一种基于道路等级的最短路径规划算法
【专利摘要】本发明涉及一种基于道路等级的最短路径规划算法，包括如下步骤：步骤1，数据准备与数据预处理；步骤2，道路网层次化表达包括道路网级别划分和基于道路等级的层次化表达；步骤3，路网通行时间计算；步骤4，最短路径近似计算。本专利所提出的基于道路等级最短路径方法经过大量实验验证，充分考虑不同等级道路的通行能力，以通行时间为判断标准，计算方法比较通用，结果更精确，在应急救援中，如果通过道路检测信息能排除道路网中故障路段，通过获取交通流量计算实时通行速度，规划结果更准确。
【专利说明】一种基于道路等级的最短路径规划算法
【技术领域】
[0001] 本发明属计算机科学与地理信息科学领域，涉及一种基于道路等级的最短路径规 划算法。
【背景技术】
[0002] 最短路径的计算问题是一个经典的问题，一个最实际的应用就是在道路网络中 进行路径分析，如在给定的道路网中，寻找起点到目标点的最佳路径问题。当前最短路径 分析方法从算法的可实现性以及稳定性来讲，可以概括为两类：一类是充分利用最短路径 在道路网中的空间相关性，把道路网中的最短路径压缩成为简单的格式，这样可以大幅度 提高查询效率，这种方法比较有代表性的是H. Samet和J. Sankaranarayanan等人提出的 SILC(SpatialIy Induced Linkage Cognizance)改进算法，以及 J. Sankaranarayanan等人 提出的PCPD(Path-Coherent Pairs Decomposition)算法；另外一种方法是基于道路网中 某些节点对最短路径查询的重要性，然后以Dijkstra算法为基础进行改进。虽然当前已有 根据此提出的一些新的算法，但是这些算法并不是很有效。对于第一类方法需要计算道路 结点所构建的不同道路之间的关联性，从而进行替代计算，算法复杂，计算量大。因此，第二 类方法较为常用，但是现有研究往往只考虑道路结点权重，但是未考虑不同道路等级以及 在不同道路等级下对最短时间的限制，因此研究一种结合道路等级以及道路等级约束下最 短时间的新算法是非常有必要的。
【发明内容】
[0003] 鉴于此，本发明提出一种基于道路等级的最短路径规划算法，在传统最短路径规 划的基础上，充分考虑道路通行能力，通过道路等级实现道路层次化表达，与此同时，采用 时间成本变量代替距离变量，通过计算最短通行时间规划最佳救援路径。
[0004] 一种基于道路等级的最短路径规划算法，包括如下步骤：
[0005] 步骤1，数据准备与数据预处理，
[0006] 所述数据准备是通过GPS导航获取道路网数据，通过交通部门获取道路单行线信 息数据，以及通过网络查询获取每个道路等级的最大通行速度数据，其中，
[0007] 所述道路网数据包括道路名称、道路等级和道路节点坐标，将所述道路网数据以 shape格式存储；所述道路单行线信息数据包括道路名称、道路起点、道路终点和道路单行 方向，所述道路等级的最大通行速度数据包括道路名称、道路等级和最大通行车速，将所述 道路单行线信息数据和道路等级的最大通行速度数据以dbf格式存储。Shap e文件格式是 一种矢量数据格式，它没有拓扑信息，一个Shape files由一组文件组成，其中必要的基本文 件包括坐标文件（.shp)、索引文件（.shx)和属性文件（.dbf)三个文件；dbf格式存储为一 种特殊的文件格式，表示数据库文件，Foxbase，Dbase，Visual FoxPro等数据库处理系统所 产生的数据库文件。
[0008] 所述数据预处理包括道路数据通行方向处理和道路数据节点信息处理，其中，
[0009] 所述道路数据通行方向处理是将道路单行方向分为正向和逆向两种，在道路网 shape属性表中增加正向和逆向字段，用二值0和1分别表示道路在该方向不通行或通行， 用所述0和1对所述道路单行方向进行赋值，得到处理后的道路单行方向数据；
