DE102020207080A1 - Method and device for creating a network design for a route-based transport system with artificial intelligence - Google Patents

Method and device for creating a network design for a route-based transport system with artificial intelligence Download PDF

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Csaba Domokos
Felix Jaegle
Kay Rottmann
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein computer-implementiertes Verfahren zum Erstellen eines Streckennetz-Layouts für ein On-Demand-Transportsystem basierend auf einer geografischen Karte, insbesondere basierend auf einem vorgegebenen Stadtplan eines Stadtgebiets, mit folgenden Schritten:- Bereitstellen (S11) eines auf bestehenden Streckennetz-Layouts (Spre) trainierten GAN-Modells mit einem datenbasierten Generatormodell (11), das trainiert ist, um Streckennetz-Layouts (Sgen) abhängig von einem Zufallsvektor (Z) zu generieren, und einem datenbasierten Diskriminatormodell (12), das trainiert ist, um generierte und bestehende Streckennetz-Layouts (Sgen, Spre) voneinander zu unterscheiden;- Verwenden (S2, S3, S12) des GAN-Modells zum Ermitteln eines Streckennetz-Layouts für eine bestehende geografische Karte.The invention relates to a computer-implemented method for creating a route network layout for an on-demand transport system based on a geographical map, in particular based on a predetermined city map of an urban area, with the following steps: - Providing (S11) a route network based on Layouts (Spre) trained GAN model with a data-based generator model (11) that is trained to generate route network layouts (Sgen) depending on a random vector (Z), and a data-based discriminator model (12) that is trained to to distinguish generated and existing route network layouts (Sgen, Spre) from one another; - Use (S2, S3, S12) of the GAN model to determine a route network layout for an existing geographical map.

Description

Technisches GebietTechnical area

Die Erfindung betrifft ein On-Demand-Transportsystem, insbesondere für den schnellen Personenverkehr (PRT: Personal Rapid Transit). Insbesondere betrifft diese Erfindung ein öffentliches Transportsystem mit autonomen Fahrzeugen auf einem vorgegebenen Streckennetz.The invention relates to an on-demand transport system, in particular for rapid passenger traffic (PRT: Personal Rapid Transit). In particular, this invention relates to a public transportation system with autonomous vehicles on a given route network.

Technischer HintergrundTechnical background

Streckennetzgebundene On-Demand-Transportsysteme für den Personenverkehr können eine Vielzahl autonome, insbesondere schienengebundene Fahrzeuge vorsehen, die sich entlang eines vorgegebenen Streckennetzes, wie z.B. eines Schienennetzes, bewegen. Das Streckennetz kann Haltestellen zum Ein- und Aussteigen aufweisen, die über entsprechende Verbindungsstrecken ggfs. mit Verzweigungen/Weichen miteinander verbunden sind.On-demand transport systems linked to the route network for passenger transport can provide a large number of autonomous, in particular rail-bound vehicles, which move along a specified route network, such as a rail network. The route network can have stops for boarding and alighting, which are connected to one another via corresponding connecting routes, if necessary with branches / switches.

Streckennetze können durch einen Graphen mit Knoten und die Knoten verbindenden Kanten dargestellt werden, wobei der Graph an eine geographische Karte angepasst ist, so dass die Knoten und Kanten geografisch einem Stadtplan mit Haltestellen und Verbindungsstrecken zugeordnet sind.Route networks can be represented by a graph with nodes and edges connecting the nodes, the graph being adapted to a geographic map so that the nodes and edges are geographically assigned to a city map with stops and connecting routes.

Zur Optimierung der Transporteffizienz zwischen den einzelnen Haltestellen sind vielfältige Verfahren bekannt, die für ein bestehendes Streckennetz einen optimalen Fahrplan ermitteln. Dabei wird im Wesentlichen eine Vorhersage der zeitabhängigen Nachfrage berücksichtigt.Various methods are known for optimizing the transport efficiency between the individual stops, which determine an optimal timetable for an existing route network. A forecast of the time-dependent demand is essentially taken into account.

Jedoch ist ein weiterer Aspekt zur Optimierung eines Transportsystems der Aufbau des Streckennetzes, das sich insbesondere abhängig von dem Bedarf an Transportkapazitäten und der verfügbaren Transportkapazität durch die Positionierung von Haltestellen und Verbindungsstrecken anzupassen. Dabei kann sich die Auslegung des Streckennetzes an den möglichen Orten für Haltestellen und die Möglichkeiten von Verbindungen zwischen den Haltestellen orientieren.However, a further aspect for optimizing a transport system is the construction of the route network, which can be adapted in particular depending on the need for transport capacities and the available transport capacity through the positioning of stops and connecting routes. The layout of the route network can be based on the possible locations for stops and the possibilities of connections between the stops.

Ein herkömmlicher Ansatz, ein Streckennetz für ein solches Transportsystem zu erstellen, besteht darin, ein geeignetes Streckennetz-Layout zu erstellen, eine Simulation auszuführen und das resultierende Simulationsergebnis durch Expertenwissen auszuwerten. Durch iteratives Ändern des Streckennetzes, d.h. durch Anpassen der Orte für Haltestellen und der Verläufe für die Verbindungsstrecken, wird das Streckennetz so lange optimiert, bis das Simulationsergebnis den Anforderungen genügt.A conventional approach to creating a route network for such a transport system consists in creating a suitable route network layout, executing a simulation and evaluating the resulting simulation result using expert knowledge. By iteratively changing the route network, i.e. by adapting the locations for stops and the courses for the connecting routes, the route network is optimized until the simulation result meets the requirements.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Erfindungsgemäß sind ein Verfahren zum Erstellen eines Streckennetz-Layouts für ein On-Demand-Transportsystem basierend auf einem vorgegebenen Stadtplan eines Stadtgebiets gemäß Anspruch 1 sowie eine entsprechende Vorrichtung gemäß dem nebengeordneten Anspruch vorgesehen.According to the invention, a method for creating a route network layout for an on-demand transport system based on a predetermined city map of an urban area according to claim 1 and a corresponding device according to the independent claim are provided.

