一种最短路径规划导航方法及系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种最短路径规划导航方法，包括以下步骤：1、根据用户偏好为路径距离权值添加用户偏好权值，利用公式：M(n)＝P(n)+Q(n)*A对数据进行预处理，获得综合评估权值M(n)，2、选定用户需要经过的特殊节点，把特殊节点作为分割点，通过分割点把路网分成第一网络和第二网络，第一网络为从起始点到特殊节点之间的节点网络，第二网络为从特殊节点到终点之间的节点网络；3、将Dijkstra算法中的路径距离权值P(n)替换为步骤1中得到的综合评估权值M(n)，分别利用改进的Dijkstra算法对第一网络和第二网络进行最短路径计算，最终得到从起始点经过特殊节点到达终点的最短路径。
【专利说明】
一种最短路径规划导航方法及系统
技术领域
[0001] 本发明涉及路径规划导航领域，具体设计一种最短路径规划导航方法及系统。
【背景技术】
[0002] 路径规划导航具有准确性、时效性，同时与用户日常生活紧密相关，在用户出行、 搜救抢险以及科学研究等领域应用十分广泛，比如，路径规划技术可以应用在大型商场的 路线导航，便于用户找到一条从起始点到目的地的最短路径，极大地方便用户实际生活。在 路径规划中，路径规划算法是其重要部分，目前传统的Dijkstra算法，它适用于计算两点间 最短路径问题，是公认的路径规划中的经典算法之一。它建立在抽象网络模型上，把路段抽 象为网络中的边，把边的权值作为路段的距离，主要特点是以起始点为中心向外层层扩展， 直到扩展到终点为止。通过D i j k s t r a计算最短路径时，需要指定起始点s，从顶点s开始计 算。引进两个集合S和IS的作用是记录已求出最短路径的节点，U是记录还未求出最短路径 的节点。传统的D i j ks tra算法基本步骤如下：
[0003] (1)初始时，S集合中只包含起始点s ;U集合包含除s外的其他顶点，U中顶点的距离 为起点s始到该顶点的距离。（如果dPv不相邻，U中节点、点v的距离为(s，v)的长度;如果s 和v不相邻，则v的距离为-0。
[0004] (2)从集合U中选出距离最短的节点k，并将节点k添加到S中，同时，从U中移除节点 k〇
[0005] (3)重新计算U中各个节点到起始点s的距离。更新集合U中顶点的距离，是因为上 一步中确定了k是求出最短路径的节点，由此利用k来更新其它节点的距离，因为(s，v)的距 离可能大于(s，k) + (k，v)的距离。
[0006] (4)重复以上步骤(2)和(3)，直到遍历完所有节点，最后选择出一条从起始点到终 点的最短路径。
[0007 ]但是，传统的D i j k s t r a算法只得到从起始点到终点的最短路径，在实际的路径选 择问题中，仅仅考虑路径的长短因素是不够的，随着路径选择的多样化，一些影响路径选择 的因子有必要被研究。比如，在起始点到终点的沿途各路段中，出行者对各路段的偏好程度 不同，沿途中的一些特殊节点的选择问题。
[0008] 对于此类问题，传统的D i j ks tra算法无法完成，为此，本发明在D i j ks tra算法的基 础上，提出了 一种对路径规划中的实际问题进行综合评估的改进方法，对数据进行处理，得 到满足实际约束条件的最短路径并应用于实际的路径规划中，更贴近用户实际的路径规划 导航。
[0009] 中国发明专利"动态时变环境下寻求全局时间最优路径的方法"（授权公众号 CN103994768A)本发明公开了 一种动态时变环境下寻求全局时间最优路径的方法。该方法 包括:对环境状态信息的提取;对环境的空间建模;依据环境状态信息对环境进行时间划 分，即将时间轴划分为若干个时间间隔，并用时间消耗来表示各时间间隔的环境状态;运用 改进的A*算法对环境模型进行搜索以得到全局时间最优路径;通过引入权重达到多尺度路 径规划目的。本发明与它的区别在于本发明是在Dijkstra算法的基础上进行改进，而它是 运用改进的A*算法，同时本发明增加了实际路径规划中的约束条件，综合进行路径规划，更 贴近用户实际。
