一种电子地图高效寻路的道路连接逻辑化方法及应用
【专利摘要】本发明涉及一种电子地图高效寻路的道路连接逻辑化方法，其步骤：根据给定中心结点提取与中心结点直接相连的结点集合；判定经过中心结点的物理辅连接是否为最优辅连接，从而判断是否添加逻辑直连；判断从入结点经过中心结点至出结点的连接是否为最优辅连接，在考虑路口转弯代价的情况下，对于所有的入结点入接口和出结点出接口而言，任意一个搭配出现连通总代价小于旁通总代价时，即需要在入结点和出结点之间添加逻辑直连，得到直连接口矩阵；而如果经过中心结点的物理辅连接不是最优辅连接，将其视为无效间连，最终得到所有无效接口的索引构成的向量；以路网中其他结点为中心结点，按照结点权重提供的处理次序确定当前中心结点，重复上述过程，直至路网的所有结点完成逻辑化。
【专利说明】
一种电子地图高效寻路的道路连接逻辑化方法及应用
技术领域
[0001]本发明涉及一种车载电子导航领域，特别是关于一种用于组织与构建电子地图中与寻路相关拓扑信息的电子地图高效寻路的道路连接逻辑化方法及应用。【背景技术】
[0002]随着路网规模逐渐增大、道路连通关系日益复杂、路网分布地区性差异变大，电子地图在局部地区的信息量逐步变大，结构也变得越来越复杂;另一方面，随着电子地图技术的不断发展，电子地图中的道路与结点所承载的信息也越来越丰富。电子地图信息量的增加会导致车载导航路网中与寻路相关的拓扑信息数据量增加，使得现有寻路算法的快速性与最优性下降；另外，路网的区域性恶化，大量非城市区域表达的路网中仅包含极少量高等级道路，使得远距离寻路过程存在大量对结果影响很小的拓展，影响寻路整体效果。
[0003]综上所述，如何组织和使用这些与寻路相关的拓扑信息成为提升寻路性能的关键因素。
【发明内容】
[0004]针对上述问题，本发明的目的是提供一种电子地图高效寻路的道路连接逻辑化方法及应用，通过对电子地图中与寻路相关的拓扑信息的组织与构建，减少寻路算法需要拓展的结点数量，在保证寻路最优性的基础上大幅度加快寻路速度，实现高密度复杂路网条件下的快速最优寻路。
[0005]为实现上述目的，本发明采取以下技术方案:一种电子地图高效寻路的道路连接逻辑化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:1)当前选定的处理结点称为中心结点，根据给定中心结点提取与中心结点直接相连的结点集合，包括出结点集合和入结点集合;2) 建立旁通代价阵，为建立逻辑直连必要性判断提供依据;3)得到旁通代价阵后，判断从入结点经过中心结点至出结点的连接是否为最优辅连接，在考虑路口转弯代价的情况下，对于所有的入结点入接口和出结点出接口而言，任意一个搭配出现连通总代价小于旁通总代价时，即需要在入结点和出结点之间添加逻辑直连，记录下中心结点的入接口指向的入结点与出接口指向的出结点，形成一对直连接口对，保留所有的直连接口对，即得到直连接口矩阵;而如果经过中心结点的物理辅连接不是最优辅连接，则不需要保留该连接，将其视为无效间连;定位这些无效间连对应的无效接口，最终得到所有无效接口的索引构成的向量;4) 以路网中其他结点为中心结点，按照结点权重提供的处理次序确定当前中心结点，重复上述过程，直至路网的所有结点完成逻辑化，得到跨越多个结点的逻辑直连。
[0006]进一步，所述步骤2)中，旁通代价是从入结点到出结点之间不经过中心结点的最优路径代价;最优路径代价是通过Dijkstra算法在当前路网下，入结点在不经过中心结点的情况下向所有出结点进行一对多寻路后得到;各结点之间的旁通代价构成旁通代价阵。
[0007]进一步，所述步骤4)中，结点权重的确定方法为:4.1)针对胞式路网的所有结点计算初始权重，初始权重为该结点有效接口的数目与无效接口数的差;4.2)在逻辑化更新过程中，对结点权重进行更新，选择权重最小的结点作为中心结点，依照权重由大到小的顺序，对所有结点依次进行添加和删除接口的操作。
