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1. Kurzbeschreibung der Erfindung
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Für performantes Routing ist es erforderlich, gleichzeitig vom Start zum Ziel, wie auch vom Ziel zum Start zu rechnen. Die Berechnung wird abgebrochen, wenn sich die beiden Lösungsbäume ausreichend überlappen.
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Bei einem Straßennetzwerk mit FIFO-Eigenschaft, Optimierung nach der Reisezeit und einer festen Startzeit, ist es möglich im Vorwärtsbaum für jedes Kartenelementeinen Ankunftszeitpunkt zu erhalten und ihn somit entsprechend der Zeitrestriktionen auf diesem Kartenelement zu erlauben oder zu verbieten.
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Für den Rückwärtsbaum ist dies jedoch nicht möglich, da er vom Ziel aus rechnet und das System ja noch nicht weiß, wann man dort ankommen wird.
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Diese Erfindung beschreibt, wie man zunächst zu einer Näherungslösung für die Ankunftszeit gelangen kann, die Routenberechnung anhand dieser vornimmt, die Genauigkeit der Näherungslösung überprüft und ggf. verfeinern kann.
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2. Stand der Technik
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2.1 Verwandte Methoden, Produkte und Themen
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2.1.1 Verwandte Ansätze
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Der klassische Ansatz zur Lösung des Problems ist folgender: Im Rückwärtsbaum des Routing-Algorithmus wird jede zeitlich beschränkte Straße zunächst als erlaubt eingestuft. Wenn die Berechnung der beiden kürzeste-Wege-Bäume abgeschlossen ist (einen um den Startpunkt und einen um den Zielpunkt), kann die Route eingesammelt werden. Für jede Straße auf der Route kann eine Reisezeit ermittelt werden, somit steht dann ausgehend vom Start ein Durchfahrtszeitpunkt pro Straße zur Verfügung. Mit diesen Durchfahrtszeitpunkten wird geprüft, ob Zeitrestriktionen verletzt worden sind; wenn ja, dann werden diese in eine Liste eingetragen und eine zweite Routenberechnung wird gestartet unter Nicht-Benutzung derjenigen Straßen, die in der Liste stehen. Nun wird erneut geprüft, ob diesmal gegen andere Verbote verstoßen wurde und wenn das zutrifft, dann wird die Liste um diese Verbote erweitert und es wird eine weitere Berechnung angestoßen.
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Es wird solange die Liste ergänzt und es werden solange Neuberechnungen durchgeführt, bis eine legale Route vorliegt.
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2.1.2 Gegenstand der Verbesserung bzgl. verwandter Ansätze
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Die vorliegende Erfindung verringert signifikant die durchschnittliche Berechnungszeit für eine legale Route verglichen mit dem klassischen Ansatz aus 2.1.1. Diese Verringerung wird vor allen Dingen durch die folgenden drei Punkte erreicht:
Erstens wird die Wahrscheinlichkeit reduziert, dass überhaupt eine zweite oder eine weitere Berechnung nach der ersten durchgeführt werden muss.
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Zweitens muss keine Liste aller zu den vorherigen Zeiten auf den vorherigen Routen verbotenen Straßen erstellt werden.
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Drittens ist die Wahrscheinlichkeit der Notwendigkeit von erneuten Berechnungen nach der zweiten sehr gering, da eine sehr genaue Ankunftszeit bereits nach der ersten Berechnung vorliegt.
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2.1.3 Referenz zu verwandten Ansätzen
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Keine.
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2.2 Nachteile verwandter Ansätze
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Der zentrale Nachteile des in 2.1.1 gezeigten Verfahrens ist, dass mit großer Wahrscheinlich zwei oder mehr Routenberechnungen durchgeführt werden müssen.
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Des Weiteren ist die Speicherung einer Menge von zu der betreffenden Zeit gesperrten Straßen sowie das Auffinden einer Straße in dieser Menge sehr rechenintensiv.
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3. Die Erfindung
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3.1 Problem, welches durch die Erfindung gelöst werden soll
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Bei der Variation von Routing-Algorithmen ist oftmals vom Übergang von einer Straße zur nächsten nicht bekannt, zu welcher Zeit genau dieser Übergang stattfinden wird. Wenn Zeitrestriktionen für so einen Übergang vorliegen, dann kann auch nicht entschieden werden, ob so ein Übergang legal ist oder nicht.
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3.1.1 Theoretisch
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Gemein ist den Routing-Algorithmen, dass sie um eine Wurzel (Start- oder Zielpunkt) kürzeste-Wege-Bäume konstruieren.