Weitere Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.Further refinements are given in the dependent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt ist ein computer-implementiertes Verfahren zum Erstellen eines Streckennetz-Layouts für ein On-Demand-Transportsystem basierend auf einer geografischen Karte, insbesondere basierend auf einem vorgegebenen Stadtplan eines Stadtgebiets, vorgesehen; mit folgenden Schritten:

  • - Bereitstellen eines auf bestehenden Streckennetz-Layouts trainierten GAN-Modells mit einem datenbasierten Generatormodell, das trainiert ist, um Streckennetz-Layouts abhängig von einem vorgebbaren Zufallsvektor zu generieren, und einem datenbasierten Diskriminatormodell, das trainiert ist, um generierte und bestehende Streckennetz-Layouts voneinander zu unterscheiden; und
  • - Verwenden des GAN-Modells zum Ermitteln eines Streckennetz-Layouts für eine vorgegebene geografische Karte.
According to a first aspect, a computer-implemented method for creating a route network layout for an on-demand transport system based on a geographical map, in particular based on a predetermined city map of an urban area, is provided; with the following steps:
  • Provision of a GAN model trained on existing route network layouts with a data-based generator model that is trained to generate route network layouts depending on a predeterminable random vector, and a data-based discriminator model that is trained to identify generated and existing route network layouts from one another to distinguish; and
  • - Using the GAN model to determine a route network layout for a given geographic map.

Das obige Verfahren ermöglicht das Ersetzen eines manuellen iterativen Prozesses zur Ermittlung eines Streckennetz-Layouts basierend auf einer Agenten-basierten Simulation durch ein Verfahren, das direkt ein Streckennetz-Layout mit guten bzw. optimierten Eigenschaften erzeugt. Dazu wird ein generatives adversariales Netzwerk (GAN) verwendet, um ein datenbasiertes Generatormodell zu trainieren, ein Streckennetz-Layout für eine geographische Karte, insbesondere einen Stadtplan, abhängig von bestehenden Streckennetz-Layouts basierend auf verschiedenen Stadtplänen zu erzeugen. Dies ermöglicht es, ein Streckennetz-Layout mit optimierten Eigenschaften in einem direkten und automatisierten Ansatz zu ermitteln.The above method enables a manual iterative process for determining a route network layout based on an agent-based simulation to be replaced by a method which directly generates a route network layout with good or optimized properties. For this purpose, a generative adversarial network (GAN) is used to train a data-based generator model to generate a route network layout for a geographic map, in particular a city map, depending on existing route network layouts based on different city maps. This makes it possible to determine a route network layout with optimized properties in a direct and automated approach.

Mithilfe eines unkonditionierten GAN-Modells kann ein Streckennetz-Layout ohne explizite Vorgaben, sondern lediglich auf bestehenden Streckennetzdaten erstellt werden. Generative adversariale Netzwerke stellen selbstlernende Maschinenlernmodelle dar. Sie weisen zwei trainierbare datenbasiertes Modelle, insbesondere zwei neuronale Netzwerke, auf, ein datenbasiertes Generatormodell und ein datenbasiertes Diskriminatormodell. Das Generatormodell und das Diskriminatormodell werden gemeinsam durch ein adversariales Training trainiert, wobei die beiden Netzwerke gegeneinander trainiert werden.With the help of an unconditioned GAN model, a route network layout can be created without explicit specifications, but only on the basis of existing route network data. Generative adversarial networks represent self-learning machine learning models. They have two trainable data-based models, in particular two neural networks, a data-based generator model and a data-based discriminator model. The generator model and the discriminator model are trained together by an adverse training, with the two networks are trained against each other.

Das Diskriminatormodell wird optimiert, um bekannte Streckennetz-Layouts aus einer Trainingsdatenmenge von Streckennetz-Layouts, die durch das Generatormodell erzeugt werden, zu unterscheiden. Dagegen wird das Generatormodell trainiert, um die generierten Streckennetz-Layouts weniger unterscheidbar von den bekannten Streckennetz-Layouts der Trainingsdatenmenge zu machen.The discriminator model is optimized in order to distinguish known route network layouts from a training data set from route network layouts that are generated by the generator model. In contrast, the generator model is trained in order to make the generated route network layouts less distinguishable from the known route network layouts of the training data set.

Gemäß einer Ausführungsform kann somit das Streckennetz-Layout erstell werden, indem basierend auf einem Stadtplan ein mögliches Streckennetz-Layout generiert wird und das generierte Streckennetz-Layout mithilfe des trainierten Diskriminatormodells zu überprüfen, wobei ein mögliches Streckennetz-Layout als geeignetes Streckennetz-Layout für den Stadtplan bereitgestellt wird, wenn das Diskriminatormodell das mögliche Streckennetz-Layout als bestehendes Streckennetz-Layout erkennt.According to one embodiment, the route network layout can thus be created by generating a possible route network layout based on a city map and checking the generated route network layout using the trained discriminator model, with a possible route network layout being a suitable route network layout for the City map is provided when the discriminator model recognizes the possible route network layout as an existing route network layout.

Es kann vorgesehen sein, dass das auf bestehenden Streckennetz-Layouts trainierten GAN-Modell mit einem Generatormodell, das trainiert ist, um Streckennetz-Layouts abhängig von einem Zufallsvektor und einer Vorgabeinformation, die zumindest einen Stadtplan umfasst, zu generieren, und mit einem Diskriminatormodell bereitgestellt wird, das ausgebildet ist, um generierte und bestehende Streckennetz-Layouts abhängig von jeweils zugeordneten Vorgabeinformationen voneinander zu unterscheiden; wobei das Streckennetz-Layout mithilfe des trainierten Generatormodells abhängig von einer Vorgabeinformation für den vorgegebenen Stadtplan generiert wird.It can be provided that the GAN model trained on existing route network layouts is provided with a generator model that is trained to generate route network layouts as a function of a random vector and specification information that includes at least a city map, and with a discriminator model which is designed to distinguish generated and existing route network layouts from one another as a function of respectively assigned default information; wherein the route network layout is generated with the aid of the trained generator model as a function of default information for the specified city map.