[0008]进一步，所述权重更新的方法是，如果经过中心结点的最优路径信息已经被其入、 出结点完全保留，即该中心结点不需要再参与后续路网更新，则该结点的权重将在结点集中被删除；对于不需要删除的结点权重，则需要对中心结点入、出结点权重进行重新计算， 计算是用最近一次路网更新的数据计算有效接口数目与无效接口数目的差。
[0009]—种基于上述电子地图高效寻路的道路连接逻辑化方法的应用，利用逻辑化方法完成道路连接的逻辑化，在道路逻辑化方法的电子地图中进行寻路方法，其特征在于包括以下步骤:(1)稳态结点集的生长:(1.1)需要确定优调结点及其未稳联接点集，优调结点是指拓展代价最小的可变结点，优调结点的未稳联接点集是指从优调结点向外拓展一步，所达到的未稳结点构成的集合；(1.2)根据优调结点向未稳联接点的拓展关系，当未稳连接点为自由结点时，需要将其变为可变结点，即完成自由结点的迀移；(1.3)将优调结点变为稳态结点，从可变结点集中迀移至稳态结点集中，完成可变结点迀移;至此，一轮完整的拓展过程结束，后续按照同样过程拓展即可完成稳态结点集的生长；(2)进行寻路拓展终止及最优路径提取:当正、逆向稳态结点集相交以后，每相交一个结点会对应一个通路代价，判断拓展是否需要终止的准则是:当正向稳态结点集中的最大拓展代价与逆向稳态结点集中的最大拓展代价之和，大于最短通路代价时，拓展终止;在双向拓展终止以后，根据最短通路上正、逆向拓展相遇的结点回溯得到最优寻路路径，完成了在道路逻辑化后的寻路过程。
[0010]本发明由于采取以上技术方案，其具有以下优点:1、本发明能有效减少寻路时拓展结点的数量，进而加快寻路速度。2、由于本发明中的寻路结果考虑了内部连接代价，因此能保证寻路结果的最优性，结果更符合驾驶员的行车习惯。本发明可以在车载导航快速最优寻路领域中应用。【附图说明】
[0011]图1是本发明的逻辑化方法示意图；[〇〇12]图2是本发明的单间连结点集提取示意图；
[0013]图3(a)是本发明完成判断逻辑直连后的需要添加单间隔直连结果示意图；
[0014]图3(b)是本发明完成判断逻辑直连后的不需要添加单间隔直连结果示意图；
[0015]图4是本发明的逻辑化更新过程示意图；
[0016]图5是应用本发明道路连接逻辑化方法的寻路结果示意图；
[0017]图6是本发明寻路拓展中稳态结点集的生长方法示意图；
[0018]图7是本发明寻路拓展终止方法及最优路径提取方法示意图。【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和实施例对本发明进行详细的描述。
[0020]如图1所示，本发明提供一种电子地图高效寻路的道路连接逻辑化方法，该方法是在考虑结点内部连接代价的前提下，利用结点的相邻结点辅助逻辑直连保留经过其的最优路径信息，从而简化该结点周边的拓扑关系。其包括以下步骤:
[0021]1)如图2所示，当前选定的处理结点称为中心结点，根据给定中心结点c提取与中心结点C直接相连的结点集合，包括出结点集合A和入结点集合B。其中，出结点集合与入结点集合合称为单间连接结点集，构成结点连接逻辑化的基本单元。
[0022]2)建立旁通代价阵，为建立逻辑直连必要性判断提供依据;旁通代价是从如图3中入结点1到出结点2之间不经过中心结点c的最优路径代价。最优路径代价是通过Dijkstra 算法在当前路网下，入结点1在不经过中心结点c的情况下向所有出结点进行一对多寻路后得到。各结点之间的旁通代价构成旁通代价阵。
[0023]3)得到旁通代价阵后，判断从入结点经过中心结点至出结点的连接是否为最优辅连接，在考虑路口转弯代价的情况下，对于所有的入结点入接口和出结点出接口而言，其中任意一个搭配出现连通总代价小于旁通总代价时，即需要在入结点和出结点之间添加逻辑直连，记录下中心结点的入接口指向的入结点与出接口指向的出结点，形成一对直连接口对，保留所有的直连接口对，即得到直连接口矩阵。
