一種基于道路等級的最短路徑規(guī)劃算法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于道路等級的最短路徑規(guī)劃算法，包括如下步驟：步驟1，數(shù)據(jù)準備與數(shù)據(jù)預(yù)處理；步驟2，道路網(wǎng)層次化表達包括道路網(wǎng)級別劃分和基于道路等級的層次化表達；步驟3，路網(wǎng)通行時間計算；步驟4，最短路徑近似計算。本專利所提出的基于道路等級最短路徑方法經(jīng)過大量實驗驗證，充分考慮不同等級道路的通行能力，以通行時間為判斷標準，計算方法比較通用，結(jié)果更精確，在應(yīng)急救援中，如果通過道路檢測信息能排除道路網(wǎng)中故障路段，通過獲取交通流量計算實時通行速度，規(guī)劃結(jié)果更準確。
【專利說明】一種基于道路等級的最短路徑規(guī)劃算法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬計算機科學(xué)與地理信息科學(xué)領(lǐng)域，涉及一種基于道路等級的最短路徑規(guī) 劃算法。

【背景技術(shù)】
[0002] 最短路徑的計算問題是一個經(jīng)典的問題，一個最實際的應(yīng)用就是在道路網(wǎng)絡(luò)中 進行路徑分析，如在給定的道路網(wǎng)中，尋找起點到目標點的最佳路徑問題。當前最短路徑 分析方法從算法的可實現(xiàn)性以及穩(wěn)定性來講，可以概括為兩類：一類是充分利用最短路徑 在道路網(wǎng)中的空間相關(guān)性，把道路網(wǎng)中的最短路徑壓縮成為簡單的格式，這樣可以大幅度 提高查詢效率，這種方法比較有代表性的是H. Samet和J. Sankaranarayanan等人提出的 SILC(SpatialIy Induced Linkage Cognizance)改進算法，以及 J. Sankaranarayanan等人 提出的PCPD(Path-Coherent Pairs Decomposition)算法；另外一種方法是基于道路網(wǎng)中 某些節(jié)點對最短路徑查詢的重要性，然后以Dijkstra算法為基礎(chǔ)進行改進。雖然當前已有 根據(jù)此提出的一些新的算法，但是這些算法并不是很有效。對于第一類方法需要計算道路 結(jié)點所構(gòu)建的不同道路之間的關(guān)聯(lián)性，從而進行替代計算，算法復(fù)雜，計算量大。因此，第二 類方法較為常用，但是現(xiàn)有研究往往只考慮道路結(jié)點權(quán)重，但是未考慮不同道路等級以及 在不同道路等級下對最短時間的限制，因此研究一種結(jié)合道路等級以及道路等級約束下最 短時間的新算法是非常有必要的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 鑒于此，本發(fā)明提出一種基于道路等級的最短路徑規(guī)劃算法，在傳統(tǒng)最短路徑規(guī) 劃的基礎(chǔ)上，充分考慮道路通行能力，通過道路等級實現(xiàn)道路層次化表達，與此同時，采用 時間成本變量代替距離變量，通過計算最短通行時間規(guī)劃最佳救援路徑。
[0004] 一種基于道路等級的最短路徑規(guī)劃算法，包括如下步驟：
[0005] 步驟1，數(shù)據(jù)準備與數(shù)據(jù)預(yù)處理，
[0006] 所述數(shù)據(jù)準備是通過GPS導(dǎo)航獲取道路網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過交通部門獲取道路單行線信 息數(shù)據(jù)，以及通過網(wǎng)絡(luò)查詢獲取每個道路等級的最大通行速度數(shù)據(jù)，其中，
