城市线路高效导航策略的研究.docx

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城市线路高效导航策略的研究

城市线路高效导航策略的研究

摘要：

伴随着快速发展的经济，城市交通拥挤现象愈演愈烈，已逐步成为制约城市经济发展的严重问题。

目前，随着社会的发展，人们已经意识到智能交通系统是解决交通拥挤的最佳办法，而车辆导航系统作为智能交通系统重要组成部分之一，又是其中的关键。

本文围绕城市线路高效导航的策略进行论述，介绍了车辆定位导航系统动态路径规划研究现状、动态路径规划方案设计、基于车载导航的多用户动态路径规划最后是全文总结。

本文基于多用户导航动态路径规划的特点，阐明了多用户导航动态路径规划的方法，即通过适当算法构造出导航路径表并进行周期性更新，当车辆决定出发前，用户都可以通过这张表的相关信息来决定驾驶的最佳路径，且可在一定时间间隔后重新该表，以决定新驾驶路径来实现动态路径规划。

该方法通过计算上一时间周期内的道路检测器实测值并将结果以表的形式存储，供出行者查阅。

当用户数增加后，可降低总体开销，提高车辆导航的速度和效率来满足多用户导航的需求。

关键词：

导航策略；Dijkstra算法；动态路径规划；多用户

abstract

Withtherapiddevelopmentoftheeconomy,theurbantrafficjamhasbecomemoreandmoreintense,andhasbecomeaseriousproblemthatconstrainstheeconomicdevelopmentofthecity.Atpresent,withthedevelopmentofthesociety,peoplehaverealizedtheintelligenttransportationsystemisthebestwaytosolvethetrafficcongestion,andvehiclenavigationsystemasanimportantpartofintelligenttransportationsystem,isthekey.Thispaperaroundthecitylineefficiently,theessaydiscussesthestrategiesofnavigation,vehiclenavigationandpositioningsystemareintroducedanddynamicpathplanningresearchpresentsituation,dynamicpathplanningschemedesign,basedonthenavigationofthemulti-userdynamicpathplanningisthefulltextsummarizedatlast.

Inthispaper,basedonthecharacteristicsofusernavigationdynamicpathplanning,navigationilluminatesthemulti-userdynamicpathplanningmethod,namelythroughappropriatealgorithmconstructsthenavigationpathtableandperiodicallyupdated,whenthevehicledecidedbeforedeparture,userscanthroughthislistofrelevantinformationtodeterminethebestpathfordriving,andthetableagain,afteracertaintimeintervaltodeterminethenewdrivingpathstorealizedynamicpathplanning.Themethodcalculatesthemeasuredvalueoftheroaddetectorinthetimeperiodandstorestheresultsintheformofatable.Whenthenumberofusersincreases,theoveralloverheadcanbereduced,increasingthespeedandefficiencyofvehiclenavigationtomeettheneedsofmulti-usernavigation.

Keywords:

navigationstrategy;Dijkstraalgorithm;Dynamicpathplanning;Manyusers

引言

随着人们生活水平的提高，汽车已从奢侈交通工具变成了普通交通工具，汽车保有量逐年增长，汽车已走进千家万户，这就给城市交通带来极大的压力。

而智能交通诱导系统，可随时向出行者和管理者发布动态交通信息、报告路况动态，帮助出行者制定出行计划和驾车线路，已成为提高城市交通效率、有效缓解道路交通压力的有效手段之一；作为诱导系统中及其重要的组成部分之一，车载导航系统在其中起重要作用。