[0024]如图3(a)所示。而如果经过中心结点的物理辅连接不是最优辅连接，则不需要保留该连接，将其视为无效间连。定位这些无效间连对应的无效接口，最终得到所有无效接口的索引构成的向量。无效接口索引向量指示了需要删除的接口，在后续路网更新过程中，通过该索引可以快速定位接口并完成删除。如图3(b)所示。[〇〇25]4)以路网中其他结点为中心结点，按照结点权重提供的处理次序确定当前中心结点，重复上述过程，直至路网的所有结点完成逻辑化，得到跨越多个结点的逻辑直连。
[0026]上述步骤4)中，在结点逻辑化过程中，增接口数越少，对路网的简化效果越好，该结点就应优先处理。结点权重的确定方法为:
[0027]4.1)针对胞式路网的所有结点计算初始权重。初始权重为该结点有效接口的数目与无效接口数的差，这两个数据可通过GIS中信息计算得到。
[0028]4.2)在逻辑化更新过程中，对结点权重进行更新。权重更新的方法是，如果经过中心结点的最优路径信息已经被其入、出结点完全保留，即该中心结点不需要再参与后续路网更新，则该结点的权重将在结点集中被删除;对于不需要删除的结点权重，则需要对中心结点入、出结点权重进行重新计算，计算是用最近一次路网更新的数据计算有效接口数目与无效接口数目的差。这样，进行逻辑化更新时，选择权重最小的结点作为中心结点，依照权重由大到小的顺序，对所有结点依次进行添加和删除接口的操作。
[0029]其中，逻辑化更新是逐次对所有结点进行逻辑化的过程，如图4所示，将直连接口对添加到相应入结点cm、出结点(^中，将无效接口从相应入、出结点中删除。
[0030]综上所述，如图5所示，采用本发明中道路连接逻辑化方法后，可以建立路网中结点之间的逻辑直连，即不经过中间结点，直接可获取两个结点之间的代价。从而在进行初始结点到目标结点的寻路过程中，可以仅针对部分结点进行拓展，从而实现快速寻路。
[0031]基于上述方法，本发明还提供一种电子地图高效寻路的道路连接逻辑化方法的应用，利用逻辑化方法即可以完成道路连接的逻辑化，在这种道路逻辑化方法的电子地图中进行寻路方法为:首先，在利用道路连接逻辑化方法生成的路网模型下的寻路算法为双向拓展模式，即在起点、终点分别启动一个拓展区并逐步生长，避免由于新型路网模型中的逻辑直连造成的无法找到终点。另外，在该路网模型下寻路拓展方法主要由三步组成，即稳态结点集生长，拓展终止条件，最优路径提取。
[0032]对于寻路拓展而言，路网模型中的结点按照拓展状态可以分为三类:稳态结点、可变结点、自由结点，稳态结点是指结点最优拓扑关系已经确定的结点;可变结点和自由结点又统称为未稳结点，其中，可变结点的拓扑关系经过了初步设置，需要进一步完善，而自由结点的，从分布上看，可变结点一定位于稳态结点边缘。
[0033]如图6所示，稳态结点集的生长是以这三种结点之间的相互转化来实现的，具体生长方法如下:[〇〇34]1)需要确定优调结点及其未稳联接点集，优调结点是指拓展代价最小的可变结点，为稳态结点集生长提供突破点。而优调结点的未稳联接点集是指从优调结点向外拓展一步，所达到的未稳结点构成的集合。
[0035]2)根据优调结点向未稳联接点的拓展关系。当未稳连接点为自由结点时，需要将其变为可变结点，即完成自由结点的迀移。
[0036]3)将优调结点变为稳态结点，从可变结点集中迀移至稳态结点集中，完成可变结点迀移。至此，一轮完整的拓展过程结束，后续按照同样过程拓展即可完成稳态结点集的生长。
[0037]如图7所示，寻路拓展终止方法及最优路径提取方法如下:当正、逆向稳态结点集相交以后，每相交一个结点会对应一个通路代价。判断拓展是否需要终止的准则是:当正向稳态结点集中的最大拓展代价与逆向稳态结点集中的最大拓展代价之和，大于最短通路代价时，拓展终止。在双向拓展终止以后，即可根据最短通路上正、逆向拓展相遇的结点回溯得到最优寻路路径，此时即完成了在道路逻辑化后的寻路过程。
