面向交通路网的时间序列图最优路径查询方法技术

本发明专利技术涉及面向交通路网的时间序列图最优路径查询方法，属于图数据处理领域。本发明专利技术将实际路网抽象化，建立交通路网模型，首先定义了时间序列图的概念及特性，将交通路网模型转化为时间序列图；同时基于时间代价和费用代价考虑，引入时间序列图的入边表示方法。其次，针对经典最短路径查询的不足，提出反向搜索策略，有效的提高了交通路网中最优路径查询的效率和准确率；同时针对突发情况，提出了可变阈值最优路径查询方法。值最优路径查询方法。值最优路径查询方法。

【技术实现步骤摘要】
面向交通路网的时间序列图最优路径查询方法


[0001]本专利技术属于图数据处理领域，特别涉及一种具有时间特性的图数据集的处理技术，具体涉及一种面向交通路网的时间序列图最优路径查询方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着计算机技术的发展进步，图领域受到越来越多研究人员的关注，越来越多的研究成果被应用到现实生活中的各个领域，特别是在交通路网领域，如何降低油耗，减少时间成本成为驾驶员最为关注的问题。然而随着信息技术的发展以及应用需求的变化，固有的简单的图模型已经不能满足研究的需要，图模型已经向多元化复杂化发展。如何在多元化复杂化的图数据集中找到满足用户需求的最优路径结果集，是图领域的研究热点。最短路径查询一直是图模型研究中的一个经典问题，用于计算一个顶点到其他顶点的最短路径。经典的最短路径查询通常是定义在静态图中的，然而在实际应用中，图模型往往是动态变化的，并且图中的边通常都具有时间特性，因此定义该类图模型为时间序列图。在时间序列图模型上，边具有时间特性，且每条边均具有与该时间特性相关的遍历时间和费用代价。例如在客运交通系统中，从A点到B点的客车都是有特定出发时间t的，并且针对不同的出发时间，遍历时间λ和费用代价f往往也是不同的。此时，经典最短路径查询方法已经无法满足实际需求。需结合时间特性和不同的查询需求，实现不同路径下的时序图优化查询，并根据实际需求阶段性实时查询，最终实现时间序列图中最优路径查询。
[0003]目前，在交通路网中的时间序列图模型上的路径查询问题主要集中于最短旅行时间问题(TDSP)，即给定出发顶点、目标顶点和出发时间区间，找到从出发顶点到目标顶点的最优路径，使得路径的代价最小。而且在时序图中，最短路的查询是与时间动态相关的。例如，在交通路网中，因为公共交通工具的班次限制，同一个出发点在不同的时间出发前往同一个目的地，所消耗的时间是不同的。例如，从a地坐公车到b地，假设公车的车次是08：05—08：15，08：15—08：25
……
，用户假如在08：00时刻出发，会在08：15到达，耗时为15分钟。用户假如在08：08时刻出发，则会在08：25到达目的地，耗时为17分钟。在时序图中，同样的起点终点，由于出发时间不同，导致总消耗时间(以及搭乘的交通工具)也是不同的。
[0004]现存的面向交通路网的时间序列图中最优路径查询方法主要有以下几个方面的不足：一些方法设定所有边的遍历时间是同一固定值，无法满足遍历时间的动态性；一些方法需要扫描图的全部信息，遍历代价过高，对于大规模图的查询效率较低；一些方法的边没有动态出发的时间特性，因而不能很好的解决时间序列图的路径查询问题。因此，设计一种高效的面向交通路网的时间序列图最优路径查询方法，对时间序列图的最优路径查询有着重要意义。

