一种应用于gps的快速k最短路径规划方法
【专利摘要】本发明提供了一种应用于GPS的快速K最短路径规划方法，所述方法运用动态装载数据搜索方法以及启发式搜索思想递归计算K条最短路径：利用A*算法求得最短路径，依次遍历前一条最短路径上各个结点的出边得到一个候选路径集合；递归搜索从第i条最短路得到第i+1条最短路径。本发明的优点是快速求出K条最短路径并将其应用于GPS导航系统，在一定程度上解决GPS导航路径单一的问题，而且给出K条路径方案供用户选择，充分考虑了用户在行驶过程中的其它需求，明显提高设备的实用性。
【专利说明】—种应用于GPS的快速K最短路径规划方法
【技术领域】
[0001]本发明属于计算机网络领域，具体涉及一种K最短路径搜索方法，并将其应用于GPS导航设备中。
【背景技术】
[0002]路径搜索问题一般可以通过图论中的最短路径方法解决。常用的最短路方法有Dijkstra、广度优先方法等经典方法。然而这些方法只能寻找图中给定点到任意点间的最短路径。这在实践中往往是不够的，比如，在GPS导航中，除了最短路径外，可能需要寻找第二短路径备用，甚至在某些条件下，可能需要寻找第三、第四短路径。这类问题称为K短路径问题。
[0003]与单源最短路径问题相比，K短路径问题在方法设计上更为复杂，目前尚没有一种K短路径方法如单源最短路径方法中的Dijkstra方法一样得到业界共识并且达到大规模实用化程度。
[0004]常用的K短路径搜索方法有删除边方法、偏离边方法等。但是这些方法仅仅是一种理论上的模型，在实践应用中还存在问题。
[0005]GPS定位系统是指利用卫星，在全球范围内实时进行定位、导航的系统，简称GPS(Global Positioning System) XPS可以提供车辆定位、防盗、反劫、行驶路线监控及呼叫指挥等功能。由于GPS技术所具有的全天候、高精度和自动测量的特点，作为先进的测量手段和新的生产力，已经融入了国民经济建设、国防建设和社会发展的各个应用领域。
[0006]目前已经有很多具有GPS导航功能的终端设备，但是却只能提供最短路径或者满足某种条件的路径，而不能考虑用户在行驶中的其它需求合理给出可供选择的路径。
【发明内容】
[0007]本发明的目的在于提供一种能应用于GPS的快速路径规划方法，该方法应能解决以下几个方面的问题:
(1)可提供限定无环路径的K短路径问题的计算机算法，具有实用性，而非一种纯理论上的算法概念；
(2)给出从源点到目标结点间任意给定数目(即K数)并且以路径长度排序的所有路
径;
(3)可将该算法应用于GPS导航中，使得K短路径方法得到实际应用。
[0008]为实现以上目标，本发明提出一种应用于GPS的快速K最短路径规划方法，其主要特点，包括以下步骤:
一种应用于GPS的快速K最短路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤:
(1)导入地图，并由用户根据GPS确定起始点s和终点t以及相应的K值，其中K是用户期望查找的最短路径数目；
(2)对结点t调用A*算法得到最短路径，定义变量k，令k=l; (3)递归计算k条最短s-t路径:依次遍历第k条最短路径上各结点的所有为sidetrack edge的入边得到候选路径,并加入集合C, sidetrack edge表示不在最短路径树上的边；
(4)从集合C中取出一条最短路径作为第k+Ι条最短路径；
(5)判断k，如果路径条数未达到K值，则进入步骤6，否则跳转到步骤7；
(6)判断集合C，如果该集合非空，则返回步骤3，否则进入步骤8;
(7)算法成功结束，返回搜索结果；
(8)算法结束，未找到足够的K条路径，返回搜索结果。
[0009]上述技术方案中，所述步骤2中利用A*得到第一条最短路径后A*暂停，且后续步骤中再次调用A*进行结点扩展，在A*的运行过程中，对当前节点的所有出边进行迭代，将位于最短路径树上的边标记为tree edge,不在最短路径树上的边标记为sidetrack edge,对于所有被扩展过的顶点标记其状态为close。
[0010]上述技术方案中，所述步骤3中遍历各结点是按照从第k条路径中的最后一个sidetrack edge边的尾结点前向搜索到起始结点,候选路径用sidetrack edge的集合来表示，最后用sidetrack edge表示的路径一一对应地表示为一条常规路径。
