CN104406590B

CN104406590B - 一种基于道路等级的最短路径规划方法

Info

Publication number: CN104406590B
Application number: CN201410697096.1A
Authority: CN
Inventors: 赵阳阳; 张福浩; 石丽红; 仇阿根; 陶坤旺; 胡璐锦; 张章; 张卫平
Original assignee: Chinese Academy of Surveying and Mapping
Current assignee: Chinese Academy of Surveying and Mapping
Priority date: 2014-11-26
Filing date: 2014-11-26
Publication date: 2017-03-29
Anticipated expiration: 2034-11-26
Also published as: CN104406590A

Abstract

本发明涉及一种基于道路等级的最短路径规划方法，包括如下步骤：步骤1，数据准备与数据预处理；步骤2，道路网层次化表达包括道路网级别划分和基于道路等级的层次化表达；步骤3，路网通行时间计算；步骤4，最短路径近似计算。本专利所提出的基于道路等级最短路径方法经过大量实验验证，充分考虑不同等级道路的通行能力，以通行时间为判断标准，计算方法比较通用，结果更精确，在应急救援中，如果通过道路检测信息能排除道路网中故障路段，通过获取交通流量计算实时通行速度，规划结果更准确。

Description

一种基于道路等级的最短路径规划方法

技术领域

本发明属计算机科学与地理信息科学领域，涉及一种基于道路等级的最短路径规划方法。

背景技术

最短路径的计算问题是一个经典的问题，一个最实际的应用就是在道路网络中进行路径分析，如在给定的道路网中，寻找起点到目标点的最佳路径问题。当前最短路径分析方法从算法的可实现性以及稳定性来讲，可以概括为两类：一类是充分利用最短路径在道路网中的空间相关性，把道路网中的最短路径压缩成为简单的格式，这样可以大幅度提高查询效率，这种方法比较有代表性的是H.Samet和J.Sankaranarayanan等人提出的SILC(Spatially Induced Linkage Cognizance)改进算法，以及J.Sankaranarayanan等人提出的PCPD(Path-Coherent Pairs Decomposition)算法；另外一种方法是基于道路网中某些节点对最短路径查询的重要性，然后以Dijkstra算法为基础进行改进。虽然当前已有根据此提出的一些新的算法，但是这些算法并不是很有效。对于第一类方法需要计算道路结点所构建的不同道路之间的关联性，从而进行替代计算，算法复杂，计算量大。因此，第二类方法较为常用，但是现有研究往往只考虑道路结点权重，但是未考虑不同道路等级以及在不同道路等级下对最短时间的限制，因此研究一种结合道路等级以及道路等级约束下最短时间的新算法是非常有必要的。

发明内容

鉴于此，本发明提出一种基于道路等级的最短路径规划方法，在传统最短路径规划的基础上，充分考虑道路通行能力，通过道路等级实现道路层次化表达，与此同时，采用时间成本变量代替距离变量，通过计算最短通行时间规划最佳救援路径。

一种基于道路等级的最短路径规划方法，包括如下步骤：

步骤1，数据准备与数据预处理，

所述数据准备是通过GPS导航获取道路网数据，通过交通部门获取道路单行线信息数据，以及通过网络查询获取每个道路等级的最大通行速度数据，其中，

所述道路网数据包括道路名称、道路等级和道路节点坐标，将所述道路网数据以shape格式存储；所述道路单行线信息数据包括道路名称、道路起点、道路终点和道路单行方向，所述道路等级的最大通行速度数据包括道路名称、道路等级和最大通行车速，将所述道路单行线信息数据和道路等级的最大通行速度数据以dbf格式存储。Shape文件格式是一种矢量数据格式，它没有拓扑信息，一个Shape files由一组文件组成，其中必要的基本文件包括坐标文件(.shp)、索引文件(.shx)和属性文件(.dbf)三个文件；dbf格式存储为一种特殊的文件格式，表示数据库文件，Foxbase，Dbase，Visual FoxPro等数据库处理系统所产生的数据库文件。

所述数据预处理包括道路数据通行方向处理和道路数据节点信息处理，其中，

所述道路数据通行方向处理是将道路单行方向分为正向和逆向两种，在道路网shape属性表中增加正向和逆向字段，用二值0和1分别表示道路在该方向不通行或通行，用所述0和1对所述道路单行方向进行赋值，得到处理后的道路单行方向数据；

