CN101308028B

CN101308028B - 一种适合路况信息加载的导航数据库概化方法

Info

Publication number: CN101308028B
Application number: CN2008101155767A
Authority: CN
Inventors: 陆锋; 高松; 段滢滢
Original assignee: Institute of Geographic Sciences and Natural Resources of CAS
Current assignee: Institute of Geographic Sciences and Natural Resources of CAS
Priority date: 2008-06-25
Filing date: 2008-06-25
Publication date: 2011-03-23
Anticipated expiration: 2028-06-25
Also published as: CN101308028A

Abstract

一种适合路况信息加载的导航数据库概化方法，经过三次分配确定导航数据中全部的虚拟路幅，修改虚拟路幅的转入转出路幅之间的连通关系，生成不含虚拟路幅的高层网络。本发明通过对导航数据的概化，使得路网数据的拓扑关系与真实路网的拓扑关系完全一致，保证了路径分析结果的准确性，为用户提供了与真实路况完全一致的可视化效果，有利于交通管制信息与路网的交互式和自动化融合，有利于用户与导航系统、交通信息提供商与导航系统在动态交通环境下的路径查询过程中的动态信息快速加载。

Description

一种适合路况信息加载的导航数据库概化方法

技术领域

本发明涉及一种对导航数据库概化的方法，特别是一种适合路况信息加载的导航数据库概化方法。

背景技术

随着我国城市化进程的加速，城市规模不断扩大，城市建设日新月异。公众的出行服务需求也随之不断增长，导航软件的普及程度也越来越高。现行的经典商用导航软件能为用户提供兴趣点查找、路径分析等服务，极大的方便了公众的出行。但现行经典商用导航算法为用户提供的出行方案，仍存在着一些问题：

(1)存在虚拟路幅信息，交叉口表达复杂。

目前的导航数据库中每条路幅在交叉口的部分用一条独立的弧段表示。而实际上这些弧段代表的路幅并非是独立的路幅，只是某些路幅的一部分，是相交道路在交叉口处形成的虚拟路幅。虚拟路幅表达的并非是真实存在的路幅，而是连接实际上相邻、而在表达中被打断的路幅的工具。其主要目的是为了表达路幅在交叉口形成的各种转向和邻接关系，同时保证网络几何和拓扑的完整性。但是这种虚拟路幅与用户对路网认知之间存在差异。

(2)路网原有拓扑关系被破坏，转向关系表达复杂。

现实道路网络按上述方法被抽象表达以后，由于在交叉口加入连接线弧段的原因，原有道路之间的拓扑连接关系被破坏了，而在抽象网络中表达现实道路之间的转向关系则比较复杂。以图1中路段D在交叉口处的转向为例说明，路段D左转可到达路段A，在图2中表达该转向关系的对应弧段序列是：4->10->11->1。路段D从该路口直行，可到达路段C，在图2中表达该转向关系的对应弧段序列是：4->10->6。路段D从该路口右转，可到达路段B，在图2中表达该转向关系的对应弧段序列是：4->2。路段D在该路口掉头对应的弧段序列是：4->10->11->12->3。由此可见，原有路网中相邻道路的直接相邻关系在抽象后的网络中被破坏，而且这种邻接转向关系在不同的情况中又需要用不同数量的弧段序列表示。因此，道路之间的转向关系表达比较复杂。

(3)道路转向阻抗累积失真，影响算法精度。

在考虑转弯阻抗的时间最短路径算法中，算法从一条弧段扩展到其相邻弧段时，要累积弧段之间的转弯时间阻抗。这个和车辆从一条道路经过交叉路口到达另一条道路时，在交叉路口有时间延迟的概念是一致的。但是在采用了连接线的路网中，由于转向关系不再是道路和道路之间二元关系，而是用弧段序列表示的多元关系，导致某些转向的阻抗累积失真。如图1中车辆从道路D到达道路A是一个左转关系，而在图2中对应的转向表达为4->10->11->1，实际上该左转转化为了一个直行(4->10)，一个左转(10->11)和一个直行(11->1)，因此实际的左转阻抗被放大。而同样的直行和掉头的阻抗也被放大，只有右转阻抗和实际道路的转向阻抗一致。由于路网的转向阻抗被放大，因此考虑转向阻抗的时间最短路径算法在进行路径搜索时，由于受到阻抗放大的影响，路径求解的准确度也受到较大影响。