技术实现思路

[0005]为了解决在交通路网中经典最短路径查询方法无法应用于时间序列图的不足，本专利技术提供一种计算复杂度低、执行能力高的面向交通路网的时间序列图最优路径查询方
法。
[0006]为实现上述目的，本专利技术创造采用的技术方案为：面向交通路网的时间序列图最优路径查询方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0007]步骤一：交通路网模型的建立：将实际路网模型抽象化，对构成交通路网的路段和节点等道路元素进行描述，使其能够表示实际道路相关路段的属性和几何等信息；
[0008]步骤二：定义时间序列图：将交通路网模型给予形式化描述为时间序列图，为下一步进行最优路径查询做准备，并针对给定的时间序列图定义最优路径；
[0009]步骤三：采用入边表示法针对时间序列图进行标记和排序，可以快速得到某个路径顶点的所有入边邻居道路的信息，并根据实际情况建立B
+
树索引以提高查询效率；
[0010]步骤四：通过反向搜索，查询得到时间序列图中最优路径。
[0011]进一步的，所述的步骤一的具体执行过程包括：
[0012]在对交通路网进行建模时，满足如下要求：由若干连续的点所组成的多边线，其中首尾点称作“结点”，中间点称作“接点”；“结点”表示道路的起始点和结束点，道路与道路之间通过结点相连；“接点”代表道路的数字化坐标，不具有表达拓扑关系的功能，首尾点间的所有中间点都是与该首尾点路段有可达或被可达关系的路段，一定程度上可以提高路径搜索的效率；在交通路网中对一条道路的数据结构详细描述如表1所示；
[0013][0014][0015]表1交通路网模型示意图中部分道路的数据结构如表2所示；
[0016][0017]表2
[0018]进一步的，所述的步骤二的具体执行过程包括：
[0019]步骤2
‑
1：时间序列图定义：
[0020]时间序列图是一个有向图，记作G＝(V,E,D,T,C)，V是路径顶点的集合，E是道路边的集合，D是路径顶点出发时间的集合，T是道路边的遍历时间的集合，C是道路边的费用代价的集合；
[0021]对于任意道路边e＝(a,b)，存在一个出发时间的集合D
ab
，一个遍历时间的集合T
ab
和一个费用代价的集合C
ab
，使得D
ab
、T
ab
和C
ab
中的元素相对应；对于D
ab
中的任意元素d，T
ab
存在唯一的元素t，C
ab
中存在唯一的元素c使得d，t，c相互对应；即开始从道路边e＝(a,b)于时间d出发时，遍历时间为t，费用代价为c；其中，费用代价c通常与出发时间和遍历时间相关，设定费用代价为离散值；同时，定义表示路径顶点a的入边邻居道路的集合，表示路径顶点a的出边邻居道路的集合，表示路径顶点a的入度，表示路径顶点a的出度；对于无向图，将无向图的所有无向边均转换为方向相反的两条有向边，计算其入度和出度；
[0022]在时间序列图中，每一条道路边上的每对数字表示遍历时间和费用代价，在实际应用中遍历时间和费用代价必定是大于零的，故本方法设定遍历时间和费用代价均大于零，带下划线的数字表示从该道路边出发的时间；对于任意的i(1＜i≤k)，将道路边e
i
＝(v
i
,v
i+1
)与D
vivi+1
、T
vivi+1
和C
vivi+1
中相对应的元素组合连接成五元组(v
i
,d
i
,v
i+1
,t
i
,c
i
)，该五元组满足d
i
‑
d
i
‑1‑
t
i
‑1＝ω
i
，ω
i
≥0即ω
i
为第i个路径顶点v
i
的等待时间，即从路径顶点v
i
出发沿着道路边e
i
到达v
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.面向交通路网的时间序列图最优路径查询方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一：交通路网模型的建立：将实际路网模型抽象化，对构成交通路网的路段和节点等道路元素进行描述，使其能够表示实际道路相关路段的属性和几何等信息；步骤二：定义时间序列图：将交通路网模型给予形式化描述为时间序列图，为下一步进行最优路径查询做准备，并针对给定的时间序列图定义最优路径；步骤三：采用入边表示法针对时间序列图进行标记和排序，可以快速得到某个路径顶点的所有入边邻居道路的信息，并根据实际情况建立B