[0011]上述技术方案中，所述步骤3中依次遍历第k条最短路径上各结点，其方法包括以下步骤:
(4-1)依次遍历当前第k条路径上从最后一条sidetrack edge到起始结点中的所有结点，记为V ；
(4-2)依次遍历结点V的所有的sidetrack edge出边,记为e ；
(4-3)判断边e的头结点，如果其状态不是close，则重启A*直到e的头结点的状态被标记为close ；
(4-4)将e加入到当前路径第k条的末尾，形成一条新的候选路径并计算其长度，加入到集合C中。
[0012]上述技术方案中，所述步骤4取出当前集合C中路径长度最短的候选路径作为下一条待处理的路径，候选路径长度为d (t)-d (head (e))+w (e)+d (tail (e))。
[0013]上述技术方案中，所述步骤5对K的判断，如果已经达到K值，返回K条最短路径。
[0014]上述技术方案中，所述步骤6对C进行判断，集合C如果为空，表示没有候选路径可供选择，算法结束返回不能成功找到K条路径。
[0015]上述技术方案中，k为循环变量，每次循环后k++，表示当前已经得到的路径条数。
[0016]上述技术方案中，其特征在于步骤I中A*算法包括如下步骤:
(9-1)初始化操作，令集合open为空，将起始结点s设置为close,计算结点s的所有出sidetrack边的f值并入到open集合，其中f值得计算方法为:f (e)=d(tail (e))+w(e)+h(head(e))，函数d (v)表示结点d到初始结点s的最短距离，w (e)表示边e的权值，h (V)表示结点V到目标结点t距离的估计值，tail (e)表示边e的尾结点，head(e)表示边e的头结点；
(9-2 )若open集合不为空，进入(9-3 )，否则跳转到(9-4 );
(9-3)从open集合中取出f值最小的一条边，记为e,若head (e)的状态是close,将e标记为sidetrack edge并跳转到步骤2,否则将head (e)设置为close,并计算head (e)的所有出边并将其加入到open集合，若head (e)=目标结点t，跳转到(9_5);
(9-4)返回，找不到结点t ；
(9-5)返回，成功找到结点t。
[0017]上述技术方案中，递归计算k条最短s-t路径，其步骤如下:
(10-1)设置当前路径为第一条最短路径，为由sidetrack edge表示的路径，P(Ji )为与Ji相对于的s-t路径，令路径集合C为空；
(10-2)对于路径P( 31 )中的所有结点，除去t，对于该结点的所有的出sidetrack edgee，若head (e)的状态不是close，重启A*直到e的头结点的状态被标记为close，将e加入到η中形成新路径π 计算路径π *长度I (Ji*)=d (t)_d (head (e))+w (e)+d(tail (e))，将路径加入集合C ;
(10-3)若已经得到K条最短路径，进入(10-7)；
(10-4)若C为空，进入(10-6)；
(10-5)从集合C中取出一条最短路径作为当前最短路径Ji，进入(10-2)；
(10-6)返回，没找到k条最短路径；
(10-7)返回，成功找到k条最短路径。
[0018]本发明具有如下特点:
(1)路径搜索过程中运用了地图数据动态装载特性，提升了搜索速度，降低了算法占用空间；
(2)运用了启发式搜索方法，提高了搜索效率；
(3)采用递归思想提供了一种快速K最短路径规划算法；
(4)将这种快速路径规划算法应用于GPS导航中，提高了该算法的实用性。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是K短路径快速搜索方法流程图；
图2是A*算法流程图；
图3是应用于GPS的使用流程图。
【具体实施方式】
[0020]下面结合附图以及实施例对本发明作进一步详细描述。
[0021]参考图1，为本发明所述K短路径计算机算法流程，结合上面的具体问题分析得如下所述具体步骤:
步骤1:对结点t调用A*算法得到最短路径，定义变量k，令k=l ；