[0007] 所述道路網(wǎng)數(shù)據(jù)包括道路名稱、道路等級和道路節(jié)點坐標，將所述道路網(wǎng)數(shù)據(jù)以 shape格式存儲；所述道路單行線信息數(shù)據(jù)包括道路名稱、道路起點、道路終點和道路單行 方向，所述道路等級的最大通行速度數(shù)據(jù)包括道路名稱、道路等級和最大通行車速，將所述 道路單行線信息數(shù)據(jù)和道路等級的最大通行速度數(shù)據(jù)以dbf格式存儲。Shap e文件格式是 一種矢量數(shù)據(jù)格式，它沒有拓撲信息，一個Shape files由一組文件組成，其中必要的基本文 件包括坐標文件（.shp)、索引文件（.shx)和屬性文件（.dbf)三個文件；dbf格式存儲為一 種特殊的文件格式，表示數(shù)據(jù)庫文件，F(xiàn)oxbase，Dbase，Visual FoxPro等數(shù)據(jù)庫處理系統(tǒng)所 產(chǎn)生的數(shù)據(jù)庫文件。
[0008] 所述數(shù)據(jù)預(yù)處理包括道路數(shù)據(jù)通行方向處理和道路數(shù)據(jù)節(jié)點信息處理，其中，
[0009] 所述道路數(shù)據(jù)通行方向處理是將道路單行方向分為正向和逆向兩種，在道路網(wǎng) shape屬性表中增加正向和逆向字段，用二值0和1分別表示道路在該方向不通行或通行， 用所述0和1對所述道路單行方向進行賦值，得到處理后的道路單行方向數(shù)據(jù)；
[0010] 所述道路數(shù)據(jù)節(jié)點信息處理方法為：當兩條道路相交且通車時，在相交處增加節(jié) 點，增加道路節(jié)點坐標，原來兩條道路變成四條道路，當兩條道路相交但不通車時，道路節(jié) 點坐標保持不變，通過所述道路數(shù)據(jù)節(jié)點信息處理得到處理后的道路節(jié)點坐標；
[0011] 步驟2,對步驟1中獲取的道路網(wǎng)數(shù)據(jù)中的道路等級進行劃分，劃分后的道路等級 分為：公路、城市道路和鄉(xiāng)村道路，其中，
[0012] 公路劃分為高速公路、一級公路、二級公路、三級公路和四級公路，城市道路劃分 為快速路、主干路、次干路和支路，鄉(xiāng)村道路劃分為農(nóng)村硬化道路、機耕路和鄉(xiāng)村路；
[0013] 將所述劃分后的道路等級進行層次化表達，將道路視為由連接邊和節(jié)點組成的網(wǎng) 狀圖形，如果每個節(jié)點與其聯(lián)通的節(jié)點間的道路是通行的，那么記錄所述每個節(jié)點和其聯(lián) 通的節(jié)點，同時記錄所述每個節(jié)點與其聯(lián)通的節(jié)點間的連接邊，得到聯(lián)通的兩節(jié)點間的連 接邊數(shù)據(jù)；
[0014] 步驟3,基于步驟2中的節(jié)點及聯(lián)通的兩節(jié)點間的連接邊數(shù)據(jù)，利用距離公式根據(jù) 道路節(jié)點坐標計算每個道路段的距離，其中聯(lián)通的兩節(jié)點間通行的道路是一條以上的，計 算不同道路段的距離，利用獲得的所述距離、所述道路的最大通行車速求出兩聯(lián)通的節(jié)點 間不同道路的通行時間，比較所述不同道路的通行時間得出聯(lián)通的兩節(jié)點間的最短通行時 間；
[0015] 步驟4,基于步驟1-3處理后得到的道路單行方向數(shù)據(jù)、道路節(jié)點坐標、聯(lián)通的兩 節(jié)點間的連接邊數(shù)據(jù)、聯(lián)通的兩節(jié)點間的最短通行時間，列出從起始節(jié)點到終點所有連接 情況，規(guī)定時間最短的方案視為最短路徑的方案，任意兩節(jié)點間最短路徑計算方法為：
[0016] 設(shè)道路網(wǎng)中存在節(jié)點集合S= I^S1, S2, S3，…SJ，從起始節(jié)點O到終點Si (i Gn) 最短路徑計算方法如下：
[0017] 4. 1、找到起始節(jié)點〇的聯(lián)通的節(jié)點集合0 = Io1, 〇2, O3…〇j...om},其中，0[S;
[0018] 4. 2、判斷集合0是否為空，若是，則結(jié)束，從起始節(jié)點〇無法到達終點Si,若否，則 執(zhí)行步驟4. 3 ;