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Im Speziellen sind folgende Variationen für die Problemstellung relevant:
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3.1.1.1 Vorwärts-Berechnung mit vorgegebener Ankunftszeit
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Angenommen bei der Routenplanung wird eine Ankunftszeit vorgegeben und der Algorithmus rechnet vom Startpunkt aus. Während der Berechnung kennt der Algorithmus nur die Kosten (oder die Zeit) vom Start zum gerade bearbeiteten Übergang. Diese Zeit ist unkorrelliert mit der Ankunftszeit. Somit kann nicht festgestellt werden, ob ein Manöver auf eine Straße, auf der beispielsweise ein Verbot ab 22 Uhr herrscht, legal ist oder nicht, denn es ist nicht bekannt, wie spät es sein wird, wenn das Fahrzeug dort ankommen wird.
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Dieses Problem wird mit vorliegender Erfindung gelöst.
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3.1.1.2 Rückwärts-Berechnung mit vorgegebener Startzeit
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Der umgekehrte Fall ist noch wichtiger: Viele Navigationssysteme rechnen vom Ziel aus rückwärts, weil dann eine erneute Berechnung schneller von statten geht, wenn der Fahrer falsch abgebogen sein sollte. Hier wurde die Startzeit vorgegeben, nämlich die, als die Navigation gestartet wurde. Jedoch kennt der Algorithmus nur die Kosten (oder die Zeit) vom Zielpunkt zum Übergang, und somit kann auch in diesem Fall nicht sicher vorhergesagt werden, wann das Fahrzeug an einem Übergang ankommen wird und ob das Manöver dann legal ist.
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Auch dieses Problem wird mit vorliegender Erfindung gelöst.
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3.1.1.3 Rückwärts- und Vorwärts-Berechnung mit vorgegebener Start- oder Ankunftszeit
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Einige Algorithmen arbeiten auch mit zwei kürzeste-Wege-Bäumen (so auch der unsrige), um eine kleinere und somit auch günstigere Fläche absuchen zu müssen. Dabei kann in der Routenplanung dann entweder Start- oder Ankunftszeit vorgegeben werden oder aber in der Navigation die Startzeit. Würden beide Zeitpunkte vorgegeben, dann wäre das Problem überdefiniert. Bei jeder Variante hat dann die Wurzel eines der beiden Bäume keine Zeit, womit für die Übergänge dieses Baumes dann nicht festgestellt werden kann, ob ein Manöver legal ist oder nicht.
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Dieses Problem war der Anlass für diese Erfindung und wird durch sie gelöst.
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3.1.2 Praktisch
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Es werden durch einen kürzeste-Wege-Algorithmus legale Routen generiert. Diese werden nicht durch gesperrte Straßen führen und keine verbotenen Abbiegemanöver durchführen.
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Dies dient unter anderem dazu, Strafzettel zu vermeiden, wenn beispielsweise Nachtfahrtsverbotszonen des Nachts umfahren werden müssen, wenn Nationalparks oder Passstraßen im Winter unpassierbar sein sollten und es dient dazu, Risiken zu vermeiden, wie falsch herum in eine Straße mit wechselnder Fahrtrichtung einzubiegen (Bsp. Sierichstraße in Hamburg, Messeschnellweg Hannover).
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Last but not least können Passe oder ganz allgemein verkehrstechnisch wichtige zeitabhängige Straßen zeitabhängig vermieden oder benutzt werden. Gerade bei Gebirgspässen muss der Fahrer manchmal mehrere hundert Kilometer, bevor er sie benutzen würde, entscheiden, ob er die Straße über den Pass wählen will oder nicht. Eine falsche Wahl hier kann ihn mehrere Stunden kosten. Durch das vorliegende Verfahren bekommt er jederzeit eine legale Route und eine sehr wahrscheinliche Ankunftszeit.
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3.2 Vorteile der Erfindung
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Neben der Vermeidung von Fehlern (s. o) kann die Erfindung auch genutzt werden, um gewisse Bevorzugungen zu erreichen.
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Straßen können zu bestimmten Zeiten bevorzugt werden. So können Fahrzeuge mit mehreren Insassen in den USA beispielsweise bevorzugt auf sogenannte HOV-Lanes (High-Occupancy-Vehicle-Lanes) geführt werden, wenn diese gerade aktiv sind (und solche Fahrzeuge ohne mehrere Insassen nicht auf solche Straßen gelotst werden).
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Des Weiteren könnten die Ab- und Ankunftszeiten von Fähren benutzt werden (sofern sie bekannt sind), um zu entscheiden, ob eine Route mit der Fähre (inklusive Wartezeit) besser ist, als die Fähre nicht zu benutzen (bei den großen Ostsee-Fähren beispielsweise).