(4)道路转向管制设置复杂，管制与路况信息应用困难

目前国际标准的GDF模型中交叉口交通关系的禁止策略表达方式包括转向表法、策略表法和带交通标志类型的策略表三种。道路的直接转向关系由相应的多条弧段序列表示，实际交通网络中两条道路的禁止信息在网络中表达成一个弧段序列的通行限制。如图1中路段D在交叉口处不允许左转，但是允许掉头。在抽象网络中的对应表达就是序列4->10->11-1的弧段序列不可行，但是4->10->11->12->3可行。这使得管制与路况信息在路径搜索算法中的应用十分困难。大量涉及交叉口的动态交通信息，即使已经获取，也无法实时加载到导航数据库中。造成导航算法在为用户提供“时间最短”的出行路径方案时，对途经交叉口的时间耗费极不准确，进而造成导航系统出行路径搜索的实用性不佳。

(5)出行路径的可视化表达存在偏差

在现有的导航数据库模型中，由于包含大量的交叉口虚拟路幅，导致出行路径在交叉口左转、掉头等的可视化效果存在错误。如图2中，由路幅4向路幅1左转的过程中，在实际情况下，并不需要经过路幅10、11，而直接由路幅4的终点转入路幅1的起点。但由于交叉口虚拟路幅的存在，导致显示路径分析结果的时候，这个左转经由路幅4->10->11->1这样一个序列才可完成，对用户的出行产生了误导。

产生上述问题的最根本原因在于，传统的导航算法所采用的导航数据库模型在涉及交叉口动态路况信息加载和可视化表达上具有一定的局限性。

传统的导航数据模型是一种基于弧段-节点的网络数据模型。在该模型中，有向路幅和交叉口是基本的建模对象，一条道路根据其和其它道路相交的情况而被打断成很多路幅，路幅被抽象为有向弧段，而路幅与路幅的交点被抽象为节点。网络的拓扑关系即弧段和弧段、弧段和节点之间的连通关系。在这种模型中，一条道路由两条方向相反的路幅组成，每条路幅仅有一个行驶方向。这种模型的优势在于，保持了道路的完整性，是目前主流的导航系统对道路网络所采用的表达方法，各种基于导航数据库的路径分析算法就是在这种有向网络上进行的。

然而，导航系统将这种数据模型用于路径分析与表达时，由于一条道路由两条路幅构成，当这样的两条道路相交时，在该数据模型中体现为四条路幅的相交，出现了“井”字型的路口。而“井”字型路口中间的四条小路幅，是道路被打断后产生的虚拟路幅，并不在真实路网中存在。同样的，当两条单向路幅与一条单向路幅相交时，出现了“π”型路口。“π”型路口中间的一条小路幅，同样是虚拟路幅，在真实路网中并不存在。

正是由于这些虚拟路幅的存在，导航路网的拓扑关系与真实路网的拓扑关系并不一致。在这样的导航数据上直接进行路径分析与表达，必然会出现一些错误。这也是现有的导航算法普遍存在的问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：提供一种适合路况信息加载的导航数据库概化方法，目的在于解决现行导航数据模型与动态路况信息无法完全匹配的问题，使导航数据模型与真实路网保持一致，从而确保了导航系统为用户提供精准的出行服务；同时简化道路交叉口的表达，使得路口耗时累计更加精确，提高路径分析准确性。

本发明的技术解决方案为：一种适合路况信息加载的导航数据库概化方法，其步骤为：

(1)设定一个阈值，利用阈值对路网中所有路幅进行遍历，找出所有长度小于该阈值的路幅，形成一个集合，即一次分配；

(2)对集合中的路幅进行如下处理，即二次分配，得到虚拟路幅：

a.若集合中某条路幅的转入路幅和转出路幅均在集合中，且通过集合中的第三条路幅相连，则此四条路幅构成了一个回路，将此四条路幅均标记为虚拟路幅；

b.若集合中某条路段的所有转入路幅和转出路幅均不在集合中，则将该路幅标记为虚拟路幅；

c.若交通信息中涉及两条路幅之间的连通关系，而这两条路幅不连通时，要对这两条路幅之间的连接路幅进行判断，得出虚拟路幅；

(3)在步骤(2)的基础上，再进一步进行虚拟路幅的交互式人工判断，即人工设置某些二次分配未处理的连接线弧段为虚拟路幅，或者取消某些连接线弧段的虚拟路幅，即三次分配；