In solchen konditionierten GANs können zusätzliche Vorgaben, wie bestehende Stadtpläne und Klassenlabels berücksichtigt werden, so dass Streckennetz-Layouts durch das Generatormodell spezifisch zur gewünschten Klasse gehörig generiert werden können. Im Kern stellt obiges Verfahren eine Möglichkeit dar, mit generativen adversarialen Netzwerken einen Streckennetzplan basierend auf einem vorgegebenen bestehenden Stadtplan abhängig von Vorgaben bereitzustellen, da bereits Streckennetzpläne von anderen Städten mithilfe von Expertenwissen erstellt worden sind. Dadurch kann ein Streckennetz mit optimalen Eigenschaften in einem direkten und automatisierten Ansatz erhalten werden.In such conditioned GANs, additional specifications, such as existing city maps and class labels, can be taken into account so that route network layouts can be generated specifically for the desired class by the generator model. In essence, the above method represents a possibility of using generative adversarial networks to provide a route network plan based on a given existing city map depending on specifications, since route network maps of other cities have already been created with the help of expert knowledge. As a result, a route network with optimal properties can be obtained in a direct and automated approach.

Mithilfe eines GAN-Modells kann ein Streckennetzplan mit und ohne zusätzliche Vorgaben erstellt werden, so dass das GAN-Modell einen neuen Streckennetzplan erstellen kann, der die beobachtete Trainingsdatenverteilung basierend auf logischen Daten des Betriebs des existierenden Streckennetzes beinhaltet. Ferner kann ein GAN vorgesehen sein, das Streckennetzpläne mit vorgegebenen Vorgaben, wie z. B. Umgebungsbedingungen oder sonstige Vorgaben, berücksichtigt. Auf diese Weise kann das Expertenwissen in ein trainiertes Streckennetzmodell eintrainiert werden, das basierend auf genügend Stadtplänen optimierte Streckennetze erstellen kann.With the help of a GAN model, a route network plan can be created with and without additional specifications, so that the GAN model can create a new route network plan that contains the observed training data distribution based on logical data from the operation of the existing route network. Furthermore, a GAN can be provided, the route network plans with predetermined specifications, such as. B. environmental conditions or other requirements are taken into account. In this way, the expert knowledge can be trained in a trained route network model, which can create optimized route networks based on sufficient city maps.

Insbesondere können die Vorgabeinformation weiterhin eine oder mehrere der folgenden Vorgabeinformationen umfassen:

  • - Stadtinformationen, wie beispielsweise Bevölkerungszahl, Bevölkerungsdichte und/oder Zahl der Pendler,
  • - eine Satellitenbildinformation, insbesondere in Verbindung mit extrahierten quantifizierbaren Merkmalen,
  • - einer Topologie-Information der durch den Stadtplan abgedeckten Stadtfläche, die ein Höhenprofilm des Untergrunds angibt,
  • - bestehende weitere öffentliche oder private alternative Transportmöglichkeiten nebst Fahrplaninformationen sowie
  • - zulässige für das Streckennetz nutzbare Flächenbereiche.
In particular, the specification information can furthermore comprise one or more of the following specification information:
  • - City information, such as population size, population density and / or number of commuters,
  • - a satellite image information, in particular in connection with extracted quantifiable features,
  • - topology information of the urban area covered by the city map, which indicates a height profile of the subsurface,
  • - existing other public or private alternative transport options along with timetable information as well as
  • - Permissible areas that can be used for the route network.

Es kann vorgesehen sein, dass in dem Generatormodell zusätzlich Randbedingungen vorgegebenen werden, um ein Streckennetz-Layout für die geografische Karte abhängig von den Randbedingungen zu ermitteln.Provision can be made for additional boundary conditions to be specified in the generator model in order to determine a route network layout for the geographical map as a function of the boundary conditions.

Insbesondere können als Randbedingung festgelegte Standorte für Haltestellen vorgegeben werden, insbesondere mithilfe eines Platzhalterwerts, der anzeigt, ob ein Standort einer Haltestelle festgelegt sein soll oder frei wählbar ist.In particular, fixed locations for stops can be specified as boundary conditions, in particular with the aid of a placeholder value that indicates whether a location of a stop should be defined or can be freely selected.

Weiterhin kann eine Randbedingung zur Erstellung des Streckennetz-Layouts berücksichtigt werden, indem das Diskriminatormodell Streckennetz-Layouts, die die vorgegebene Randbedingung nicht erfüllen, als Negativbeispiele identifiziert, die zum Trainieren des Generatormodells verwendet werden.Furthermore, a boundary condition for creating the route network layout can be taken into account in that the discriminator model identifies route network layouts that do not meet the specified boundary condition as negative examples that are used to train the generator model.

Gemäß einem weiteren Aspekt ist eine Vorrichtung, insbesondere eine Datenverarbeitungseinrichtung, zum Erstellen eines Streckennetz-Layouts für ein On-Demand-Transportsystem basierend auf einer geografischen Karte, insbesondere basierend auf einem vorgegebenen Stadtplan eines Stadtgebiets vorgesehen, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist zum:

  • - Bereitstellen eines auf bestehenden Streckennetz-Layouts trainierten GAN-Modells mit einem datenbasierten Generatormodell, das trainiert ist, um Streckennetz-Layouts abhängig von einem Zufallsvektor zu generieren, und einem datenbasierten Diskriminatormodell, das trainiert ist, um generierte und bestehende Streckennetz-Layouts voneinander zu unterscheiden;
  • - Verwenden des GAN-Modells zum Ermitteln eines Streckennetz-Layouts für eine geografische Karte.
According to a further aspect, a device, in particular a data processing device, is provided for creating a route network layout for an on-demand transport system based on a geographic map, in particular based on a predetermined city map of an urban area, the device being designed to:
  • - Providing a GAN model trained on existing route network layouts with a data-based generator model that is trained to generate route network layouts depending on a random vector, and a data-based discriminator model that is trained to distinguish generated and existing route network layouts from one another ;
  • - Using the GAN model to determine a route network layout for a geographic map.

FigurenlisteFigure list

Ausführungsformen werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

  • 1 ein beispielhaftes Streckennetz eines öffentlichen Nahverkehrssystems für eine beispielhaft angegebene Stadt.
  • 2 ein Blockdiagramm zur Veranschaulichung des Aufbaus eines GAN-Modells;
  • 3 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines Verfahrens zur Verwendung des GAN-Modells zur Erstellung eines Streckennetz-Layouts;
  • 4 ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines weiteren Verfahrens zur Verwendung des GAN-Modells zur Erstellung eines Streckennetz-Layouts.
Embodiments are explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. Show it:
  • 1 an exemplary route network of a public transport system for an exemplary city.
  • 2 a block diagram to illustrate the structure of a GAN model;
  • 3 a flowchart to illustrate a method for using the GAN model to create a route network layout;
  • 4th a flowchart to illustrate a further method for using the GAN model to create a route network layout.