所述道路数据节点信息处理方法为：当两条道路相交且通车时，在相交处增加节点，增加道路节点坐标，原来两条道路变成四条道路，当两条道路相交但不通车时，道路节点坐标保持不变，通过所述道路数据节点信息处理得到处理后的道路节点坐标；

步骤2，对步骤1中获取的道路网数据中的道路等级进行划分，划分后的道路等级分为：公路、城市道路和乡村道路，其中，

公路划分为高速公路、一级公路、二级公路、三级公路和四级公路，城市道路划分为快速路、主干路、次干路和支路，乡村道路划分为农村硬化道路、机耕路和乡村路；

将所述划分后的道路等级进行层次化表达，将道路视为由连接边和节点组成的网状图形，如果每个节点与其联通的节点间的道路是通行的，那么记录所述每个节点和其联通的节点，同时记录所述每个节点与其联通的节点间的连接边，得到联通的两节点间的连接边数据；

步骤3，基于步骤2中的节点及联通的两节点间的连接边数据，利用距离公式根据道路节点坐标计算每个道路段的距离，其中联通的两节点间通行的道路是一条以上的，计算不同道路段的距离，利用获得的所述距离、所述道路的最大通行车速求出两联通的节点间不同道路的通行时间，比较所述不同道路的通行时间得出联通的两节点间的最短通行时间；

步骤4，基于步骤1-3处理后得到的道路单行方向数据、道路节点坐标、联通的两节点间的连接边数据、联通的两节点间的最短通行时间，列出从起始节点到终点所有连接情况，规定时间最短的方案视为最短路径的方案，任意两节点间最短路径计算方法为：

设道路网中存在节点集合S＝{o,S₁,S₂,S₃,…S_n}，从起始节点o到终点S_i(i∈n，n为自然数)最短路径计算方法如下：

4.1、找到起始节点o的联通的节点集合O＝{o₁,o₂,o₃…o_j…o_m}，其中，m为自然数；

4.2、判断集合O是否为空，若是，则结束，从起始节点o无法到达终点S_i，若否，则执行步骤4.3；

4.3、记录起始节点o到所有联通的节点的路径、时间、剩余联通的节点和总剩余节点，将结果记录到集合N中并执行步骤4.4，集合N结果如下：

其中，j代表记录ID号；o-o_j代表通行路径；o_j代表该条路径的结束节点；t_j代表该条路径的最短通行时间，该条路径为两个以上节点组成的通行路径；O_j′＝{o₁,…o_j-1,o_j+1,…,o_m}表示起始节点o的剩余联通的节点；S_j′＝S-o-o_j表示集合S中除起始节点o和结束节点o_j外的剩余节点；

4.4、判断上述集合N中的结束节点o_j是否为终点S_i，如果结束节点o_j为终点S_i，则将所述通行路径和该路径的通行时间记录到路径集合M中，并在集合N中删除该条记录，如果结束节点o_j不为终点S_i，则集合N保持不变，判断结束后执行步骤4.5；

4.5、判断步骤4.4中得到的集合N是否为空，若集合N不为空，则将每条记录的结束节点o_j赋值给步骤4.1中的起始节点o，剩余节点集合S_j′＝S-o-o_j赋值给集合S，找出与赋值后的起始节点o_j联通的节点集合O'，执行步骤4.6；若集合N为空，执行步骤4.7；

4.6、判断集合O'是否为空，若集合O'为空，则在集合N中删除该条记录，并执行步骤4.5；若集合O'不为空，则执行步骤4.3；

4.7、在路径集合M中，选出消耗时间最短的记录，则该条路径为最短路径。

在步骤1中，所述道路单行方向由道路走向决定，规定道路走向分为五种：东—西、南—北、北东—南西、北西—南东和环状，前四种道路偏移角度以±22.5°为分界线，规定西向东、北向南、南西向北东、北西向南东以及环状顺时针为正向，东向西、南向北、北东向南西、南东向北西以及环状逆时针为逆向。

在步骤2中，所述节点与其联通的节点间的连接边的记录顺序由划分后的道路等级确定，对于节点和联通的节点间具有一条以上连接边的情况，连接边书写依据从左往右连接边对应的道路等级依次降低的顺序。