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3.4 Detaillierte Beschreibung
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Vorgeschlagen wird ein Verfahren zur Berechnung von Routen, vorzugsweise in einem Navigationssystem, welches zumindest ausgestattet ist mit einer Kartendatenbank, einer Routenberechnungseinheit und einer Eingabeschnittstelle, über die die Routenberechnungseinheit insbesondere Zeitangaben erhalten kann.
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Das Verfahren ist dabei so ausgestaltet, dass in der Kartendatenbank vorhandene Zeitrestriktionen, die die Befahrbarkeit von Straßen und/oder Abbiegemanövern innerhalb bestimmter Zeiträume charakterisieren, bei der Routenberechnung berücksichtigt werden.
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Es gibt viele verschiedene Ursachen für Zeitrestriktionen; einige sind von der Tageszeit abhängig: Die Straßen von Nachtfahrverbotszonen sind alle des Nachts gesperrt, Abbiegemanöver können tagsüber (wenn viel Verkehr ist) gesperrt werden. Einige beziehen sich auf Wochentage, so kann z. B. eine Straße, auf der samstags Markt ist, nur für Samstage gesperrt sein.
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Des Weiteren gibt es saisonale Einflüsse: Gebirgspässe sind im Winter als unpassierbar markiert; der Autozug als Alternative zu diesen Gebirgspässen kommt im Sommer nicht zum Einsatz.
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Eine Kombination der Fälle ist auch möglich, z. B. wenn an jedem zweiten Sonntag nach Ostern tagsüber ein paar Straßenzüge wegen einer Zeremonie gesperrt werden.
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Darüber hinaus können sich die Verbote auch auf gewisse Eigenschaften des Fahrzeugs beziehen. Zu nennen wären hier z. B. Gefahrenguttransporte von LKWs oder Straßen für „High Occupancy Vehicles” (HOV) in den USA, die für alle Fahrzeuge, die eine Mindestanzahl an Passagieren nicht erreichen, gesperrt sind.
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3.4.1 Basisverfahren
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Das erfindungsgemäße Verfahren löst für die Varianten, bei denen die Zeit an der Wurzel des Routen-Baumes nicht bekannt ist, das zu lösende Problem. Der Verfahrensablauf ist grob folgender, wobei die einzelnen Verfahrensschritte im Anschluss erläutert werden:
Gegeben sind Start- und Zielort, es wird von einem Rückwärtsbaum ausgegangen
- 1. Vorgabe der Startzeit am Startort
- 2. Berechnung der Luftliniendistanz zwischen Start und Zielpunkt (andere Schätzmethoden können ebenfalls in Frage kommen)
- 3. Ermittlung der geschätzten Ankunftszeit am Zielort
- 4. Routenberechnung vom Zielort zum Startort, unter Berücksichtigung der Zeitrestriktionen, wobei die Durchfahrtszeit am Kartenelement in Abhängigkeit der geschätzten Ankunftszeit ermittelt wird
- 5. Traversieren der gefundenen Route und Prüfung auf Verstöße gegen Zeitrestriktionen
- 6. Wenn erforderlich erneute Routenberechnung mit korrigierter Ankunftszeit
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3.4.1.1 Eine Näherungsreisezeit berechnen
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Die Gesamtfahrzeit für eine Route hängt unter anderem von der Luftliniendistanz zwischen Start und Ziel ab. Es hat sich gezeigt, dass dieser Zusammenhang nicht linear ist, sondern eine logarithmische Kurve beschreibt.
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Das kann dadurch erklärt werden, dass bei längeren Distanzen ein Großteil der Route auf Schnellstraßen gefahren werden kann, bei kürzeren jedoch auch Nebenstraßen mit geringeren Durchschnittsgeschwindigkeiten benutzt werden müssen. Die Durchschnittsgeschwindigkeit auf der gesamten Route wird also desto höher sein, je länger die Route ist.
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Weitere Einflussfaktoren sind denkbar, z. B. die Unterscheidung zwischen städtischem und ländlichem Gebiet (um den Start- und um den Zielpunkt), die Dichte des Straßennetzwerks, die durchschnittliche Geschwindigkeit auf allen Straßenzügen oder auch die Information, ob auf der direkten Verbindung zwischen Start und Ziel überhaupt Straßen existieren, und wenn nicht, von einem See zwischen Start und Ziel auszugehen.
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Die folgende Analyse beschränkt sich jedoch ausschließlich auf die Luftliniendistanz.
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Die Daten für 1 entstammen einem City Center Test, bei dem Routen zwischen einer Auswahl von x Stadtzentren gerechnet und analysiert.