Beschreibung von AusführungsformenDescription of embodiments

Im Folgenden werden Verfahren beschrieben, um basierend auf einer geografischen Karte, wie z.B. einem Stadtplan, ein Streckennetz für ein On-Demand-Transportsystem zu erstellen. Das On-Demand-Transportsystem kann insbesondere ein Kapseltransportsystem, ein öffentliches Nahverkehrssystem oder dergleichen sein, bei dem individuell Transportfahrzeuge an Haltestellen angefordert werden können. Das Transportsystem kann dazu eine Flotte von autonomen Fahrzeugen, wie z. B. Robotaxis und dergleichen, umfassen, die sich entlang eines vorgegebenen Streckennetzes, insbesondere eines Schienennetzes, bewegen.In the following, methods are described for creating a route network for an on-demand transport system based on a geographic map, such as a city map. The on-demand transport system can in particular be a capsule transport system, a local public transport system or the like, in which transport vehicles can be requested individually at stops. The transport system can also use a fleet of autonomous vehicles, such as B. Robotaxis and the like, which move along a predetermined route network, in particular a rail network.

Das Streckennetz sieht festgelegte Haltestellen vor, an denen die Personen in die die Fahrzeuge bzw. in die Kapseln einsteigen oder aus diesen aussteigen können. Zwischen den Haltestellen sind Verbindungsstrecken vorgesehen, entlang denen sich die Transportfahrzeuge bewegen. Das Streckennetz basiert somit auf einer Menge von Knoten (Haltestellen), Kanten, die die Verbindungen zwischen den Haltestellen darstellen. Ferner können die Kanten auch Verzweigungen aufweisen, die Schaltstellen/Weichen im Streckennetz darstellen.The route network provides fixed stops at which people can get into or out of the vehicles or capsules. Connection routes along which the transport vehicles move are provided between the stops. The route network is based on a set of nodes (stops), edges that represent the connections between the stops. Furthermore, the edges can also have branches that represent switching points / switches in the route network.

Jeder dieser Knoten, Kanten und Verzweigungen kann Eigenschaften bzw. Attribute aufweisen, wie beispielsweise für die Knoten (Haltestellen) maximale Kapazität an zu befördernden Passagieren, durchschnittliche Kapazität an zu befördernden Passagieren, eine Abfertigungshäufigkeit von Transportfahrzeugen, maximale Anzahl gleichzeitig abzufertigenden Transportfahrzeugen und für Verbindungsstrecken eine Transportfahrzeugdichte, eine Maximalgeschwindigkeit und dergleichen und für Verzweigungen eine Fahrtrichtungsabhängige Informationen (bei Weichen in einem Schienennetz ist eine Wahl der Richtung nicht in jeder Fahrtrichtung möglich).Each of these nodes, edges and branches can have properties or attributes, such as for the nodes (stops) maximum capacity of passengers to be carried, average capacity of passengers to be carried, a handling frequency of transport vehicles, maximum number of transport vehicles to be processed at the same time and for connecting routes one Transport vehicle density, a maximum speed and the like and, for branches, information that is dependent on the direction of travel (in the case of switches in a rail network, it is not possible to select the direction in every direction of travel).

Zum Erstellen eines Streckennetzes für einen beliebigen Stadtplan eines Stadtgebiets wird vorgeschlagen, bestehendes Wissen in Form von Streckennetzen für bestehende Stadtgebiete in ein datenbasiertes Modell zu trainieren und das darin enthaltene Expertenwissen für die Erstellung von weiteren Streckennetzen zu nutzen. Dieser Ansatz sieht vor ein, ein GAN-Modell (Generative Adversarial Network) zu verwenden, das ein datenbasiertes Generatormodell und ein datenbasiertes Diskriminatormodell aufweist.To create a route network for any city map of an urban area, it is proposed to train existing knowledge in the form of route networks for existing urban areas in a data-based model and to use the expert knowledge contained therein for the creation of further route networks. This approach provides for using a GAN (Generative Adversarial Network) model that has a data-based generator model and a data-based discriminator model.

Ein solches GAN-Modell ist beispielhaft in 2 dargestellt. In 2 ist schematisch der Aufbau des GAN-Modells zum Trainieren des datenbasierten Generatormodells 11 und des datenbasierten Diskriminatormodells 12 dargestellt.Such a GAN model is exemplified in 2 shown. In 2 is a schematic of the structure of the GAN model for training the data-based generator model 11th and the data-based discriminator model 12th shown.

Das Generatormodell 11 kann als neuronales Netzwerk insbesondere als CNN (Convolutional Neural Network) aufgebaut sein. Das datenbasierte Diskriminatormodell 12 ist mit dem Generatormodell 11 gekoppelt und ist ebenfalls als neuronales Netzwerk, insbesondere als CNN oder DNN (Deep Neural Network), aufgebaut.The generator model 11th can be constructed as a neural network, in particular as a CNN (convolutional neural network). The data-based discriminator model 12th is with the generator model 11th coupled and is also constructed as a neural network, in particular as a CNN or DNN (Deep Neural Network).

Zum Trainieren des GAN-Modells erhält das Generatormodell 11 als Eingangsgröße einen Zufallsvektor mit einer vorbestimmten Anzahl von zufälligen Eingabewerten, möglicherweise in einer Größenordnung von 100. Je nach Typ des GAN-Models, unkonditioniertes oder konditioniertes GAN, können weitere Vorgabeinformationen dem Generatormodell 11 bereitgestellt werden. Das Generatormodell 11 erstellt daraus ein Streckennetz-Layout in Form einer Ausgabe eines Graphen, der einem Diskriminatormodell 12 zur Verfügung gestellt wird.To train the GAN model, the generator model receives 11th as the input variable a random vector with a predetermined number of random input values, possibly in the order of 100. Depending on the type of GAN model, unconditioned or conditioned GAN, further specification information can be added to the generator model 11th to be provided. The generator model 11th creates a route network layout from this in the form of an output of a graph, which is a discriminator model 12th is made available.

