MASTER THESIS. Ontology-Based Route Queries with Time Windows. Tobias Faaß. 17. Juni 2015

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1 MASTER THESIS Ontology-Based Route Queries with Time Windows 17. Juni 2015 Tobias Faaß Albert-Ludwigs-Universität Freiburg im Breisgau Technische Fakultät Institut für Informatik

2 GLIEDERUNG 1. Einführung 2. Routenplanung 3. Server und Client 4. Experimente 5. Ergebnisse 2

3 EINFÜHRUNG

4 PROBLEMDEFINITION Gegeben: Straßennetzwerk G ( V, E ) 4

5 PROBLEMDEFINITION Gegeben: Straßennetzwerk G ( V, E ) Points of Interest (POI) in V mit jeweiligem Typ und Öffnungszeit 27/7 Mo-Fr 8-20;... Mo-So 12-22;.. 5

6 PROBLEMDEFINITION Gegeben: Straßennetzwerk G ( V, E ) Points of Interest (POI) in V mit jeweiligem Typ und Öffnungszeit 27/7 Mo-Fr 8-20;... Mo-So 12-22;.. Ontologie, die POI anhand des Typs hierarchischen Gruppen zuordnet 6

7 PROBLEMDEFINITION Anfrage: Zuhause Kreissparkasse Metzger Blumenladen Geburtstagsfeier 7

8 PROBLEMDEFINITION Anfrage: Zuhause Kreissparkasse Metzger Blumenladen Geburtstagsfeier Startzeit: Aufenthaltsdauer: Aufenthaltsdauer: Aufenthaltsdauer: Minuten 5 Minuten 10 Minuten 16:00 Uhr 8

9 PROBLEMDEFINITION Ziel: den schnellsten Weg von Start zum Ziel zu finden, der einen POI aus jeder Gruppe in der ausgewählten Reihenfolge besucht, unter Berücksichtigung der Öffnungszeiten und Aufenthaltsdauer in/an den POI 9

10 PROBLEMDEFINITION Ziel: den schnellsten Weg von Start zum Ziel zu finden, der einen POI aus jeder Gruppe in der ausgewählten Reihenfolge besucht, unter Berücksichtigung der Öffnungszeiten und Aufenthaltsdauer in/an den POI 10

11 OPENSTREETMAP Open Source Projekt Hochladen von GPS-Tracks / Anpassen von Daten durch die Community 11

12 OPENSTREETMAP Knoten > einzelner georeferenzierter Punkt mit Längen- und Breitengrad 12

13 OPENSTREETMAP Knoten > einzelner georeferenzierter Punkt mit Längen- und Breitengrad Linie / Fläche > Straßen, Flüsse, Gebäude, Wälder,... 13

14 OPENSTREETMAP Knoten > einzelner georeferenzierter Punkt mit Längen- und Breitengrad Linie / Fläche > Straßen, Flüsse, Gebäude, Wälder,... Relation > Busrouten, Wanderwege, Abbiegebeschränkungen,... 14

15 OPENSTREETMAP Attribute / Tags : Key : amenity cuisine tourism... Value : restaurant italian viewpoint... 15

16 OPENSTREETMAP - GRÖßENORDNUNG Knoten Wege Relationen Extrahierte POI Deutschland Baden Württemberg

17 ONTOLOGY hierarchische Struktur von Gruppen in XML-Form gespeichert parsen der OSM-POI anhand der Value-Key-Tags und Zuordnung zu Gruppen 17

18 ONTOLOGY - BEISPIELAUFBAU Einkaufen 18

19 ONTOLOGY - BEISPIELAUFBAU Einkaufen Metzger Bäcker Blumenladen Supermarkt Kleider usw. Elektro Fachmarkt 19

20 ONTOLOGY - BEISPIELAUFBAU Einkaufen Metzger Bäcker Blumenladen Supermarkt Kleider usw. Elektro Fachmarkt Discounter Bio Markt REWE, EDEKA,... Drogerie 20