+
树索引以提高查询效率；步骤四：通过反向搜索，查询得到时间序列图中最优路径。2.根据权利要求1所述的面向交通路网的时间序列图最优路径查询方法，其特征在于，所述的步骤一的具体执行过程包括：在对交通路网进行建模时，满足如下要求：由若干连续的点所组成的多边线，其中首尾点称作“结点”，中间点称作“接点”；“结点”表示道路的起始点和结束点，道路与道路之间通过结点相连；“接点”代表道路的数字化坐标，不具有表达拓扑关系的功能，首尾点间的所有中间点都是与该首尾点路段有可达或被可达关系的路段，一定程度上可以提高路径搜索的效率；在交通路网中对一条道路的数据结构详细描述如表1所示；表1交通路网模型示意图中部分道路的数据结构如表2所示；交通路网模型示意图中部分道路的数据结构如表2所示；表2。3.根据权利要求1所述的面向交通路网的时间序列图最优路径查询方法，其特征在于，所述的步骤二的具体执行过程包括：
步骤2
‑
1：时间序列图定义：时间序列图是一个有向图，记作G＝(V,E,D,T,C)，V是路径顶点的集合，E是道路边的集合，D是路径顶点出发时间的集合，T是道路边的遍历时间的集合，C是道路边的费用代价的集合；对于任意道路边e＝(a,b)，存在一个出发时间的集合D
ab
，一个遍历时间的集合T
ab
和一个费用代价的集合C
ab
，使得D
ab
、T
ab
和C
ab
中的元素相对应；对于D
ab
中的任意元素d，T
ab
存在唯一的元素t，C
ab
中存在唯一的元素c使得d，t，c相互对应；即开始从道路边e＝(a,b)于时间d出发时，遍历时间为t，费用代价为c；其中，费用代价c通常与出发时间和遍历时间相关，设定费用代价为离散值；同时，定义表示路径顶点a的入边邻居道路的集合，表示路径顶点a的出边邻居道路的集合，表示路径顶点a的入度，表示路径顶点a的出度；对于无向图，将无向图的所有无向边均转换为方向相反的两条有向边，计算其入度和出度；在时间序列图中，每一条道路边上的每对数字表示遍历时间和费用代价，在实际应用中遍历时间和费用代价必定是大于零的，故本方法设定遍历时间和费用代价均大于零，带下划线的数字表示从该道路边出发的时间；对于任意的i(1＜i≤k)，将道路边e
i
＝(v
i
,v
i+1
)与和中相对应的元素组合连接成五元组(v
i
,d
i
,v
i+1
,t
i
,c
i
)，该五元组满足d
i
‑
d
i
‑1‑
t
i
‑1＝ω
i
，ω
i
≥0即ω
i
为第i个路径顶点v
i
的等待时间，即从路径顶点v
i
出发沿着道路边e
i
到达v
i+1
，需要等待ω
i
时间，才能于时间d
i
出发；因此，对于时间序列图中的路径有如下定义：对于任意的i(1＜i≤k)，路径P是五元组(v
i
,d
i
,v
i+1
,t
i
,c
i
)的一个有序序列；同时定义：arrive(P)＝(d
k
+t
k
)，即路径P的到达时间；depart(P)＝d1，即路径P的出发时间；dura(P)＝arrive(P)
‑
depart(P)，即路径P的持续时间；即路径P中的中转顶点的数量；即路径P的费用代价；步骤2
‑
2：最优路径定义：给定时间序列图G，时间间隔[t
s
,t
e
]，出发路径顶点V
s
，目标路径顶点V
e
，V
s
到V
e
的路径集合记作P；P中的路径P满足以下条件：depart(P)≥t
s
，arrive(P)≤t
e
；由此扩展可得：最早到达路径P:P∈P，满足arrive(P)≤arrive(P')，最晚出发路径P:P∈P，满足depart(P)≥depart(P')，最少用时路径P:P∈P，且满足dura(P)≤dura(P')，最少中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王俊陆，李素，宋宝燕，单晓欢，李冬，高勇超，
申请(专利权)人：辽宁大学，
类型：发明
国别省市：