Das Diskriminatormodell 12 ist ausgebildet, um wechselweise das mithilfe des Generatormodells 11 empfangenen Streckennetz-Layout Sgen und ein bestehendes Streckennetz-Layout Spre zu empfangen. Das Diskriminatormodell 12 wird trainiert die bereitgestellten Streckennetz-Layouts Sgen, Spre zu unterscheiden, indem diesen ein Label zuordnet ist, das angibt, ob das betreffende Streckennetz-Layout Sgen, Spre ein durch das Generatormodell 11 generiertes Streckennetz-Layout Sgen oder ein reales bereits bestehendes oder für einen Stadtplan existierendes Streckennetz-Layout Spre ist.The discriminator model 12th is designed to alternately use the generator model 11th received route network layout S gen and an existing route network layout S pre . The discriminator model 12th is trained to distinguish the provided route network layouts S gen , S pre by assigning a label to them, that indicates whether the relevant route network layout S gen , S pre a by the generator model 11th generated route network layout S gen or a real existing route network layout S pre , or one that already exists for a city map.

Das Datenformat für das Streckennetz-Layout ist so gewählt, dass es einen Graphen beschreibt, der Knoten, Kanten und Verzweigungen der Kanten ausweise. Jedem Element des Graphen sind Attribute zugeordnet. Die Verzweigungen können als Knoten dargestellt werden, die ein entsprechendes Attribut aufweisen, das angibt, dass es sich nicht um eine Haltestelle, sondern um eine Verzweigung handelt. Den Knoten, die Haltestellen (und/oder Verzweigungen) darstellen, können Haltestelleneigenschaften zugeordnet sein, wie deren geografische Position in dem Stadtplan, Abfertigungskapazität von Personen und Transportfahrzeugen und dergleichen umfassen. Den Kanten, die Verbindungsstrecken darstellen, können Streckeneigenschaften zugeordnet sein, wie deren geografischer Erstreckung in dem Stadtplan, der Transportkapazität (in Transportfahrzeuge/Stunde), der Transportdauer (Durchschnittsgeschwindigkeit). Beispielsweise kann das Streckennetz-Layout als eine oder mehrere Adjazenzlisten und/oder eine oder mehrere Adjazenzmatrizen gespeichert werden, wobei auf die entsprechenden Merkmale eines Knotens / einer Kante mittels einer Hilfsstruktur verwiesen werden kann.The data format for the route network layout is selected in such a way that it describes a graph showing the nodes, edges and branches of the edges. Attributes are assigned to each element of the graph. The branches can be represented as nodes that have a corresponding attribute that indicates that it is not a stop, but a branch. The nodes that represent stops (and / or branches) can be assigned stop properties, such as their geographical position in the city map, handling capacity of people and transport vehicles and the like. The edges, which represent connecting routes, can be assigned route properties, such as their geographical extent in the city map, the transport capacity (in transport vehicles / hour), the transport duration (average speed). For example, the route network layout can be stored as one or more adjacency lists and / or one or more adjacency matrices, it being possible to refer to the corresponding features of a node / an edge by means of an auxiliary structure.

Während des Trainings werden das Generatormodell 11 und das Diskriminatormodell 12 gemeinsam mit einem adversarialen Kriterium trainiert. Das Diskriminatormodell 11 wird trainiert, so dass es in optimaler Weise reale Streckennetz-Layouts Spre von generierten Streckennetz-Layouts Sgen, die durch das Generatormodell 11 modelliert worden sind, unterscheiden kann. Dazu wird eine Menge von realen Streckennetz-Layouts Spre ausgewählt, und eine vergleichbare Anzahl von durch das Generatormodell 11 generierten Streckennetz-Layouts, Sgen. Dann wird das Diskriminatormodell 12 trainiert, um diese Streckennetz-Layouts in ihre korrekten Kategorien z. B. mithilfe eines stochastischen Gradientenabstiegsverfahrens zu klassifizieren.During the workout, the generator model 11th and the discriminator model 12th trained together with an adversarial criterion. The discriminator model 11th is trained so that there are real route network layouts S pre generated by the generator model from generated route network layouts S gen 11th have been modeled. For this purpose, a set of real route network layouts S pre is selected, and a comparable number is selected by the generator model 11th generated route network layouts, S gen . Then the discriminator model 12th trained to convert these route network layouts into their correct categories e.g. B. to be classified using a stochastic gradient descent method.

Weiterhin kann das Generatormodell 11 trainiert werden, Streckennetz-Layouts zu erstellen, die es dem Diskriminatormodell 12 erschweren sollen, die generierten Streckennetz-Layouts Sgen als durch das Generatormodell 11 generierte Streckennetz-Layouts zu erkennen. Dazu wird in an sich bekannter Weise ein Gradientensignal verwendet, das man durch das Back-Propagieren des Fehlersignals des Diskriminatormodells 12 in das Generatormodell 11 erhält.Furthermore, the generator model 11th are trained to create route network layouts that suit the discriminator model 12th make it difficult, the generated route network layout S gen than by the generator model 11th recognize generated route network layouts. For this purpose, a gradient signal is used in a manner known per se, which is obtained by back-propagating the error signal of the discriminator model 12th into the generator model 11th receives.

In der Praxis kann das Training iterativ durchgeführt werden, wobei zwischen dem Verbessern des Diskriminatormodells 12 und dem Generatormodell 11 abgewechselt wird. Dabei wird das Diskriminatormodell 12, insbesondere zur Vermeidung eines Overfittings, üblicherweise nicht bis zur Konvergenz trainiert wird. Zumindest anfänglich ist es für das Diskriminatormodell 12 sehr einfach, zwischen den generierten und bestehenden Streckennetz-Layouts zu unterscheiden. Jedoch wird während des Trainings des gesamten GAN-Modells das Generatormodell 11 besser, Streckennetz-Layouts so zu erstellen, dass diese immer schlechter mit dem Diskriminatormodell 12 von bestehenden Streckennetz-Layouts zu unterscheiden sind. Somit können synthetische Streckennetz-Layouts durch zufällige Vektoren generiert werden und diese durch das Generatormodell 11 propagiert werden.In practice, the training can be carried out iteratively, with between improving the discriminator model 12th and the generator model 11th is alternated. Thereby the discriminator model 12th , in particular to avoid overfitting, is usually not trained to convergence. At least initially it is for the discriminator model 12th very easy to differentiate between the generated and existing route network layouts. However, during the training of the entire GAN model, the generator model becomes 11th better to create route network layouts in such a way that they always worse with the discriminator model 12th must be distinguished from existing route network layouts. Thus, synthetic route network layouts can be generated by random vectors and these by the generator model 11th be propagated.

