzable que en el cas d'un sistema en temps real és una característica a tenir en compte. Una altra raó per pensar en la utilització de les xarxes neuronals son els resultats reportats per en Chakraborty (1992) en l'anàlisi de sèries temporals multivariant utilitzant xarxes neuronals, o d'en Weigend (1992) en l'avaluació de les capacitats predictives comparades amb altres models clàssics.<br/>La predicció dinàmica de l'estat de la xarxa en termes de predicció de la matriu OD utilitzant Xarxes Neuronals té un inconvenient: la quantitat de dades necessàries per un correcte aprenentatge. El treball de recerca realitzat en aquesta tesis proposa solventar aquest desavantatge particionant la xarxa neuronal amb grups de parells OD "independents" segons la identificació de camins més utilitzats.<br/>La predicció a curt termini desemboca d'aquesta forma cap al crític problema de l'Assignació Dinàmica de Trànsit (DTA), que en aquesta tesis és resolta amb una heurística basada en la microsimulació. El treball de recerca planteja un dels aspectes més crítics de la simulació dinàmica de xarxes viàries, anomenat heurística d'assignació dinàmica, amb la consideració dels models de selecció de rutes, i la metodologia de la validació, un aspecte important per determinar el grau de validació i significació dels resultats de simulació. Aquest treball està estructurat en dues parts, la primera ens dóna una visió global de com les principals funcionalitats han estat implementades en el simulador microscòpic AIMSUN, (AIMSUN 2002), i una segona part dedicada a parlar en detall de la heurística dissenyada i determinar una guia en la calibració/validació dels seus paràmetres. Un cop el model de simulació està validat i calibrat, llavors és utilitzat per realitzar el DTA on els seus resultats ens permeten identificar els camins més utilitzats per llavors determinar la partició dels parells OD i així la definició de les xarxes neuronals per la realitzar la predicció.

The implementation of Intelligent Transport Systems (ITS) has made vast quantities of real-time traffic data available, by making use of current road network infrastructure that enables information to be gathered on-line. Detectors that measure traffic flow, speed and occupancy are an example. How to use real-time traffic data, as well as historical data, to provide short-term traffic prediction, remains an open problem for researchers. The problem of short-term traffic prediction involves determining the evolution of traffic flows or, equivalently, of the network state. The ability to predict the network state dynamically is essential in traffic management and for traffic information centres particularly, since it enables them to apply traffic control and traffic management policies to prevent traffic congestion rather than dealing with traffic problems after congestion has already occurred. <br/>Advanced traffic management systems (ATMS) and advanced traffic information systems (ATIS) must consider, in real time, short time intervals in which neither demand nor flows are constant and homogenous. Demand and flow behave dynamically, that is, they are both time-dependent. The concept of traffic management, as defined by Barceló (1991), is broader than the classic concept of traffic control, because it takes action over time, including control over space, such as, for instance, redistributing flows by rerouting, that is, by proposing alternatives routes. Therefore, traffic management applications require dynamic modelling that shows flow variation over time.<br/>All proposals for advanced traffic management and control systems that are based on telematic technologies agree on the importance of short-term prediction of traffic flow evolution, which is equivalent to the short-term prediction of the network state, for correct decision-making in traffic management, information dissemination to users, etc. Several system architectures have been proposed and evaluated in European projects in recent years. Although the achievements of these projects cannot be applied or extrapolated to complex urban structures, other models that are more suited to complex networks have been developed, by Cascetta (1993) and Barceló (1997), for example. Unfortunately, these models do not appear to be appropriate for full dynamic applications, and so we had to look elsewhere in our search for a suitable prediction model. The promising features of neural networks, which make them suitable for use as predictive tools (Baldi and Hornik, 1995), encouraged us to explore this approach. The approach, which is based on real-time detector measurements combined with historical OD matrices, involves determining a short-term forecast of a sliced OD matrix. The forecast OD matrix could be used as input for a microscopic traffic simulator such as AIMSUN; thus the evolution of traffic flows and, as a consequence, the forecast network state could be obtained.<br/>According to this dynamic vision of demand, we can consider each of the OD matrix's components as a time series. Therefore, forecasting an OD matrix consists in performing the forecast for each component in the matrix, that is, in simultaneously forecasting many multivariate time series. Solutions to this problem that are based on classic forecasting methods, such as Box-Jenkins or Kalman filtering, have been proposed by several authors (Davis, 1993; Davis et al., 1994; Van der Ziipp and Hamerslag, 1996). The approaches proposed provide relatively good results for linear infrastructures, such as motorways, although it remains unclear whether they would provide reliable results in the case of more complex networks, such as urban networks. In some of the most promising cases (Davis, 1994), however, the computational task required practically invalidates their use in real-time applications in large-scale networks and makes it advisable to look for other methods. <br/>Neural networks appear to be natural candidates for forecasting models, particularly if their easily parallelisable structure is taken into account, and high computational speed is required to achieve a system's objectives. Further reasons to consider a neural network approach are the results reported by Chakraborty (1992) for multivariate time series analysis using neural networks and by Weigend (1992) in his evaluation of their predictive capabilities compared to other classic models.<br/>The dynamic prediction of the network state in terms of the OD matrix by means of neural networks has one main drawback: the amount of data required for the proper training of the neural network. This thesis proposes solving this handicap by partitioning the neural network in terms of clusters of independent or almost independent OD pairs. This technique allows an original neural network of a large size to be split into a set of smaller neural networks that are easier to train. Before the clustering problem can be solved, however, the paths that are most likely to be used between each OD pair must be identified.<br/>Short-term forecasting leads, in this way, to the critical problem of dynamic traffic assignment, which is solved in this thesis by a microsimulation-based heuristic. In the thesis, some of the most critical aspects of the dynamic simulation of road networks are discussed, namely heuristic dynamic assignment, implied route choice models and the validation methodology, a key issue in determining the degree of validity and significance of the simulation results. The work is divided into two parts: the first provides an overview of how the main features of microscopic simulation were implemented in the microscopic simulator AIMSUN (AIMSUN 2002) and the second is a detailed discussion of heuristic dynamic assignment and sets guidelines for calibrating and validating dynamic traffic assignment parameters. The calibrated and validated simulation model is then used to conduct a dynamic traffic assignment, whose output identifies the paths that are most likely to be used, which will be clustered in subsets that connect the OD pairs and will define the neural networks for the forecast.