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Die durchgezogene Funktion ist eine Ausgleichsfunktion. Für vorliegende Analyse wird jedoch auf eine eigens konstruierte Funktion zurückgegriffen (hellgraue Quadrate); wenn man davon ausgeht, dass maximal 120 km/h und minimal 20 km/h auf den Straßen gefahren werden kann und dass sich die Funktion asymptotisch mit steigender Luftliniendistanz von unten den 120 km/h annähern muss, so ergibt sich folgende Funktion, die den quadratischen Fehler minimiert: v(s) = 120 – 100·exp(–0.000006·s).
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Wie 1 zeigt, könnten auch alternative Funktionen eine hinreichende Approximation darstellen, daher ist die vorliegende Erfindung nicht auf die Verwendung dieser Funktion bei der Schätzung der Ankunftszeit beschränkt.
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3.4.1.2 Näherungszielzeit berechnen
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Die Reisezeit ergibt sich aus t(s) = s/v(s).
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Bei gegebener Startzeit (siehe 3.1.1.2) tStart steht somit eine ungefähre Ankunftszeit zur Verfügung: tZiel(1) = tStart + t(s) = tStart + s/v(s)
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3.4.1.3 Routing unter Beachtung der Zeitrestriktionen
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Die folgende Beschreibung beschränkt sich auf den Fall, dass der Router seine Route anhand der Reisezeit (tt := Reisezeit) optimiert.
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Während des Routings ergibt sich für jedes Kartenelement i innerhalb des Vorwärtsbaums eine Ankunftszeit ti = ti-1 + tti mit t0 = tStart Für jedes Kartenelement i innerhalb des Rückwärtsbaums ergibt sich die Ankunftszeit ti = ti+1 – tti mit tn-1 = tZiel und n Routenelementen. Liegt auf einem Kartenelement die Zeit t, innerhalb des für dieses Kartenelement als gesperrt markierten Zeitintervalls, so kann dieses Kartenelement nicht benutzt werden und wird nicht Teil des Lösungsbaums.
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3.4.1.4 Überprüfung der Genauigkeit und Anpassung der Ankunftszeit
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3.4.1.4.1 Beobachtung geringer Reisezeitdifferenz
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Das nun Folgende basiert auf der Beobachtung, dass eine Route von A nach B unter Benutzung (d. h. Befahrung) von zeitlich gesperrten Straßen in etwa eine genau so lange Reisezeit aufweist, wie eine Route, die diese gesperrten Teilstücke nicht benutzt hat.
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3.4.1.4.2 Folgerung aus geringer Reisezeitdifferenz
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Je nachdem, welcher Routing-Algorithmus und welche Variante (siehe 3.1.1) verwendet wird, variiert die Abbruchbedingung. Wurde der Algorithmus erfolgreich terminiert, so ist es möglich die Route „einzusammeln”. Erst jetzt steht ein kompletter Pfad vom Start zum Ziel zur Verfügung. Dieser kann traversiert werden und die Fahrtzeit für jedes einzelne Kartenelement kann bestimmt werden, wodurch nun eine exakte Ankunftszeit für jedes Kartenelement zur Verfügung steht. Mit dieser Ankunftszeit kann nun auch exakt überprüft werden, ob wirklich bei keinem Kartenelement ein Verstoß gegen Zeitrestriktionen vorliegt.
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Liegt kein Verstoß vor, dann ist die eingesammelte Route legal und gültig.
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3.4.1.5 Erneutes Routing mit verbesserter Ankunftszeit
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Wurde dagegen ein Verstoß festgestellt, dann kann ein komplett neues Routing angestoßen werden, dieses Mal jedoch mit einem entscheidenden Vorteil: Wir kennen gemäß der Beobachtung unter 3.4.1.4.1 eine sehr genaue Ankunftszeit.
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3.4.2 Varianten und Verbesserungen
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3.4.2.1 Routenalgorithmus optimiert nicht nur nach der Zeit
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Problematisch ist noch die Speicherung der ti mit 0 <= i <= n – 1 bei n Routenelementen: An jedem Element des Routingalgorithmus (Knoten oder Kanten innerhalb des Graphen) muss der Durchfahrtszeitpunkt gespeichert werden und für jedes Folgeelement gemäß 3.4.1.3 ermittelt werden.
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Ein Routingalgorithmus muss ohnehin für jedes Element ein Gewicht speichern, welches die Kosten von der Wurzel des Baumes zu eben diesem Element repräsentiert. Ist das Optimierungsziel beispielsweise die Zeit, so werden diese Kosten einen linearen Zusammenhang mit der zeitlichen Distanz zur Wurzel des Baumes haben (Zehntel-Sekunden beispielsweise). Somit wäre dann auch der Durchfahrtszeitpunkt für jedes Element implizit bekannt.