在步骤3中，所述道路的最大通行车速根据道路等级划分限定。

在步骤3中，所述的节点坐标是从GPS导航数据转换shape格式后的数据中获取的。

本发明的有益效果为：

本专利所提出的基于道路等级最短路径方法充分考虑道路通行能力，不同道路等级下的不同交通结点间的最短时间，算法计算结果较普通算法结果更精确，在应急救援中，通过道路检测信息能排除道路网中故障路段，通过获取交通流量计算实时通行速度，规划结果更准确。

附图说明

图1基于道路等级的网络最短路径分析算法流程图；

图2正向道路通行方向示意图；

图3逆向道路通行方向示意图；

图4道路走向偏移角度示意图；

图5层次化表达示意图；

图6最短路径算法示意图；

图7最短路径计算过程示意图。

附图标记说明：

A～E、O、a～e为节点

a"、西—东方向

b"、北—南方向

c"、南西—北东方向

d"、北西—南东方向

a'、东—西方向

b'、南—北方向

c'、北东—南西方向

d'、南东—北西方向

L₁₁、L₁₂、L₂₁、L₂₂、L₃₁、L₃₂、L₃₁、L₄为节点A、B、C、D的连接边

T_oe、节点o到节点e的通行时间

T_od、节点o到节点d的通行时间

T_ob、节点o到节点b的通行时间

T_bc、节点b到节点c的通行时间

T_ba、节点b到节点a的通行时间

T_ce、节点c到节点e的通行时间

T_de、节点d到节点e的通行时间

T_dc、节点d到节点c的通行时间

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。但所举实例不作为对本发明的限定。

本方法具体实施流程如图1所示，从以下四个步骤阐述，一是数据准备与预处理，二是基于道路等级进行层次化表达，三是计算路网相邻节点通行时间，四是最短路径近似计算。

一种基于道路等级的最短路径规划方法，包括如下步骤：

步骤1，数据准备与数据预处理，

4.5、判断步骤4.4中得到的集合N是否为空，若集合N不为空，则将每条记录的结束节点o_j赋值给步骤4.1中的起始节点o，剩余节点集合S_j′＝S-o-o_j赋值给集合S，找出赋值后的起始节点o_j的联通的节点集合O'，执行步骤4.6；若集合N为空，执行步骤4.7；

下面举出具体实例解释一种基于道路等级的最短路径规划方法的具体过程。

第一步数据准备与预处理

本算法需要道路网数据、道路等级信息和各道路等级的最大通行速度信息，其中道路网数据包含道路走向和道路节点信息；

1、数据准备

道路网数据：采用shape格式，属性信息包含名称、道路等级和道路节点坐标等；

道路单行线信息，包括道路名称、起点、终点和单行方向等；

道路等级的最大通行速度数据包括名称、道路等级和最大通行速度。

2、数据处理

(1)道路通行方向处理

将道路单行数据合并到道路网属性信息中。

首先，规定道路走向。如图2-4所示，本专利规定道路走向分为四种：“东—西”、“南—北”、“北东—南西”、“北西—南东”，规定正向和逆向两种通行方向，道路偏移角度以±22.5°为分界线。如下图3-5所示，例如，道路与水平方向夹角在[-22.5°,22.5°)之间时为“东—西”走向，以此类推。根据上述方法，北京市东城区部分道路通行方向划分结果如下表1所示。

表1

然后，将道路走向添加到shape格式的道路属性中。增加两个新字段，分别为正向和逆向，分别用0和1表示不通行和通行，处理后道路属性数据如下表2所示。

表2

FID	Shape*	ID	name	正向	逆向	道路等级
							0	Polyline	0	翠微路	0	1	支路
1	Polyline	0	复兴路	1	1	主干路
							2	Polyline	0	太平路	1	1	次干路
3	Polyline	0	阜成路(西段)	1	0	次干路
							4	Polyline	0	永定路1	1	1	次干路
5	Polyline	0	北太平路	1	1	支路
							6	Polyline	0	万寿路	1	1	主干路
7	Polyline	0	西四环	1	1	快速路
							8	Polyline	1	莲花池西路	1	1	主干路
9	Polyline	1	万泉河路	0	1	支路
							10	Polyline	1	永定路2	0	1	次干路
11	Polyline	1	采石路	1	1	支路