步骤2:对于路径P ( )中的所有结点(除去t)，对于该结点的所有的出sidetrackedge e,若head (e)的状态不是close,运行A*直到head (e)的状态为close,将e加入到Ti 中形成新路径 π*,计算路径 π * 长度 I (Ji*)=d (t)_d (head (e))+w (e)+d (tail(e))，将路径*加入集合C ;
步骤3:若已经得到K条最短路径，进入步骤7 ；
步骤4:若C为空则进入步骤6 ；
步骤5:从集合C中取出一条最短路径作为当前最短路径π，进入步骤2 ；步骤6:返回，没找到k条最短路径；
步骤7:返回，成功找到k条最短路径。
[0022]根据上面的流程，算法结束后，得到按照路径长度排序的K短路径集。
[0023]如上所述步骤I中，对结点调用A*算法也是一个重要的过程，下面对A*作详细描述。
[0024]参考图2，为本发明所述A*算法流程，其详细步骤如下:
步骤1:初始化操作。令集合open为空，将起始结点s设置为close，计算结点s的所有出sidetrack边的f值并入到open集合，其中f值得计算方法为:f (e)=d(tail (e))+w(e)+h(head(e))，函数d (v)表示结点d到初始结点s的最短距离，w (e)表示边e的权值，h (V)表示结点V到目标结点t距离的估计值；
步骤2:若open集合不为空，进入步骤3，否则跳到步骤4 ；
步骤3:从open集合中取出f值最小的一条边，记为e,若head (e)的状态是close,将e标记为sidetrack edge并跳转到步骤2,否则将head (e)设置为close,并计算head(e)的所有出边并将其加入到open集合，若head (e)=目标结点t，跳转到步骤5 ；
步骤4:返回，找不到结点t;
步骤5:返回，成功找到结点t。
[0025]如上所述，运行A*算法将得到从源点到目标点的最短路径，且在K短路径后续步骤中会调用A*对结点进行扩展。每次调用后，得到新的扩展结点集合以及sidetrack edge
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[0026]参考图3，为本发明所述将K短路径算法应用于GPS的流程，其详细步如下:
步骤1:导航设备导入电子地图，GPS定位当前位置，作为源点；
步骤2:用户输入目的地以及希望找到路径的条数K ；
步骤3:运行K短路径算法，得到搜索结果并将结果返回给用户；
步骤4:用户根据搜索得到的结果选取一条便利的路径，GPS开始导航。
[0027]如上所述，将K短路径搜索方法应用于GPS中，既扩大了 K短路径搜索算法的应用范围，也提高了 GPS导航设备的实用性。
【权利要求】
1.一种应用于GPS的快速K最短路径规划方法，其特征在于，包括以下步骤: (1)导入地图，并由用户根据GPS确定起始点S和终点t以及相应的K值，其中K是用户期望查找的最短路径数目； (2)对结点t调用A*算法得到最短s-t路径，定义变量k，令k=l; (3)递归计算k条最短s-t路径:依次遍历第k条最短路径上各结点的所有为sidetrack edge的入边得到候选路径,并加入集合C, sidetrack edge表示不在最短路径树上的边； (4)从集合C中取出一条最短路径作为第k+Ι条最短路径； (5)判断K，如果路径条数未达到K值，则进入步骤6，否则跳转到步骤7； (6)判断集合C，如果该集合非空，则返回步骤3，否则进入步骤8; (7)算法成功结束，返回搜索结果； (8)算法结束，未找到足够的K条路径，返回搜索结果。
2.根据权利要求1所述的一种应用于GPS的快速K最短路径规划方法，其特征在于，所述步骤2中利用A*得到第一条最短路径后A*暂停，且后续步骤中再次调用A*进行结点扩展，在A*的运行过程中，对当前节点的所有出边进行迭代，将位于最短路径树上的边标记为tree edge,不在最短路径树上的边标记为sidetrack edge,对于所有被扩展过的顶点标记其状态为close。
