Kết hợp chuẩn opengis và hệ quản trị cơ sở dữ liệu để giải quyết một số bài toán tối ưu trên mạng giao thông thành phố

- 0012029 0012086 H TRẮC NGỌC ĐĂNG BÙI THẾ TÀI K H TN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BỘ MÔN CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM Đ Đề tài: K H O A C N TT – KẾT HỢP CHUẨN OPENGIS VÀ HỆ QUẢN TRỊ CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỂ GIẢI QUYẾT MỘT SỐ BÀI TỐN TỐI ƯU TRÊN MẠNG GIAO THƠNG THÀNH PHỐ LUẬN VĂN CỬ NHÂN TIN HỌC NIÊN KHOÁ 2000 - 2004 -1- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com - 0012029 0012086 H TRẮC NGỌC ĐĂNG BÙI THẾ TÀI K H TN TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BỘ MÔN CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM Đ Đề tài: C N TT – KẾT HỢP CHUẨN OPENGIS VÀ HỆ QUẢN TRỊ CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỂ GIẢI QUYẾT MỘT SỐ BÀI TOÁN TỐI ƯU TRÊN MẠNG GIAO THÔNG THÀNH PHỐ K H O A LUẬN VĂN CỬ NHÂN TIN HỌC GVHD : Th.Sĩ NGUYỄN MINH NAM NIÊN KHOÁ 2000 - 2004 -2- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com K H TN Lời cảm ơn H Chúng em xin chân thành cảm ơn toàn thể quý thầy cô khoa Công Nghệ Đ Thông Tin trường Đại học Khoa học Tự nhiên TP.HCM tận tình giúp đỡ học tập trường – truyền đạt kiến thức quý báu cho chúng em suốt thời gian C N TT Đặt biệt, chúng em xin dành biết ơn trân trọng gởi đến thầy Th.Sĩ NGUYỄN MINH NAM, người trực tiếp hướng dẫn động viên chúng em suốt thời gian thực luận văn tốt nghiệp Cuối cùng, xin cám ơn tất bạn học giúp giải vướng mắc nho nhỏ trình làm việc K H O A Xin cảm ơn tất -Trắc Ngọc Đăng – Bùi Thế Tài -3- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN LỜI MỞ ĐẦU K H TN CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ GIS 1.1 Hệ thống thông tin địa lý gì? 1.2 Mơ hình liệu hệ thống thông tin địa lý 1.3 Các nguồn liệu hệ thống thông tin địa lý .6 1.4 Hiện trạng ứng dụng công nghệ GIS Việt Nam 1.5 Kết chương .7 H CHƯƠNG 2: GIỚI THIỆU OPENGIS Đ 2.1 Các khái niệm 2.2 Tổng quan OpenGIS .9 – 2.3 OpenGIS Abstract Specification .15 C N TT 2.4 Feature Geometry 31 CHƯƠNG 3: GIẢI THUẬT LIN-KERNIGHAN CHO BÀI TỐN TÌM CHU TRÌNH TỐI ƯU (TSP) 3.1 Giới thiệu chung .73 3.2 Bài toán TSP 74 3.3 Thuật giải Lin-Kernighan nguyên thuỷ (1971) 77 K H O A 3.4 Thuật giải Lin-Kernighan cải tiến (2002) 87 3.5 Các thủ thuật cải tiến thuật giải L-K trình cài đặt 108 3.6 Các cấu trúc liệu quan trọng thuật giải Lin-Kernighan 110 3.7 Kết chương 112 THUYẾT MINH CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM .113 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 119 PHỤ LỤC 121 A BÀI TỐN TÌM ĐƯỜNG ĐI NGẮN NHẤT GIỮA ĐIỂM .122 B BÀI TOÁN XỬ LÝ ĐIỀU PHỐI CẤP THỜI (EMERGENCY) 123 -4- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com C GIỚI THIỆU VỀ NÚT ẢO 124 K H O A C N TT – Đ H K H TN TÀI LIỆU THAM KHẢO 127 -5- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Lời mở đầu Trong sống nay, xã hội phát triển, người ln bị địi hỏi cao thời gian Do đó, yếu tố thời gian xem yếu tố định sinh hoạt ngày Điều cho thấy thời gian K H TN quý lại quý Thực tế cho thấy, có việc địi hỏi nghiêm khắc thời gian, mà không đáp ứng có hậu nghiêm trọng, ảnh hưởng đến tính mạng người tiêu hao cải vật chất Ví dụ như: hoạt động