【发明内容】
[0010] 传统的Dijkstra算法把路径的长度作为权值，得到一条从起始点到终点的最短路 径，但是在实际的路径选择问题中，仅仅考虑路径的长短是不够的，随着路径选择的多样 化，一些影响路径选择的因素：比如，在起始点到终点的沿途各路段中，出行者对各路段的 偏好程度，沿途中的一些特殊节点的选择等，都是应当被考虑在内的问题。
[0011] 为了克服上述现有方法的不足，本发明提供了一种最短路径规划导航方法及系 统，更适应于实际路径规划导航。
[0012] 本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
[0013] -种最短路径规划导航方法，包括以下步骤：
[0014] 步骤S1:根据用户偏好为路径距离权值添加用户偏好权值，利用公式:M(n)=P(n) +Q(n)*A对路径距离权值P(n)和用户偏好权值Q(n)数据进行预处理，获得综合评估权值M (n)其中，A为用户偏好权值所占比重，n代表路径中的各个节点；
[0015] 步骤S2、选定用户需要经过的特殊节点，把特殊节点作为分割点，通过分割点把路 网分成第一网络和第二网络，第一网络为从起始点到特殊节点之间的节点网络，第二网络 为从特殊节点到终点之间的节点网络；
[0016] 步骤S3、将Dijkstra算法中的路径距离权值P(n)替换为步骤S1中得到的综合评估 权值M(n)，获得改进的Di jkstra算法，分别利用改进的Di jkstra算法对第一网络和第二网 络进行最短路径计算，最终得到从起始点经过特殊节点到达终点的最短路径。
[0017]进一步的，所述步骤S3中，分别利用改进的Di jkstra算法对第一网络和第二网络 分别进行最短路径计算，具体为分别计算从起始点到特殊节点的第一最短子路径和从特殊 节点到终点的第二最短子路径，综合第一最短子路径和第二最短子路径，得到从起始点经 过特殊节点到达终点的最短路径。
[0018] -种最短路径规划导航系统，包括以下模块：
[0019] 用户偏好权值添加模块，用于根据用户偏好为路径距离权值添加用户偏好权值， 利用公式:M(n)=P(n)+Q(n)*A对路径距离权值P(n)和用户偏好权值Q(n)数据进行预处理， 获得综合评估权值M(n)其中，A为用户偏好权值所占比重，n代表路径中的各个节点；
[0020] 网络分割模块，用于选定用户需要经过的特殊节点，把特殊节点作为分割点，通过 分割点把路网分成第一网络和第二网络，第一网络为从起始点到特殊节点之间的节点网 络，第二网络为从特殊节点到终点之间的节点网络；
[0021] 路径计算模块，用于将Dijkstra算法中的路径距离权值P(n)替换为步骤S1中得到 的综合评估权值M(n)，获得改进的Di jkstra算法，分别利用改进的Di jkstra算法对第一网 络和第二网络进行最短路径计算，最终得到从起始点经过特殊节点到达终点的最短路径。
[0022] 进一步的，所述路径计算模块包括第一网络计算单元、第一网络计算单元和综合 计算单元；
[0023] 所述第一网络计算单元用于计算从起始点到特殊节点的第一最短子路径；
[0024] 所述第二网络计算单元用于计算从特殊节点到终点的第二最短子路径；
[0025] 所述综合计算单元用于综合第一最短子路径和第二最短子路径，得到从起始点经 过特殊节点到达终点的最短路径。
[0026]本发明是在Di jkstra算法的基础上，提出了改进的Di jkstra算法，综合考虑路径 规划中的实际问题，生成满足实际约束条件的最短路径，应用于实际的路径规划。本发明所 采用的技术方案的要点如下：
[0027] 1.在传统的Di jkstra算法中，只有代表路径距离的权值，在改进的Di jkstra算法 中，引入公示:M(n)=P(n)+Q(n)*A，其中M(n)代表综合评估权值，P(n)代表路径距离权值，Q (n)代表用户喜好权值，A为用户偏好权值所占比重。
[0028]把路径距离和用户偏好两者结合考虑，避免了传统的Di jkstra算法的权重单一 性，综合评估权值由两项构成，并可以通过A值的设定，改变二者对最终路径选择的影响比 重。