3.根据权利要求2所述的一种应用于GPS的快速K最短路径规划方法，其特征在于，所述步骤3中遍历各结点是按照从第k条路径中的最后一个sidetrack edge边的尾结点前向搜索到起始结点，候 选路径用sidetrack edge的集合来表示,最后用sidetrack edge表不的路径对应地表不为一条常规路径。
4.根据权利要求2所述的一种应用于GPS的快速K最短路径规划方法，其特征在于，所述步骤3中依次遍历第k条最短路径上各结点，其方法包括以下步骤: (4-1)依次遍历当前第k条路径上从最后一条sidetrack edge到起始结点中的所有结点，记为V ； (4-2)依次遍历结点V的所有的sidetrack edge出边,记为e ； (4-3)判断边e的头结点，如果其状态不是close，则重启A*直到e的头结点的状态被标记为close ； (4-4)将e加入到当前第k条路径的末尾，形成一条新的候选路径并计算其长度，其中候选路径长度为d(t)-d(v)+W(e)+d(tail(e)，将该候选路径加入到集合C中。
5.根据权利要求1所述的一种应用于GPS的快速K最短路径规划方法，其特征在于，所述步骤4取出当前集合C中路径长度最短的候选路径作为下一条待处理的路径。
6.根据权利要求1所述的一种应用于GPS的快速K最短路径规划方法，其特征在于，所述步骤5对K的判断，如果已经达到K值，返回K条最短路径。
7.根据权利要求1所述的一种应用于GPS的快速K最短路径规划方法，其特征在于，所述步骤6对C进行判断，集合C如果为空，表示没有候选路径可供选择，算法结束返回不能成功找到K条路径。
8.根据权利要求6所述的一种应用于GPS的快速K最短路径规划方法，其特征在于，k为循环变量，每次循环后k++，表示当前已经得到的路径条数。
9.根据权利要求6所述的一种应用于GPS的快速K最短路径规划方法，其特征在于步骤I中A*算法包括如下步骤: (9-1)初始化操作，令集合open为空，将起始结点s设置为close,计算结点s的所有出sidetrack边的f值并入到open集合，其中f值得计算方法为:f (e)=d(tail (e))+w(e)+h(head(e))，函数d (v)表示结点d到初始结点s的最短距离，w (e)表示边e的权值，h (V)表示结点V到目标结点t距离的估计值，tail (e)表示边e的尾结点，head(e)表示边e的头结点； (9-2 )若open集合不为空，进入(9-3 )，否则跳转到(9-4 ); (9-3)从open集合中取出f值最小的一条边，记为e,若head (e)的状态是close,将e标记为sidetrack edge并跳转到步骤2,否则将head (e)设置为close,并计算head (e)的所有出边并将其加入到open集合，若head (e)=目标结点t，跳转到(9_5); (9-4)返回，找不到结点t ； (9-5)返回，成功找到结点t。
10.根据权利要求8所述的一种应用于GPS的快速K最短路径规划方法，其特征在于，递归计算k条最短s-t路径，其步骤如下: (10-1)设置当前路 径π为第一条最短路径，为由sidetrack edge表示的路径，P(Ji )为与Ji相对于的s-t路径，令路径集合C为空； (10-2)对于路径P( 31 )中的所有结点，除去t，对于该结点的所有的出sidetrack edgee，若head (e)的状态不是close，重启A*直到e的头结点的状态被标记为close，将e加入到η中形成新路径π 计算路径π *长度I (Ji*)=d (t)_d (head (e))+w (e)+d(tail (e))，将路径加入集合C ; (10-3)若已经得到K条最短路径，进入(10-7)； (10-4)若C为空，进入(10-6)； (10-5)从集合C中取出一条最短路径作为当前最短路径Ji，进入(10-2)； (10-6)返回，没找到k条最短路径； (10-7)返回，成功找到k条最短路径。
【文档编号】G01S19/39GK103439726SQ201310400749
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月6日 优先权日:2013年9月6日
【发明者】刘贵松, 邱钊, 谢娟, 张 浩, 屈鸿, 陈文宇 申请人:电子科技大学