1、 武 汉 纺 织 大 学毕 业 设 计 (论 文 )交通线路选择软件的设计与实现姓 名：学 号：1003741126学 院：电子与电气工程学院指 导 老 师：肖 适2015 年 5 月 30 日摘 要随着社会经济的飞速发展，出行方式的多样选择，设计和研究一套简单交通线路选择软件，成为利民便民和增强市场竞争力的重要举措。这其中设计最主要的核心问题是最优路径选择问题。本文分析了交通道路网络的具体特点，主要包括线性分布特点、网络分布特点、分段分布特点、动态性特点和车辆行驶的自主性特点等。将交通网络抽象成一个由边和节点组成的图，并根据图论的相关理论和知识构建起交通网络模型，包括交通道路节点模型，交叉口
2、和道路模型，并对上述道路模型信息进行存储，以构建好的交通道路模型为基础研究智能交通系统中的最优路径问题。考虑到实际道路中存在一定的交通阻抗，为使算法更具有应用价值，本项目在 Dijkstra 算法的基础上进行了改进，缩短了道路搜索时间，提高了最优路径选择的效率。数据库的选择与设计是系统实现中不可或缺的重要组成部分，优秀的数据库选择和设计方案能够提高最优路径选择的效率、也提高了整个智能交通系统的工作效率。本文使用了 GIS 数据模型与数据库的管理设计，主要包括 GIS 数据的简介、选择 Oracle 的理由、GIS 数据向 Oracle 中的导入和存储、Oracle中 GIS 数据的访问和维护。
3、对道路交通系统的建模、最优路径选择算法的研究以及数据库的开发设计目的是建立一套接近实际情况的最优路径选择系统。本文将经典的 Dijkstra 算法和改进的 Dijkstra 算法进行编码实现，使之在最优路径选择系统中正确运行。关键词：智能交通线路选择; 最优路径; GIS 数据; 系统设计; Dijkstra 算法ABSTRACTAlong with the rapid development of social economy, diverse selection of travel mode, research and design a simple traffic routes to c
4、hoose software become convenience and to enhance the market competitiveness of the important initiatives. The design of the main core of the problem is the optimal routing problem.This paper analyzes the specific characteristics of the traffic and road network,including linear distribution character
5、istics of network distribution characteristics，segmented distribution characteristics，dynamic characteristics of vehicles autonomous featuresAbstract transportation network as a graph of edges and nodes，and build a transportation network model based on graph theory theory and knowledge，including tra
6、ffic road node model, intersections and road model,and storage of the road model information to build good traffic road model for basic research in intelligent transportation systems，the optimal path. Considering the actual road traffic impedance，is the algorithm more application improved value on t
7、he basis of the Dijkstra algorithm,shortening the path search time，and to improve the efficiency of the selection of the optimal path The database is an important part of an integral system design and implementation, database selection and design of a direct impact on the efficiency of the path plan
