CN103471603B - 一种公交线路与道路网络的匹配方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明实施方式提出了一种公交线路与道路网络的匹配方法和装置。方法包括：将公交线路划分为多段，确定出各段的分割点；对于每个分割点，确定在道路网络上与分割点相对应的匹配顶点集合；从道路网络中确定出与公交线路相匹配的道路，其中该确定出的道路经过每个匹配顶点集合中的一个点，而且该确定出的道路与公交线路所围成的封闭多边形的面积之和最小。本发明实施方式采用包围面积作为衡量公交线路与道路网络匹配程度的度量，能够实现路网匹配，而且具有效率高，抗噪声等优点。在复杂的路网条件下以及公交线路采集不够精确的情况下，仍然能够找出最佳的匹配线路。

Description

一种公交线路与道路网络的匹配方法和装置
技术领域
本发明实施方式涉及交通信息领域，更具体地，涉及一种公交线路与道路网络的匹配方法和装置。
背景技术
城市公交泛指所有收费提供交通服务的运输方式，也有少数提供免费服务的公共交通系统。公共交通系统由通路、交通工具、站点设施等物理要素构成。城市公交在城市日常出行总量中的比率日益提高。目前地图网站和公众出行信息平台的普及为用户提供了便利的出行方案选择。
电子地图即数字地图，是利用计算机技术，以数字方式存储和查阅的地图。电子地图储存资讯的方法，一般使用向量式图像储存，地图比例可放大、缩小或旋转而不影响显示效果，早期使用位图式储存，地图比例不能放大或缩小，现代电子地图软件一般利用地理信息系统来储存和传送地图数据。
在目前的电子地图数据中，公交线路数据和道路网络（简称路网）数据是相互独立的。公交线路数据（比如，可以通过GPS等方式获取）可以用一串坐标表示，路网数据则描述了每个路段的坐标序列以及不同路段之间的连接关系。由于坐标数据采集不够精确等原因，实际上公交线路与路网线路之间存在着一定的偏差，即公交线路与路网线路之间并不匹配，因此并无法直接确定公交线路具体经过了哪些路段。
如何把公交线路数据与路网线路自动的对应起来（这个过程称为路网匹配），以获得每条公交线路最有可能经过哪些道路，不仅对于公交线路数据纠错，还是对于根据路况信息规划公交换乘方案等都非常具有意义。
发明内容
本发明实施方式提出一种公交线路与道路网络的匹配方法，以获取公交线路的真实运行轨迹，从而提高公交线路数据纠错率。
本发明实施方式还提出了一种公交线路与道路网络的匹配装置，以获取公交线路的真实运行轨迹，从而提高公交线路数据纠错率。
本发明实施方式的具体方案如下：
一种公交线路与道路网络的匹配方法，该方法包括：
将公交线路划分为多段，确定出各段的分割点；
对于每个分割点，确定在道路网络上与所述分割点相对应的匹配顶点集合；
从道路网络中确定出与所述公交线路相匹配的道路，其中该确定出的道路经过每个匹配顶点集合中的一个点，而且与公交线路所围成的封闭多边形的面积之和最小。
一种公交线路与道路网络的匹配装置，包括公交线路划分单元、匹配顶点集合确定单元和匹配单元，其中：
公交线路划分单元，用于将公交线路划分为多段，确定出各段的分割点；
匹配顶点集合确定单元，用于对于每个分割点，确定在道路网络上与所述分割点相对应的匹配顶点集合；
匹配单元，用于从道路网络中确定出与所述公交线路相匹配的道路，该确定出的道路经过每个匹配顶点集合中的一个点，而且与公交线路所围成的封闭多边形的面积之和最小。
从上述技术方案可以看出，在本发明实施方式中，将公交线路划分为多段，确定出各段的分割点；对于每个分割点，确定在道路网络上与分割点相对应的匹配顶点集合；从道路网络中确定出与公交线路相匹配的道路，其中该确定出的道路经过每个匹配顶点集合中的一个点，而且与公交线路所围成的封闭多边形的面积之和最小。由此可见，应用本发明实施方式之后，采用包围面积作为衡量公交线路与路网匹配程度的度量，可以实现路网匹配，而且具有效率高，抗噪声等优点。在复杂的路网条件下以及公交线路采集不够精确的情况下，仍然能够找出最佳的匹配线路。
附图说明
图1为现有技术中公交线路与道路网络不匹配示意图；
