一种基于遗传算法的指路标志指引可达性优化方法技术

本发明专利技术为解决指路标志布设指引不可达的角度出发，提出一种基于遗传算法的指路标志指引可达性优化方法，包括以下步骤：设计考虑指引长度和需要增设的指路标志指引信息数的适应度函数；对指引不可达的多源路径生成相应的初始种群；用路径编码的方式编码种群染色体；计算各种群中染色体的适应度值及种群之间染色体组合最优适应度值，在各自种群中选择适应度较好的指引路径进行交叉-校正的遗传操作；通过概率选择适应度较差的指引路径进行变异的遗传操作。重复上述过程直至到达指定的进化代数后停止遗传操作，通过增设指引信息优化指路标志布设方案，实现多源路径到目的地的整体优化方法。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及道路交通规划与设计领域，更具体地，涉及一种基于遗传算法的指路标志指引可达性优化方法。
技术介绍
指路标志是一种交通诱导管理设施，主要是为交通参与者传递道路的相关信息(方向、地点、距离等)，同时它也是静态诱导系统的核心部分，对实现交通组织顺畅，均衡路网交通流起着重要的作用。城市道路指路标志的现状仍然不容乐观，指路标志系统缺乏整体性，并存在信息指示不足或缺失，导致道路出行者不能顺利地到达目的地(即指引不可达)等问题，无法充分发挥指路标志的功能。目前，国内大多数城市已具有成形的道路指路标志系统，指路标志布设研究也越来越受研究机构和政府部门关注和重视。特别是到达目的地，对于提升道路总体服务水平、提升交通系统的运营效率、减少道路使用者的出行延误等具有重要意义。如今，有关指路标志的研究主要集中在设计、设置，分析与优化等四个方面，其中指路标志的设计主要表现在标志牌的大小、字体、版式等，而设置主要表现在设置的位置、信息量等方面。对指路标志的整体布设与信息选取方面主要集中在信息等级划分、层次指引等一些方面。分析评价主要集中在对整体指路标志诱导系统以及连续指引性的评价等。而对于指路标志的优化，主要体现针对国标等规则对设置信息的优化，但较少对指路标志诱导系统指引可达性进行优化研究。指路标志诱导系统指引可达性是指使用者通过指路标志诱导系统的指引可以顺利到达目的地。而且，原有的研究主要集中在单源指引路径，而鲜有对多源指引路径的优化。单源指只有一个出发点，多源指存在多个出发点的情况。
技术实现思路
本专利技术针对指路标志指引不可达进行优化研究，在考虑原有指路标志布设方案的前提下，为指引不可达的布设方案寻找新设标志的多源最优指引路径，提供一种基于遗传算法的多源指路标志指引可达性优化方法。为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：一种基于遗传算法的多源指路标志指引可达性优化方法，包括以下步骤：S1.设计考虑指引路径的长度和需要增设的指路标志指引信息数的适应度函数；S2.对指引不可达的多源路径生成初始种群；S3.用路径编码的方式编码种群染色体；S4.计算各种群中染色体的适应度值及种群之间染色体组合最优适应度值，选择染色体进行交叉-校正操作；S5.通过概率选择染色体进行变异的遗传操作；S6.重复选择-交叉-变异的遗传操作直至到达指定的进化代数后停止进化，得种群能够优化不可达的不可达路径，实现多源不可达路径到目的地的整体优化。优选地，所述步骤S1中，设计考虑指引路径的长度和需要增设的指路标志指引信息数的适应度函数，具体是：通过优化指标考虑指引路径的长度(L)与需要增设的指路标志的指引信息数(N)；其中指引路径的长度用公式(1)表示：F1=Σi=1nf(di)---(1)]]>其中F1表示指引路径的长度函数；f(di)表示第i条路径长度，n表示路径的数量。由于要考虑现有的指路标志布设情况，因此在计算需要增设指路标志指引信息时，需考虑在指引路径上已有的指路标志信息；用公式(2)表示：F2＝∑P(2)其中F2表示指引信息的增设数量函数；∑P表示指增设指引标志项的总数；两大指标L与N存在量纲的差异，需对指标进行量纲统一，将两大指标均转换成所耗费的经济成本；设行驶1km需要损耗的总成本约C1万，布设一个标志牌需要花费约C2万；采用系数法来定义适应度函数，其函数表达式用公式(3)所示：F=1F1×C1+F2×C2---(3).]]>基于多源不可达路径，当对所有的不可达路径整体性优化时，会产生多条优化指引路径，从而会出现指引路径重复和指路标志公用的情况；为此在计算总的增设指路标志信息数时，需要除去重复的部分，参照公式(3)定义组合适应度函数Fcom，其函数表达式用公式(4)表示：Fcom=1F1×C1+(F2-F2*)×C2---(4)]]>其中：表示公用指路标志数。优选地，所述步骤S2中，对指引不可达的多源路径生成初始种群；具体方式为：获得所有指示目的地的指路标志信息，按照标志项的指引和默认规则搜索路径，当不能到达目的地时，则从寻路开始处到指路标志信息缺失处的路径称为不可达路径，末端点为指路标志信息缺失的交叉口结点；在路网中，对于同一个目的地可能存在着多条不可达路径。优选地，所述步骤S3中，用路径编码的方式编码种群染色体，具体方式为：遗传算法的种群为每一个多源不可达路径的染色体集合；遗传算法的染色体为多源不可达路径从起点到终点的结点组成的有序队列；其中起点是指路网入口或不可达路径的末端点，终点是指目的地，结点是指染色体中的基因；染色体的第一位基因即某一个不可达路径的起点；对于染色体，规定每条染色体中的基因不允许有重复编码的基因，染色体的长度可变的，但其长度需要满足小于路网的结点总数。