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Das Optimierungsziel muss aber nicht zwangsläufig die Zeit sein, sondern kann auch beispielsweise die Fahrtstrecke sein, oder beispielsweise eine Kombination aus Strecke und Zeit. Der Durchfahrtszeitpunkt ist somit nicht mehr implizit an jedem Element gegeben.
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3.4.2.1.1 Explizite Speicherung des Durchfahrtszeitpunkts
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Eine Möglichkeit ist es, für jedes Element zwei Werte zu speichern, einerseits ganz allgemein die Kosten, nach denen weiterhin optimiert wird, und andererseits die Zeitpunkte, an denen die Elemente befahren werden. Diese Zeitpunkte werden sukzessive mit aktualisiert, sobald für ein Element ein besserer Vorgänger gefunden worden ist.
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Der Nachteil dieser Lösung ist allerdings, dass nicht einer, sondern zwei Werte gespeichert werden müssen und somit etwa doppelt so viel Speicherplatz für den gesamten Routingalgorithmus benötigt wird.
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3.4.2.1.2 Approximation des Durchfahrtszeitpunkts
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Eine andere Möglichkeit ist es, aus den Kosten bzgl. des Kostenmaß' von der Wurzel des Baumes bis zu dem aktuellen Element zumindest eine Näherung des Durchfahrtszeitpunkts zu erhalten. Diese Konstruktion dieser Näherungsfunktion hängt von dem speziell verwendeten Kostenmaß ab.
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Ein Beispiel: Seien die Kosten eine Linearkombination aus Strecke und Zeit, und sei die Gewichtung der Zeit sehr viel größer als die Gewichtung der Strecke, so könnte aus den bereits gespeicherten akkumulierten Kosten an dem jeweiligen Element ein Näherungsdurchfahrtszeitpunkt ermittelt werden, indem man die Kosten durch die Gewichtung teilt (und dann zu der vorgegebenen Startzeit addiert, bzws. von der vorgegebenen Ankunftszeit subtrahiert werden).
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3.4.2.2 Näherungsstartzeit berechnen
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Wie bereits in 3.1.1 beschrieben, kann diese Schätzungs-Methode auch für die anderen Variationen verwendet werden. So würde bei 3.1.1.1 anhand der vorgegeben Ankunftszeit und der ungefähren Reisezeit die Startzeit hergeleitet werden können.
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3.4.2.3 Erneutes Routing mit 2 Bäumen
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Wird wie in 3.1.1.3 beschrieben mit zwei Kürzeste-Wege-Bäumen gerechnet, so kann das neuerliche Routing optimiert werden. Je nachdem ob Start- oder Ankunftszeit vorgegeben waren, kann einer der beiden Bäume aufbewahrt und wiederverwendet werden, weil er ja weiterhin gültig und legal ist.
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Der bei der verwendeten Routing-Engine auftretende Fall ist, dass die Startzeit vorgegeben ist: Die verwendeten Routing-Engine rechnet nun also einen Kürzeste-Wege-Baum um den Startpunkt herum mit eben dieser Startzeit und einen Kürzeste-Wege-Baum um den Zielpunkt herum mit einer geschätzten Ankunftszeit.
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Da die Startzeit präzise ist, sind auch die Ankunftszeiten auf allen Kartenelementen des Vorwärtsbaums präzise und die Zeitrestriktionen können bereits bei der ersten Routenberechnung ausgewertet werden (siehe 3.4.1.3). Ein Verstoß gegen Zeitrestriktionen kann nach terminiertem Algorithmus also nur auf Kartenelementen des Rückwärtsbaums aufgetreten sein, denn nur diese hatten ungenaue Ankunftszeiten. Wird nun tatsächlich ein Verstoß gegen Zeitrestriktionen im Rückwärtsbaum festgestellt, muss mit genauerer Ankunftszeit am Zielpunkt eine erneute Berechnung stattfinden, allerdings nur für den Rückwärtsbaum um den Zielpunkt. Der Startbaum jedoch bleibt gültig und kann somit komplett wiederverwendet werden.
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Das Beispiel in 3.6 veranschaulicht diesen Fall.
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3.4.2.4 Wiederholte Adaption der Ankunftszeit
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Auch nach Adaption der Ankunfts- oder Startzeit und nach dem erneuten Routing können erneut Verletzungen von Zeitrestriktionen auftreten, da die neue Ankunftszeit ja auch nur eine Näherung darstellt. Es wäre möglich hier einen Regelkreis zu bauen, der solange adaptiert und neu routet, bis eine ganz sicher legale Route gefunden worden ist. Tests haben allerdings ergeben, dass die einmalige Überprüfung ausreicht, um eine Genauigkeit von wenigen Minuten zu gewährleisten und somit selten notwendig wäre.