phòng cháy chữa cháy, cảnh sát phản ứng H nhanh 113, đề xuất lộ trình thích hợp cho lần phân phối sản phẩm Đ từ công ty mẹ đến đại lý, lập lịch cho thiết bị vận hành Nhưng để ta biết phải điều phối hoạt động hợp lý nhất; làm – ta có lộ trình tối ưu với nhiều điểm phải đến C N TT khoảng thời gian tương đối ngắn mà ta khơng phải đợi dài cổ tính, tốn suy nghĩ cho mệt óc Đây rõ ràng vấn đề nan giải Hiện nay, với phát triển vũ bão khoa học công nghệ, đặc biệt ngành Cơng Nghệ Thơng Tin, người ta phần hệ thống máy tính trợ giúp giải vấn đề Với hệ thống GIS (hệ thống thông tin K H O A địa lý), GPS (hệ thống định vị tồn cầu) vấn đề điều phối xử lý cấp thời dường thực cách tốt đẹp Xuất phát từ yêu cầu trên, nhằm hạn chế chi phí khơng đáng có, khoảng thời gian q báu khơng phải nhiều, chúng em thử nghiệm áp dụng chuẩn OpenGIS (xu ngày ứng dụng GIS hướng đến tính mở nhiều hơn) thuật giải, phương pháp nhằm giải tối ưu toán mạng giao thông, khả điều phối nhanh lực lượng phòng cháy chữa cháy, cảnh sát 113, xe Taxi, v.v… -6- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com K H TN H Đ CHƯƠNG K H O A C N TT – TỔNG QUAN VỀ GIS -7- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 1.1 Hệ thống thông tin điạ lý (GIS – Geographic Information System) ? Hệ thống thơng tin điạ lý (Geographical Information System – GIS) kết hợp cơng nghệ đồ số hố với cơng nghệ quản trị sở liệu cho K H TN phép việc truy xuất, xử lý thống kê khối lượng lớn thơng tin khổng lồ, đa dạng nhanh chóng trực quan … Công nghệ GIS với khả phân tích khơng gian cách xác, nhanh chóng ứng dụng nhiều ngành khác phục vụ cho việc quản lý vĩ mô Hệ thống thơng tin điạ lý đóng vai trị kỹ thuật tổ hợp Hệ thống H thông tin điạ lý tiến hoá liên kết số kỹ thuật tổ hợp rời rạc vào – Đ thành tổng thể cộng thành phần chúng lại C N TT Bản đồ Nội suy GIS K H O A CAD Ảnh Viễn thám Phân tích khơng Hình 1.1 : Hệ thống thơng tin điạ lý với tích hợp ngành khoa học khác -8- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 1.2 Mơ hình liệu hệ thống thơng tin điạ lý : 1.2.1 Dữ liệu điạ lý: Do tích hợp liên ngành nên hệ thống thơng tin điạ lý làm việc với nhiều nguồn thông tin khác như: đồ, ảnh hàng không, ảnh viễn thám Hệ K H TN thống thông tin hệ thống thu thập, lưu trữ điều hành thông tin dạng giấy, ảnh, số tượng tự nhiên giới thực Trong sở liệu cấu thành từ thông tin, thông tin thường không sử dụng trực tiếp mà phải thông qua hệ thống công cụ truy xuất, tái tạo lại đối tượng giới thực mà người dùng quan tâm Một đối tượng lưu trữ sở H liệu dạng thực thể hình học, người dùng dùng phải tái tạo lại đối tượng Đ thơng qua liệu hình học gọi liệu địa lý – Như liệu đa dạng, chúng có mang tính khơng gian, thời gian, giới thực C N TT Định nghĩa: Dữ liệu địa lý liệu số mô tả đối tượng Dữ liệu điạ lý tổ chức thành hai nhóm thơng tin chính, là: 1/ Nhóm thơng tin phân bố khơng gian K H O A 2/ Nhóm thơng tin thuộc tính đối tượng 1.2.2 Mơ hình đồ chồng xếp: Một phương pháp chung tổ chức liệu điạ lý tổ chức theo đồ lớp thông tin Mỗi lớp thông tin biểu diễn liệu theo mục tiêu định, thường một vài dạng thơng tin Ví dụ để nghiên cứu nguồn tài nguyên thiên nhiên, điạ chất, điều kiện vật lý lớp đất, sử dụng đất, kênh rạnh……Người ta tách chúng thành lớp -9- LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đối với tốn quy hoạch thành phố, thơng tin liệu đường phố, cơng trình cơng cộng, giao thông, phân vùng….Các thông tin lấy từ đồ, ảnh hàng không, ảnh vũ trụ chồng xếp lên để đồ tổng quát Cách tổ chức theo lớp hợp lý làm C N TT – Đ H thiết chúng khác theo độ cao hay theo thời gian K H TN việc với đối tượng trải bề rộng Tuy nhiên phương pháp khơng cần Hình1.2: Mơ hình liệu vật lý Mỗi lớp thơng tin lại có mơ hình cấu trúc chi tiết Về nguyên lý lớp thông tin tập hợp liệu điạ lý khiá cạnh đối tượng điạ lý thực tế Do mang cấu trúc chung cho loại liệu K H O A Khơng giống dạng liệu thông dụng khác, liệu điạ lý phức tạp hơn, bao gồm thơng tin điạ lý, quan hệ topo thuộc tính phi khơng gian Mọi liệu điạ lý mơ hình với ba thành phần khác theo quan niệm topology – điểm, đường, vùng.Bất kì đối tượng tự nhiên biểu diễn bao đối tượng kèm theo chúng thơng tin đặc thù riêng Mơ hình liệu điạ lý bao gồm bốn thành phần sau: Thành phần khoá Định vị - 10 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com K H TN H Đ K H O A C N TT – THUYẾT MINH CHƯƠNG TRÌNH - 115 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com K H TN Màn hình Connect Database: H Server Name: Tên máy chủ Đ User Name: Tên đăng nhập Password: Mật K H O A C N TT – Database: Tên CSDL mạng giao thông sử dụng - 116 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com C N TT – Đ H K H TN Màn hình chính: Cửa sổ : Hình ảnh đồ giao thông TPHCM Cửa sổ Result: Cửa sổ thông báo kết thời gian thực thuật toán K H O A chương trình Cửa sổ Guide: Cửa sổ hướng dẫn lộ trình tối ưu nên Cửa sổ SmallMap: Hình ảnh đồ thu nhỏ - 117 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com 3.Các chức chương trình: C N TT – Đ H K H TN 3.1.Tìm lộ trình tối ưu qua N điểm: K H O A Sử dụng công cụ chọn điểm ( Chọn công cụ ( ) để chọn điểm cần qua ) để thực trình tìm kiếm chu trình tối ưu Bước 1: Thực Floyed Algorithm để xác định ma trận chi phí Bước 2: Thực Lin-Kernighan Algorithm để tìm chu trình tối ưu Bước 3: Thực A Star Algorithm để vẽ chu trình kết - 118 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com C N TT – Đ H K H TN 3.2 Tìm đường ngắn qua điểm: ) để xác định điểm đầu Chọn công cụ ( ) để xác định điểm cuối Chọn cơng cụ ( ) để xác định đường có phép qua hay không (đường K H O A Chọn công cụ ( chiều, đường cấm) - 119 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com C N TT – Đ H K H TN 3.3 Điều phối cấp thời: ) để xác định phương tiện cần điều phối đồ Chọn công cụ ( ) để chọn điểm yêu cầu điều phối thực điều phối K H O A Chọn công cụ ( - 120 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com K H TN H Đ C N TT – KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT K H O A TRIỂN - 121 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Kết luận: Chúng em hoàn thành xong vấn đề cốt yếu mà đề tài đặt Trong đó, tốn TSP tốn yếu Tuy nhiên, thời gian có hạn vài yếu tố khách quan khác khiến chúng em khơng thể hồn thành đề tài K H TN ý muốn Do đó, đề tài cịn nhiều hạn chế thiếu sót Những đạt được: ™ Giải tốt toán TSP, toán tìm đường ngắn thuật giải A*, toán xử lý điều phối cấp thời (emergency) ™ Giao diện chương trình tương đối dễ chịu cho người xem ™ Các chức đồ số thực tốt