[0019] 4. 3、記錄起始節(jié)點〇到所有聯(lián)通的節(jié)點的路徑、時間、剩余聯(lián)通的節(jié)點和總剩余 節(jié)點，將結(jié)果記錄到集合N中并執(zhí)行步驟4. 4,集合N結(jié)果如下：

【權(quán)利要求】
1. 一種基于道路等級的最短路徑規(guī)劃算法，其特征在于，包括如下步驟： 步驟1，數(shù)據(jù)準備與數(shù)據(jù)預(yù)處理， 所述數(shù)據(jù)準備是通過GPS導(dǎo)航獲取道路網(wǎng)數(shù)據(jù)，通過交通部門獲取道路單行線信息數(shù) 據(jù)，以及通過網(wǎng)絡(luò)查詢獲取每個道路等級的最大通行速度數(shù)據(jù)，其中， 所述道路網(wǎng)數(shù)據(jù)包括道路名稱、道路等級和道路節(jié)點坐標，將所述道路網(wǎng)數(shù)據(jù)以shape格式存儲；所述道路單行線信息數(shù)據(jù)包括道路名稱、道路起點、道路終點和道路單行方向， 所述道路等級的最大通行速度數(shù)據(jù)包括道路名稱、道路等級和最大通行車速，將所述道路 單行線信息數(shù)據(jù)和道路等級的最大通行速度數(shù)據(jù)以dbf格式存儲； 所述數(shù)據(jù)預(yù)處理包括道路數(shù)據(jù)通行方向處理和道路數(shù)據(jù)節(jié)點信息處理，其中， 所述道路數(shù)據(jù)通行方向處理是將道路單行方向分為正向和逆向兩種，在道路網(wǎng)shape屬性表中增加正向和逆向字段，用二值〇和1分別表示道路在該方向不通行或通行，用所述 〇和1對所述道路單行方向進行賦值，得到處理后的道路單行方向數(shù)據(jù)； 所述道路數(shù)據(jù)節(jié)點信息處理的方法為：當兩條道路相交且通車時，在相交處增加節(jié)點， 增加道路節(jié)點坐標，原來兩條道路變成四條道路，當兩條道路相交但不通車時，道路節(jié)點坐 標保持不變，通過所述道路數(shù)據(jù)節(jié)點信息處理得到處理后的道路節(jié)點坐標； 步驟2,對步驟1中獲取的道路網(wǎng)數(shù)據(jù)中的道路等級進行劃分，劃分后的道路等級分 為：公路、城市道路和鄉(xiāng)村道路，其中， 公路劃分為高速公路、一級公路、二級公路、三級公路和四級公路，城市道路劃分為快 速路、主干路、次干路和支路，鄉(xiāng)村道路劃分為農(nóng)村硬化道路、機耕路和鄉(xiāng)村路； 將所述劃分后的道路等級進行層次化表達，將道路視為由連接邊和節(jié)點組成的網(wǎng)狀圖 形，如果每個節(jié)點與其聯(lián)通的節(jié)點間的道路是通行的，那么記錄所述每個節(jié)點和其聯(lián)通的 節(jié)點，同時記錄所述每個節(jié)點與其聯(lián)通的節(jié)點間的連接邊，得到聯(lián)通的兩節(jié)點間的連接邊 數(shù)據(jù)； 步驟3,基于步驟2中的節(jié)點及聯(lián)通的兩節(jié)點間的連接邊數(shù)據(jù)，利用距離公式根據(jù)道路 節(jié)點坐標計算每個道路段的距離，其中聯(lián)通的兩節(jié)點間通行的道路是一條以上的，計算不 同道路段的距離，利用獲得的所述距離、所述道路的最大通行車速求出兩聯(lián)通的節(jié)點間不 同道路的通行時間，比較所述不同道路的通行時間得出聯(lián)通的兩節(jié)點間的最短通行時間； 步驟4,基于步驟1-3處理后得到的道路單行方向數(shù)據(jù)、道路節(jié)點坐標、聯(lián)通的兩節(jié)點 間的連接邊數(shù)據(jù)、聯(lián)通的兩節(jié)點間的最短通行時間，列出從起始節(jié)點到終點所有連接情況， 規(guī)定時間最短的方案視為最短路徑的方案，任意兩節(jié)點間最短路徑計算方法為： 設(shè)道路網(wǎng)中存在節(jié)點集合S= {〇,&，S2,S3，…SJ，從起始節(jié)點〇到終點Si(iGn)最 短路徑計算方法如下： 4. 1、找到起始節(jié)點〇的聯(lián)通的節(jié)點集合0 = {Oi, 〇2, 〇3…o/"om},其中，O^S; 4. 2、判斷集合0是否為空，若是，則結(jié)束，從起始節(jié)點〇無法到達終點Sp若否，則執(zhí)行 步驟4. 3 ; 4. 3、記錄起始節(jié)點〇到所有聯(lián)通的節(jié)點的路徑、時間、剩余聯(lián)通的節(jié)點和總剩余節(jié)點， 將結(jié)果記錄到集合N中并執(zhí)行步驟4. 4,集合N結(jié)果如下：