[0010] 所述道路数据节点信息处理方法为：当两条道路相交且通车时，在相交处增加节 点，增加道路节点坐标，原来两条道路变成四条道路，当两条道路相交但不通车时，道路节 点坐标保持不变，通过所述道路数据节点信息处理得到处理后的道路节点坐标；
[0011] 步骤2,对步骤1中获取的道路网数据中的道路等级进行划分，划分后的道路等级 分为：公路、城市道路和乡村道路，其中，
[0012] 公路划分为高速公路、一级公路、二级公路、三级公路和四级公路，城市道路划分 为快速路、主干路、次干路和支路，乡村道路划分为农村硬化道路、机耕路和乡村路；
[0013] 将所述划分后的道路等级进行层次化表达，将道路视为由连接边和节点组成的网 状图形，如果每个节点与其联通的节点间的道路是通行的，那么记录所述每个节点和其联 通的节点，同时记录所述每个节点与其联通的节点间的连接边，得到联通的两节点间的连 接边数据；
[0014] 步骤3,基于步骤2中的节点及联通的两节点间的连接边数据，利用距离公式根据 道路节点坐标计算每个道路段的距离，其中联通的两节点间通行的道路是一条以上的，计 算不同道路段的距离，利用获得的所述距离、所述道路的最大通行车速求出两联通的节点 间不同道路的通行时间，比较所述不同道路的通行时间得出联通的两节点间的最短通行时 间；
[0015] 步骤4,基于步骤1-3处理后得到的道路单行方向数据、道路节点坐标、联通的两 节点间的连接边数据、联通的两节点间的最短通行时间，列出从起始节点到终点所有连接 情况，规定时间最短的方案视为最短路径的方案，任意两节点间最短路径计算方法为：
[0016] 设道路网中存在节点集合S= I^S1, S2, S3，…SJ，从起始节点O到终点Si (i Gn) 最短路径计算方法如下：
[0017] 4. 1、找到起始节点〇的联通的节点集合0 = Io1, 〇2, O3…〇j...om},其中，0[S;
[0018] 4. 2、判断集合0是否为空，若是，则结束，从起始节点〇无法到达终点Si,若否，则 执行步骤4. 3 ;
[0019] 4. 3、记录起始节点〇到所有联通的节点的路径、时间、剩余联通的节点和总剩余 节点，将结果记录到集合N中并执行步骤4. 4,集合N结果如下：
【权利要求】
1. 一种基于道路等级的最短路径规划算法，其特征在于，包括如下步骤： 步骤1，数据准备与数据预处理， 所述数据准备是通过GPS导航获取道路网数据，通过交通部门获取道路单行线信息数 据，以及通过网络查询获取每个道路等级的最大通行速度数据，其中， 所述道路网数据包括道路名称、道路等级和道路节点坐标，将所述道路网数据以shape格式存储；所述道路单行线信息数据包括道路名称、道路起点、道路终点和道路单行方向， 所述道路等级的最大通行速度数据包括道路名称、道路等级和最大通行车速，将所述道路 单行线信息数据和道路等级的最大通行速度数据以dbf格式存储； 所述数据预处理包括道路数据通行方向处理和道路数据节点信息处理，其中， 所述道路数据通行方向处理是将道路单行方向分为正向和逆向两种，在道路网shape属性表中增加正向和逆向字段，用二值〇和1分别表示道路在该方向不通行或通行，用所述 〇和1对所述道路单行方向进行赋值，得到处理后的道路单行方向数据； 所述道路数据节点信息处理的方法为：当两条道路相交且通车时，在相交处增加节点， 增加道路节点坐标，原来两条道路变成四条道路，当两条道路相交但不通车时，道路节点坐 标保持不变，通过所述道路数据节点信息处理得到处理后的道路节点坐标； 步骤2,对步骤1中获取的道路网数据中的道路等级进行划分，划分后的道路等级分 为：公路、城市道路和乡村道路，其中， 公路划分为高速公路、一级公路、二级公路、三级公路和四级公路，城市道路划分为快 速路、主干路、次干路和支路，乡村道路划分为农村硬化道路、机耕路和乡村路； 将所述划分后的道路等级进行层次化表达，将道路视为由连接边和节点组成的网状图 形，如果每个节点与其联通的节点间的道路是通行的，那么记录所述每个节点和其联通的 