通过以上三次分配过程，就能完成对导航数据库中连接线的识别工作；

(4)生成高层网络：在步骤(3)中识别出所有的虚拟路幅后，遍历虚拟路幅集合，修改每一条虚拟路幅的转入转出路幅之间的连通关系，使得转入路幅和转出路幅直接相连，并从路网中删除虚拟路幅，从而构成了剔除虚拟路幅后的高层网络。

所述的步骤(4)中生成高层网络的方法如下：

(1)首先定义高层网络弧段邻接对象adjObject的数据结构，包含arcID、innerArcs、innerNum和Imp四个变量，其中arcID是当前弧段可以到达的弧段的ID号；innerNum是从当前弧段到达弧段arcID需要经过的中间弧段，即连接线弧段的数目；innerArcs是中间弧段的ID列表；imp是从当前弧段转向目的弧段的转向费用；

然后定义集合AbstractLink的数据结构，包含FirstArc、LastArc、InnerArcs和InnerNum四个变量，其中FirstArc表示该逻辑连接线中第一条连接弧段的ID；LastArc表示该逻辑连接线中第二条连接弧段的ID；InnerArcs表示该逻辑连接线中所有成员弧段的ID列表；InnerNum表示该逻辑连接线中的成员弧段数量；

(2)按成员数递增的次序构造逻辑连接线

首先生成成员数L为1的逻辑连接线，即简单地以所有标识为连接线(即虚拟路幅)的弧段为基础，生成成员数L为1的逻辑连接线，然后生成L+1的逻辑连接线；所述生成长度为L+1的逻辑连接线方法如下：遍历所有长度为L的逻辑连接线，如果有与该逻辑连接线在头部或者尾部直接相连的连接线弧段，则构造新的逻辑连接线，该逻辑连接线的成员是原有连接线成员加上其头部或者尾部增加的连接线。

(3)构造所有非连接线的直接相邻拓扑关系

遍历所有的非连接线弧段，为每条弧段的每条直接相邻且为非连接线的弧段生成一个邻接对象，该对象为adjObject类型，即步骤(1)中所提到的数据结构，该对象只含有邻接弧段的ID，内部弧段列表为空，说明两条弧段直接相连；

(4)构造弧段直接通过逻辑连接线相邻的拓扑关系

遍历集合AbstractLinks，对其每个逻辑连接线对象adjObject做如下处理：得到该对象的起始弧段FirstArc和终止弧段LastArc，然后对每一个FirstArc的入度非连接线弧段和LastArc的出度非连接线关系生成一个拓扑相邻对象OutAdj；

(5)当对所有的逻辑连接线对象做如上处理后，即生成高层网络的拓扑关系。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明经过三次分配确定导航数据中全部的虚拟路幅，修改虚拟路幅的转入转出路幅之间的连通关系，生成不含虚拟路幅的高层网络，使得路网数据的拓扑关系与真实路网的拓扑关系完全一致，保证了路径分析结果的准确性，为用户提供了与真实路况完全一致的可视化效果，使交通管制信息与路网的交互式和自动化融合，使用户与导航系统、交通信息提供商与导航系统在动态交通环境下的路径查询过程中的动态信息快速加载。

附图说明

图1为真实路网示意图；

图2为概化前的路网模型示意图；

图3为概化后的高层路网模型示意图；

图4为本发明的导航数据库概化流程图。

具体实施方式

如图4所示，本发明的具体实施方法如下：

1.根据路幅长度进行判断：由于虚拟路幅在两条路交叉或交汇处产生，长度为普通道路的宽度，因此虚拟路幅长度都较小。可以首先通过长度进行简单的一次判断，设置一个阈值，利用阈值对路网中所有路幅进行遍历，得到所有长度小于阈值的虚拟路幅组成的一个集合，再在该集合中进行筛选，即进行一次分配。

