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)預處理；步驟2，道路網層次化表達包括道路網級別劃分和基于道路等級的層次化表達；步驟3，路網通行時間計算；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，結果更精確，在應急救援中，如果通過道路檢測信息能排除道路網中故障路段，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

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

【背景技術】
[0002] 最短路徑的計算問題是一個經典的問題，一個最實際的應用就是在道路網絡中 進行路徑分析，如在給定的道路網中，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 在道路網中的空間相關性，把道路網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 結點所構建的不同道路之間的關聯(lián)性，從而進行替代計算，算法復雜，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點權重，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)預處理，
[0006] 所述數(shù)據(jù)準備是通過GPS導航獲取道路網數(shù)據(jù)，通過交通部門獲取道路單行線信 息數(shù)據(jù)，以及通過網絡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 產生的數(shù)據(jù)庫文件。
[0008] 所述數(shù)據(jù)預處理包括道路數(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 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 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] 設道路網中存在節(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，將結果記錄到集合N中并執(zhí)行步驟4. 4,集合N結果如下：

【權利要求】
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)預處理， 所述數(shù)據(jù)準備是通過GPS導航獲取道路網數(shù)據(jù)，通過交通部門獲取道路單行線信息數(shù) 據(jù)，以及通過網絡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： 設道路網中存在節(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， 將結果記錄到集合N中并執(zhí)行步驟4. 4,集合N結果如下：
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中的結束節(jié)點％是否為終點Sp如果結束節(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 結束節(jié)點％不為終點Sp則集合N保持不變，判斷結束后執(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的 道路等級依次降低的順序。
4. 根據(jù)權利要求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導航數(shù)據(jù)轉換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:中國測繪科學研究院