优选地，所述步骤S4中，计算各种群中染色体的适应度值及种群之间染色体组合最优适应度值，选择染色体进行交叉-校正操作，具体包括：选择操作是确定交叉的个体；首先计算所有染色体的适应度函数值F，按照适应程度的高低进行排序；其次通过选择染色体，进行下一步交叉操作，其中个体适应度越大其被选择的概率也就越高；进行选择后产生的染色体的数量即种群的大小不变且种群内无重复的染色体；交叉操作是将选择得到的两个个体的部分结构相互交换，生成新个体；具体包括：选出种群中所有染色体的公共结点，以首尾结点相同、中间结点不同的的染色体为同源染色体；在同源染色体中，随机选择一个公共结点作为交叉点，互换交叉点之后的结点；校正操作是为了避免交叉后产生的新个体中产生环路；若产生环路则对其染色体进行校正操作，消除环路。优选地，步骤S5中，通过概率选择适应度较差的指引路径进行变异的遗传操作。具体包括：在一条选中的染色体中随机选择一个基因作为变异基因(起结点与终结点除外)，从起结点(入口或不可达路径的末端点)到变异基因的路径不变，而变异基因之后的基因则从变异基因开始以类似于染色体编码的方式，随机启发式的选择直到终点(目的地)。与现有技术相比，本专利技术技术方案的有益效果是：(1)本专利技术基于遗传算法，算法实用性强，能够满足工程需求。(2)本专利技术针对节点的多源优化问题，优化指标既考虑了指引路径长度、也考虑了原有指路标志布设方案的影响，能够系统性的获取整体优化的方案。附图说明图1为本专利技术一种基于遗传算法的指路标志指引可达优化方法的具体实施例的流程图。图2为本专利技术具体实施例中染色体编码的示意图。图3a为本专利技术具体实施例中染色体交叉操作前路径的示意图。图3b为本专利技术具体实施例中染色体交叉操作后路径的示意图。图4a为本专利技术具体实施例中染色体校正操作前路径的示意图。图4b为本专利技术具体实施例中染色体校正操作后路径的示意图。图5a为本专利技术具体实施例中染色体变异前路径的示意图。图5b为本专利技术具体实施例中染色体变异后路径的示意图本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于遗传算法的多源指路标志指引可达性优化方法，其特征在于，包括以下步骤：S1.设计考虑指引路径的长度和需要增设的指路标志指引信息数的适应度函数；S2.对指引不可达的多源路径生成初始种群；S3.用路径编码的方式编码种群染色体；S4.计算各种群中染色体的适应度值及种群之间染色体组合最优适应度值，选择染色体进行交叉‑校正操作；S5.通过概率选择染色体进行变异的遗传操作；S6.重复选择‑交叉‑变异的遗传操作直至到达指定的进化代数后停止进化，得种群能够优化不可达的不可达路径，实现多源不可达路径到目的地的整体优化。

【技术特征摘要】
1.一种基于遗传算法的多源指路标志指引可达性优化方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1.设计考虑指引路径的长度和需要增设的指路标志指引信息数的适应度函数；
S2.对指引不可达的多源路径生成初始种群；
S3.用路径编码的方式编码种群染色体；
S4.计算各种群中染色体的适应度值及种群之间染色体组合最优适应度值，选择染色体进行交叉-校正操作；
S5.通过概率选择染色体进行变异的遗传操作；
S6.重复选择-交叉-变异的遗传操作直至到达指定的进化代数后停止进化，得种群能够优化不可达的不可达路径，实现多源不可达路径到目的地的整体优化。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S1中，设计考虑指引路径的长度和需要增设的指路标志指引信息数的适应度函数，具体是：通过优化指标考虑指引路径的长度(L)与需要增设的指路标志的指引信息数(N)；其中指引路径的长度用公式(1)表示：
其中F1表示指引路径的长度函数；f(di)表示第i条路径长度，n表示路径的数量。
由于要考虑现有的指路标志布设情况，因此在计算需要增设指路标志指引信息时，需考虑在指引路径上已有的指路标志信息；用公式(2)表示：
F2＝∑P(2)
其中F2表示指引信息的增设数量函数；∑P表示指增设指引标志项的总数；
两大指标L与N存在量纲的差异，需对指标进行量纲统一，将两大指标均转换成所耗费的经济成本；
设行驶1km需要损耗的总成本约C1万，布设一个标志牌需要花费约C2万；采用系数法来定义适应度函数，其函数表达式用公式(3)所示：
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，基于多源不可达路径，当对所有的不可达路径整体性优化时，会产生多条优化指引路径，从而会出现指引路径重复和指路标志公用的情况；为此在计算总的增设指路标志信息数时，需要除去重复的部分，参照公式(3)定义组合适应度函数Fcom，其函数表达式用公式(4)表示：
其中：表示公用指路标志数。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤S2中，对指引不可达的多源路径生成初始种群；具...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄敏，李尔达，郑健，张学强，刘芳，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东;44