Nghiên cứu một số thuật toán tìm đường đi trong gis ứng dụng logic mờ

    ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN  TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNTT&TT THÁI NGUYÊN VŨ THÚY HÀ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THUẬT TỐN TÌM ĐƯỜNG ĐI TRONG GIS ỨNG DỤNG LOGIC MỜ     Ngành: Công nghệ thông tin  Chun ngành: Khoa học máy tính  Mã số: 60 48 01 01  LUẬN VĂN THẠC SỸ CƠNG NGHỆ THƠNG TIN NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC PGS TS ĐẶNG VĂN ĐỨC THÁI NGUYÊN, 2016        LỜI CAM ĐOAN   Tên tôi là: Vũ Thúy Hà  Sinh ngày:   Học  viên  lớp  cao  học  CHK13A  -  Trường  Đại  học  Công  nghệ  thông  tin  và  Truyền thông – Đại học Thái Nguyên.  Hiện đang cơng tác tại:   Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu số thuật tốn tìm đường GIS ứng dụng logic mờ” do Thầy giáo PGS.TS Đặng Văn Đứchướng dẫn là cơng trình nghiên  cứu của riêng tơi. Tất cả tài liệu tham khảo đều có nguồn gốc, xuất xứ rõ ràng.  Tác giả xin cam đoan tất cả những nội dung trong luận văn đúng như nội dung  trong đề cương và u cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu sai tơi hồn tồn chịu trách  nhiệm trước hội đồng khoa học và trước pháp luật.  Thái Ngun, ngày 26 tháng 06năm 2016    TÁC GIẢ LUẬN VĂN    Vũ Thúy Hà           i          LỜI CẢM ƠN   Sau một thời gian nghiên cứu và làm việc nghiêm túc, được sự động viên, giúp  đỡ và hướng dẫn tận tình của Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS. Đặng Văn Đức, luận văn  với đề tài “Nghiên cứu số thuật tốn tìm đường GIS ứng dụng logic mờ”đã  hồn thành.  Tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc đến:  Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Đặng Văn Đứcđã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tơi  hồn thành luận văn này.  Khoa Sau đại học Trường Đại học cơng nghệ thơng tin và truyền thơng đã giúp  đỡ tơi trong q trình học tập cũng như thực hiện luận văn.  Tơi  xin  chân  thành  cảm  ơn  bạn  bè,  đồng  nghiệp  và  gia  đình  đã  động  viên,  khích  lệ,  tạo  điều  kiện  giúp  đỡ  tơi  trong  suốt  q  trình  học  tập,  thực  hiện  và  hồn  thành luận văn này.  TÁC GIẢ LUẬN VĂN      Vũ Thúy Hà     ii          MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN   i  LỜI CẢM ƠN  . ii  DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH   v  DANH MỤC BẢNG BIỂU   vi  DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT   vii  LỜI MỞ ĐẦU  . 1  CHƯƠNG 1TỔNG QUAN VỀ  HỆ THỐNG ĐỊA LÝ VÀ LOGIC MỜ   5  1.1  Hệ thống thông tin địa lý (GIS)   5  1.1.1  Định nghĩa về hệ thông tin địa lý   5  1.1.2  Biểu diễn dữ liệu địa lý   7  1.1.2.1  Các thành phần của dữ liệu địa lý   7  1.1.2.2  Mơ hình biểu diễn dữ liệu khơng gian   11  1.1.3  Phân tích và xử lý dữ liệu khơng gian trong GIS   13  1.1.3.1  Tìm kiếm theo vùng   13  1.1.3.2  Tìm kiếm lân cận   14  1.1.3.3  Phân tích đường đi và dẫn đường   14  1.1.3.4  Tìm kiếm hiện tượng