图2为根据本发明实施方式的公交线路与道路网络的匹配方法流程图；
图3为根据本发明实施方式的公交线路与道路网络的匹配示意图；
图4为根据本发明实施方式的公交线路自相交示意图；
图5为根据本发明实施方式的公交线路与道路网络的匹配方法示范性流程图；
图6为根据本发明实施方式的公交线路与道路网络的匹配装置结构图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明作进一步的详细描述。
具体地，图1为现有技术中公交线路与道路网络不匹配示意图。该图为我国某城市实际路网，其中公交线路由虚线表示，实际道路网络中的道路由实线表示。
由图1可见，公交线路与路网线路之间存在着一定的偏差，而且与公交线路并行的有多条路网线路，方向均相同，因此无法直接确定公交线路具体经过了哪些路段。
在本发明实施方式中，考虑到道路网络的复杂性，首先针对公交线路找出候选匹配路段，然后使用线路候选匹配路段与公交线路所围成的多边形面积作为评判匹配代价的标准。实际上，本发明实施方式通过将道路网络抽象构造为有向加权连通图，并且结合分段处理和方向筛选等策略，对候选路线就行优化，有效地解决公交线路和道路网络的匹配问题。
具体地，可以将整个道路网络视为有向连通图，每个路段都是一条有向边，边与边通过顶点相连。路网匹配的结果是一些路段首尾相连的结果。直观来看，与公交线路相匹配的路段应该跟公交线路距离较近，方向一致，彼此之间应该互相连通，而且整体与公交线路形状相似。
图2为根据本发明实施方式的公交线路与道路网络的匹配方法流程图。如图2所示，该方法包括：
步骤201：将公交线路划分为多段，确定出各段的分割点。
公交线路实际上由一串坐标数据所形成。在本发明实施方式中，可以从该串坐标中抽取出预定数目的点，也可以通过随机的方式从该串坐标中抽取出任意数目的点。抽取出的点即为公交线段的分割点，而任意相邻的两个分割点构成公交线路的一段。
当抽取的分割点越多，则后续匹配计算的准确度越高，但是相应的计算任务量越大；当抽取的分割点越少，则后续匹配计算的准确度越低，但是相应的计算任务量越小。因此，在这里可以结合实际需要来选择分割点的数目大小，以综合考量匹配精确度和计算量之间的折衷关系。
步骤202：对于每个分割点，确定在道路网络上与所述分割点相对应的匹配顶点集合。
在这里，在公交线路上抽取出分割点之后，需要将分割点对应到具体的道路网络中。在道路网络上与分割点相对应的点即为该分割点的匹配顶点。对于任意的分割点，其在道路网络上的匹配顶点可能有多个。某个分割点的所有匹配顶点组成的集合即为该分割点的匹配顶点集合。实际上，匹配顶点集合即为将分割点匹配到道路网络上的所有可能点的集合。
由于分割点在道路网络上的匹配顶点可能有多个，为了降低计算量，可以首先设置半径门限值，然后对于每个分割点，分别确定道路网络上该半径门限值范围之内与分割点相对应的匹配顶点集合。
比如，可以针对所有的分割点设置一个相同的半径门限值，假设为50米，则针对每个分割点，以该分割点为原点，50米为半径在电子地图的道路网络上画圆，只有落在每个分割点所画成的圆中的点才为该分割点的匹配顶点。
其中，可以针对各个分割点设置一个相同的半径门限值，也可以分别针对每个分割点设置不同的半径门限值。
比如，假设有分割点A和分割点B，基于实际计算需要，可以针对分割点A设置50米的半径门限值，而针对分割点B设置100米的半径门限值。
步骤203：从道路网络中确定出与所述公交线路相匹配的道路线路，其中该确定出的道路线路经过每个分割点的匹配顶点集合中的一个点，而且该确定出的道路线路与所述公交线路所围成的封闭多边形的面积之和最小。
当确定了分割点以及分割点的匹配顶点集合之后，可以从每个分割点的匹配顶点集合中都选出一个匹配顶点，然后这些选出的匹配顶点可以构成多条候选匹配路段。然后，计算所有候选匹配路段与公交线路所围成的封闭多边形面积，其中封闭多边形的面积之和最小的候选匹配路段即为与公交线路最匹配的道路。