(2)道路网数据处理

道路网数据错综复杂，一条道路往往与多条道路相交，为了方便计算最短路径，需要对道路网数据进行网络处理。注意，有的道路相交但不能通车(如高架桥)，不做处理。

当两条道路相交且通车时，在相交处增加节点，原来两条道路变成四条，新道路继承原有属性。当两条道路相交但不通车时，保持不变。

第二步基于道路等级进行层次化表达

1、道路网级别划分

公路根据使用任务、功能和适用的交通量(JTGB 01-2003规定)分为高速公路、一级公路、二级公路、三级公路和四级公路五个等级。高速公路指全部控制出入，专供汽车在分隔的车道上告诉行驶的公路；一级公路为供汽车分向、分车道行驶，并部分控制出入、部分立体交叉的公路；二级公路指连接政治、经济中心或大工矿区等地的干线公路，或运输繁忙的城郊公路；三级公路至沟通县及县以上城镇的一般干线公路；四级公路指沟通县、乡、村等的支线公路。

城市道路网一般分为四大类：一是快速路、二是主干路、三是次干路和支路。快速路在特大城市或大城市中设置，是将大城市的各个市区、城区和主要的郊区连接起来；主干路比喻为城市道路网的骨架，用于联系城市的主要工业区、商业区、住宅区、码头、港口、机场和高速路口等；次干路为市区内普通的比主干道小的交通干路，是配合主干路大石路等组成城市交通网；支路是次干路与街坊路的连接线，可设公共交通线路或自行车专用道。

乡村道路道路(参照《第一次全国地理国情普查内容与指标》)包括农村硬化道路、机耕路和乡村路。农村硬化道路由低标号混凝土层、普通标号垫层、高标号混凝土面层或沥青面层组成的道路；机耕路指农机具(拖拉机、收割机等)出入田间地头进行农田操作的通道；乡村路指不能通行大车和拖拉机的道路。

根据道路一般的通行速度范围结合实地调查测试，提出道路等级与行车速度如下表3所示。

表3

2、基于道路等级的层次化表达

道路在空间角度上被抽象为由连接边和节点组成的网状图形，在计算最短路径之前需要建立拓扑关系，即每个节点要记录其连接边，每个连接边要记录其连接的节点信息。实际上，两个节点可能有多条边，如从金家村桥到莲玉桥，可以走莲石路，也可以走辅路。为了规划最优路径，提出基于道路等级的层次化表达。层次化表达有以下要求：

①每个节点记录其联通的节点，这里需要结合道路通行方向判断，如图5所示，D到A不能通行，所以D的联通节点只有C。

②每个节点，记录其到联通的节点的连接边，如A到B，连接边为L21、L22。

③连接边记录顺序由道路等级确定，如L11道路等级大于L12，所以L11优先级别高于L12，位于前面；L21道路等级等于L22，L21优先级别等于L22，两者并列。

如图5所示，设节点A、B、C、D存在连接边L11、L12、L21、L22、L31、L32和L4，道路通行方向如上图箭头所示，且L11道路等级大于L12，L21道路等级等于L22，L31道路等级小于L32，对上述道路进行层次化表达，结果如下表4所示。

表4

第三步、计算路网联通的节点间通行时间

首先，计算每个道路段的距离；利用距离公式，根据节点坐标计算每个道路段的长度。

其次，计算各道路段的通行时间；利用上述计算的距离、最大通行车速和时间公式，求各道路段的最短通行时间。

第四步最短路径近似计算。

经过以上三步处理，数据已经处理成满足最短路径算法的数据了，该方法的主要思想是列举出从起始节点到终点所有情况，则时间最短的就是最短路径。下面说明举例说明任意两节点之间最短路径计算方法。设集合S＝{o,a,b,c,d,e}，任意相连节点的方向和通行时间如图6所示，求从o点到e点最短路径算法，计算方法如下：

1、找到起点o的联通节点集合O＝{b,d,e}；

2、判断O是否为空，若是，则结束，若否，则执行步骤3；

3、记录o到所有联通节点的路径、时间、剩余联通节点和总剩余节点，将结果记录到过程集合N中，集合N结果如下：

其中，1表示ID号，o-b代表可通行的联通点间的路径，t₁代表该路径的通行时间，O₁′＝{d,e}表示o点除b以外的联通节点，S₁′＝{a,c,d,e}为S的剩余节点，可以对节点o到节点d、e情况进行类推；

