ÖZEL EGE LİSESİ DAROS: DİNAMİK AKILLI ROTA OPTİMİZASYON SİSTEMİ HAZIRLAYAN ÖĞRENCİLER: Türkan Deniz ÖZKIRIÇ Özgür Seyyah EMRE DANIŞMAN ÖĞRETMEN: Mert YILDIZ İZMİR 2016
İçindekiler 1. Giriş. 3 2. Kullanılan Teknolojiler..3 2.1 Google Direction API... 3 2.2 Android..5 3. Yöntem....5 3.1 Çok amaçlı optimizasyona bağlı rota seçimi.. 6 4. Bulgular ve Gerçekleştirme.... 6 4.1 Haritada anlık konumun bulunması.. 6 4.2 Haritada konum ile hedef arasındaki rotaların elde edilmesi...7 4.3 Optimizasyon modelinin kodlanması...7 4.4 Rotanın harita üzerinde gösterilmesi 8 5. Sonuçlar ve Tartışma...9 6. Öneriler. 10 Kaynakça..11 2
1. Giriş Hayat koşullarının sürekli geliştiği günümüzde gelişen bir başka kavram da teknolojidir. Teknolojinin gelişmesiyle insanlığın en önemli buluşlarından biri olan otomobiller de gelişmekte ve artmaktadır. Artan otomobil sayısına karşı yolların yetersiz kalması ve gidilebilecek güzergâh seçeneklerinin azlığı yollarda yığılmalara sebep olmaktadır. Sürücülerin trafik kurallarına uymamaları, aşırı hız yapmaları ve var olan yolların bozukluğu gibi sorunlar da buna eklendiğinde, özellikle büyük şehirlerde çok yoğun bir araç trafiği oluşmakta ve çağımızın en büyük problemlerinden birisi olan Trafik problemini ortaya çıkarmaktadır. Gelişen teknoloji yüzünden, zamanın hiç olmadığı kadar hızlı akmasıyla insanlar Trafik probleminden dolayı hayatın bu hızına erişmekte zorluk çekmektedirler. Özellikle büyük şehirlerde bir yerden bir yere gitmek için uzun zaman harcanmakta ve trafik ortamında sorunlar yaşanmaktadır. Bu yüzden sürücüler daha hızlı ve daha kolay yoldan hedeflerine erişmeye ve hayatın hızını yakalamaya çalışmaktadırlar. Bu hareketler sonucu Trafik problemi daha da artmakta ve ambulans, itfaiye ve benzeri acil durum araçlarının acil durumlara yeterince hızlı müdahale edememeleri, trafik kazaları sonucu can kayıplarının oluşması gibi yeni sorunlar ortaya çıkarmaktadır. Bizi bu projeyi yapmaya iten olay okula giderken yaşadığımız birtakım olaylar oldu. Sabahları okul servislerinde, servis şoförünün öğrencileri okula yetiştirmek için farklı yollar kullandığına ve bunu yaparken aşırı hızla gidip birçok trafik kuralını çiğnediğine ve yol durumunu öğrenmek için başka şoförlerle telefon konuşması yaptığına şahit olduk. Bunun üzerine şoförlerin kuralları çiğnemeden daha kısa zamanda hedeflerine varabilecekleri rotaları çizen ve sadece okul servislerine fayda sağlamakla kalmayıp diğer sürücülerin ya da ambulanslar ve polis araçları gibi resmi araçların da kendilerine uygun rotayı bulmasını sağlayıp trafik kazalarını büyük ölçüde azaltan bir proje hazırlamaya karar verdik. Bu raporun ikinci bölümünde proje gerçekleştirilirken kullanılan teknolojiler anlatılmaktadır. Üçüncü bölümde yöntem ana hatlarıyla açıklanmaktadır. Raporun dördüncü bölümünde, bir önceki bölümde anlatılan yöntem basamaklarının gerçekleştirme aşamaları detaylandırılmaktadır. Projenin gerçekleştirilmesiyle elde edilen sonuçlar beşinci bölümde tartışılmaktadır. Raporun son bölümü olan altıncı bölümde ise projeyi geliştirmek için gelecekte yapılması planlanan çalışmalar ve öneriler verilmektedir. 2. Kullanılan Teknolojiler 2.1 Google Directions API Google Directions API, kullanıcıların girmiş oldukları konumlar arasındaki rotaları hesaplayarak, bu rotaların yön, uzaklık, süre vb. bilgilerini HTTP üzerinden sağlayan bir servistir. Bu servisin sağlamış olduğu rotalardan kullanıcıların istediklerine göre seçilen rota Google Map servisi entegre edilerek navigasyon olarak kullanılabilmektedir. Bu servisten yararlanmak için öncelikle bir Google hesabı ve bu hesaba ilişkilendirilmiş bir API anahtarı gerekmektedir. Servisi kullanan istemciler başlangıç konumu, hedef konumu ve API anahtarını HTTP üzerinden Google sunucularına göndermekte ve elde edilen rota bilgisi JSON (JavaScript Object Notation) formatında elde edilmektedir. Sorgu yapılırken başlangıç ve hedef konumlar enlem/boylam değerleri veya yer isimleri kullanılarak yapılabilmektedir. Bu servis başlangıç ve hedef konumu dışında farklı birtakım parametreler kullanılarak sorgulanacak şekilde tasarlanmıştır. Böylece elde edilen rotalar kullanıcıların belirlediği parametrelere göre çeşitlenmektedir. Mode: Bu parametre elde edilecek rotaların hangi ulaşım şeklini kullanılarak 3