[0029]用户偏好权值表示用户对各路径的偏好度，比如用户偏好拥挤度低、有电梯洗手 间等标志物的路径，用户偏好权值也是影响用户进行路径选择的重要因素。我们考虑路径 距离权值和用户偏好权值两者的综合影响，A为用户偏好权值相对于路径距离权值的所占 比重。当A等于1表示路径距离权值和用户偏好权值的比重相等，当A小于1，表示表示路径距 离权值比用户偏好权值的比重大，当A大于1，表示表示路径距离权值比用户偏好权值的比 重小。A值的设定可参考如下度量标准(其中aij代表A):
[0030] aij = l，表示元素i与元素j对上一层次因素的重要性相同；
[0031] aij = 3,表示元素i比元素j略重要；
[0032] aij = 5,表示元素i比元素j重要；
[0033] aij = 7,表示元素i比元素j重要得多；反之，若元素j比元素i重要，则aij分别为为 倒数 1/3,1/5,1/7,1/9。
[0034] 即aij的数值表示元素i的重要性与元素j的重要性的比值大小，aij值越大，表示 元素i与元素j相比的越重要，aij值越小，表示元素j与元素i相比的越重要。
[0035] 2.传统的Di jkstra算法求解最短路径，得到的是一条从起始点到终点的最短路 径，但是实际的路径规划问题中，用户往往会有一些想要必经的特殊节点，这时我们就要找 出一条经过特殊节点的最短路径。
[0036]在改进算法中为了考虑到用户选择的必经中间节点，我们把此节点作为分割点， 把路径网络分割为两个网络，分别求解从起始点到此节点的最短路径和从此节点到终点的 最短路径，最后得到从起始点经过此必经节点到达终点的最短路径。
[0037]本发明的有益效果是:本发明对传统的Di jkstra算法提出了改进，避免了传统的 Di jkstra算法仅仅考虑路径长短因素，得到从起始点到终点的最短路径，而本发明综合了 用户对各路段的偏好和沿途中特殊节点的选择问题，对此进行了改进，并把改进的算法应 用于实际路径规划中，得到满足实际约束条件的最短路径，解决了实际路径规划中的用户 偏好和特殊点选择问题，更贴近用户实际路径规划导航，具有广阔的应用场景。
【附图说明】
[0038]图1是本发明的添加用户偏好后的路径综合评估权值图；
[0039] 图2是本发明的经特殊节点进行网络分割前效果图；
[0040] 图3是本发明的经特殊节点进行网络分割后效果图；
[0041] 图4是本发明的整体实现过程中网络分割前的示意图；
[0042] 图5是本发明的整体实现过程中网络分割后的示意图。
【具体实施方式】
[0043]以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并 非用于限定本发明的范围。
[0044]在传统的Dijkstra算法中，只有代表路径距离的权值，如图1所示，在改进的 Di jkstra算法中，引入公式:1(11)=?(11)+(>)(11)私，其中1(11)代表综合评估权值，？(11)代表路 径距离权值，Q(n)代表用户偏好权值，A为用户偏好权值所占比重。把路径距离和用户偏好 两者结合考虑，避免了传统的Dijkstra算法的权重单一性，综合评估权值由两项构成，并可 以通过A值的设定，改变二者对最终路径选择的影响比重。
[0045] 图2是本发明的经特殊节点进行网络分割前效果图。传统的Dijkstra算法求解最 短路径，得到的是一条从起始点到终点的最短路径，但是实际的路径规划问题中，用户往往 会有一些想要必经的节点，这时我们就要找出一条经过特殊节点的最短路径。在改进算法 中为了考虑到用户选择的必经中间节点，我们把此节点作为分割点，把路径网络分割为两 个网络，分别求解从起始点到此节点的最短路径和从终点到此节点的最短路径，最后得到 从起始点经过此必经节点到达终点的最短路径。假定必经节点为5节点，把5节点作为网络 分割点，把图2网络分割成了如图3的两部分。把分割后的两网络分别用Di jkstra算法得到 两条最短路径，一条是从起始点到必经节点，一条是从必经节点到终点，最后综合两条路 径，得到一条从起始点经过必经节点到达终点的最短路径，这条最短路径即为经过必经节 点的最短路径。