Bei einem unkonditionierten GAN-Modell kann das Streckennetz-Layout unabhängig von einem Stadtplan trainiert werden. Hier kann ein Verfahren zum Erstellen eines Streckennetz-Layouts für einen bestehenden Stadtplan durchgeführt werden, wie es in dem Flussdiagramm der 3 dargestellt ist. With an unconditioned GAN model, the route network layout can be trained independently of a city map. A method for creating a route network layout for an existing city map can be carried out here, as is shown in the flowchart of FIG 3 is shown.

Das Verfahren der 3 nutzt das Diskriminatormodell 12, das in der zuvor beschriebenen Weise trainiert worden ist.The procedure of 3 uses the discriminator model 12th that has been trained in the manner previously described.

In Schritt S1 wird für den bestehenden Stadtplan ein Streckennetz-Layout unter Verwendung herkömmlicher Verfahren generiert.In step S1 a route network layout is generated for the existing city map using conventional methods.

In Schritt S2 kann das so generierte Streckennetz-Layout mithilfe des trainierten Diskriminatormodells 12 überprüft werden. Da das Diskriminatormodell 12 zum Erkennen von Merkmalen von bestehenden Streckennetz-Layouts trainiert worden ist, kann ein in Schritt S1 generiertes Streckennetz-Layout dahingehend überprüft werden, ob es von in der Praxis bereits bestehenden, insbesondere sich bewährten Streckennetz-Layouts unterscheidbar ist.In step S2 can use the trained discriminator model to generate the route network layout 12th to be checked. Since the discriminator model 12th has been trained to recognize features of existing route network layouts, a step S1 The generated route network layout can be checked to determine whether it can be distinguished from the route network layouts that already exist in practice, in particular that have proven themselves.

In Schritt S3 wird überprüft, ob das generierte Streckennetz-Layout von dem Diskriminatormodell 11 als ausreichend ähnlich zu bestehenden Streckennetz-Layouts ist. Ist dies der Fall (Alternative: Ja), so kann das Verfahren in Schritt S4 die Geeignetheit des zuletzt generierten Streckennetz-Layouts signalisieren bzw. ausgegeben, andernfalls (Alternative: Nein) wird das Verfahren mit Schritt S1 fortgesetzt und ein neues Streckennetz-Layout generiert.In step S3 it is checked whether the generated route network layout from the discriminator model 11th as is sufficiently similar to existing route network layouts. If this is the case (alternative: yes), the procedure in step S4 signal or output the suitability of the route network layout generated last, otherwise (alternative: no) the procedure is followed by step S1 continued and a new route network layout was generated.

Das zuvor beschriebene Verfahren kann basierend auf einem unkonditionierten GAN-Modell ausgeführt werden. Dazu berücksichtigt das GAN-Modell nicht den Stadtplan, für den das Streckennetz-Layout in Schritt S1 erstellt worden ist, sondern bewertet lediglich die Merkmale des generierten Streckennetz-Layouts für sich genommen.The method described above can be carried out based on an unconditioned GAN model. The GAN model does not take into account the city map for which the route network layout is in step S1 has been created, but only evaluates the characteristics of the generated route network layout in and of itself.

Das trainierte GAN-Modell ermöglicht auch eine vollständig automatisierte Erstellung eines Streckennetz-Layouts. Dazu wird das in Verbindung mit 2 beschriebene GAN-Modell zu einem konditionierten GAN-Modell erweitert. Durch Verwendung eines konditionellen GAN wird das Generatormodell 11 in vergleichbarer Weise trainiert, jedoch werden zusätzlich zu dem Zufallsvektor z noch Vorgabeinformationen V zugeführt.The trained GAN model also enables a fully automated creation of a route network layout. This is done in conjunction with 2 described GAN model expanded to a conditioned GAN model. By using a conditional GAN, the generator model 11th trained in a comparable manner, but in addition to the random vector z, default information V is also supplied.

Dazu können dem Generatormodell 11 und dem Diskriminatormodell 12 jeweils die Vorgabeinformationen V, die zumindest einen Stadtplan aufweisen, bereitgestellt werden, die eine gezieltere Abstimmung eines durch das Generatormodell 11 generierten Streckennetz-Layouts auf die Gegebenheiten ermöglicht. Dazu wird das Generatormodell 11 trainiert, um abhängig von dem Zufallsvektor z und den Vorgabeinformationen Vgen ein generiertes Streckennetz-Layout bereitzustellen, das einen örtlichen Bezug zu dem Stadtplan der betreffenden Vorgabeinformationen aufweist.The generator model 11th and the discriminator model 12th in each case the specification information V, which has at least one city map, is provided, which allows a more targeted coordination of a by the generator model 11th generated route network layouts to the conditions. The generator model is used for this 11th trained to provide a generated route network layout depending on the random vector z and the specification information Vgen, which has a local reference to the city map of the specification information in question.

Die bestehenden Streckennetz-Layouts werden dann ebenfalls mit der entsprechenden Vorgabeinformationen Vgen versehen.The existing route network layouts are then also provided with the corresponding default information Vgen.

Die Vorgabeinformation Vgen kann neben einem Stadtplan, der in Form einer Bildinformation oder in sonstiger Weise bereitgestellt werden kann, weitere Vorgaben enthalten, die eine Konfiguration eines Streckennetz-Layouts beeinträchtigen kann. Diese können die folgenden Informationen umfassen:

  • - Stadtinformationen, wie beispielsweise Bevölkerungszahl, Bevölkerungsdichte, Zahl der Pendler und dergleichen,
  • - eine Satellitenbildinformation, insbesondere in Verbindung mit extrahierten quantifizierbaren Merkmalen, wie beispielsweise Reflektivität und dergleichen,
  • - einer Topologie-Information der durch den Stadtplan abgedeckten Stadtfläche, die ein Höhenprofilm des Untergrunds angibt,
  • - bestehende weitere öffentliche oder private alternative Transportmöglichkeiten nebst Fahrplaninformationen sowie
  • - Vorgaben zu Flächennutzungen und dergleichen.
In addition to a city map, which can be provided in the form of image information or in some other way, the specification information Vgen can contain further specifications that can affect a configuration of a route network layout. This can include the following information:
  • - City information, such as population size, population density, number of commuters and the like,
  • - Satellite image information, in particular in connection with extracted quantifiable features, such as reflectivity and the like,
  • - topology information of the urban area covered by the city map, which indicates a height profile of the subsurface,
  • - existing other public or private alternative transport options along with timetable information as well as
  • - Requirements for land use and the like.