2.对集合中的路幅进行如下处理，即二次分配，得到虚拟路幅：

(1)若集合中某条路幅的转入路幅和转出路幅均在集合中，且通过集合中的第三条路幅相连，则此四条路幅构成了一个回路，将此四条路幅均标记为虚拟路幅。构成了一个回路的标准为：当四条单向路幅呈“井”字型相交时，四条集合内的路幅首尾相连构成一个回路。

(2)若集合中某条路段的所有转入路幅和转出路幅均不在集合中，则将该路幅标记为虚拟路幅。判断某条路幅的所有出入连接路幅均不在集合中的标准为：一条单向路幅与两条单向路幅呈“π”字型相交时，则某条路幅的所有出入连接路幅均不在集合中。

(3)若交通信息中涉及两条路幅之间的连通关系，而这两条路幅不连通时，要对这两条路幅之间的连接路幅进行判断，得出虚拟路幅。

根据交通信息对两条路幅进行判断过程如下：

a.当两条路幅成左转连接时，若起始路幅的所有转出路幅中，存在一条路幅与终止路幅的转入路幅中的某一条直接相连，且该转出路幅与转入路幅均小于阈值，则该转入路幅与转出路幅为虚拟路幅；

b.当两条路路幅呈右转连接时，不可能通过虚拟路幅相连，故不予考虑；

c.当两条路路幅呈直行连接时，若起始路幅的所有转出路幅中，存在一条路幅为终止路幅的转入路幅，且该路幅小于阈值，则该路幅为虚拟路幅；

d.当两条路路幅呈掉头连接时，若起始路幅的所有转入路幅中，存在这样的一条转入路幅，与终止路幅的某一条转入路幅直接相连，且这三条相连接的路幅均小于阈值，则这三条路幅为虚拟路幅。

3.经过二次分配后，仅有极少一些特殊情况需要人工干预处理，这个过程是交互式的过程，通过人机交互的方式，根据使用者的个人经验，比照底图，人工设置某些二次分配未处理的连接线弧段为虚拟路幅，或者取消某些连接线弧段的虚拟路幅，即三次分配；

通过以上三次分配过程，就能完成对导航数据库中连接线的识别工作.

4.生成高层网络

在步骤3中识别出所有的虚拟路幅后，遍历虚拟路幅集合，修改每一条虚拟路幅的转入转出路幅之间的连通关系，使得转入路幅和转出路幅直接相连，并从路网中删除虚拟路幅，从而构成了剔除虚拟路幅后的高层网络。

高层网络是通过对导航数据库基础网络进行概化而生成的，其实质是在基础网络上增加了一层拓扑关系，修改了原有网络的拓扑邻接关系，描述该层中弧段之间的拓扑连通关系的数据结构如下所示：

表1高层网络弧段邻接对象adjObject的数据结构

字段名	类型	含义
			arcID	Int	连接弧段的ID
innerArcs	Vector<int>	连接线弧段ID列表
			innerNum	Int	连接线的数量
imp	Double	转弯阻抗

表2逻辑连接线类AbstractLink的数据结构

字段名	类型	含义
			FirstArc	Int	逻辑连接线中第一条连接线弧段的ID
LastArc	Int	逻辑连接线中第一条连接线弧段的ID
			InnerArcs	Vector<int>	连接线成员弧段ID列表
InnerNum	Int	连接线成员数量

从上表可以看到，高层网络用这种方式表达两条弧段之间的拓扑关系：arcID是当前弧段可以到达的弧段的ID号，innerNum是说明从当前弧段到达弧段arcID需要经过的中间弧段(连接线弧段)的数目，innerArcs是中间弧段的ID列表，imp是从当前弧段转向目的弧段的转向费用。

