动态路径优化算法及相关技术

》本文对在GIS（地理信息系统）环境下求解动态路径优化算法及相关技术

进行了研究。最短路径问题是网络分析中的基本的问题，它作为许多领域中选择

最优值的一个基本却又是一个十分重要的问题。特别是在交通诱导系统中占有重

要地位。本文分析了GIS环境下动态路径优化算法的特点，对GIS环境下城市

路网的最优路径选择问题的关键技术进行了研究和验证。

》考虑现实世界中随着城市路网规模的日益增大和复杂程度不断增加的情况，充分利用GIS 的特点，探讨了通过限制搜索区域求解最短路径的策略，大大减少了搜索的时间。

》另一方面，计算机技术的进步，地理信息系统(GIS)得到了飞速的发展。地理信息系统是采集、存储、管理、检索、分析和描述整个或部分地球表面与空间地理分布数据的空间信息系统。它是一种能把图形管理系统和数据管理系统有机地结合起来的信息技术，既管理对象的位置又管理对象的其它属性，而且位置和其它属性是自动关联的。它最基本的功能是将分散收集到的各种空间、非空间信息输入到计算机中，建立起有相互联系的数据库。当外界情况发生变化时，只要更改局部的数据，就可维持数据库的有效性和现实性[3][4]，GIS为动态路径优化问题的研究提供了良好的环境。目前GIS带动的产业急剧膨胀，已经应用到各个方面。网络分析作为地理信息系统最主要的功能之一，在电子导航、交通旅游、城市规划以及电力、通讯等各种管网、管线的布局设计中发挥了重要的作用[5]。文献[6][7]说明了GIS 在城市道路网中的应用情况。而路网分析中基本问题之一是动态路径优化问题。所谓动态路径，不仅仅指一般地理意义上的距离最短，还可以应用到其他的参数，如时间、费用、流量等。相应的，动态路径问题就成为最快路径问题、最低费用问题等。

》GIS因为其强大的数据分析功能、空间分析功能,已被广泛应用于各种系统中与空间信息有密切关系的各个方面.各种在实际中的系统如电力系统，光缆系统涉及到最佳、最短抢修等问题都可以折合到交通网络中来进行分析，故而交通网络中最短路径算法就可以广泛的应用于其它很多的最佳、最短抢修或者报警系统中去[5]。最短路径问题是GIS网络分析功能的应用。最短路径问题可分为单源最短路径问题及所有节点间最短路径问题，其中单源最短路径更具有普遍意义[9]。

》2.1地理信息系统的概念

地理信息系统（Geographical Information System,简称GIS）是一种将空间位置信息和属性数据结合在一起的系统，是一种为了获取、存储、检索、分析和显示空间定位数据而建立的计算机化的数据库管理系统（1998年，美国国家地理信息与分析中心定义）[4]。这里的空间定位数据是指采用不同方式的遥感和非遥感手段所获得的数据，它有多种数据类型，包括地图、遥感、统计数据等，它们的共同特点都有确定的空间位置。地理信息系统的处理对象是空间实体，其处理过程正是依据空间实体的空间位置和空间关系进行的[25]。地理信息系统的外在表现为计算机软硬件系统，其内涵却是由计算机程序和地理数据组织而成的地理空间信息模型。当具有一定地理学知识的用户使用地理空间分析非空间分析等处理工具输入输出GIS数据库信息系统时，他所面对的数据不再是毫无意义的，而是把客观世界抽象为模型化的空间数据。用户可以按照应用的目的观测这个现实世界模型的各个方面的内容，取得自然过程的分析和预测的信息，用于管理和决策，这就是地理信息系统的意义。一个逻辑缩小的、高度信息化的地理系统，从视觉、计量和逻辑上对地理系统在功能上进行模拟，信息流动以及信息流动的结果，完全由计算机程序的运行和数据的变换来仿真。地理学家可以在地理信息系统支持下提取地理系统各个不同侧面、不同层次的空间和时间特征，也可以快速地模拟自然过程演变成思维过程的结果，取得地理预测或“实验”的结果，选择优化方案，用于管理与决策[26]。

一个完整的GIS主要有四个部分构成，即计算机硬件系统、计算机软件系统、地理数据（或空间数据）和系统管理操作人员。其核心部分是计算机系统（硬件和软件），地理数据反映

GIS的地理内容，而管理人员和用户则决定系统的工作方式以及信息表示方式。

》2.4地理信息系统的网络分析

对交通网络、城市基础设施网络（如各种网线、电力线、电话线、供排水线等）进行地理分析和模型化，是地理信息系统功能的一个主要方面。它的根目的是研究、筹划一项网络工程如何安排，并使其运行效果最好，如一定资源最佳分配，从一地到另一地的运输费用最低等。其基本思想则在于人类活动总趋于按一定目标选择达到最佳效果的空间位置。这类问题在社会经济活动中不枚举，因此在地理信息系统中此类问题的研究具有重要意义。

（1）路径分析路径分析是GIS中最基本的功能，核心是对最佳路径和最短路径的求解从网络模型的角度看，最佳路径求解就是在指定网络中两结点间找一条阻碍强最小的路径。最佳路径的产生基于网线和结点转角（如果模型中结点具有转角据）的阻碍强度。例如，如果要找最快的路径，阻碍强度要预先设定为通过网或在结点处转弯所花费的时间；如果要找费用最小的路径，阻碍强度就应该是用。当网线在顺逆两个方向上的阻碍强度都是该网线的长度，而结点无转角数或转角数据都是0时，最佳路径就成为最短路径。在某些情况下，用户可能要系统能一次求出所有结点对间的最佳路径，或者要了解两结点间的第二、第三至第K条最佳路径。另一种路径分析功能是最佳游历方案的求解。网线最佳游历方案求解，是定一个网线集合和一个结点，求解最佳路径，使之由指定结点出发至少经过每网线一次而回到起始结点。结点最佳游历方案求解，则是给定一个起始结点个终止结点和若干中间结点，求解最佳路径，使之由起点出发遍历全部中间结而达终点。

（2）资源分配

资源分配就是为网络中的网线和结点寻找最近(这里的远近是按阻碍强度大小来确定的)的中心(资源发散或汇集地)。例如，资源分配能为城市中的每条街道上的学生确定最近的学，为水库提供其供水区，等等。资源分配是模拟源如何在中心(学校、消防站、水库等)和它周围的网线(街道、水路等)、结点叉路口、汽车中转站等)间流动的。根据中心容量以及网线和结点的需求将网和结点分配给中心，分配是沿最佳路径进行的。当网络元素被分配给某个中心该中心拥有的资源量就依据网络元素的需求而缩减，当中心的资源耗尽，分配停止。用户可以通过赋给中心的阻碍限度来控制分配的范围。

（3）连通分析

人们常常需要知道从某一结点或网线出发能够到达的全部结点或网线。这类问题称为连通分量求解。另一连通分析问题是最少费用连通方案的求解，即耗费最小的情况下使得全部结点相互连通。

（4）流分析

所谓流，就是将资源由一个地点运送到另一个地点。流分析的问题主要是照某种最优化标准(时间最少、费用最低、路程最短或运送量最大等)设计运送案。为了实施流分析，就要根据最优化标准的不同扩充网络模型，要把中心分收货中心和发货中心，分别代表资源运送的起始点和目标点。这时发货中心的量就代表待运送资源量，收货中心的容量代表它所需要的资源量。网线的相关数据也要扩充，如果最优化标准是运送量最大，就要设定网线传输能力；如果目标是使费用最低，则要为网线设定传输费用（在该网线上运一个单位的资源所需的费用）。