và bài tốn chồng phủ   14  1.1.4  Ứng dụng của hệ thông tin địa lý   18  1.2  Tổng quan về logic mờ   20  1.2.1  Giới thiệu   20  1.2.2  Cơ sở toán học của logic mờ   22  1.2.2.1  Tập mờ   22  1.2.2.2  Các phép toán trên tập mờ   23  1.2.2.3  Số mờ   25  1.2.2.4  Luật nếu –thì mờ   26  1.2.3  Một số hệ mờ tiêu biểu   28  1.3  Kết luận chương   31  CHƯƠNG 2THUẬT TOÁN  ĐƯỜNG ĐI NGẮN NHẤT MỜ TRONG GIS   33  2.1  Khả năng ứng dụng của hệ mờ trong GIS   33  2.1.1  Giới thiệu   33  iii          2.1.2  Tính khơng rõ ràng trong GIS   35  2.2  Nghiên cứu một số thuật tốn tìm đường đi ngắn nhất ứng dụng logic mờ   37  2.2.1  Bài tốn tìm đường đi ngắn nhất   37  2.2.2  Một số thuật tốn tìm đường đi ngắn nhất kinh điển   39  2.2.2.1  Thuật toán Dijkstra  . 39  2.2.2.2  Thuật toán Bellman-Ford   43  2.2.2.3  Thuật toán A*  . 44  2.2.3  Phân tích một số thuật tốn tìm đường đi ngắn nhất mờ   46  2.2.3.1  Thuật tốn FSA  . 46  2.2.3.2  Thuật tốn tìm đường đi ngắn nhất trên cơ sở số mờ   48  2.2.3.3  Thuật tốn Dijkstra mờ   49  2.3  Kết luận chương   55  CHƯƠNG 3XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM THIẾT KẾ TUYẾN XE  BUS CHO THÀNH PHỐ THÁI NGUYÊN  . 56  3.1  Mơ tả bài tốn  . 56  3.2  Phương pháp tiến hành   57  3.2.1  Các công cụ hỗ trợ   57  3.2.1.1  Phần mềm ArcGIS   57  3.2.1.2  Phần mềm Matlab R2015a   58  3.2.2  Các bước thực hiện  . 59  3.2.3  Chương trình minh họa thuật tốn  Dijikstra mờ  62  3.3  Kết luận chương   65  KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN   66  TÀI LIỆU THAM KHẢO   68      iv          DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình 1-1 Hệ thống thơng tin địa lý [3]   6  Hình 1-2 Tầng (layer) bản đồ [3]   6  Hình 1-3 Ví dụ biểu diễn vị trí nước bị ơ nhiễm [1]  . 8  Hình 1-4 Ví dụ biểu diễn đường [1]   9  Hình 1-5 Ví dụ biểu diễn khu vực hành chính [1]   9  Hình 1-6 Biểu diễn thế giới bằng mơ hình vectơ và raster   12  Hình 1-7 Chồng phủ đa giác [1]   16  Hình 1-8 Tiến trình phủ đa giác [1]  . 17  Hình 1-9  Một số dạng hàm liên thuộc cơ bản   23  Hình 1-10  Số mờ tam giác   26  Hình 1-11  Hàm liên thuộc của biến ngơn ngữ T(tuổi)  . 27  Hình 1-12  Mơ hình suy diễn mờ Mamdani   29  Hình 1-13 Mơ hình mờ Sugeno   30  Hình 1-14 Mơ hình suy luận mờ Tsukamoto   30  Hình 2-1 Tính chất khơng rõ ràng phát sinh khi xác định ranh giới   36  Hình 2-2 Đồ thị minh hoạ thuật tốn Dijkstra  . 41  Hình 2-3 Đồ thị minh họa thuật tốn Bellman-Ford   43  Hình 2-4 Đồ thị mờ G minh họa  thuật tốn FSA  . 47  Hình 2-5 Các đường đi mờ ngắn nhất của đồ thị mờ G   48  Hình 2-6  Cấu trúc mạng lưới giao thơng   52  Hình 3-1  Các bước thực hiện bài tốn   59  Hình 3-2  Bản đồ thành phố Thái ngun với các thuộc tính trên Arcmap   59  Hình 3-3  Minh họa vị trí có thể đặt trạm xe Bus sau khi xếp chồng dữ liệu  . 60  Hình 3-4  Minh họa q trình mờ hóa vị trí điểm đặt trạm   60  Hình 3-5  Minh họa q trình tính khoảng cách mờ   61  Hình 3-6  Giao diện chương trình chính  . 