8、ning systemThis article uses the design of a GIS data model and database management，mainly including the introduction of GIS data,select Oracle reason imported and stored in the Oracle，GIS data, the Oracle GIS data access and maintenance. Modeling of road traffic system,the optimal path selection al
9、gorithm well as the development of the database is designed to establish the optimal route selection system set close to the actual situationClassical Dijkstra algorithm and improved Dijkstra algorithm were implementedThe optimal path selection system is proved correctlyKey Words：Intelligent traffic
10、 line selection ; Optimal path; GIS data; System design; Dijkstra algorithm 目 录1 绪论 .12 基础知识 .321 路径优化算法概述 .3211 Floyd 算法 .3212 Dijkstra 算法 .4213 GPSR 算法 .422 图论简介 .52. 2. 1 图的概念 .6222 图的表示 .6223 图的存储 .723 本章小结 .73 最优路径 .831 建立城市交通模型 .8311 道路节点模型 .9312 交叉口和道路模型 .932 交通模型数据存储 .9321 数据预处理 .9322 交通路径模型
11、建立与数据存储 .1033 最优路径选择 .11331 最优路径的求解过程 .11332 经典 Dijkstra 算法分析 .11I333 Dijkstra 算法改进 .1233. 4 交通阻抗分析 .133. 4 本章小结 .144 GlS 数据模型和数据库设计 .1441 GIS 数据模型建立 .14411 空间数据模型 .15412 属性数据模型 .154. 2 GlS 数据的管理与组织 .164. 3 SpatiaI 简介 .1644 空间数据向 Oracle 中的导入 .1745 GIS 数据在 OracIe 中的存储 .1746 Oracle 中 GIS 数据的访问 .184. 7
12、 Oracle 中 GlS 数据的维护 .1848 本章小结 .195 路径优化算法系统实现 .1951 电子地图制作 .1952 仿真结果与分析 .1953 本章小结 .216 结论 .21参考文献 .22致 谢 .23武汉纺织大学 2015 届毕业设计论文01 绪论随着改革开放经济的发展，人口数量的不断增多，城市的数量和规模不断增大和增多，城市化程度和趋势十分明显，城市交通问题成为目前影响和制约我国经济发展和社会进步的主要因素。不论是上海北京等特大城市还是其他省会城市或地级市，普遍存在交通问题，城市车辆不断增多，人口越发密集，道路环境不断恶化等原因都是导致城市交通问题的主要方面。这就要求我
13、们拥有的便利交通系统，随着计算机技术和电子技术的不断发展，以及电子地图测绘技术的不断进步，这使得地理信息系统也得到了长足的进步，这些技术的发展都给智能交通系统的发展奠定了良好的基础。通过中西交通道路系统的比较，我国城市交通系统的主要问题包括交通管理技术落后，为从根本上解决问题上述交通拥堵问题，并保持大中城市交通可持续发展带动城市的可持续反战，除了合理地进行交通道路等基础设施建设外，另一个切实可行的办法就是进西方先进的高科技管理技术改进我们的交通系统，并使其符合我国国情，建立高性能高效率的智能城市交通系统(ITS)。智能交通系统(ITS)通过充分发挥现有交通资源潜力和系统内部协同作用产生的效力，