21 ONTOLOGY - BEISPIELAUFBAU Einkaufen Metzger Bäcker Blumenladen Supermarkt Kleider usw. Elektro Fachmarkt Discounter Bio Markt REWE, EDEKA,... Drogerie PENNY Treff 3000 ALDI LIDL NORMA NETTO 21

22 ÖFFNUNGSZEITEN Trinken 13,6% Einkaufen 17,82% Essen 14,32% Bank 8,65% Unterhaltung 1,74% Gesundheit 13,55% Hotels usw. 2,6% 22

23 ÖFFNUNGSZEITEN Trinken 13,6% Einkaufen 17,82% Essen 14,32% Bank 8,65% Unterhaltung 1,74% Gesundheit 13,55% Hotels usw. 2,6% Problem: geringe Anzahl an Öffnungszeiten vorhanden Lösung: Kernzeiten berechnen oder zuweisen 22

24 Gliederung Einführung Routenplanung Server und Client Experimente Ergebnisse OSM-SEARCH 23

25 ROUTENPLANUNG

26 ROUTENPLANUNG basiert auf Dijkstra 2 angewandte Methoden: Bounding Box Iterative Doubling 25

27 SEQUENZIERTE ROUTENPLANUNG Start Bäcker Metzger Ziel 26

28 SEQUENZIERTE ROUTENPLANUNG 1:m Start Bäcker Metzger Ziel 27

29 SEQUENZIERTE ROUTENPLANUNG 1:m m:n Start Bäcker Metzger Ziel 28

30 SEQUENZIERTE ROUTENPLANUNG 1:m m:n n:1 Ziellayer Start Bäcker Metzger Ziel 29

31 SEQUENZIERTE ROUTENPLANUNG - DISTANZ 1:m m:n n:1 Ziellayer 4 min. Start Bäcker Metzger Ziel 30

32 SEQUENZIERTE ROUTENPLANUNG - DISTANZ 1:m m:n n:1 Ziellayer 4 min. (5 min.) Start Bäcker Metzger Ziel 31

33 SEQUENZIERTE ROUTENPLANUNG - DISTANZ 1:m m:n n:1 Ziellayer 12 min. 4 min. (5 min.) Start Bäcker Metzger Ziel 32

34 SEQUENZIERTE ROUTENPLANUNG - DISTANZ 1:m m:n n:1 (5 min.) Ziellayer 12 min. 4 min. (5 min.) Start Bäcker Metzger Ziel 33

35 SEQUENZIERTE ROUTENPLANUNG - DISTANZ 1:m m:n n:1 (5 min.) Ziellayer 12 min. 8 min. (5 min.) 4 min. Start Bäcker Metzger Ziel 34

36 BOUNDING BOX Ziel Start 35

37 BOUNDING BOX - BOX ERSTELLEN Bounding Box Ziel Start 36

38 BOUNDING BOX - POI AUS QUADTREE EXTRAHIEREN Bounding Box Ziel Extrahierter POI Start 37

39 BOUNDING BOX - WEGE BERECHNEN Bounding Box Ziel Extrahierter POI Start 38

40 ÄNDERUNGEN AM GRAPH Liste der POI... Kante Knoten 39

41 ÄNDERUNGEN AM GRAPH Liste der POI... NodeLinks: ID ID ID Kante Knoten 40

42 ÄNDERUNGEN AM GRAPH Liste der POI... NodeLinks: ID ID ID Kante Knoten Group ID POI-ID 41

43 ITERATIVE DOUBLING Feststellungen: sequenzierte Routenanfragen sind lokal Berechnungen von POI sind in weiter Entfernung ineffizient Lösungsansatz: Suche durch Radius begrenzen und bei Misserfolg verdoppeln 42

44 ITERATIVE DOUBLING Start Bäcker Metzger Ziel 43

45 ITERATIVE DOUBLING Start Bäcker Metzger Ziel 44

46 ITERATIVE DOUBLING Start Bäcker Metzger Ziel 45

47 ITERATIVE DOUBLING Start Bäcker Metzger Ziel 46

48 NÄCHSTES GRUPPENMITGLIED Feststellung: spärlich repräsentierte Ontologiegruppen rufen mehrmalige Neuberechnungen hervor Lösungsansatz: Startsuchradius dynamisch anpassen 47