hesaplanacağını belirler. Karayol ağı için driving, yürüme yolu için walking, bisiklet yolu için bicycling ve toplu taşıma için transit modu seçilmelidir. Eğer herhangi bir mod seçilmeze varsayılan değer olarak driving modu seçilmektedir. Alternatives: Mantıksal değer olan bu parametre ile alternatif rotaların hesaplanıp hesaplanmayacağı belirlenir. Proje kapsamında alternatif rotalar arasından seçim yapıldığından ötürü bu parametre true olarak ayarlanmıştır. Avoid: Bu parametre ile rotaların içermemesi gereken özellikler belirlenmektedir. Paralı yollar için tolls, otoyollar için highways ve feribotlar için ferries parametreleri kullanılmaktadır. İzmir Saat Kulesi ile Ege Üniversitesi arasındaki karayolu ile gidilen bütün rotaları elde etmek için gereken örnek sorgu ve elde edilen rotaları içeren JSON verisinin bir bölümü Şekil 1 de yer almaktadır. Şekil 1. Google Directions API servisinden alınan örnek bir JSON verisi Sorgu sonucunda elde edilen JSON verisi içerisinde rotalara ait mesafe, tahmini varış süresi ve rota içerisindeki adım sayısı bilgileri yer almaktadır. Tahmini varış süresi Google tarafından geçmiş bilgiler kullanılarak hesaplanmakta ve her zaman doğru sonucu göstermemektedir. Adım sayısı ise bir rota içerisindeki yer alan kavşakların ve ana yoldan tali yola veya tali yoldan ana yola çıkış sayılarının toplamını göstermektedir. Bu çalışmada mesafe, tahmini varış süresi ve adım sayısı bakımından minimum değerlere sahip olan rotanın en uygun rota olarak seçilmesi hedeflenmektedir. Ayrıca Google Direction servisi statik olarak çalışmakta ve seçilen bir rota yolda meydana gelen değişikliklere göre anlık olarak değişmemektedir. Yine bu çalışmada seçilen bir rotanın dinamik olarak yeniden hesaplanarak en uygun rotayı seçmesi sağlanmaktadır. 4
2.2 Android Proje kapsamında geliştirilen yöntemin üzerinde çalışabilmesi ve yöntem sonucunda elde edilen okul servis rotasını, servis sürücüsüne bildirmesi için navigasyon cihazı kadar küçük ve taşınabilir bir bilgisayara ihtiyaç duyulmaktadır. Her iki özelliği sağlaması açısından proje kapsamında geliştirilen yöntemlerin akıllı telefon ve tabletler üzerinde çalışacak şekilde olmasına karar verdik. Günümüzde akıllı telefonlar ve tabletler için farklı birtakım işletim bulunmaktadır. Hem açık kaynak kodlu hem de ücretsiz dağıtılmasından dolayı projemizi Android işletim sistemi kullanarak geliştirdik. Android işletim sistemi için programı geliştirirken Java programlama dilini kullandık. Ayrıca geliştirme ortamı olarak ise Android Studio 1.5.1 programını kullandık. Geliştirme aşamasında anlık olarak test yapmak için Android Studio içerisinde gelen akıllı telefon emülatörünü kullanmak mümkündür. Ayrıca Android Studio programı, Android işletim sistemine sahip bir telefonu USB üzerinden bağlayarak, test işlemlerini gerçek bir telefon üzerinde de yapılmasına da olanak sağlamaktadır. 3. Yöntem Proje kapsamında okul servislerinin izledikleri güzergah üzerindeki noktalar arasındaki rotaları dinamik bir şekilde değiştirerek sürücüyü bilgilendiren bir akıllı telefon uygulaması geliştirilmiştir. Yöntemde seçilen rotaların en kısa mesafe, en az süre ve en düşük adım sayısına sahip olacak seçilde olması sağlanmıştır. Geliştirilen yönteme ait akış şeması Şekil 2 de ana hatlarıyla yer almaktadır. Şekil 2. Geliştirilen yöntemin akış şeması Okul servisinin güzergâhı üzerinde yer alan öğrencileri alma noktaları ve okulun konumu hedef noktalar olarak tanımlanmıştır. Bu hedef noktalar programa bir liste veri yapısında önceden verilmektedir. Herhangi bir anda elde edilen konum o an gidilmesi gereken hedefe eşitse bir sonraki hedef listeden okunur. Eğer liste boşsa servis okula ulaşmış demektir ve program sonlanır. Liste boş 5
