基于分区域最短路径算法的警力调配系统
第24卷V o.l 24
第6期N o .6
重庆理工大学学报(自然科学)
Journa l of Chongqing U niversity of T echnology(N atural Science)
2010年6月Jun .2010
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收稿日期:2010-03-18
基金项目:国家自然科学基金资助项目(60772045)
作者简介:杨争(1982 ),男,湖南长沙人,主要从事信息工程研究。
基于分区域最短路径算法的警力调配系统
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杨 争
1,2
(1.国防科技大学电子与通信工程学院,长沙 410073;2.武警8730部队,广州 518000)
摘要:针对群体性突发事件发生时对武警部队应急反应要求高的特点,给出了一种基于区域划分的最短路径算法,并结合实际的地理环境、路况信息和武警部队的出警特点,整合已有G I S 系统,设计了基于该算法的警力调配系统,取得了良好的效果。关
键
词:分区域;最短路径算法;警力调配系统;G I S 系统
中图分类号:TP391 文献标识码:A
文章编号:1674-8425(2010)06-0044-04
Analysis of Police M anpo w er D eploy m ent Syste m based on R egi onal
B reakdown Shortest Path A lgorith m
YANG Zheng
1,2
(1.NUTD,Changsha 410073;2.NO.8730of C A PF ,Guangzhou 518000,Ch i na)
Abst ract :To m eet the high standard ofA r m ed Po lice Fo rce e m er gency response to m ass e m ergencies ,th is paper g i v es a shortest pa t h algo rithm based on reg i o na l breakdo w n shortest path a l g orit h m.Con si d eri n g actual geographical env ironm en ts ,
traffic i n for m ati o n and c haracteristics o f A r m ed Po li c e
Force ,and I ntegrated w ith ex isti n g GIS syste m s ,the police m anpo w er deploy m ent syste m is designed based on the algo rithm and ach i e ves good results .
K ey w ords :reg ional breakdown ;shortest path a l g orit h m;the po lice m anpo w er dep l o y m ent syste m;GIS syste m
自20世纪90年代中期以来,我国发生的群体性突发事件呈现出数量增多、规模扩大、参与人数增加、影响范围增强等特点,对社会稳定造成了一定的影响。为了有效地应对各种突发事件,我国已经从组织机构、法律法规建设、基础设施建设等方面建立了突发公共事件应急管理体系。但从总体来说,目前我国突发公共事件应急基础能力还很薄弱,如何有效的在突发事件和危机中提高部队的应急反应能力,快速组织部队到达现场,使事件造成的损失减小到最低,是一个迫切需要解决的问题。
地理信息系统(geog raph ical infor m ati o n syste m,G I S)能够将地理学、几何学、计算机科学及各种应用对象、Internet 、多媒体技术及虚拟现实技术等融为一体,能够利用计算机图形与数据库技术进行采集、存储、编辑、显示、转换、分析和输出地理图形及其属性资料,已经成为生成和管理城市交通网络的重要手段。在群体性突发事件发
生之时,使用G I S系统分析当前的交通状况,根据事件的实际情况制定部队到达现场的最佳路径,
能够有效避免在传统手段下部队调动时的盲目性,提高部队的应急反应能力,把事故对社会、经济造成的不良影响和损失降低到最小程度,确保公众和环境的安全。
1 基于区域划分的最短路径算法
传统的最短路径算法D ij k stra属于贪婪算法,存在典型的局部最小问题,是一种静态的局部最优算法。而现代城市道路网络规模越来越庞大,算法需要计算的数据量非常巨大,这样传统的算法已渐渐不能适应不断变化的道路情况对道路最短路径选择的需求。
为了解决D ij k stra算法的局部最优问题,进一步提高算法的收敛速度,本文给出一种基于区域划分的最短路径算法,该算法采用将大型网络进行分区或分簇的方式来减少参与寻路计算的节点数目和网络规模,从而降低寻路的计算时间和维护最短路径所需的开销,可扩展性较好。
1.1 寻找区域
分区域算法要求按照某种规则将道路网络划分成相互连通并覆盖所有节点的多个区域,并在网络发生变化时能够动态地更新分区以维护系统的正常功能。
如何进行分区是分区域算法的核心所在,分区的大小应该由道路网络的规模及区域本身的特性决定。为有效地进行分区,在此引入寻找域的概念。
D ij k stra算法每次操作都要遍历各结点列表,收敛速度慢、算法效率低,为了减小D ij k stra算法遍历的开销,我们为每一次寻路限定一个算法执行范围,称为寻找区域。
1.2 寻找区域的划分
根据地理位置,使用虚拟的网格,把整个道路网络用若干正方形区域进行划分。我们把每一个最小的正方形区域称为一个网格(g ri d),也称为矩形寻找区域。每一个网格有唯一的虚拟坐标,网格互不交叠且大小相等。其划分方式如图1