其中，j代表記錄ID號；〇-%代表通行路徑；％代表該條路徑的結(jié)束節(jié)點；tj代表該條路徑的最短通行時間，該條路徑為兩個以上節(jié)點組成的通行路徑；
?.表示起始節(jié)點〇的剩余聯(lián)通的節(jié)點：
表 示集合S中除起始節(jié)點〇和結(jié)束節(jié)點〇j外的剩余節(jié)點； 4. 4、判斷上述集合N中的結(jié)束節(jié)點％是否為終點Sp如果結(jié)束節(jié)點％為終點Si，則將 所述通行路徑和該路徑的通行時間記錄到路徑集合M中，并在集合N中刪除該條記錄，如果 結(jié)束節(jié)點％不為終點Sp則集合N保持不變，判斷結(jié)束后執(zhí)行步驟4. 5 ; 4. 5、判斷步驟4. 4中得到的集合N是否為空，若集合N不為空，則將記錄的結(jié)束節(jié)點oj 賦值給步驟1中的起始節(jié)點〇,剩余節(jié)點集合
賦值給集合S，找出與賦值后 的起始節(jié)點〇」聯(lián)通的節(jié)點集合〇'，執(zhí)行步驟4. 6 ;若集合N為空，執(zhí)行步驟4. 7 ; 4. 6、判斷集合0'是否為空，若集合0'為空，則在集合N中刪除該條記錄，并執(zhí)行步驟 4. 5 ;若集合0'不為空，則執(zhí)行步驟4. 3 ; 4. 7、在路徑集合M中，選出消耗時間最短的記錄，則該條路徑為最短路徑。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于道路等級的最短路徑規(guī)劃算法，其特征在于，在步 驟1中，所述道路單行方向由道路走向決定，規(guī)定道路走向分為五種：東一西、南一北、北 東一南西、北西一南東和環(huán)狀，前四種道路偏移角度以±22. 5°為分界線，規(guī)定西向東、北 向南、南西向北東、北西向南東以及環(huán)狀順時針為正向，東向西、南向北、北東向南西、南東 向北西以及環(huán)狀逆時針為逆向。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于道路等級的最短路徑規(guī)劃算法，其特征在于，在步 驟2中，所述節(jié)點與其聯(lián)通的節(jié)點間的連接邊的記錄順序由劃分后的道路等級確定，對于 節(jié)點和聯(lián)通的節(jié)點間具有一條以上連接邊的情況，連接邊書寫依據(jù)從左往右連接邊對應(yīng)的 道路等級依次降低的順序。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于道路等級的最短路徑規(guī)劃算法，其特征在于，在步 驟3中，所述道路的最大通行車速根據(jù)道路等級劃分限定。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于道路等級的最短路徑規(guī)劃算法，其特征在于，在步 驟3中，所述的節(jié)點坐標是從GPS導(dǎo)航數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換shape格式后的數(shù)據(jù)中獲取的。
【文檔編號】G01C21/20GK104406590SQ201410697096
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年11月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月26日
【發(fā)明者】趙陽陽, 張福浩, 石麗紅, 仇阿根, 陶坤旺, 胡璐錦, 張章, 張衛(wèi)平 申請人:中國測繪科學(xué)研究院