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3.4.2.5 Sicherheitspuffer um die Zeitintervalle
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Um die Wahrscheinlichkeit einer Fehlentscheidung bei insbesondere der ersten Routenberechnung weiter zu minimieren, ist es denkbar, um die Zeitintervalle in denen ein Kartenelement verboten ist, einen Sicherheitspuffer von einigen Minuten zu legen. Sei beispielsweise eine Straße zwischen 17:00 und 18:00 nicht befahrbar, so würde sie so behandelt werden, als ob sie beispielsweise zwischen 16:55 und 18:05 nicht befahrbar wäre.
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3.4.2.6 Weicher Restriktions-Check
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Der Check, ob eine Zeit innerhalb des Intervalls einer Zeitrestriktion liegt, kann auch weich erfolgen, d. h. es wäre denkbar die Zeitspanne der Durchfahrtszeit auf einem Kartenelement bis zu dem Zeitpunkt, an dem das Zeitintervall der Restriktion beginnt bzw. die Zeitspanne von dem Zeitpunkt, an dem die Restriktion endet, bis zu dem Durchfahrtszeitpunkt, zu messen, und entsprechend der zeitlichen Nähe zu diesem das Kartenelement zu bestrafen, also desto stärker, je näher der Beginn rückt.
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Das Ziel dieser Maßnahme ist es, generell die zeitliche Nähe zu möglichen Verstößen gegen Zeitrestriktionen zu vermeiden, um möglichst nur solche Straßen zu benutzen, deren Durchfahrtsrechte nicht entscheidend (bzw. sehr knapp) von der Uhrzeit an der Wurzel des Baumes abhängen. Diese Erweiterung verringert die Wahrscheinlichkeit eines erneuten Routings (siehe 3.4.1.5) noch weiter.
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3.4.2.7 Rerouting während der Fahrt
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Bei einem Rerouting unter Verwendung zweier Bäume variiert lediglich der Vorwärtsbaum. Der Fahrer ist von der vorberechneten Route abgekommen und Startpunkt und Startzeit sind nicht mehr identisch mit dem zuvor verwendeten Startpunkt und Startzeit. Somit muss der Vorwärtsbaum mit neuer Zeit und neuem Startpunkt neu konstruiert werden, unter Beachtung der Zeitrestriktionen, wie in 3.4.1.3 beschrieben.
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In Anlehnung an die Beobachtung 3.4.1.4.1 können wir jedoch wiederum annehmen, dass die zunächst geschätzte und dann bei Legalität der Route ermittelte Ankunftszeit am Ziel weiterhin relativ nah an die tatsächliche Ankunftszeit nach dem Rerouting heranreichen wird.
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Somit behält der Rückwärtsbaum zunächst seine Gültigkeit, denn das Ziel hat sich ja nicht verändert und für die Ankunftszeit nach dem Rerouting wird nur eine geringe Veränderung erwartet.
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Wie in 3.4.1.4 und 3.4.2.3 wird nach der Neuberechnung des Vorwärtsbaums natürlich noch überprüft, ob auf der nun verfügbaren Route im wiederverwendeten Rückwärtsbaum Verletzungen von Zeitrestriktionen vorliegen und ggf. wird eben dieser Rückwärtsbaum erneut berechnet.
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3.5 Neue und modifizierte Teile der Erfindung
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3.5.1 Routenplanungsalgorithmus
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Das Verfahren basiert auf einem Routenplanungsalgorithmus, wie er in der am 8.10.2009 veröffentlichten Anmeldung
DE 10 2008 027 957 beschrieben ist.
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Für die Verbesserung der Neuberechnung im Anspruch 3.316, welche auf den Varianten in den Ansprüchen 3.36 und 3.37 beruht, sind die Ansprüche [0032ff] in
DE 10 2008 027 957 vorausgesetzt.
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3.6 Detailliertes Beispiel
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Das erfinderische Verfahren wird anhand der 2–4 erläutert.
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Das folgende Beispiel bezieht sich auf die Sierichstraße im Norden Hamburgs (siehe www.sierichstrasse.de, 2, Ziffer 1). Diese Straße wechselt die Richtung, in der eine Durchfahrt erlaubt ist, abhängig von der Tageszeit. Von 4 bis 12 Uhr ist die Straße stadteinwärts geöffnet (also in südlicher Richtung), um die Pendler in die Innenstadt zu lassen; und von 12 bis 4 Uhr ist sie stadtauswärts geöffnet.
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In dem Beispiel will ein Fahrer vom Hamburger Flughafen Fuhlsbüttel (2) zum Hotel Atlantis (3) fahren. Seine Abfahrtszeit ist 11:45. Wenn er es schafft die komplette Sierichstraße vor 12 Uhr zu passieren, dann wird die beste Route über die Sierichstraße führen.