14、能够为城市交通提供更安全、更舒适、更高效率和更高品质的新型城市交通系统嘲。智能交通系统的目标是利用现金的计算机技术和先进的网络管理来减少交通拥堵、交通事故和环境污染，与此同时，交通系统能够有效的正常的运行。在交通、计算机、电子通信、信息技术和系统科学与工程应用领域中，智能交通系统是日前许多国内外学者和研究机构集中、深入的研究领域之一，具有非常好的发展前景。在我国，随着交通运输业的不断发展，交通环境日益恶化的今天，研究出一套能够适应我国国情的现代智能交通系统和车辆导航系统，使之能够为人们出行提供重要的交通信息，避免交通拥堵，减少交通事故，为驾驶者提供最佳的驾驶路径，达到交通的路网畅通已经迫在眉睫
15、。如果能够对车辆导航系统提供行之有效的最佳路径选择算法，就能为人们出行提供有效、合理有效的出行路径，从而提高交通系统运行的效率。最佳路径选择问题是智能交通系统中的重要组成部分，也是交通地理信息系统研究中的一个热点问题之一，是出行路径设计与优化、现有有限资源重新利用和分配等问题的基础。因此最优路径武汉纺织大学 2015 届毕业设计论文1选择与优化问题是实时的动态交通系统中具有具有重要现实意义的研究课题。最佳路劲的算法研究不仅可以应用在交通网络系统中，而且对出行决策、校车路径查询、快递物流、资源分配等方面也有很好的应用价值。道路交通系统中最佳路径选择的研究能够为综合信息管理和只能决策提供先进、科学
16、和行之有效的判决依据；为人们出行提供便利的交通运输条件；为车辆的运行提供安全保障：提高了现代交通道路的利用效率；帮助车辆减少尾气排放和燃油等资源的消耗：对于建设资源节约型社会具有划时代的意义。目前我国对有许多与最优路径求解相关的学科在侧面对这个问题做过研究，如运筹学、计算机科学、图论、数论、交通工程学理论、地理信息科学研究等。日前网络发展十分迅速，而网络的构成类似交通道路系统，可以利用最优路径算法来解决很多网络方面的问题。经典学科中的图论、数论与计算机科学以及数据结构与算法的有效结合使得对最优路径算法的研究有了很大进展。国内外大量研究机构和相关学者对最优路径问题的解决进行过深入研究与探讨。数学
17、家 EWDijkstra 在 1959 年就提出了标号设定法用于解决路径问题，形成了目前仍被视为经典的 Dijkstra 算法。自从 Dijkstra 算法面世以后，又历经了很多学者对该算法的改进与发展，因此有关最优路径选择问题的研究成果不断涌现，使其求解速度和求解效率不断提高。最优路径选择算法在不同的应用条件下可以按照不同的方法进行分类。如按照时间顺序来分类，分为动态最优路径选择问题和静态最优路径选择问题；如果按照确定性和非确定性来划分，分为确定型和随机型最优路径选择问题；如果按照网络规模大小划分，可分为小规模网络和大规模网络最优路径选择问题：如果按照计算方式来划分，可分为串行和并行最优路径
18、选择算法。各种不同类别的最优路径选择算法相互组合可以成为解决不同问题的各种各样算法。最优路径问题按照是否是单源问题还可以分为单源最优路径选择问题及全源最优路径选择问题。其中单源最优路径选择问题更具有实际应用的意义，而且良好的单源路劲问题的算法可为全源最优路径问题提供良好的研究基础，因此本文在研究最优路径选择问题的过程中只考虑单源最优路径选择问题。武汉纺织大学 2015 届毕业设计论文22 基础知识21 路径优化算法概述国内外的研究机构和学者对不同的路径优化算法进行了研究、分析、比较和论证，比较经典的路径优化算法有 Floyd 算法、Dijkstra 算法、GPSR 算法、遗传算法、蚁群算法等。
19、实际的交通网络是一个复杂的动态网络系统结构，它包括各种道路的限制信息以及交通流量的实时信息，然而现有的所有路径优化算法均是对某种抽象的具体网络结构进行优化计算各种，这就需要对实际的交通网络建立模型。路径优化的效率和速度室友所建立模型的准确程度来决定的。目前，国内外学者己经有许多传统的经典算法用来解决路径优化问题，但这些算法具有共同的点就是并没考虑实际出行的具体特点特点，如路况信息、道路质量、道路上的车流量等。最短路径算法求出的仅仅是在空间距离最短的路径，但在实际应用中人们需要的是最优路径，最优路径不一定是距离最短，还要考虑交通阻抗的问题，比如想要求得从 A 地到 B 地的最优路径，这个问题是指
20、在所有从 A 地到 B 地的所有路线当中选择最优的一条，包括最节省时问，最节省资源，是驾驶者最舒适，对交通工具的各项消耗最小等。最优路径问题并不是普通意义上的距离最短路径选择问题。实际情况下最优路径选择问题包括两层含义：首先最优路径是一条可以从 A 地到达 B 地的畅通的路径；其次这条路径在所有路径当中是最佳的。从 A 地到 B 地想要找一条最优路径，应是一条的所用时间最短、驾驶者最舒适、道路上的车辆数量较少，或对交通车辆的损耗最少。211 Floyd 算法Floyd 算法是由 Floyd 在 1962 年提出的。将图的节点和边的信息计算利用矩阵计算来完成，通过一个图的权值矩阵中求出交通网络中