具体地，首先从每个分割点的匹配顶点集合中的每个点向公交线路做垂线，该垂线、匹配顶点的连线与公交线路可以形成多个封闭多边形，然后再从道路网络中确定出与所述公交线路相匹配的道路。该确定出的匹配道路应该符合的原则是：这条匹配道路经过每个分割点的匹配顶点集合点，而且该确定出的道路与公交线路所围成的封闭多边形的面积之和最小。优选地，从每个匹配顶点集合中各自确定出一个点，然后由这些点组成一条道路，并且这条道路与公交线路所围成的封闭多边形的面积之和最小。
比如：图3为根据本发明实施方式的公交线路与道路网络的匹配示意图。
在图3中，粗线（即N1-N2-N3-N4-N5-N6）表示公交线路，细线（即S1-V1-V3-V4-V5-T1和S2-V2-V3-V4-V5-T1）表示道路网络，分别自匹配顶点向公交线路作垂线（即图3中虚线所示），这些垂线与公交线路、匹配顶点的连线以及道路网络围成了多个多边形。
在公交线路（N1-N2-N3-N4-N5-N6）中，具有6个分割点，分别是N1、N2、N3、N4、N5和N6。其中起点N1的匹配顶点集合包含S 1和S2；N2的匹配顶点集合包含V1；N3的匹配顶点集合包含V2和V3；N4的匹配顶点集合包含V4；N5的匹配顶点集合包含V5；终点N6的匹配顶点集合包含T1。
分别自匹配顶点V1、V2、V3、V4、V5向公交线路做垂线，与公交线路的相交点依次为m1、m2、m3、N4和m4。由于N1和N6分别是公交线路的顶点和终点，因此S 1、S2可以直接与N1连接；T1直接与N6连接。
对于道路S 1->V1->V3->V4->V5->T1，其与公交线路包含的多边形分别为N1S 1V1m1、m1V1V3m3、m3V3V4N4、N4V4V5m4和m4V5T1n6。
对于道路S2->V2->V3->V4->V5->T1，其与公交线路包含的多边形分别为N1S2V2m2、m2V2V3m3、m3V3V4N4、N4V4V5m4和m4V5T1n6。
由图3可以直观发现，S1->V1->V3->V4->V5->T1与公交线路所组成的多边形面积之和（即多边形N1S1V1m1、m1V1V3m3、m3V3V4N4、N4V4V5m4和m4V5T1n6之和）小于道路S2->V2->V3->V4->V5->T1与公交线路所组成的多边形面积之和（即多边形N1S2V2m2、m2V2V3m3、m3V3V4N4、N4V4V5m4和m4V5T1n6之和）。
因此，S1->V1->V3->V4->V5->T1相比S2->V2->V3->V4->V5->T1，是更优的匹配道路。
综合来说，对于每两个临近的分割点，其各自匹配顶点集合中的任意两个匹配顶点所构成的每个路段L，可以用该路段L的匹配顶点向公交线路做垂线围成的面积作为匹配程度的度量（不妨记为M）。整个匹配结果的匹配程度可以用该道路上所有路段的M值之和来度量。因此，从道路网络中确定出与公交线路相匹配的道路即是：从道路网络中找出一条连通的路段序列：L1，L2，…，Ln，使得M(L1)+M(L2)+…+M(Ln)最小。
而且，对于道路网络中的每条边L，都可以求出对应的M(L)，作为每条边的权重。对于公交线路的起点，可以找出若干个可能对应的顶点，构成候选顶点集合S；同理对于终点，可以找出若干个可能对应的终点，得到候选顶点集合T。于是问题就变成了在路网构成的有向无环图中，找出从S到T的权重最小路径，这是典型的多源最短路径问题，因此可以应用最短路径算法从道路网络中确定出与公交线路相匹配的道路。
用于解决最短路径问题的算法被称做“最短路径算法”，有时被简称作“路径算法”。最常用的路径算法有：dijkstra算法、A*算法、SPFA算法、Bellman-Ford算法和Floyd-Warshall算法，等等。
优选地，本发明实施方式具体可以采用dijkstra算法求解。dijkstra算法是典型最短路算法，用于计算一个节点到其他所有节点的最短路径。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。
另外，为了提高算法效率，可以不必考虑整个道路网络，而是先做一次预处理，只考虑距离公交线路距离在某个特定范围内的边即可。
在本发明实施方式中，经过实验，发现当公交线路跟自身无相交时匹配效果很好。