作为车载导航系统核心技术，路径规划的算法直接影响导航的效果，好的规划可帮助出行者在出行前或出行中规划最佳路径。

路径规划有静态路径规划和动态路径规划两种两种路径形式。

其中，静态路径规划中求解最短路径的算法一般为，把各路段交通路阻视作固定不变的值代入相应的路径规划。

目前，市场中导航系统基本基于此算法而推出的。

近年来，随着车流量的增大，交通事故和交通堵塞频发，显而易见，静态路径规划法已不适应当前实际情况，需进行新课题的研究。

基于此，本文进行了适合大规模多用户导航的交通路阻，随时间变化网络的最短路径问题，即动态路径规划策略的研究。

1、车辆定位导航系统动态路径规划研究现状

使起讫点间的交通阻抗最小是路径规划所依据的基本原则。

作为一个广义的概念，交通阻抗可根据实际中差异性要求而采用设定不同的阻抗标准，如最少时间、最短距离、最低收费等。

而时间、距离、收费等信息都可以路段属性存储于地图中。

并可将道路网络中两点之间的最优路径的计算转化为图论中求解带全有向图的最短路径问题的解决。

由于网络特性、问题的特征等的复杂性，最短路径算法也表现的多种多样。

按结节数目和特征，最短路径问题可以分为单对结点间最短路径、所有结点间最短路径、K则最短路径、实时最短路径和指定必经结点的最短路径这5种类型。

按网络特征又可分为稠密网络和稀疏网络、有向网络和无向网络等。

按路径搜索通用技术又可分为组合技术和代数技术。

组合技术主要指大部分最短路径算法核心部分的标号算法。

按照不同的结点处理，标号算法又可分为标号设定和标号改正两大体系。

下图为最短路径算法在导航系统中的应用分类，内容解释如下：

图1导航用最短路径算法分类

寻求算法分为实时自适应寻路和非实时寻路。

其中实时寻路是指导航过程中，随时对不断变化的交通信息进行实时更新而对最佳路径重新计算修正，这就需要多次计算，主要依赖获得实时交通信息的频率和所寻最优路径的长度等因素。

而非实时寻路是指，只在起始时刻进行一次寻路算法计算，且在导航的整个过程中始终利用该结果，并不对实时交通信息进行修正和更新。

2动态路径规划方案设计

作为实现车辆导航系统其他功能的前提条件，路径规划是帮助驾驶员在出行前和行驶中规划行驶路线的过程。

纵观其发展史，路径规划研究，已先后经历了静态路径规划和动态路径规划两个过程。

静态路径规划，是利用历史数据或只利用地理信息系统信息进行规划，同时把路段权重看做是一个确定量，从而转化为确定性的静态最短路径问题。

这方面国内外已有很多学者对此做过深入研究，并有很多成熟算法可以利用。

但在实际操作中又有很多实际问题，一是记录路网信息的电子地图数据库数据庞大，不便于收集；二是受限于成本和车载环境，负责计算路径规划功能的车载系统无法收集全部信息，这就导致车载导航系统处理能力和系统存储资源有限，这就成为最短路径算法直接应用于车载导航系统面临的一道难题。

而动态路径规划与之不同，该路径规划因为将路段权重看作是一个与时间相关的随机变量，所以即转变为随机性最短路径问题。

在现实交通网络中，路段权重不仅与单一变量有关，而且还与诸多不确定性因数有关，如路况、交通流量、交通事故等等。

这就体现了动态路径规划的优势，该方法增加实时交通信息，使得出行者根据车载导航系统提供的根据实时交通状况更新而修改的行车路线形式。

从整个交通路网来讲，动态路径根据城市交通路网交通流量的动态特征，基于实际交通情况对车辆进行引导，有效地疏通拥挤交通，是缓解交通压力的有效措施；从出行者来讲，它可以根据起终点实时更新路况，引导出行者走出一条节约时间和金钱、安全舒适的道路。

路径规划按导航对象可以分为多车辆路径规划和单个车辆路径规划，前者是针对整个道路网络，对道路上的所有车辆进行规划，使所有车辆总的行驶成本最小，改善交通；后者是对出行者个体进行规划，并使行驶成本达到最小。