H ™ …… Đ Những chưa được: ™ Bài tốn TSP giải tốt chưa thật tốt tính C N TT A* để hiển thị kết quả) – tồn q trình ứng dụng vào chương trình (q trình tính Floyed, thực ™ Đề tài chưa tiến tới mức ứng dụng thực tế hạn chế liệu, dừng lại mức cài đặt thử nghiệm ™ ……… Hướng phát triển: K H O A Trong tương lai, với việc cập nhật thêm nhiều liệu tên đường, đường chiều, đường cấm, đường hư,….hy vọng đề tài ứng dụng vào thực tế nhiều Thêm vào đó, có hệ thống định vị tồn cầu GPS vấn đề xử lý cấp thời đề tài thực cách thật (tất nhiên phải thay đổi nhiều phương pháp cài đặt nói cốt lõi vấn đề xử lý đề tài vậy) - 122 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com K H TN H Đ – K H O A C N TT PHỤ LỤC - 123 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com A BÀI TỐN TÌM ĐƯỜNG ĐI NGẮN NHẤT GIỮA ĐIỂM: Phát biểu toán: Bài tốn phát biểu cách đơn giản sau: K H TN Cho điểm mạng giao thơng, Start End, tìm đường từ Start đến End cho độ dài đường ngắn Giải thuật tối ưu cho toán: Thật ra, toán cũ có nhiều thuật tốn đời phục vụ cho việc giải toán này, tiếng thơng dụng có lẽ Dijkstra Tuy H nhiên, với yêu cầu tối ưu mặt thời gian, ta làm động tác biến thể Đ thuật tốn Dijkstra theo phương pháp Heuristic, đó, ta hy vọng tốc độ thực nhanh kết khơng – Ta áp dụng thuật tốn A* với cơng thức hướng đích tối ưu sau: đó: C N TT F(N) = G(N) + H(N) G(N) - Khoảng cách ngắn tất khoảng cách đường từ vị trí xuất phát S đến vị trí hành N H(N) - Khoảng cách ngắn số đường từ vị trí N đến đích D K H O A Trong toán A* H(N) thường ước lượng khoảng cách đường chim bay từ N đến D Chúng ta sử dụng cơng thức tính khoảng cách gần hai vị trí (x1,y1) (x2,y2) cơng thức sau: DX = X − X , DY = Y2 − Y1 D = max (DX , DY ) + 0.114583 * (DX + DY ) [8] Với công thức tính gần nên tốc độ thuật tốn A* tăng lên đáng kể - 124 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Sơ kết: Nếu giải tốn đa đích tốn điều phối cấp thời, hay toán hướng dẫn di chuyển hệ thống giao thơng cơng cộng lại áp dụng thuật toán Dijkstra với tổ chức hệ thống nút giả (xem phần phụ lục) tối ưu thời B BÀI TOÁN ĐIỀU PHỐI CẤP THỜI: Giới thiệu: K H TN gian thực chấp nhận với chế độ thời gian thực Như nói phần mở đầu, hoạt động phòng cháy chữa cháy, cảnh sát phản ứng nhanh 113, điều phối Taxi, v.v… đòi hỏi phải thực H khoảng thời gian thật ngắn, phải nhanh chóng để tránh tai Đ nạn nghiêm trọng, để tiết kiệm thời gian tiền bạc Do nhu cầu cho vấn đề lớn Với hệ GIS cộng với hệ GPS (định vị tồn cầu) – ta giải vấn đề Tuy nhiên, khuôn khổ luận văn tốt C N TT nghiệp, thời gian, tiền bạc, khả có hạn, nên luận văn thực vấn đề tảng cho hệ thống điều phối cấp thời Cụ thể thực demo hoạt động di chuyển lực lượng cần điều phối (ta gọi chung vậy), giả lập nơi có việc cần gọi đến lực lượng (nếu thực tế nhân viên điều hành) biết K H O A nên điều đội để đáp ứng yêu cầu nhanh tiết kiệm Phương pháp giải quyết: Cách thức để giải vấn đề vấn đề, với phương pháp thơng thường, ta gặp phải khó khăn việc phương tiện di chuyển (mặc dù lúc tất phương tiện di chuyển chắn lúc có phương tiện di chuyển) làm cho đồ thị luôn thay đổi không ngừng Tuy nhiên, với cách tổ chức nút giả tối ưu, tính liên thơng nút giả thật đồ thị không bị ảnh hưởng việc di - 125 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com