然而，当公交线路跟自身有相交时，则需要针对本发明实施方式作出进一步的完善，下面对此进行详细说明。
图4为根据本发明实施方式的公交线路自相交示意图。
如图4所示，公交线路为粗线，可见该公交线路自身发生了相交，属于一条具有自相交情形的公交线路。当公交线路自相交时，如果依然采用最短路径算法来计算匹配道路则可能会出现错误的计算结果。比如，如图4所示，图4中公交线路为粗线，而虚线为一条候选匹配路线，而且按照最短路径算法，该候选匹配路线与公交线路围成的面积反而更小，因此最终求出的最短路径是虚线，而实际上这条虚线并不存在于实际的道路网络中，因此当发生了公交线路自相交时，如果仍然采用最短路径算法则可能会存在道路匹配错误。
为了解决这个问题，本发明实施方式可以在选择分割点时把公交路线分成若干段，使得每一段都与自身不相交，再整体应用本发明实施方式的最短路径算法，从而避免由于自相交而可能导致的道路匹配错误。
在具体实施中，为了得到总体的最优匹配方案，可以记录每个候选终点的累积权值，并将累积权重考虑到下一段的最短路径计算中。
图5为根据本发明实施方式的公交线路与道路网络的匹配方法示范性流程图。
如图5所示，该方法包括：
步骤501：从公交线路数据的坐标串中选择n+1个点，以将公交线路分成n段。
可以称这N+1个点为分割点，不妨记为P1，P2,…,PN+1。其中第一个点为起点，最后一个点为终点。这样，公交线路被分成n段，但是每一段不能自相交，从而避免由于自相交而可能导致的道路匹配错误。
步骤502：对于每一个公交线路的分割点，根据预先设置的半径门限值确定可能与之对应的路网顶点的集合。
在这里，不妨假设P1，P2,…,PN+1的路网顶点集合分别为S1,S2，...,Sn+1，从第1段公交线路开始处理，令S1中每个点的累积权重为0。
步骤503：处理第i段公交线路时，筛选出与该段线路距离在半径门限值之内的所有路段，并求出所有路段与该段公交线路围成的面积作为路段的权值M；
步骤504：在Si和Si+1之间运用多源最短路径算法，求出到Si+1每个顶点的最短路径，得到Si+1中每个顶点的累积权重；
步骤505：如果i等于n，则算法结束，得到的最短路径则为匹配最优的路段序列；否则令i=i+1，并跳转执行步骤504。
步骤506：将步骤505中得到的最短路径匹配为最优的路段序列，并输出给用户。
基于上述详细分析，本发明实施方式还提出了一种公交线路与道路网络的匹配装置。
图6为根据本发明实施方式的公交线路与道路网络的匹配装置结构图。
如图6所示，该装置包括公交线路划分单元601、匹配顶点集合确定单元602和匹配单元603。其中：
公交线路划分单元601，用于将公交线路划分为多段，确定出各段的分割点；
匹配顶点集合确定单元602，用于对于每个分割点，确定在道路网络上与所述分割点相对应的匹配顶点集合；
匹配单元603，用于从道路网络中确定出与所述公交线路相匹配的道路，该确定出的道路经过每个分割点的匹配顶点集合中的一个点，而且与公交线路所围成的封闭多边形的面积之和最小。
在一个实施方式中，匹配单元603，用于从每个分割点的匹配顶点集合中的每个点向公交线路做垂线以形成多个封闭多边形，并从道路网络中确定出与所述公交线路相匹配的道路，该确定出的道路经过每个分割点的匹配顶点集合中的一个点，而且该确定出的道路与公交线路所围成的封闭多边形的面积之和最小。
优选地，为了解决自相交问题，公交线路划分单元601，用于将公交线路划分为多段，确定出各段的分割点，其中每一段都与自身不相交。
在一个实施方式中，匹配顶点集合确定单元602，用于预先设置半径门限值，并对于每个分割点，确定在道路网络上与所述分割点相对应的匹配顶点集合，而且所述匹配顶点集合中的每个点都落在该半径门限值范围之内。
其中，可以针对各个分割点设置一个相同的半径门限值，也可以分别针对每个分割点设置不同的半径门限值。
优选地，匹配单元603，用于应用最短路径算法从道路网络中确定出与所述公交线路相匹配的道路。较优的，该最短路径算法为迪杰斯特拉（dijkstra）算法。