[0046] 图4是本发明的整体实现过程图。首先我们对数据预处理，其中如果两节点不相 邻，则距离为0。有图可得路径权值和用户偏好权值的二维数组分别为：
[0050] 通过公式M(n)=P(n)+Q(n)*A，假定A=l，即路径距离权值和用户偏好权值所占比 重相等，我们得到综合评估权值M(n)为：
[0052]然后我们进行网络分割，假定2节点为必经中间节点，由此分割网络，如图5所示， 图中经必经节点2分割成两个网络，进而分别求得从起始点0到中间节点2的最短路径和从 中间节点2到终点5的最短路径，最后把两条路径连接，得到从起始点0经过中间必经节点2 到终点5的一条最短路径。
[0053]以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和 原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种最短路径规划导航方法，其特征在于，包括以下步骤： 步骤S1:根据用户偏好为路径距离权值添加用户偏好权值，利用公式:M(n)=P(n)+Q (n)*A对路径距离权值P(n)和用户偏好权值Q(n)数据进行预处理，获得综合评估权值M(n) 其中，A为用户偏好权值所占比重，η代表路径中的各个节点； 步骤S2、选定用户需要经过的特殊节点，把特殊节点作为分割点，通过分割点把路网分 成第一网络和第二网络，第一网络为从起始点到特殊节点之间的节点网络，第二网络为从 特殊节点到终点之间的节点网络； 步骤S3、将Dijkstra算法中的路径距离权值Ρ(η)替换为步骤S1中得到的综合评估权值 Μ(η)，获得改进的Di jkstra算法，分别利用改进的Di jkstra算法对第一网络和第二网络进 行最短路径计算，最终得到从起始点经过特殊节点到达终点的最短路径。2. 根据权利要求1所述的最短路径规划导航方法，其特征在于，所述步骤S3中，分别利 用改进的Di jkstra算法对第一网络和第二网络分别进行最短路径计算，具体为分别计算从 起始点到特殊节点的第一最短子路径和从特殊节点到终点的第二最短子路径，综合第一最 短子路径和第二最短子路径，得到从起始点经过特殊节点到达终点的最短路径。3. -种最短路径规划导航系统，其特征在于，包括以下模块： 用户偏好权值添加模块，用于根据用户偏好为路径距离权值添加用户偏好权值，利用 公式:M(n)=P(n)+Q(n)*A对路径距离权值P(n)和用户偏好权值Q(n)数据进行预处理，获得 综合评估权值M(n)其中，A为用户偏好权值所占比重，η代表路径中的各个节点； 网络分割模块，用于选定用户需要经过的特殊节点，把特殊节点作为分割点，通过分割 点把路网分成第一网络和第二网络，第一网络为从起始点到特殊节点之间的节点网络，第 二网络为从特殊节点到终点之间的节点网络； 路径计算模块，用于将Di jkstra算法中的路径距离权值Ρ(η)替换为步骤S1中得到的综 合评估权值Μ(η)，获得改进的Di jkstra算法，分别利用改进的Di jkstra算法对第一网络和 第二网络进行最短路径计算，最终得到从起始点经过特殊节点到达终点的最短路径。4. 根据权利要求3所述的最短路径规划导航系统，其特征在于，所述路径计算模块包括 第一网络计算单元、第一网络计算单元和综合计算单元； 所述第一网络计算单元用于计算从起始点到特殊节点的第一最短子路径； 所述第二网络计算单元用于计算从特殊节点到终点的第二最短子路径； 所述综合计算单元用于综合第一最短子路径和第二最短子路径，得到从起始点经过特 殊节点到达终点的最短路径。
【文档编号】G01C21/36GK106052692SQ201610340524
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年5月20日
【发明人】王瑾, 张睿, 吴让仲, 张晓锋
【申请人】中国地质大学（武汉）