[0038]上述各实施例仅用于说明本发明，各部件的结构、尺寸、设置位置及形状都是可以有所变化的，在本发明技术方案的基础上，凡根据本发明原理对个别部件进行的改进和等同变换，均不应排除在本发明的保护范围之外。
【主权项】
1.一种电子地图高效寻路的道路连接逻辑化方法，其特征在于，该方法包括以下步骤:1)当前选定的处理结点称为中心结点，根据给定中心结点提取与中心结点直接相连的 结点集合，包括出结点集合和入结点集合；2)建立旁通代价阵，为建立逻辑直连必要性判断提供依据；3)得到旁通代价阵后，判断从入结点经过中心结点至出结点的连接是否为最优辅连 接，在考虑路口转弯代价的情况下，对于所有的入结点入接口和出结点出接口而言，任意一 个搭配出现连通总代价小于旁通总代价时，即需要在入结点和出结点之间添加逻辑直连， 记录下中心结点的入接口指向的入结点与出接口指向的出结点，形成一对直连接口对，保 留所有的直连接口对，即得到直连接口矩阵;而如果经过中心结点的物理辅连接不是最优 辅连接，则不需要保留该连接，将其视为无效间连;定位这些无效间连对应的无效接口，最 终得到所有无效接口的索引构成的向量；4)以路网中其他结点为中心结点，按照结点权重提供的处理次序确定当前中心结点， 重复上述过程，直至路网的所有结点完成逻辑化，得到跨越多个结点的逻辑直连。2.如权利要求1所述的一种电子地图高效寻路的道路连接逻辑化方法，其特征在于:所 述步骤2)中，旁通代价是从入结点到出结点之间不经过中心结点的最优路径代价;最优路 径代价是通过Dijkstra算法在当前路网下，入结点在不经过中心结点的情况下向所有出结 点进行一对多寻路后得到;各结点之间的旁通代价构成旁通代价阵。3.如权利要求1所述的一种电子地图高效寻路的道路连接逻辑化方法，其特征在于:所 述步骤4)中，结点权重的确定方法为:4.1)针对胞式路网的所有结点计算初始权重，初始权重为该结点有效接口的数目与无 效接口数的差；4.2)在逻辑化更新过程中，对结点权重进行更新，选择权重最小的结点作为中心结点， 依照权重由大到小的顺序，对所有结点依次进行添加和删除接口的操作。4.如权利要求3所述的一种电子地图高效寻路的道路连接逻辑化方法，其特征在于:所 述权重更新的方法是，如果经过中心结点的最优路径信息已经被其入、出结点完全保留，即 该中心结点不需要再参与后续路网更新，则该结点的权重将在结点集中被删除;对于不需 要删除的结点权重，则需要对中心结点入、出结点权重进行重新计算，计算是用最近一次路 网更新的数据计算有效接口数目与无效接口数目的差。5.—种基于如权利要求1所述电子地图高效寻路的道路连接逻辑化方法的应用，利用 逻辑化方法完成道路连接的逻辑化，在道路逻辑化方法的电子地图中进行寻路方法，其特 征在于包括以下步骤:(1)稳态结点集的生长:(1.1)需要确定优调结点及其未稳联接点集，优调结点是指拓展代价最小的可变结点， 优调结点的未稳联接点集是指从优调结点向外拓展一步，所达到的未稳结点构成的集合；(1.2)根据优调结点向未稳联接点的拓展关系，当未稳连接点为自由结点时，需要将其 变为可变结点，即完成自由结点的迀移；(1.3)将优调结点变为稳态结点，从可变结点集中迀移至稳态结点集中，完成可变结点 迀移；至此，一轮完整的拓展过程结束，后续按照同样过程拓展即可完成稳态结点集的生 长；(2)进行寻路拓展终止及最优路径提取:当正、逆向稳态结点集相交以后，每相交一个 结点会对应一个通路代价，判断拓展是否需要终止的准则是:当正向稳态结点集中的最大 拓展代价与逆向稳态结点集中的最大拓展代价之和，大于最短通路代价时，拓展终止;在双 向拓展终止以后，根据最短通路上正、逆向拓展相遇的结点回溯得到最优寻路路径，完成了 在道路逻辑化后的寻路过程。
【文档编号】G01C21/34GK106092109SQ201610369879
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月30日
【发明人】连小珉, 杨殿阁, 李江涛, 曹重, 柳超然, 肖中阳
【申请人】清华大学