49 NÄCHSTES GRUPPENMITGLIED Nächster Bäcker ID:... Distanz:... Nächster Metzger ID:... Distanz:... 48

50 SERVER UND CLIENT

51 AUFBAU Server: Java WebClient: Bootstrap, OpenLayers und jquery 50

52 AUFBAU Server PBF XML TXT imported File JSON Cities OSM - File OSM - Parser JSON Simple Ontology Ontology HTTP Server Anfragen bearbeiten OSM - Search Ontology Route Planer Graph Basic Route Planer generated File created File HTTP-Anfragen und Antworten Web Interface Webclient 51

53 Gliederung Einführung Routenplanung Server und Client Experimente Ergebnisse OBERFLÄCHE 52

54 OBERFLÄCHE 53

55 OBERFLÄCHE 54

56 EXPERIMENTE

57 TESTS Durchführung: verwendete Testgebiete: Stuttgart (Umkreis 25km) Baden Württemberg 6-8 verschiedene Testanfragen 56

58 TESTERGEBNISSE - STG Name Stopovers BoundingBox Iterative Doubling Bäckerei am Sonntagmorgen * ms 113 ms Tankstelle nach der Arbeit ms 180 ms Florist und Frisör ms 217 ms Bäcker und Metzger ms 256 ms Bank, Kleidung und Discounter ms 279 ms ALDI, LIDL und Burger ms 266 ms Großeinkauf ms 473 ms Großeinkauf * ms 482 ms * Start = Ziel 57

59 TESTERGEBNISSE - BW Name Stopovers BoundingBox Iterative Doubling Tankstelle nach der Arbeit 1 2 s 631 ms 1 s 633 ms Florist und Frisör 2 3 s 615 ms 1 s 462 ms Bäcker und Metzger 2 4 s 64 ms 1 s 441 ms Bank, Kleidung und Discounter 3 4 s 126 ms 1 s 685 ms ALDI, LIDL und Burger 3 4 s 71 ms 1 s 606 ms Großeinkauf 4 4 s 848 ms 2 s 959 ms 58

60 ABHÄNGIGKEIT DER STARTZEIT Laufzeitveränderungen während des runtime Tages in ms Florist and Frisör Laufzeit in ms Uhrzeit in h 59

61 ERGEBNISSE

62 ERGEBNISSE Laufzeiten von lokalen Suchanfragen unter einer halben Sekunde (Naive Implementierung > 20 Sekunden) 61

63 ERGEBNISSE Laufzeiten von lokalen Suchanfragen unter einer halben Sekunde (Naive Implementierung > 20 Sekunden) ''Iterative Doubling'' garantiert optimale Lösung 62

64 ERGEBNISSE Laufzeiten von lokalen Suchanfragen unter einer halben Sekunde (Naive Implementierung > 20 Sekunden) ''Iterative Doubling'' garantiert optimale Lösung Startzeit der Route hat Einfluss auf die Laufzeit 63

65 ZUKUNFT ''Contraction Hierarchies'' -> Faktor 15 [EF12] 64

66 ZUKUNFT ''Contraction Hierarchies'' -> Faktor 15 [EF12] Implementierung von öffentlichem Nah- und Fernverkehr 65

67 ZUKUNFT ''Contraction Hierarchies'' -> Faktor 15 [EF12] Implementierung von öffentlichem Nah- und Fernverkehr Parkhäuser als POI-Cluster verwenden -> Route via Parkplätze/-häuser 66

68 ENDE Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! 67

69 QUELLEN ICON Maps Icons Collection: EF12 Eisner, Jochen ; Funke, Stefan: Sequenced route queries: getting things done on the way back home. In: SIGSPATIAL 2012 International Conference on Advances in Geographic Information Systems (formerly known as GIS), SIGSPATIAL 12, Redondo Beach, CA, USA, November7-9, 2012, 2012, S OSM OpenStreetMap Wiki: 68