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Die Aufgrund der Luftliniendistanz geschätzte Fahrzeit beträgt etwa 18 Minuten; die geschätzte Ankunftszeit betrüge somit 12:03 Uhr. Die Fahrtzeit vom südlichen Ende der Sierichstraße bis zum Hotel Atlantis beträgt etwa 4 Minuten. Somit müsste der Fahrer es so gerade eben schaffen, bis 11:59 Uhr die Sierichstraße passiert zu haben.
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Die beiden Routerbäume werden berechnet, die Zeitrestriktionen werden berücksichtigt basierend auf der genauen Startzeit und der geschätzten Ankunftszeit. Die Route, die eingesammelt wird, führt tatsächlich über die Sierichstraße, denn laut der Schätzung müsste es unser Fahrer ja noch schaffen. Nun werden alle Kartenelemente auf der eingesammelten Route erneut auf Verstoß gegen Zeitrestriktionen überprüft.
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Es stellt sich heraus, dass die eingesammelte Route im Rückwärtsbaum tatsächlich gegen Zeitrestriktionen verstößt. Am südlichen Ende der Sierichstraße kommen wir nun bei genauer Betrachtung auf 17 Minuten Fahrtzeit, somit wäre unser Fahrer am Ende der Sierichstraße für zwei Minuten als Geisterfahrer unterwegs gewesen. Wir wissen nun allerdings durch das Einsammeln der Route, dass die gesamte Fahrt etwa 21 Minuten dauern würde, wenn das Geisterfahrer-Manöver erlaubt wäre.
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Die Route muss also erneut berechnet werden, unter Verwendung von 3.4.2.3 allerdings nur der Rückwärtsbaum; dieses Mal allerdings mit einer präziseren Fahrzeit von 21 Minuten und somit auch mit einer präziseren Ankunftszeit von 12:06 Uhr.
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Bei diesem erneuten Routing wird also festgestellt, dass der Weg über die Sierichstraße seit zwei Minuten verboten ist, und die Route über den Winterhuder Weg (4, etwas östlich von der Sierichstraße) wird gewählt. Dieser Weg braucht etwa 22 Minuten, also nur etwa eine Minute länger als der über die Sierichstraße gewesen wäre.
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Der Verfahrensablauf wird in den 3 und 4 anhand eines Flussdiagramms erläutert.
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3 zeigt den ersten Durchlauf der Routenplanung unter Berücksichtigung der Zeitrestriktionen. Dazu muss in Schritt 100 zunächst Start- und Zielpunkt eingegeben werden und – im hier beispielhaft behandelten Fall – die Startzeit.
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In Schritt 110 wird nun die Fahrzeit geschätzt, d. h. wie lange wird auf Basis der Schätzung angenommen benötigt der Fahrer für die Route vom zuvor eingegebenen Startpunkt zum Zielpunkt. Diese Fahrzeitberechnung kann vorzugsweise aufgrund der Luftliniendistanz berechnet werden, wobei es zunächst unerheblich ist, welche Art der Luftliniendistanzberechnung, insbesondere die Loxodrome (Kurslinie, Linie gleichen Winkels gegen Nord), Orthodrome (Großkreisabschnitt) oder eine triviale pythagoreische Berechnung mit Berücksichtigung einer gemittelten Abweitung bzw. einer Abweitung aufgrund der gemittelten geographischen Breite, vorgenommen wird.
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Aus der ermittelten Fahrzeit kann trivial unter Zuhilfenahme der Startzeit die geschätzte Ankunftszeit ermittelt werden.
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In Schritt 120 wird nun die Routenberechnung als solches durchgeführt, deren Basisverfahren hier nicht dargestellt wird. Teil des Routenberechnungsverfahrens ist es für jedes Segment (d. h. Kartenelement) welches als Kandidat für die Routenberechnung in Frage kommt, zu ermitteln, ob es als Routenelement geeignet ist (130). Dazu wird in Schritt 140 zunächst überprüft, ob für das Segment in den Kartendaten eine Zeitrestriktion gespeichert ist. Solche Zeitrestriktionen können dabei ganz unterschiedliche codiert sein, und auch in einer separaten Speichereinheit vorliegen. Liegt keine Zeitrestriktion vor, so gibt es diesbezügliche keine Einwände gegen die Verwendung des Segmentes für die Routenplanung und die Berechnung kann fortgesetzt werden. Ist für das Segment dagegen eine Zeitrestriktion gespeichert, so muss bestimmt werden, zu welchem Zeitpunkt im Verlauf der Routenplanung der Fahrer an dem Segment ankommt (Schritt 150). Beim Vorwärtsbaum mit bekannter Startzeit ist dieser Zeitpunkt leicht zu bestimmen, bei einem Rückwärtsbaum mit unbekannter Zielzeit ist hier die aufgrund der im Schritt 110 geschätzten Fahrzeit ermittelte geschätzte Zielzeit heranzuziehen und so der Zeitpunkt des Segmentes bestimmbar.