21、任意两点之间的最短路径。基本思想：比如求图中两节点 Vi 到 Vj 的之问的最短路径问题。Floyd 算法是一种动态规划算法，由于是穷举法进行计算，因此对于稠密图效果较好。此算法思路简单，该算法对于稠密图来说，效率要高于经典的Dijkstra 算法。但缺点是时间复杂度较高，不适合大规模数据的计算，耗时较武汉纺织大学 2015 届毕业设计论文3长。212 Dijkstra 算法Dijkstra 算法由荷兰数学家 Edsger Wybe Dijkstra 在 1959 年提出来的，是一种单源最短路算法适用于非负权值网络的计算，是目前在求解最短路径问题较为完备且应用广泛的算法之一，可以计算出图中从指
22、定结点到图中其他任意节点之问的最短路径。在一个图 G 中，Dijkstra 算法不但可以给出两指定结点之间的一条具有权值最下送的路径，且还可找出从指定点到图 G 中所有结点的最短路径。Dijkstra 算法的缺点就是当网络中结点数量较大时，就会增加算法的复杂度，降低了效率。该算法通过图中的每个节点 v 建立额外的信息数组，存储从其他任意节点 S 到 v 的最短路径。在初始状态下，原始节点 S 的路径长度值被赋为 0 即 dis 的值为 0， 同时假设其他所有节点到该节点的路径长度为无穷大，用无穷大长度的路径表示任何其他节点到该结点的路径是未知的。如果存在从 S 到 v 的路径，那么当苏算法结束
23、时储存的信息是 S 到 v 的距离最短路径；如果从 S 到 v 的路径不存在，则 dV中储存信息是无穷大。Dijkstra算法的操作对边进行了拓展：如果从 U 到 v 的路径是存在的，将边(u，v)添加到(s，v)尾部，则这条新的路径的长度为 dM+w(u，v)。如果这条路径的长度比已知的路径长度 dv的值小，我们可以用新的路径来代替原有路径。这种拓展边的迭代运算一直进行，一直运行到所有的 dM 都代表从 S 到 v 最短路径为止。算法需要维护两个结点集 Q 和 P，集合 P 保留了我们通过迭代运算所得的所有dM 的最短路径的值结点，而集合 Q 则保留其他剩下的所有结点。集合 P 初始状态为空
24、，而后每一步都有一个结点从集合 Q 中转移到集合 P 中，并相应的在 Q中删除该节点信息。213 GPSR 算法GPSR 路由算法的思路是利用地理位置信息进行最优路径选择，该算法需要通过贪婪转发算法来建立与其他信息之间的关联和路由。当节点 s 向 D 转发数据分组时，他首先找到与相邻节点中距离最小的那个节点，然后将数据分组转发给那个节点，将距离最小的那个节点称为跳点，然后将 S 的数据传送给这武汉纺织大学 2015 届毕业设计论文4个跳点，该过程需要一直迭代计算，直到分组数据全部到达节点 D。利用欧氏距离计算距离方法计算距离该节点最近的相邻节点，但如果数据传输的某一节点是发现没有找到下一个距离
25、最小的节点使得数据传送的目标节点时，导致了数据传输的失败。在发生生无法传送数据时，节点能够探测到周围的空洞，并利用右手法则沿着空洞周围的节点传输数据来解决这类问题。该方法的优点在于米面了在节点信息中存储建立和维护路由表信息，只需要利用相邻节点进行路径选取即可进行，几乎是不需要任何协议辅助；并且利用欧氏距离最小的方法进行路由，数据传输的延时最小；并能够保证只要网络路径不被破坏，数据一定能到传送到目标节点中去。但该算法存在这一定的缺点，当网络中的某节点与源点集中在两个区域时，由于通信的不平衡能够导致部分节点无效，从而是网络的连通性遭到破坏；另一方面是该方法需要 GPS 定位系统的辅助来计算几点的位
26、置信息。GPSR 中贪婪转发算法能够正常转发数据的前提是：目的结点的位置都包含于每个数据分组中，每个结点都有邻居结点列表信息以及邻居结点和本结点的位置信息。在实际的路线选取过程中，我们将路口与上述的结点对用。在电子地图中，每个路口都有坐标位置和列表信息，那么在算法程序中我们首先要做的是让每个结点都包含一条邻居结点链表，并将结点号与位置信息关联起来。22 图论简介图论(Graph Theory)是组合数学的一个分支，它源于瑞士数学家欧(Euler)1736 年对于著名的哥尼斯堡七桥问题的解决，从而使欧拉成为了图论的创始人。图论是数学学科当中比较年轻的一个分支。在图论被提出后的两百年中，图论的发展相对缓慢，但自从图论与大量的实际问题相结合，在物理学、化学、信息论、运筹学、计算机科学、控制论、社会科学，经济管理等各种学科中找到了更广泛的应用，使图论在近几十年来得到了快速的的发展。目前在图论领域中形成了两个不同的方向：抽象图论和最优化图论。前者主要研究图的性质，后者主要讨论与图有关的优化问题。最优化图论既可以算作图论中的一个研究方向，也可以看作运筹学中最优化理论的组成部分。图论中的图是由若干节点以及两节点之间的连线所构成的图形，图论的研究对象是图，这种图