3、基于车载导航的多用户动态路径规划

动态路径规划主要考虑在时变交通网络中寻找最短路径问题。

利用路段交通流的历史数据，来预测未来时段的交通流，将预测数据代入静态路径规划算法来求出最短路径是目前的主要研究方向。

该算法目的为通过把预测值代入静态路径规划算法，达到动态路径规划。

但完全依赖于预测数据无法完全保证其准确性，是该方法的不足之处。

本文通过尝试将周期性路段实测数据带入静态路径规划算法，以实现模拟动态规划的效果，该方法更接近实际情况，且计算量较小，易于实现。

3.1静态路径规划算法的选择

经典的静态路径规划算法有Dijkstra算法、Floyd算法、Lee算法、蚁群算法等。

Dijkstra算法是网络拓扑中两结点间的最短路径搜索中公认的最经典算法。

其特点是思想简单、搜索质量稳定、搜索效率高。

且其基本思想被多种常见算法采用（如启发式搜索算法—A*算法）。

本文运用Dijkstra算法，来研究多用户导航动态路径规划问题。

Dijkstra算法思路简单，基本思路为从起点开始，对当前结点的所有子结点的权重进行更新，并选用权重最小者对当前结点更新，直到遍历目标结点为止。

当采用有向图G（E，V）表示有向交通路网时，E表示路网的结点集合，V表示路网中边的集合。

各条边的交通路阻用权值表示，Dijkstra算法如下：

初始化，将所有结点的权重都标注为无穷大∞；将起始结点的权重标为0，并作为当前结点w；

检查当前结点的子结点v，对每一个子结点用公式

（1）计算新权重，当新权重小于旧权重时，对权重进行更新：

D（v）=D（w）+D（w，v）

（1）

式中，D（v）为子结点v的权重；D（w）为当前结点w的权重；D（w，v）为结点w到v的权重。

按权重大小，对所有结点进行排序，当前结点选用权重最小的结点；重复3、4步骤，直到当前结点为目标结点为止；再从目标结点反溯，至起始结点并得到最短路径。

搜索过程中，应设置两个表，即待展开结点集合（OPEN）和已展开结点集合（CLOSED）。

OPEN表保存了所有已生成，却未考察的结点；CLOSED表中记录已访问过的结点。

算法中有根据结点权重重排OPEN表，即在每一次搜索中只考虑OPEN表中状态最好的结点。

3.2城市交通路网的划分

在城市中，多数出行者从道路出行便利角度考虑，优先选择主干道，其次为次干道。

因此，我们可根据交通流密集程度，把城市路网分为若干级区域。

具体交通网络划分，可对整个区域交通网络，按照边的等级不同，进行整体划分。

将分层好的整体区域，利用区域树对各个结点进行索引。

首先对交通网络中的点划分等级，主要依据所定的边的等级。

原则是与该点连接的所有边中最大等级的边的等级作为该点的等级。

根据上述方法对区域具体划分过程如下：

首先取出一点，并指定其区域号。

按照规则，加入所有与之相关联的点，分配相同区域号；再对其他点，同法进行分配。

分配结束的标志为每一个点均具有有区域号，分配结束后，将相同区域号的点存放在一起，通过区域号建立区域层次树。

通过建立区域层次树，可以减少查询过程中点的遍历。

例如，在1：

7：

2区域中一点作为起点，在1：

3：

2区域中一点左右为终点。

我们可通过三级道路在1：

7：

2的区域中不断查找，直到找到二级道路，通过二级道路进入区域1：

7，再通过一级道路进入区域1，而后用降序进入区域1：

3，再通过二级道路进入区域1：

3：

2。

下图所示：

图2区域层次树

3.3动态路径规划的多用户导航策略

3.3.1多用户动态路径规划分析

实际交通路网的动态路径规划有以下几个特点：

1.实际的道路网络错综复杂，结点数巨大，如果直接使用Dijkstra算法，庞大的结点数目会使计算时间成倍增长，计算量会变得非常大，导致路径查询速度减慢。

2.作为时变网络，交通路网自然不宜采用静态路径规划方法。

导航系统要求算法计算时间必须短，且能跟得上驾驶员的行驶速度，这样才能保证及时给出导航建议，且计算必须准确。

3.道路交通流量的连续性，在一定时间间隔内相邻时间的交通流量值可视为相同。

目前，系统的路径诱导优化多以单用户车辆的路径优化为主要目标。

对多用户导航动态路径规划研究，至今不多。

当然，如果仅仅是简单按照多次运行单用户路径诱导算法，来实现多用户导航，这必然会导致路径诱导的速度和效率下降，因为，仅仅是多次运行单用户路径诱导的计算量就达到增加。

因此，这就需要我们针对多用户导航的特点，研究和设计一种适合的动态路径策略。

通过上述分析，结合多用户导航动态路径规划的特点，作者提出了一种易于实现的多用户导航动态路径规划方法。

该方法主要通过相应算法，构造导航路径表并进行周期性更新，保证任何车辆出发前，都可查询这张表，来决定驾驶的最佳路径。

同时，也可在一定时间间隔后，重新查询该表，以决定新的驾驶最佳路径，实现动态路径规划。

该方法通过计算上一时间周期内的道路检测器实测值并将结果以表的形式存储，供出行者查阅。

当用户数增加后，可降低总体开销，提高车辆导航的速度和效率来满足多用户导航的需求。

3.3.2动态路径规划的多用户导航策略

实现动态路径规划的多用户导航的一个关键技术是构造导航路径表。

采用Dijkstra算法，将各路段检测器的检测结果计算而得的交通路阻值代入，求得任意两点最短路径，将结果填入路径表，路径表的结构如下表所示：

表1 导航路径表结构

字段名称

字段类型

字段宽度

字段说明

Start

字符型

100

起始结点名称

Goal

字符型

100

目的结点名称

Path

字符型

100

两结点间最短路径

用户查询的最佳路径线路，在该表中均有记录。

如，一个新用户查询的起始点和终点之间的路段，在同一个时间更新周期内与其他用户规划过的路径重叠时，那么，该用户即可直接使用已规划好的最优路径；但是，如果更新显示，该段路况发生较大变化，例如发生拥堵现象，此时就应考虑重新规划最优路径。