综上所述，从上述技术方案可以看出，在本发明实施方式中，将公交线路划分为多段，确定出各段的分割点；对于每个分割点，确定在道路网络上与分割点相对应的匹配顶点集合；从道路网络中确定出与公交线路相匹配的道路，其中该确定出的道路经过每个分割点的匹配顶点集合中的一个点，而且与公交线路所围成的封闭多边形的面积之和最小。由此可见，应用本发明实施方式之后，采用包围面积作为衡量公交线路与路网匹配程度的度量，可以实现路网匹配，而且具有效率高，抗噪声等优点。在复杂的路网条件下以及公交线路采集不够精确的情况下，仍然能够找出最佳的匹配线路。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。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。

Claims (10)

1.一种公交线路与道路网络的匹配方法，其特征在于，该方法包括：
将公交线路划分为多段，确定出各段的分割点；
对于每个分割点，确定在道路网络上与所述分割点相对应的匹配顶点集合；
从道路网络中确定出与所述公交线路相匹配的道路，其中该确定出的道路经过每个匹配顶点集合中的一个点，而且该确定出的道路与所述公交线路所围成的封闭多边形的面积之和最小。
2.根据权利要求1所述的公交线路与道路网络的匹配方法，其特征在于，所述从道路网络中确定出与所述公交线路相匹配的道路包括：
从每个匹配顶点集合中的每个点向公交线路做垂线以形成多个封闭多边形，并从道路网络中确定出与所述公交线路相匹配的道路，该确定出的道路经过每个匹配顶点集合中的一个点，而且该确定出的道路与公交线路所围成的封闭多边形的面积之和最小。
3.根据权利要求1所述的公交线路与道路网络的匹配方法，其特征在于，所述将公交线路划分为多段，确定出各段的分割点为：
将公交线路划分为多段，确定出各段的分割点，其中每一段都与自身不相交。
4.根据权利要求1所述的公交线路与道路网络的匹配方法，其特征在于，所述对于每个分割点，确定在道路网络上与所述分割点相对应的匹配顶点集合包括：
预先设置半径门限值；
对于每个分割点，确定在道路网络上与所述分割点相对应的匹配顶点集合，而且所述匹配顶点集合中的每个点都落在该半径门限值范围之内。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的公交线路与道路网络的匹配方法，其特征在于，所述从道路网络中确定出与所述公交线路相匹配的道路为：应用最短路径算法从道路网络中确定出与所述公交线路相匹配的道路。
6.一种公交线路与道路网络的匹配装置，其特征在于，包括公交线路划分单元、匹配顶点集合确定单元和匹配单元，其中：
公交线路划分单元，用于将公交线路划分为多段，确定出各段的分割点；
匹配顶点集合确定单元，用于对于每个分割点，确定在道路网络上与所述分割点相对应的匹配顶点集合；
匹配单元，用于从道路网络中确定出与所述公交线路相匹配的道路，该确定出的道路经过每个匹配顶点集合中的一个点，而且该确定出的道路与公交线路所围成的封闭多边形的面积之和最小。
7.根据权利要求6所述的公交线路与道路网络的匹配装置，其特征在于，
匹配单元，用于从每个匹配顶点集合中的每个点向公交线路做垂线以形成多个封闭多边形，并从道路网络中确定出与所述公交线路相匹配的道路，该确定出的道路经过每个匹配顶点集合中的一个点，而且该确定出的道路与公交线路所围成的封闭多边形的面积之和最小。
8.根据权利要求6所述的公交线路与道路网络的匹配装置，其特征在于，
公交线路划分单元，用于将公交线路划分为多段，确定出各段的分割点，其中每一段都与自身不相交。
9.根据权利要求6所述的公交线路与道路网络的匹配装置，其特征在于，
匹配顶点集合确定单元，用于预先设置半径门限值，并对于每个分割点，确定在道路网络上与所述分割点相对应的匹配顶点集合，而且所述匹配顶点集合中的每个点都落在该半径门限值范围之内。
10.根据权利要求6-9中任一项所述的公交线路与道路网络的匹配装置，其特征在于，匹配单元，用于应用最短路径算法从道路网络中确定出与所述公交线路相匹配的道路。
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