通过构造以上述结构为基础的高层网络拓扑结构，保证了高层网络的连通性，即如果在基础路网上连通的弧段，在高层网络中也是连通的。

生成高层网络的过程就是在已识别的连接线弧段的基础上，构造逻辑连接线，然后生成高层网络中弧段之间的拓扑邻接关系。

按成员数递增的次序构造逻辑连接线：首先生成成员数L为1的逻辑连接线，即简单地以所有标识为连接线的弧段为基础，生成成员数L为1的逻辑连接线。假设新生成的逻辑连接线成员数为L，生成长度为L+1的逻辑连接线方法如下：遍历所有长度为L的逻辑连接线，如果有与该逻辑连接线在头部或者尾部直接相连的连接线弧段，则构造新的逻辑连接线，该逻辑连接线的成员是原有连接线成员加上其头部或者尾部增加的连接线。

生成逻辑连接线的伪代码如下所示：

Start algorithm_populateLink

{

vector<AbstractLink>abstractLinks；//声明一个逻辑连接线对象集合

int currentLength＝1；//当前逻辑连接线的成员数为1

//生成成员数为1的逻辑连接线，并加入abstractLinks集合中，并返回新

生成的逻辑连接线数目

int count＝PopulateLogicalLink(currentLength，abstractLinks)；

while(count＞0)//如果有新生成的对象，则生成成员数多1的逻辑对象

{

currentLength++；

count＝PopulateLogicalLink(currentLength，abstractLinks)；

}

OutPut(abstractLinks)；//输入生成的逻辑连接线集合

}

End algorithm_populateLink

在构造逻辑连接线集合AbstractLinks的基础上，生成高层网络中弧段的拓扑关系的过程就是：首先遍历所有的非连接线弧段，为每条弧段的每条直接相邻且为非连接线的弧段生成一个邻接对象，该对象为adjObject类型，该对象只含有邻接弧段的ID，内部弧段列表为空，说明两条弧段直接相连，如图2中弧段4和弧段7直接相连，则弧段4的出度邻接关系中加入一个adjObject类型的对象OutAdj，其值如下：

表3OutAdj对象的值

字段名	类型	值
			arcID	Int	7
innerArcs	Vector<int>	空
			innerNum	Int	0
imp	Double	根据角度判断，计算的转弯阻抗的值

上表说明弧段4可以直接到达弧段7，中间弧段为空。

构造所有非连接线的直接相邻拓扑关系后，再构造弧段直接通过逻辑连接线相邻的拓扑关系。遍历集合AbstractLinks，对其每个逻辑连接线对象adjObject做如下处理：得到该对象的起始弧段FirstArc和终止弧段LastArc，然后对每一个FirstArc的入度非连接线弧段和LastArc的出度非连接线关系生成一个拓扑相邻新对象OutAdj。图2中的弧段2和弧段7，以及弧段2和弧段1的拓扑邻接对象的值如下：

表4弧段2到弧段7的OutAdj对象的值

字段名	类型	值
			arcID	Int	7
innerArcs	Vector<int>	<9>

innerNum	Int	1
			imp	Double	根据角度判断，计算的转弯阻抗的值

上表说明弧段2和弧段7通过中间弧段9拓扑连通。

表5弧段2到弧段1的OutAdj对象的值

字段名	类型	值
			arcID	Int	1
innerArcs	Vector<int>	<9，10，11>

innerNum	Int	3
			Imp	Double	根据角度判断，计算的转弯阻抗的值

上表说明弧段2和弧段1通过弧段序列<9，10，11>拓扑连通。

当对所有的逻辑连接线对象做如上处理后，即生成高层网络的拓扑关系，伪代码如下所示：

Start algorithm_populateHighNet

{

//生成直接邻接对象

(foreach arcid in networks)//对网络中的每条弧段遍历

{

If(arcid不是连接线)

{

(foreach arcid的出度弧段outarc)

{

If(outarc不是连接线)

{

OutAdj＝new adjObject；//生成拓扑邻接对象

OutAdj.arcID＝outarc；

OutAdj.innerNum＝0；

OutAdj.imp＝turndelay；//设置转弯阻抗

AddOutObj(arcid，OutAdj)；//为arcid对象增加邻接对象

}

//生成通过逻辑连接线拓扑邻接对象

(foreach abslink in abstractLinks)

{

int fr＝abslink.FirstArc；

int lr＝abslink.LastArc；

OutAdj＝new adjObject；//生成拓扑邻接对象

OutAdj.arcID＝lr；//设置目的弧段

OutAdj.innerNum＝abslink.innerNum；//设置中间弧段数

(foreach arc in abslink.innerArcs)