所示。
图1 矩形寻找区域的划分
此时网格的数目与寻找域的大小有关,节点可根据下式来确定自己所在的网格坐标
x =fl o or(2x/r+0.5)
y =fl o or(2y/r+0.5)
其中:x,y为节点的物理坐标;r为网格的对角距离;floor表示向下取整,节点所在网格的坐标用(x ,y )表示。
1.3 算法的实现步骤
在寻找域的基础上,基于网格形式的分区域最短路径算法的主要过程:
1)初始化参数,确定源节点和目的节点的位置坐标。
2)设定寻找域的大小,并以此划分网格。
3)确定源节点和目的节点的网格坐标。
4)根据两点间直线最短的原则,确定最短路径所经过的网格。
5)在各网格内同时执行D ij k stra算法,得到各网格内的最短路径。如果无法求得最短路径,则跳转至第2步,重新设定寻找域的大小。
6)将第5步所计算的各个网格内的路径相连,得到总的最优路径。
算法流程如图2所示。
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杨 争:基于分区域最短路径算法的警力调配系统
图2 算法流程
2 警力调配系统的设计与实现
系统要求结合实际的地理环境、路况信息和武警部队的出警特点,在现有的G I S 系统上,利用矢量化的分层地图,实现在约束条件下的最优路径选择,为武警部队迅速出警,到达突发事件现场创造有利条件,要求所选的路线安全、快捷、稳定,为最终路线的制定提供科学的决策支持。2.1 系统的功能结构
考虑到系统的实际情况,有效整合已有的M I S 系统中丰富的信息资源,整个系统的设计在结构上分为3层:
1)各分局/单位子系统层。安装在各个分局和相关单位,既用来进行原始突发事件信息的输入和相关路况信息的采集,又是整个系统的查询终端。此层可以分为2个部分: 信息输入部分,
一方面由各分局和单位组织人员按照系统所规定
的格式将突发事件信息的相关信息进行输入,包括事件的地点,规模和其他特征等。另一方面,与公安交警部门的道路监控系统联动,获取辖区内当前的路况信息,为核心系统层最短路径的生成提供支持; 查询分析部分,基层单位可直接在这里查询突发事件的相关资料,并获得由决策层提供的决策与命令,为各部门迅速反应,紧急和突发事件的处理创造有利信息条件。结构如图3所示。
图3 各分局/单位子系统层
2)核心系统层。安装在市局,是整个系统的
核心模块,可以简单的将其分为以下几个模块: 报警信息统计模块,统计由各分局和单位输入的突发事件信息,并按周、月、年生成统计报表,并可与其他时段的相关数据进行比较(例如:上个月同期数据或去年同期数据),得比较结果; 最短路径生成模块,包括路况信息分析模块,整合各分局所输入的路况信息,并量化成路况因子,输入GIS 系统;寻找域设定模块,根据事件的实际情况,设定合适的寻找域;分区域最短路径核心算法模块,根据分区域最短路径核心算法的思想,并结合路况因子和寻找域的定义,生成最短路径和备用路径供决策层参考; 警力定位与调度模块,主要是在紧急案件发生时,利用现代高科技的电子手段(包括GIS 系统和GPS 系统),对事发地点的警力进行迅速的定位,并且对市局的所有警力和装备进行统一的调度,以保证及时有效地处理案件。结构如图4所示。
3)决策层。其中领导决策部分安装在领导办公室,其余部分安装在指挥中心,系统的决策建
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议将在此做出,本层分为2个部分: 系统决策部分,由系统根据核心系统层的最短路径生成模块和警力定位与调度模块的执行结果进行整合,并根据以前的类似案件以及其他资料,对本案进行总结建议,并将结果送到主观决策部分; 主观决策部分,根据系统决策的结论,由相关的领导做出最终的决策,并将决策向下发布到各个子系统,从而对整个突发事件的应急处理做出指示。系统的分层结构如图5
所示。
2.2 路况因子的设定
在系统的实际应用中,由于突发事件发生时,城市的交通状况会受到较大的影响,一些主干道可能会因为种种原因产生阻塞或其他事故,所以传统意义上的最短路径不一定能够在实际上实现最快到达。考虑到现代城市的交通道路上均有摄像头进行实时监控,可以较准确地了解当前实际的路况状态,我们引入路况因子来辅助最短路径的选择。
将道路的实际通行能力抽象成3个因素,并分别赋予不同的权值,从而得到能够较为真实反
映当前实际路况状态的路况因子,其具体设定如表1所示。
表1 路况因子的具体设定
路况因子
路况状态权重路况因子
路段长度y 车道宽度
z 通行能力
平均车速
x 1
瞬时交通量
x 2
路面质量x 3特殊路段阻抗
x 4在实际系统中,只要根据城市的具体情况,为y ,z ,x 1,x 2,x 3,x 4设定不同的权重,就可获得能够较为真实反映当前实际路况状态的路况因子,为最短路径的求解提供决策支持。
3 结束语
给出了一种基于区域划分的最短路径算法,该算法通过对道路网络进行寻找区域的划分有效地减少了参与寻路计算的节点数目和网络规模,并通过并行执行D ij k stra 算法来进一步降低寻找最短路径的计算时间,提高算法的收敛速度,鲁棒性强,效率高,可扩展性好。通过使用该算法,结合实际的地理环境、路况信息和武警部队的出警特点,设计了具有决策支持功能的警力调配系统,该系统对提高部队的应急反应能力,快速的组织部队到达现场,减少事件造成的损失具有积极
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杨 争:基于分区域最短路径算法的警力调配系统
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好,实现了教学督导工作的网络化和信息化,达到了提高教学质量监控效率和水平的目的。
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(责任编辑 陈 松)