Das Generatormodell 11 kann in entsprechender Weise zur Generierung eines Streckennetz-Layouts mit den bereitgestellten Vorgabeinformationen trainiert sein. Das Diskriminatormodell 12 kann in entsprechender Weise trainiert werden, das generierte und bestehende Streckennetz-Layout in Verbindung mit den Vorgabeinformationen zu bewerten. Somit lässt sich für Stadtpläne und weiteren Vorgabeinformationen ein vollständiges Streckennetz-Layout für ein Transportsystem erstellen, das auf den Erfahrungen von bereits bestehenden Streckennetzen für andere Städte basiert:

  • In dem Generatormodell 11 können zusätzlich Randbedingungen vorgegebenen werden, wie z.B. Länge des gesamten Streckennetzes, Prozentsatz von Einwohnern, die mit einem bestimmten Serviceniveau bedient werden sollen, wie beispielsweise einer maximalen Laufdistanz und einer maximalen Wartezeit auf verfügbare Transportfahrzeuge und dergleichen.
The generator model 11th can be trained in a corresponding way to generate a route network layout with the default information provided. The discriminator model 12th can be trained in a corresponding way to evaluate the generated and existing route network layout in connection with the default information. In this way, a complete route network layout for a transport system can be created for city maps and other default information, which is based on the experience of already existing route networks for other cities:
  • In the generator model 11th In addition, boundary conditions can be specified, such as the length of the entire route network, percentage of residents who are to be served with a certain service level, such as a maximum walking distance and a maximum waiting time for available transport vehicles and the like.

Weiterhin können als Randbedingung festgelegte Standorte für Haltestellen vorgegeben werden. Festgelegte Standorte für Haltestellen können beispielsweise mithilfe eines Platzhalterwerts verwendet werden, der anzeigt, ob ein Standort einer Haltestelle festgelegt sein soll oder frei wählbar ist. Weiterhin können streckennetzfreie Zonen des Stadtplans vorgegeben werden, durch die das Streckennetz nicht geführt werden soll.Furthermore, fixed locations for stops can be specified as boundary conditions. Fixed locations for stops can be used, for example, with the help of a placeholder value that indicates whether a location of a stop should be fixed or can be freely selected. Furthermore, network-free zones in the city map can be specified through which the network should not be routed.

Randbedingungen zur Erstellung des Streckennetz-Layouts können berücksichtigt werden, indem das Diskriminatormodell 12 Lösungen, die die vorgegebenen Randbedingungen nicht erfüllen, als Negativbeispiele identifiziert. Ansonsten können diese auch iterativ durch mehrfaches Generieren, oder durch Postprocessing auf den von dem Generatormodell 11 bereitgestellten Ergebnissen bereitgestellt werden.Boundary conditions for creating the route network layout can be taken into account by using the discriminator model 12th Solutions that do not meet the given boundary conditions are identified as negative examples. Otherwise, this can also be done iteratively by generating multiple times or by post-processing on the basis of the generator model 11th provided results are provided.

In 4 ist ein Flussdiagramm zur Veranschaulichung eines automatischen Verfahrens zum Erstellen eines Streckennetz-Layout dargestellt.In 4th is a flowchart illustrating an automatic method for creating a route network layout.

In Schritt S11 wird nach dem Training des konditionellen GAN-Modells das Generatormodell 11 bereitgestellt.In step S11 becomes the generator model after training the conditional GAN model 11th provided.

In Schritt S12 werden dem Generatormodell ein Zufallsvektor und die Vorgabeinformation zugeführt, die einen Stadtplan umfasst.In step S12 a random vector and the specification information, which includes a city map, are fed to the generator model.

In Schritt S13 erhält man als Ausgabe des Generatormodells 11 ein Streckennetz-Layout für den vorgegebenen Stadtplan.In step S13 is obtained as the output of the generator model 11th a route network layout for the given city map.

Ist das Streckennetz-Layout mit einem der vorangehend beschriebenen Verfahren erstellt, kann ein entsprechendes Streckennetz in einem bestehenden geografischen Gebiet erstellt werden.If the route network layout has been created using one of the methods described above, a corresponding route network can be created in an existing geographical area.

Claims (10)