4、对上述集合N中与o点联通的节点视为结束点，若结束点为e，则将路径和时间记录到路径集合M中，并在N中删除该条记录，若结束点不为e，则执行步骤5；

5、判断N是否为空，若不为空，则令每条记录的结束点为起点，剩余节点为S＇，执行6；若为空，则执行7；

6、判断O是否为空，若O为空，则在N中删除该条记录，若O不为空，则执行步骤3；

7、在集合M中，选出消耗时间最短的记录，则该条路径即为最短路径。

路径计算过程如图7所示，节点o到e的路径集合M结果如下

因此o-d-c-e为最短路径。

其中，T_oe＝10h，T_od＝3h，T_ob＝1h，T_bc＝5h，T_ba＝0.5h，T_ce＝1h，T_de＝6h，T_dc＝2h。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。

Claims

1.一种基于道路等级的最短路径规划方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1，数据准备与数据预处理，

所述道路网数据包括道路名称、道路等级和道路节点坐标，将所述道路网数据以shape格式存储；所述道路单行线信息数据包括道路名称、道路起点、道路终点和道路单行方向，所述道路等级的最大通行速度数据包括道路名称、道路等级和最大通行车速，将所述道路单行线信息数据和道路等级的最大通行速度数据以dbf格式存储；

所述道路数据节点信息处理的方法为：当两条道路相交且通车时，在相交处增加节点，增加道路节点坐标，原来两条道路变成四条道路，当两条道路相交但不通车时，道路节点坐标保持不变，通过所述道路数据节点信息处理得到处理后的道路节点坐标；

N = (\begin{matrix} 1 & o - o_{1} & t_{1} & O_{1}^{'} = {o_{2}, o_{3}, ..., o_{m}} & S_{1}^{'} = S - o - o_{1} \\ 2 & o - o_{2} & t_{2} & O_{2}^{'} = {o_{1}, o_{3}, ..., o_{m}} & S_{2}^{'} = S - o - o_{2} \\ ... & ... & ... & ... & ... \\ j & o - o_{j} & t_{j} & O_{j}^{'} = {o_{1}, ... o_{j - 1}, o_{j + 1}, ..., o_{m}} & S_{j}^{'} = S - o - o_{j} \\ ... & ... & ... & ... & ... \\ m & o - o_{m} & t_{m} & O_{m}^{'} = {o_{1}, o_{2}, ..., o_{m}} & S_{m}^{'} = S - o - o_{m} \end{matrix})

其中，j代表记录ID号；o-o_j代表通行路径；o_j代表该条路径的结束节点；t_j代表该条路径的最短通行时间，该条路径为两个以上节点组成的通行路径；O′_j＝{o₁,…o_j-1,o_j+1,…,o_m}表示起始节点o的剩余联通的节点；S′_j＝S-o-o_j表示集合S中除起始节点o和结束节点o_j外的剩余节点；

4.5、判断步骤4.4中得到的集合N是否为空，若集合N不为空，则将记录的结束节点o_j赋值给步骤4.1中的起始节点o，剩余节点集合S′_j＝S-o-o_j赋值给集合S，找出与赋值后的起始节点o_j联通的节点集合O'，执行步骤4.6；若集合N为空，执行步骤4.7；

2.根据权利要求1所述的一种基于道路等级的最短路径规划方法，其特征在于，在步骤1中，所述道路单行方向由道路走向决定，规定道路走向分为五种：东—西、南—北、北东—南西、北西—南东和环状，前四种道路偏移角度以±22.5°为分界线，规定西向东、北向南、南西向北东、北西向南东以及环状顺时针为正向，东向西、南向北、北东向南西、南东向北西以及环状逆时针为逆向。

3.根据权利要求1所述的一种基于道路等级的最短路径规划方法，其特征在于，在步骤2中，所述节点与其联通的节点间的连接边的记录顺序由划分后的道路等级确定，对于节点和联通的节点间具有一条以上连接边的情况，连接边书写依据从左往右连接边对应的道路等级依次降低的顺序。

4.根据权利要求1所述的一种基于道路等级的最短路径规划方法，其特征在于，在步骤3中，所述道路的最大通行车速根据道路等级划分限定。

5.根据权利要求1所述的一种基于道路等级的最短路径规划方法，其特征在于，在步骤3中，所述的节点坐标是从GPS导航数据转换shape格式后的数据中获取的。