62  Hình 3-7  Bản đồ giao thơng TP Thái Ngun  63  Hình 3-8  Các vị trí tiềm năng cho đặt trạm xe Bus trên TP Thái Ngun   63  Hình 3-9  Mờ hóa dữ liệu   64  Hình 3-10  Minh họa thuật tốn   64  v          DANH MỤC BẢNG BIỂU    Bảng 1.1 So sánh mơ hình dữ liệu Vector và Raster.   12  Bảng 2.1 Trọng số mờ của các nút trong Hình 2-6  . 52  Bảng 2.2 Kết quả ba bước đầu của thuật toán Dijkstra mờ   53  Bảng 2.3 Kết quả bước cuối (bước 22) của thuật toán Dijkstra mờ   54      vi            DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ Từ tiếng Anh  Từ tiếng Việt  BFS  Best-first search  Tìm kiếm theo lựa chọn tốt nhất  BOA  Bisector of Area  Chia đều hai miền mờ  COA  Centroid of Area  Tâm của miền mờ  CSDL    Cơ sở dữ liệu  FL  Fuzzy Logic  Logic mờ  Fuzzy Shortest Path  Thuật tốn tìm đường đi ngắn  Algorithm  nhất mờ  Geographic  Hệ thống thông tin địa lý  cụm từ  FSA  GIS  Information System  MF  Membership Function  Hàm liên thuộc  MOM  Mean of maximum  Giá trị cực đại trung bình      vii          LỜI MỞ ĐẦU Tính khoa học cấp thiết đề tài Hệ thống thơng tin địa lý (Geographic Information System – GIS) ra đời trên cơ  sở phát triển của khoa học máy tính và được ứng dụng rộng rãi trong nhiều ngành khoa  học có liên quan đến xử lý dữ liệu khơng gian. GIS được hình thành từ những năm 70  của thế kỷ trước và phát triển mạnh mẽ trong một hai chục năm trở lại đây. GIS đã trở  thành  cơng  cụ  hỗ  trợ  ra  quyết  định hầu  hết trong các hoạt  động  kinh  tế – xã  hội,  an  ninh – quốc phịng, trong quản lý, quy hoạch, thăm dị, khai thác… Trong đó, bài tốn  tìm kiếm đường đi tối ưu cho các ứng dụng cứu hộ, cứu nạn, hướng dẫn du lịch, quản  lý mạng giao thơng vận tải… đang là chủ đề được nhiều nhà khoa học quan tâm.  Đối với GIS, các dữ liệu thu thập thường khơng đầy đủ, khơng rõ ràng, khơng  chắc  chắn  và  mập  mờ,  điều  đó  dẫn  đến  dữ  liệu  và  thơng  tin  trong  GIS  là  dữ  liệu  “khơng rõ ràng” hay dữ liệu “mờ”. Khái niệm “khơng rõ ràng – mờ” là đặc trưng vốn  có của dữ liệu địa lý và có thể sinh ra do: Thơng tin tương ứng với chúng khơng đầy  đủ;  sự  xuất  hiện  khơng  ổn  định  khi  thu  thập  tập  hợp  các  dữ  liệu  thuộc  tính;  việc  sử  dụng các diễn tả định tính đối với các giá trị thuộc tính và các mối quan hệ giữa chúng.   Các hệ GIS truyền thống thường khơng sẵn sàng cho việc xử lý với các dữ liệu  mờ. Vì thế cần phải có sự mở rộng cả về mơ hình dữ liệu, các phép tốn và lập luận để  giải quyết với dữ liệu mờ trong GIS làm cho hệ thống trở nên mềm dẻo hơn trong việc  giải các bài tốn khơng gian mà dữ liệu của chúng là các dữ liệu dạng mờ.  Với những lý do trên, tác giả đã chọn đề tài “Nghiên cứu số thuật tốn tìm đường GIS ứng dụng logic mờ” làm đề tài nghiên cứu luận văn tốt nghiệp  thạc sĩ chuyên ngành Khoa học máy tính.  