Computer-implementiertes Verfahren zum Erstellen eines Streckennetz-Layouts für ein Transportsystem basierend auf einer geografischen Karte, insbesondere basierend auf einem vorgegebenen Stadtplan eines Stadtgebiets, mit folgenden Schritten: - Bereitstellen (S11) eines auf bestehenden Streckennetz-Layouts (Spre) trainierten GAN-Modells mit einem datenbasierten Generatormodell (11), das trainiert ist, um Streckennetz-Layouts (Sgen) abhängig von einem Zufallsvektor (Z) zu generieren, und einem datenbasierten Diskriminatormodell (12), das trainiert ist, um generierte und bestehende Streckennetz-Layouts (Sgen, Spre) voneinander zu unterscheiden; - Verwenden (S2, S3, S12) des GAN-Modells zum Ermitteln eines Streckennetz-Layouts für eine bestehende geografische Karte.Computer-implemented method for creating a route network layout for a transport system based on a geographical map, in particular based on a predetermined one City map of an urban area, with the following steps: - Providing (S11) a GAN model trained on existing route network layouts (S pre ) with a data-based generator model (11) which is trained to produce route network layouts (S gen ) depending on a To generate random vector (Z), and a data-based discriminator model (12) which is trained to distinguish generated and existing route network layouts (S gen , S pre ) from one another; - Using (S2, S3, S12) the GAN model to determine a route network layout for an existing geographical map. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Streckennetz-Layout erstell wird, indem basierend auf einem Stadtplan ein mögliches Streckennetz-Layout generiert wird und das generierte Streckennetz-Layout mithilfe des trainierten Diskriminatormodells (12) zu überprüfen, wobei ein mögliches Streckennetz-Layout als geeignetes Streckennetz-Layout für den Stadtplan bereitgestellt wird, wenn das Diskriminatormodell (12) das mögliche Streckennetz-Layout als bestehendes Streckennetz-Layout erkennt.Procedure according to Claim 1 , wherein the route network layout is created by generating a possible route network layout based on a city map and checking the generated route network layout using the trained discriminator model (12), with a possible route network layout as a suitable route network layout for the City map is provided when the discriminator model (12) recognizes the possible route network layout as an existing route network layout. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das auf bestehenden Streckennetz-Layouts trainierten GAN-Modells bereitgestellt wird, mit einem Generatormodell (11), das trainiert ist, um Streckennetz-Layouts abhängig von einem Zufallsvektor (Z) und einer Vorgabeinformation (Vgen), die zumindest einen Stadtplan umfasst, zu generieren, und einem Diskriminatormodell (12), das ausgebildet ist, um generierte und bestehende Streckennetz-Layouts (Sgen, Spre) abhängig von jeweils zugeordneten Vorgabeinformationen (Vgen) voneinander zu unterscheiden; wobei das Streckennetz-Layout mithilfe des trainierten Generatormodells (11) abhängig von einer Vorgabeinformation (Vgen) für den vorgegebenen Stadtplan generiert wird.Procedure according to Claim 1 , the GAN model trained on existing route network layouts being provided with a generator model (11) which is trained to generate route network layouts depending on a random vector (Z) and default information (V gen ) which comprises at least one city map , to generate, and a discriminator model (12) which is designed to distinguish generated and existing route network layouts (S gen , S pre ) from one another as a function of respectively assigned default information (V gen); wherein the route network layout is generated with the aid of the trained generator model (11) as a function of default information (V gen ) for the specified city map. Verfahren nach Anspruch 3, wobei die Vorgabeinformation (Vgen) weiterhin eine oder mehrere der folgenden Vorgabeinformationen umfasst: - Stadtinformationen, wie beispielsweise Bevölkerungszahl, Bevölkerungsdichte und/oder Zahl der Pendler, - eine Satellitenbildinformation, insbesondere in Verbindung mit extrahierten quantifizierbaren Merkmalen, - einer Topologie-Information der durch den Stadtplan abgedeckten Stadtfläche, die ein Höhenprofilm des Untergrunds angibt, - bestehende weitere öffentliche oder private alternative Transportmöglichkeiten nebst Fahrplaninformationen sowie - zulässige für das Streckennetz nutzbare Flächenbereiche.Procedure according to Claim 3 , wherein the specification information (V gen ) further comprises one or more of the following specification information: - city information, such as population, population density and / or number of commuters, - satellite image information, in particular in connection with extracted quantifiable features, - topology information from the City area covered by the city map, which indicates a height profile of the subsurface, - existing other public or private alternative transport options along with timetable information and - permitted areas that can be used for the route network. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei in dem Generatormodell (11) zusätzlich Randbedingungen vorgegebenen werden, um ein Streckennetz-Layout für die geografische Karte abhängig von den Randbedingungen zu ermitteln.Method according to one of the Claims 1 until 4th , additional boundary conditions being specified in the generator model (11) in order to determine a route network layout for the geographical map as a function of the boundary conditions. Verfahren nach Anspruch 5, wobei als Randbedingung festgelegte Standorte für Haltestellen vorgegeben werden, insbesondere mithilfe eines Platzhalterwerts, der anzeigt, ob ein Standort einer Haltestelle festgelegt sein soll oder frei wählbar ist.Procedure according to Claim 5 , wherein fixed locations for stops are specified as a boundary condition, in particular with the help of a placeholder value that indicates whether a location of a stop should be defined or can be freely selected. Verfahren nach Anspruch 5 oder 6, wobei eine Randbedingung zur Erstellung des Streckennetz-Layouts berücksichtigt wird, indem das Diskriminatormodell (12) Streckennetz-Layouts, die die vorgegebene Randbedingung nicht erfüllen, als Negativbeispiele identifiziert, die zum Trainieren des Generatormodells (11) verwendet werden.Procedure according to Claim 5 or 6th , wherein a boundary condition for creating the route network layout is taken into account in that the discriminator model (12) identifies route network layouts that do not meet the specified boundary condition as negative examples that are used to train the generator model (11). Vorrichtung, insbesondere eine Datenverarbeitungseinrichtung, zum Erstellen eines Streckennetz-Layouts für ein Transportsystem basierend auf einer geografischen Karte, insbesondere basierend auf einem vorgegebenen Stadtplan eines Stadtgebiets, wobei die Vorrichtung ausgebildet ist zum: - Bereitstellen eines auf bestehenden Streckennetz-Layouts (Spre) trainierten GAN-Modells mit einem datenbasierten Generatormodell (11), das trainiert ist, um Streckennetz-Layouts (Sgen) abhängig von einem Zufallsvektor (Z) zu generieren, und einem datenbasierten Diskriminatormodell (12), das trainiert ist, um generierte und bestehende Streckennetz-Layouts (Sgen, Spre) voneinander zu unterscheiden; - Verwenden des GAN-Modells zum Ermitteln eines Streckennetz-Layouts für eine geografische Karte.Device, in particular a data processing device, for creating a route network layout for a transport system based on a geographical map, in particular based on a predetermined city map of an urban area, the device being designed to: - Provide a trained on existing route network layout (S pre ) GAN model with a data-based generator model (11) that is trained to generate route network layouts (S gen ) depending on a random vector (Z), and a data-based discriminator model (12) that is trained to generate and existing route networks - to distinguish between layouts (S gen , S pre); - Using the GAN model to determine a route network layout for a geographic map. Computerprogramm mit Programmcodemitteln, das dazu eingerichtet ist, ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7 auszuführen, wenn das Computerprogramm auf einer Recheneinheit ausgeführt wird.Computer program with program code means which is set up to implement a method according to one of the Claims 1 until 7th execute when the computer program is executed on a computing unit. Maschinenlesbares Speichermedium mit einem darauf gespeicherten Computerprogramm nach Anspruch 9.Machine-readable storage medium with a computer program stored thereon Claim 9 .
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