{

OutAdj.innerArcs.Add(arc)；//添加中间弧段

}

AddOutObj(fr，OutAdj)；//为fr对象增加邻接对象

}

//高层网络拓扑关系生成

}

End algorithm_populateHighNet

完成导航数据库概化后，路径搜索可以在高层网络中进行。概化后的网络与基础网络相比在设置道路的转向阻抗时具有明显的优势：如图1和图2所示：道路D到道路A的左转关系，在基础网络中由弧段序列<4，10，11，1>表示，其转向阻抗则是两两相邻弧段的转向阻抗之和。而在高层网络中，如图3所示，由于弧段4和弧段1直接拓扑相邻，则只需设置弧段4到弧段1的转向阻抗，根据相邻弧段的夹角，可以判断该转向的时间延迟，如左转、右转、直行、掉头等。在本实例中，弧段4到弧段1的夹角和道路D和道路A的夹角对应，表明这是一个左转，可以根据相关标准设置转向时间延迟。在高层网络中，应用交通管制信息也很方便，如果对路段D进行禁止左转，则把弧段4到弧段1的转向延迟设置为无穷大就可以。因此概化后弧段之间的拓扑关系和转向延迟，表达了真实世界中路幅之间的连通和转向关系，交通管制信息也可以得到直接应用。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。

Claims

1.一种适合路况信息加载的导航数据库概化方法，其特征在于步骤如下：

(4)生成高层网络：在步骤(3)中识别出所有的虚拟路幅后，遍历虚拟路幅集合，修改每一条虚拟路幅的转入转出路幅之间的连通关系，使得转入路幅和转出路幅直接相连，并从路网中删除虚拟路幅，从而构成了剔除虚拟路幅后的高层网络；

所述步骤(2)c根据交通信息对两条路幅进行判断如下：

D.当两条路路幅呈掉头连接时，若起始路幅的所有转入路幅中，存在这样的一条转入路幅，与终止路幅的某一条转入路幅直接相连，且这三条相连接的路幅均小于阈值，则这三条路幅为虚拟路幅；

所述的步骤(4)中生成高层网络的方法如下：

(4.1)首先定义高层网络弧段邻接对象adjObject的数据结构，包含arcID、innerArcs、innerNum和Imp四个变量，其中arcID是当前弧段可以到达的弧段的ID号； innerNum是从当前弧段到达弧段arcID需要经过的中间弧段，即连接线弧段的数目；innerArcs是中间弧段的ID列表；imp是从当前弧段转向目的弧段的转向费用；

(4.2)按成员数递增的次序构造逻辑连接线

首先生成成员数L为1的逻辑连接线，即简单地以所有标识为连接线，即虚拟路幅的弧段为基础，生成成员数L为1的逻辑连接线，然后生成L+1的逻辑连接线；

(4.3)构造所有非连接线的直接相邻拓扑关系

(4.4)构造弧段直接通过逻辑连接线相邻的拓扑关系

(4.5)当对所有的逻辑连接线对象做如上处理后，即生成高层网络的拓扑关系。

2.根据权利要求1所述的适合路况信息加载的导航数据库概化方法，其特征在于：所述步骤(2)a构成了一个回路为：当四条单向路幅呈“井”字型相交时，四条集合内的路幅首尾相连构成一个回路。

3.根据权利要求1所述的适合路况信息加载的导航数据库概化方法，其特征在于：所述步骤(2)b中判断某条路幅的所有出入连接路幅均不在集合中为：一条单向路幅与两条单向路幅呈“π”字型相交时，则某条路幅的所有出入连接路幅均不在集合中。

4.根据权利要求1所述的一种适合路况信息加载的导航数据库概化方法，其特征在于：所述步骤(2)中生成长度为L+1的逻辑连接线方法如下：遍历所有长度为L的逻辑连接线，如果有与该逻辑连接线在头部或者尾部直接相连的连接线弧段，则构造新的逻辑连接线，该逻辑连接线的成员是原有连接线成员加上其头部或者尾部增加的连接线。