节点，同时记录所述每个节点与其联通的节点间的连接边，得到联通的两节点间的连接边 数据； 步骤3,基于步骤2中的节点及联通的两节点间的连接边数据，利用距离公式根据道路 节点坐标计算每个道路段的距离，其中联通的两节点间通行的道路是一条以上的，计算不 同道路段的距离，利用获得的所述距离、所述道路的最大通行车速求出两联通的节点间不 同道路的通行时间，比较所述不同道路的通行时间得出联通的两节点间的最短通行时间； 步骤4,基于步骤1-3处理后得到的道路单行方向数据、道路节点坐标、联通的两节点 间的连接边数据、联通的两节点间的最短通行时间，列出从起始节点到终点所有连接情况， 规定时间最短的方案视为最短路径的方案，任意两节点间最短路径计算方法为： 设道路网中存在节点集合S= {〇,&，S2,S3，…SJ，从起始节点〇到终点Si(iGn)最 短路径计算方法如下： 4. 1、找到起始节点〇的联通的节点集合0 = {Oi, 〇2, 〇3…o/"om},其中，O^S; 4. 2、判断集合0是否为空，若是，则结束，从起始节点〇无法到达终点Sp若否，则执行 步骤4. 3 ; 4. 3、记录起始节点〇到所有联通的节点的路径、时间、剩余联通的节点和总剩余节点， 将结果记录到集合N中并执行步骤4. 4,集合N结果如下：
其中，j代表记录ID号；〇-%代表通行路径；％代表该条路径的结束节点；tj代表该条路径的最短通行时间，该条路径为两个以上节点组成的通行路径；
?.表示起始节点〇的剩余联通的节点：
表 示集合S中除起始节点〇和结束节点〇j外的剩余节点； 4. 4、判断上述集合N中的结束节点％是否为终点Sp如果结束节点％为终点Si，则将 所述通行路径和该路径的通行时间记录到路径集合M中，并在集合N中删除该条记录，如果 结束节点％不为终点Sp则集合N保持不变，判断结束后执行步骤4. 5 ; 4. 5、判断步骤4. 4中得到的集合N是否为空，若集合N不为空，则将记录的结束节点oj 赋值给步骤1中的起始节点〇,剩余节点集合
赋值给集合S，找出与赋值后 的起始节点〇」联通的节点集合〇'，执行步骤4. 6 ;若集合N为空，执行步骤4. 7 ; 4. 6、判断集合0'是否为空，若集合0'为空，则在集合N中删除该条记录，并执行步骤 4. 5 ;若集合0'不为空，则执行步骤4. 3 ; 4. 7、在路径集合M中，选出消耗时间最短的记录，则该条路径为最短路径。
2. 根据权利要求1所述的一种基于道路等级的最短路径规划算法，其特征在于，在步 骤1中，所述道路单行方向由道路走向决定，规定道路走向分为五种：东一西、南一北、北 东一南西、北西一南东和环状，前四种道路偏移角度以±22. 5°为分界线，规定西向东、北 向南、南西向北东、北西向南东以及环状顺时针为正向，东向西、南向北、北东向南西、南东 向北西以及环状逆时针为逆向。
3. 根据权利要求1所述的一种基于道路等级的最短路径规划算法，其特征在于，在步 骤2中，所述节点与其联通的节点间的连接边的记录顺序由划分后的道路等级确定，对于 节点和联通的节点间具有一条以上连接边的情况，连接边书写依据从左往右连接边对应的 道路等级依次降低的顺序。
4. 根据权利要求1所述的一种基于道路等级的最短路径规划算法，其特征在于，在步 骤3中，所述道路的最大通行车速根据道路等级划分限定。
5. 根据权利要求1所述的一种基于道路等级的最短路径规划算法，其特征在于，在步 骤3中，所述的节点坐标是从GPS导航数据转换shape格式后的数据中获取的。
【文档编号】G01C21/20GK104406590SQ201410697096
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2014年11月26日 优先权日:2014年11月26日
【发明者】赵阳阳, 张福浩, 石丽红, 仇阿根, 陶坤旺, 胡璐锦, 张章, 张卫平 申请人:中国测绘科学研究院