我们将道路检测器动态数据采样周期定义为T0，那么，导航路径表的更新周期列为T0的倍数，如2T0或4T0；因为一般情况下，驾驶员比较讨厌导航路线的频繁更换，且并不严格要求路径最短，同时，对预测交通流要求也低，因此，我们可以每运行一定的时间（例如30分钟后）再查询导航路径表，来确定最佳路径。

这样设计的依据是，在判断周期内，基于驾驶员对绕路程度的容忍度，即使在该时间段路段流量发生了变化，且原规划路线已不是最短路径时，驾驶员仍不希望频繁绕路，因此，驾驶员往往不会选择更换路线；但是，如果判断周期内，出现严重拥挤等情况发生，驾驶员往往无法忍受而往往选择改变导航线路；这就体现了在一定时间间隔后重新规划路径的好处，这可以适应道路交通的变化，做出最适决定。

该策略符合驾驶者实际行车规律，充分考虑实际情况，在一定程度上避免过于频繁的更换驾驶线路。

车辆导航系统开始前准备步骤：

1完成路网加载，采用划分等级区域法，确定起点及终点的区域；

2将采集的数据一次性代入Dijkstra算法，计算出基于行程时间最短或费用成本最少的最佳路径，导航路径表如表1所示；

32T0或3T0的时间周期性更新导航路径表；

导航系统初始化结束后，可进行动态路径规划的多用户导航，该导航策略如下图所示，具体步骤为：

图3动态路径规划的多用户导航策略

1．用户选择出发点和目的点；

2．在数据库中查询导航路径表，直接取用全部或部分最优路径决定驾驶的路径；

3．按照推荐的最优路径的下一路段行驶；

4判断是否偏离规划的路径，若是，返回第2步骤重新规划最优路径；若否，进入下一步骤；

5．每隔一定时间，判断驾驶员是否需要更换线路，若是，返回第2步骤，重新规划最优路径；若否，进入下一步骤；

6当重新进入一路段时，判断其是否为目的地路段，若是，则结束；若否，再次进入第5步骤，直至到达目的地为止。

4、应用分析

图4某城市交通网络图

参考上图所示的某城市各路段实时数据，结合电子地图，进行车辆动态路径规划的多用户导航实验。

该实验采用作者提出的多用户导航动态路径规划策略，同时，利用动态数据库存放导航路径表数据。

结合实际路况信息，利用前后的路径导航效率和时间，多次对在更新周期内已存数据进行了比较；尽管，在每个时间周期，系统都需重新计算最短路径，但是，一旦计算结束，该计算结果，驾驶者都可以通过查询路径表迅速找到答案，且不受区域和路段的限制，并且，当用户数增加时，查表使用相同路径或已有用户查询的路径可使用户快速获取最佳路径，避免了实时计算所导致的导航速度慢等问题，既节省了导航计算的存储空间，同时也避免了大量重复运算，又提高了路径规划的运算效率和速度。

5、结束语

本文对动态路径的多用户导航问题展开研究，提出了一种动态路径多用户导航策略，并结合某城市实际交通路网对该策略进行分析，其应用结果表明，该策略在一定程度上可满足多用户导航需求，能够减少系统的重复运算，从而达到提高多用户车辆导航的效率，为人们的出行提供便利。

但是，由于实际城市交通网络问题的复杂性，车辆导航系统受交通路况影响较大，这就给多用户动态路径导航系统也会带来影响。

在本文中，作者将城市交通路网根据相关标准，将道路进行了等级区域的划分，缩小搜索范围，有效减少大量无意义运算；同时，利用实时检测值代入公式，计算路网中任意两点间的最短路径，构造导航路径表；并运用周期性更新的方法，保证一定周期内的交通流数据的稳定性，不会发生突兀变化，帮助驾驶员选择最优路径。

虽然，该策略得到的是近似最优路径，但易于实现同时可以减少计算量；且随着用户数量的增长，行驶路径的加长，该策略的优点也越明显。

致谢

值此论文完成之际，深深感谢导师XXX教授。

本文从课题的确定、设计到最终定稿都离不开XXX老师的悉心指导。

在整个研究过程中，XXX老师注重培养学生的自觉性，在关键之时又能给予及时、正确的引导，XXX老师渊博的专业知识，严谨的学术态度，精益求精的工作作风给我留下了深刻的印象并时刻激励着我，使我收获颇多。

感谢同学们在生活中对我的关心，在论文研究过程中给予的帮助。

感谢父母多年来对我的理解和支持！

祝愿我的家人身体健康，平安幸福！

祝大家学业有成，工作顺利！

参考文献

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