高速公路物流运输管理系统设计

2015-02-06景海涛原世伟

地理空间信息 2015年3期

关键词：标号旅行运输

景海涛，李伟，周琳，原世伟

（1.河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南焦作 454000）

高速公路物流运输管理系统设计

景海涛1，李伟1，周琳1，原世伟1

（1.河南理工大学测绘与国土信息工程学院，河南焦作 454000）

从网络空间分析、数据库建立、系统开发等方面出发，重点实现物流运输管理功能。以某区域内相关数据为数据源，建立GeoDataBase和SQL Server数据库，基于ArcGIS Engine开发组件、Visual Studio，利用C#开发物流运输管理系统，采用分支定界算法、Dijkstra算法，结合GIS中网络分析功能，实现物流运输信息管理中最短路径选择、旅行商回路确定、自定义路径等问题。系统对于物流运输管理具有易操作性、实用性等特点，可为物流运输提供有效的空间信息保障。

物流运输；高速公路；GIS；旅行商问题

物流网络[1-3]由大量的物流结点和物流线路组成，具有复杂的空间特性[4,5]，常规的信息管理系统（例如业务管理系统）空间分析能力不足、局限性明显。

本研究通过建立GeoDataBase和SQL Server数据库，管理地图数据和属性数据，采用分支定界算法和Dijkstra算法，结合GIS网络分析模块，实现对物流运输进行信息管理及线路分析的功能，构建河南省高速公路物流运输管理系统，为物流运输提供有效的空间信息保障。

1 Dijkstra算法和旅行商问题

Dijkstra算法是一种典型的最短路径算法，以指定的起始点为中心向外层扩展，直至寻到目标点[6,7]，用于解决网络中2个结点间最短路径的问题。其基本思路为[8]：

1）起点固定标号为0，其他结点临时标号为∞。

2）对未固定标号的结点全部给出临时标号，其值为：min[j的旧标号，（i的旧标号+wij）]。式中，i是前一步刚被标定的结点；wij是边eij的权，如果结点i和j不相邻接，wij=∞。

3）临时标号最小值设为固定标号。

4）重复进行步骤2）与3），直至终点。

旅行商问题实质是寻找一个代价最小的哈密尔顿回路，哈密尔顿回路是指途经的结点有且仅一次的环路。解决方法包括线性规划算法、动态规划算法、最邻近方法[9]和分支定界算法等，本研究采用分支定界算法：

1）首先将所有边权值从小到大排序。

2）按顺序依次选边权值进行深度搜索，直至选取n条边，判断是否构成哈密尔顿回路[10]。若是，得出结果，否则执行步骤3）。

3）剔除当前回路中最长边，加入后面第一条待选边，转到步骤2）。

2 系统设计

2.1 数据库设计与建立

基于GIS的高速公路物流运输管理系统的数据库设计，主要包括地理数据库和业务数据库（二者均是模拟数据，用于系统测试）。

GeoDataBase是利用ArcCatalog建立的数据库[11]，包括城市群、高速公路网及其网络数据集等空间数据。其中，网络数据集包括道路网络和网络拓扑结构[12]，用于辅助最佳路径选择；城市群作为各地物流货物集散中心；高速公路网图层用于显示该地详细的高速公路网空间分布。

业务数据库是利用SQL Server建立的数据库，包括集散中心信息、货物信息、客户信息、车辆信息、驾驶员信息等。

2.2 系统开发流程

系统开发具体流程如图1所示，收集高速公路网和物流业务流程等相关资料，建立系统的地理数据库和业务数据库；经过公路网矢量化和拓扑检查，生成网络分析的基础数据——网络数据集，并与城市群、高速公路、物流业务数据等集成，建立系统数据库平台。

2.3 系统功能设计

系统由6个功能模块组成（图2）：数据管理和信息查询主要用于管理和查询送货中心、货物、客户、车辆、司机等信息；地图图层和地图操作用于实现地图浏览等基本功能；路径选择是系统核心功能，提供多种路径获取方式，实现路线自动快速科学获取；路径设置功能用于设置路径相关属性。

图2 系统结构

3 运输管理系统实现

系统主界面如图3，按照实用、可靠、使用方便等原则，系统具体功能大致可以分为基本操作功能、业务管理功能和线路选择3大部分。

3.1 基本操作功能

图3 系统主界面

基本操作功能包括地图图层、地图浏览、绘图工具。地图图层用于控制图层显示、叠加顺序、符号渲染等；绘图工具用于绘制点、线、面、圆、矩形、多边形等多种图形；地图浏览包括站点输入、要素选择、放大、缩小、漫游、全图显示、量测等。

3.2 业务管理功能

业务管理功能包括数据管理和信息查询（如图4，上部分为数据管理对话框，下部分为信息查询界面），管理与物流货物相关的信息。数据管理和信息查询功能都具有查询功能，采用精确查询和模糊查询2种方式，模糊查询分为前方一致、中间一致、后方一致3种模式。二者不同之处在于，考虑到数据安全性，数据管理功能中添加了数据编辑功能，包括刷新、添加、修改、删除和清空。

图4 信息管理和信息查询功能

3.3 线路选择功能

线路选择功能包括获取线路和路径参数设置，获取线路功能包括添加站点、添加障碍点、最短路径、加载站点图层的GIS网络分析常用功能和环状路径、旅行商路径、自定义路径等新添加功能。

3.3.1 最短路径

最短路径是物流运输中最基本的功能。具体流程如图5，通过鼠标在地图视图中获取目的地和障碍点，依据路径参数和Dijkstra算法计算出最短路径，并把最短路径的空间和属性信息传输到主界面。

图5 最短路径计算流程

以图6为例，研究M点到B点最短路径的获取。图中左侧是路径设置，右侧是最短路径结果。

图6 路径设置和最短路径结果

3.3.2 旅行商路径

旅行商路径计算流程如图7，先通过鼠标添加多个（多于2个）目的地，并依照路径参数和Dijkstra算法计算出任意2点间的最短路径值，再根据分支定界算法筛选出满足旅行商问题的线路，并把旅行商路径的空间和属性信息传输到主界面。如图8所示，获取经过研究区域中部6个目的地的旅行商路径。

图8 旅行商路径结果

3.3.3 自定义路径

最短路径要求用户掌握目标点的大致地理位置，即需要用户通过鼠标获取目的地的坐标，而自定义路径只要求用户掌握目的地名称。其具体的计算流程如图9。在自定义对话框中选择目的地名称，通过字符标准化处理后获取所在地的点坐标，然后依据路径参数和Dijkstra算法获取运输路径，并把自定义路径的空间和属性信息传输到主界面。在图10中，左侧是输入目的地的对话框，右侧是路径选取结果。