değilse listeden elde edilen yeni hedef ile şu anki konum arasındaki rotalara ait JSON verisi önceki bölümlerde anlatıldığı üzere Google Direction API servisi kullanılarak alınır. JSON verisi ayrıştıralarak konum ile hedef arasında kaç adet rota olduğu ve bu bu rotalara ait mesafe, süre ve adım bilgileri elde edilir. Bu bilgiler çok amaçlı optimizasyon fonksiyonundan geçirilerek o anki konum ve bir sonraki hedef için en uygun rota seçilir sürücüye bildirilir. 3.1 Çok amaçlı optimizasyona bağlı rota seçimi Geliştirilen yöntemde, kaynak ve hedef arasında uygun rota seçilirken üç amaç fonksiyonu göz önünde bulundurulmaktadır. Amaç I: Rotanın mesafesini minimize ederek (1), servisin trafikte daha az yol almasını sağlamak. Böylece hem yakıt tasarrufu sağlanmış olur hem de çevreye salınan zararlı gaz miktarı azaltılır. Amaç II: Rotanın süresini minimize ederek (2), servisin okula zamanında varmasını sağlamak. Amaç III: Rotanın içerisinde yer alan adım sayısını minimize ederek (3), olası trafik sıkışıklığını azaltmak. Konum ile hedef arasındaki olası rotaların sayısı r, bu rotalara ait mesafelerin kümesi m, süreler kümesi s ve adımlar kümesi a ile gösterilmek üzere optimizasyon modeli aşağıdaki gibidir: min(m) (1) min(s) (2) min(a) (3) Optimizasyon modeli uygulanarak, rota seçilmeden önce m, s ve a kümesi içerisindeki değerler (4) denklemi ile [0,1] aralığına normalize edilirler. y i = x i min (x) max (x) min (x) (4) Optimizasyon modelinde yer alan her üç amaç fonksiyonu da değerleri minimize etmesinden dolayı, seçilecek rotanın [0,0,0] noktasına en yakın nokta olması gerekmektedir. Koordinat düzleminde m, s ve a kümesi içerisindeki değerler ile gösterilen rotalardan [0,0,0] noktasına öklit uzaklığı minimum olan uygun rota olarak seçilir. 4. Bulgular ve Gerçekleştirme Bu bölümde bir önceki bölümde anlatılan yöntemin gerçekleştirme aşamaları anlatılmaktadır. Proje, Android Studio geliştirme ortamı kullanılarak geliştirilmiştir. Projede, kullanıcıya o anki konum ile hedef arasında seçilen rotanın harita üzerinde işaretlenerek gösterilmesi gerekmektedir. Bu sebepten dolayı, program ilk açıldığında ve daha sonraki adımlarda harita gösterecek şekilde sade bir arayüze sahiptir. 4.1 Haritada anlık konumun bulunması Şekil 3 te görüldüğü üzere Android SDK üzerinde tanımlı gelen GoogleApiClient sınıfından harita oluşturulur. Yine Android SDK içerisinden LocationManager sınıfına ait getlastknownlocation metodu kullanılarak o anki konum elde edilmektedir ve setmarker metodu ile haritada gösterilmektedir. 6
Şekil 3. Android üzerinde konum bulma ve haritada gösterme 4.2 Haritada konum ile hedef arasındaki rotaların elde edilmesi Rotaların elde edilmesi için daha önceki bölümlerde anlatıldığı üzere Google Direction API servisine HTTP üzerinden sorgu gönderilmesi gerekmektedir. Gönderilen sorgu sonucu elde edilen JSON verisi ayrıştırılarak rotalar hakkında bilgi edilebilmektedir. JSON verilerini ayrıştırma işleminin karmaşık olmasından dolayı, çevrimiçi JSON ayrıştırıcılar kullanılmış ve elde edilen veriler zamanı geldiğinde programa dışarıdan girdi olarak verilmiştir. 4.3 Optimizasyon modelinin kodlanması Şekil 4. Optimizasyon modelinin genel kodu Şekil 5. Normalizasyon fonksiyonu 7