chuyển phương tiện không ảnh hưởng đến đồ thị Khi đó, ta quan tâm đến đồ thị ta có tín hiệu cần điều phối, cơng việc lúc trở nên đơn giản tốn tìm đường ngắn đa đích Sơ kết: K H TN Do vấn đề cốt lõi khơng mới, phức tạp cách tiếp cận cho giải tốt vấn đề mà (chủ yếu cách tổ chức nút giả tối ưu) nên chúng em xin đề cập phần ỏi mà thơi C Giới thiệu nút giả (virtual node) Một điểm then chốt tốn giao thơng nói chung đối H tượng quan tâm thường nằm cung đường (cạnh) nút Đ toán đồ thị kinh điển Việc cần thiết phải tổ chức đối tượng nút giả cho có liên thơng nút giả nút thật – cho phép truy cập nhanh chóng đóng vai trị quan trọng Cấu trúc lưu C N TT trữ nút giả phải dễ dàng cập nhật thường lưu trữ dạng tạm thời trạm đầu cuối phép đồng thời nhiều người dùng truy cập với nhu cầu khác Cấu trúc liệu B+Tree cấu trúc liệu phù hợp tác giả lựa chọn để lưu trữ nút giả Theo cấu trúc tất nút giả cạnh thứ tự đánh số hình vẽ khơng phụ thuộc vào trình tự cập nhật nút Các nút có khoảng cách K H O A gần Start node trước Start node End node Virtual node Hình Các nút giả thiết lập cạnh - 126 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Ưu điểm cách lưu trữ nút giả: z Dễ dàng quản lý vị trí địa lý cạnh với số lượng cực lớn bảo đảm tính liên thơng nút thật vào ảo z Tốc độ truy cập nhanh cho trình tự thêm vị trí cạnh K H TN z Không phá vỡ cấu trúc topology chuẩn nên cho phép thực nhu cầu K H O A C N TT – Đ H khác liệu - 127 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com TÀI LIỆU THAM KHẢO: [1] Cook, Steve, and John Daniels, Designing Objects Systems: ObjectOriented Modeling with Syntropy, Prentice Hall, New York, 1994, xx + 389 pp 99-100 through 99-116, có sẵn : http://www.opengis.org/techno/specs.htm K H TN [2] OpenGIS™ Abstract Specification, OpenGIS™ Project Documents [3] S Lin & B W Kernighan, “An Effective Heuristic Algorithm for the Travelling Salesman Problem”, Oper Res 21, 498-516 (1973) [4] D E Rosenkrantz, R E Stearns & P M Lewis II, “An Analysis of H several heuristics for the Travelling Salesman Problem” Đ [5] J D C Little, K G Murty, D W Sweeny & C Karel, “An 989 (1963) – algorithm for the traveling salesman problem”, Oper Res., 11, 972- C N TT [6] S Lin & B W Kernighan, “An Effective Heuristic Algorithm for the Traveling-Salesman Problem”, Oper Res 21, 498-516 (1973) [7] Keld Helsgaun, “An Effective Implementation of the Lin-Kernighan Traveling Salesman Heuristic”, (2002) K H O A [8] James Arvo, “Graphics Germ ”, Vol [9] http://www.mysql.com - 128 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com K H TN H Đ – C N TT K H O A - 129 - LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN BỘ MÔN CÔNG NGHỆ PHẦN MỀM Đ Đề tài: C N TT – KẾT HỢP CHUẨN OPENGIS VÀ HỆ QUẢN TRỊ CƠ SỞ DỮ LIỆU ĐỂ GIẢI QUYẾT MỘT SỐ BÀI TOÁN TỐI ƯU TRÊN MẠNG GIAO THÔNG THÀNH PHỐ K H O... 1.1 Hệ thống thông tin điạ lý (GIS – Geographic Information System) ? Hệ thống thơng tin điạ lý (Geographical Information System – GIS) kết hợp cơng nghệ đồ số hố với cơng nghệ quản trị sở liệu. .. chúng em thử nghiệm áp dụng chuẩn OpenGIS (xu ngày ứng dụng GIS hướng đến tính mở nhiều hơn) thuật giải, phương pháp nhằm giải tối ưu toán mạng giao thông, khả điều phối nhanh lực lượng phòng