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Liegt der Zeitpunkt nun innerhalb der Zeitrestriktion (Schritt 160) so kann das Segment nicht verwendet werden und wird verworfen, das Verfahren wird mit dem nächsten aus der Routenplanung ermittelten Segment in Schritt 130 fortgesetzt. Liegt dagegen der Zeitpunkt außerhalb der Zeitrestriktion, so kann das Segment für die Routenplanung verwendet werden.
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An dieser Stelle können auch die vorteilhaften Ausprägungen eingesetzt werden, nachdem die Zeitrestriktionen entweder mit einem festen Zeitpuffer versehen werden, um Unschärfen bei der Berechnung bzw. tatsächlichen Befahrung zu vermeiden. Alternativ kann bereits hier das Gewicht des Segmentes für die Beurteilung in Schritt 170 erhöht werden in Abhängigkeit von der zeitlichen Nähe zur Zeitrestriktion. Es wird dann unwahrscheinlicher, dass dieses Segment in der Routenberechnung berücksichtigt wird, je zeitlich näher an einer für das Segment gespeicherten Zeitrestriktion das Segment erreicht wird.
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Hier ist auch sichtbar, dass ein Segment, wenn es im Rahmen der Routenplanung mehrmals erreicht wird, mit der jeweils individuellen Ankunftszeit am Segment berücksichtigt wird, d. h. bei einem Berechnungsschritt könnte die Nutzung aufgrund der errechneten Ankunftszeit unberücksichtigt bleiben, bei einem anderen Schritt, bei dem das Segment über eine andere Route erreicht wird, dagegen in Frage kommen, wenn die Zeitrestriktion für diese zweite Ankunftszeit nicht gültig ist.
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Ist die Route fertig berechnet (Schritt 180), so ist der erste Berechnungsschritt abgeschlossen, und es kann zum zweiten Berechnungsschritt übergegangen werden (Schritt 190). Dieser ist in 4 dargestellt.
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Es liegt also neben den Eingangswerten der Routenplanung nun eine fertig berechnete vorläufige Route vor. Eine Route kann als geordnete Menge von miteinander verbundenen Segmenten interpretiert werden. Diese wird in Schritt 200 vorzugsweise ausgehend von dem Punkt, für den die Zeit vorgegeben wurde (also bei vorgegebener Startzeit der Startpunkt, bei vorgegebener Zielzeit der Zielpunkt, im vorliegenden Beispiel wird zur Vereinfachung von der Startzeit ausgegangen) traversiert. D. h. für jedes einzelne Segment der Route wird ausgehend von der Startzeit die Ankunftszeit ermittelt. Für das erste Segment der Route ist das die Startzeit, für das zweite Segment die Startzeit plus die Fahrzeit auf dem Segment (die entweder am Segment gespeichert ist, oder aufgrund Länge und gespeicherter oder errechneter Durchschnittsgeschwindigkeit auf dem Segment bestimmt wird. Bei der Berechnung können weitere Faktoren, wie Ampeln, aktuelle Staumeldungen, historische Verkehrsinformationen, Nutzerprofile bzw. Nutzerverhalten etc. berücksichtigt werden), usw.
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Mit dieser genauen Ankunftszeit wird nun überprüft, ob eine eventuell für das Segment gespeicherte Zeitrestriktion mit der Ankunftszeit im Konflikt steht (Schritt 210). Ist das der Fall, so ist die Route nicht legal. Wird kein Zeitrestriktionen-Konflikt detektiert, ist die Routenberechnung abgeschlossen (220). Andernfalls ist es erforderlich die Route neu zu berechnen (240). Hierzu müssen aber, um ein legales Ergebnis erhalten zu können, andere Eingangsparameter gewählt werden. Das ist an dieser Stelle vorzugsweise die zuvor geschätzte Ankunftszeit, die nun durch die in der ersten Routenberechnung ermittelte Ankunftszeit ersetzt wird. Mit diesen Werten wird die Routenberechnung in 3 bei Schritt 120 neu aufgenommen.
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Es ist zu erwarten, dass damit eine legale Route berechnet wird, dennoch könnte in Schritt 210 für die zweite Route erneut ermittelt werden, dass diese nicht legal ist. In diesem unwahrscheinlichen Fall wäre dann erneut die geschätzte Ankunftszeit anzupassen und den Ablauf erneut zu starten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008027957 [0070, 0071]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- www.sierichstrasse.de [0073]