Şekil 6. Öklid uzaklığı hesaplayan fonksiyon Şekil 7. Minimum uzaklığa sahip rotayı bulan fonksiyon 4.4 Rotanın harita üzerinde gösterilmesi Optimizasyona bağlı seçilen rotaya ait bilginin ekranda sürücüye gösterilmesi için Şekil 8 de gösterildiği gibi PolyLine sınıfına ait metotlar kullanılmaktadır. Şekil 8. Rotanın harita üzerinde çizilmesi Şekil 9 da projede gerçekleştirilen yöntemde iki nokta arasında seçilen optimum yolun harita üzerinde PolyLine kullanılarak çizilmesiyle elde edilen ve telefondan alınan ekran görüntüsü yer almaktadır. 8
Şekil 9. İki nokta arasında seçilen rotanın telefon üzerinde gösterilmesi 5. Sonuçlar ve Tartışma Geliştirilen projenin performansını ölçmek Şekil 10 da Google Map üzerinde gösterildiği gibi 10 farklı noktadan geçen bir servis güzergâhı hazırlanmıştır. Bu güzergâh üzerindeki noktalar kullanılarak günün farklı saatlerinde geliştirilen yöntem çalıştırılarak elde edilen sonuçlar yine aynı anda çalıştırılan Google Map servisi sonuçları ile karşılaştırılmıştır. Elde edilen sonuçlara bakıldığında bu projede geliştirilen yöntemin Google Map servisine göre bazı noktalarda farklı rotaları seçtiği görülmüştür. Trafiğin normal az ve normal yoğunlukta olduğu saatlerde, geliştirdiğimiz yöntem ve Google Map servisi hemen hemen aynı rotaları seçmiştir. Fakat trafik yoğunluğunun fazla olduğu saatlerde geliştirdiğimiz yöntem, Google Map servisinden farklı olarak mesafe ve adım bakımından daha kısa yolları seçme eğilimi göstermiştir. Google Map servisi ise geçmiş verileri kullandığından sadece sürenin en az olmasını beklediği yolu seçmiştir. 9
Şekil 10. Testlerde kullanılan güzergâh verisi Bir yöntemin diğer yöntemden daha iyi olduğunu söyleyebilmek için bu testler yetersizdir. Bu noktada yapılması gereken çok sayıda farklı güzergâhlar oluşturmak ve bu güzergâhların başlangıç noktalarına yerleştirilen iki aracın bitiş noktasına geliş sürelerini ölçmektir. Böylece çok sayıda test yapılarak yöntemler birbirleriyle daha iyi karşılaştırılabilirler. 6. Öneriler Bu projede akıllı telefonlar üzerinde kullanılabilecek, okul servisleri için dinamik ve optimizasyona bağlı uygun rota ataması yapan bir yöntem geliştirilmiştir. Bu projede geliştirilenlere ek olarak gelecek çalışmalarda yapılması planlananlar aşağıdaki gibidir. Sesli Kontrol: Kullanıcı telefonuna eliyle hiçbir şekilde temas etmeden sadece kullanıcının sesli emriyle programın kendisini açması ve gitmek istenen konumu ses ile alması eklenebilir. IOS desteği: Günümüzde kullanılan bir diğer popüler mobil işletim sistemi IOS dur. Bu sebeple projeye ios desteği gelmesi düşünülebilir. Geliştirilmiş Kullanıcı Arayüzü: Şu anda programın sahip olduğu görsel arayüzün arayüzü her kullanıcıya uygun olarak yeniden tasarlanabilir. Sadece Servisler Değil Tüm Araçlar İçin Optimize Edilmesi: Program geliştirilerek sadece okul servislerinin kullanımı için değil; ambulansların, itfaiyelerin ve hatta sivil araçların kullanımı için de uygun hale getirilebilir. Farklı Harita Veri Sağlayıcılarından Yeni Veriler Alınarak Yol Tariflerinin Doğruluklarının Sağlamlaştırılması: Microsoft, Yandex, Tom Tom gibi büyük harita veri sağlayacılarının da elde edilen verilerin projeye katılması ve rotaların bu verilerin harmanlanmasıyla oluşturulması 10
ile daha kararlı ve doğru yol tarifleri elde edilebilir. Kaynakça Android, https://www.android.com/son erişim tarihi: Ocak 2016. Android Studio, http://developer.android.com/tools/studio/index.html, Son erişim tarihi: Ocak, 2016. Google Map API, https://developers.google.com/maps/, Son erişim tarihi: Ocak, 2016. Google Map Directions API, https://developers.google.com/maps/documentation/directions7, Son erişim tarihi: Ocak, 2016. 11