Lịch sử nghiên cứu Bài tốn tìm đường đi tối ưu đề cập đến việc tìm kiếm con đường với chi phí tối  thiểu giữa hai điểm. Đây là một vấn đề cơ bản trong lý thuyết đồ thị. Trong bài tốn  tìm đường đi tối ưu thơng thường, các thơng số (khoảng cách, thời gian…) giữa các  nút khác nhau được giả định rằng biết chính xác. Nhưng trong những tình huống thực  1        tế đời  sống,cụ thể  là trong các hệ  GIS,  luôn  luôn  tồn tại sự  không  chắc chắn  về các  thông số giữa các nút khác nhau. Trong trường hợp như vậy, các thông số này được  đại diện bởi số mờ (Zadeh, 1965).  Từ năm 1991, Klein đã đưa ra mơ hình mới về tìm đường đi ngắn nhất mờ và  cũng đã đưa ra một thuật tốn tổng qt dựa trên quy hoạch động để giải quyết các mơ  hình mới này. Lin & Chen (1993) xem xét trường hợp mà khoảng cách được xem là  một  số  mờ  và  đề  xuất  một  thuật  tốn  cho  việc  tìm  kiếm  đường  đi  tối  ưu  trong  một  mạng.  Okada  &  Gen  (1994)  đã  thảo  luận  về  các  vấn  đề  xung  quanh  việc  tìm  kiếm  đường đi ngắn nhất từ một nút gốc cố định tới một nút được chỉ định trong một mạng  lưới với các cung biểu diễn như là khoảng số thực. Li và các cộng sự (1996) đã đưa ra  phương pháp sử dụng mạng nơron cho bài tốn tìm đường đi ngắn nhất mờ. Gent và  các cộng sự (1997) đã nghiên cứu khả năng sử dụng các thuật tốn di truyền để giải  quyết bài tốn tìm đường đi ngắn nhất. Okada (2001) tập trung vào bài tốn tìm đường  đi ngắn nhất trên mạng, trong đó một số mờ, thay vì một số thực, được gán cho mỗi  khoảng  cách  và  đưa  rakhái  niệm  về  "mức  độ  khả  năng"  để  một  cung  nằm  trên  con  đường ngắn nhất. Liu & Kao (2004) đã nghiên cứu vấn đề lưu lượng mạng trong đó  chiều dài một liên kết của mạng là số mờ. Seda (2005) giải bài tốn duyệt cây trên một  đồ thị trong đó một số mờ, thay vì một số thực, được gán cho mỗi cạnh.  Takahashi Yamanaka (2005) thảo luận các vấn đề đường đi ngắn nhất với các  thơng số mờ. Ơng đề xuất sửa đổi thuật tốn Okada (2001), sử dụng một số tính chất  quan  sát  bởi  các  tác  giả  khác.  Ông  cũng  đề  xuất  một  thuật  tốn  di  truyền  để  tìm kiếm một giải pháp xấp xỉ đối với các bài tốn có quy  mơ lớn. Chuang & Kung  (2005) xem xét mỗi cung trong đồ thị là một tập mờ hình tam giác và một thuật tốn  mới được đề xuất để tìm đường đi ngắn mờ. Nayeem Pal (2005)coi là một mạng với  độ dài cunglà số khơng chính xác thay vì một số thực (khoảng số thực và số mờ tam  giác).  Ma  &  Chen  (2005)  đề  xuất  một  thuật  toán  cho  mờ  các  vấn  đề  đường  đi  ngắn  nhất on line. Kung & Chuang (2005) đề xuất một thuật tốn mới kết hợp các thủ tục  mờ trong tìm kiếm đường đi ngắn nhất và độ đo tương tự. Gupta & Pal (2006) trình  bày một thuật tốn cho các vấn đề đường đi ngắn nhất khi các vịng cung được kết nối  trong một mạng lưới giao thơng được đại diện bằng khoảng mờ.  2        1        10   35.6667   1   12   15   36.6666   1     11  17    20   39.3334   1           16   42.8333   1        13   19   43.8333   1   12   15   18   46.8333   1     11  17    21   23  52.5001   Tìm kiếm từ   1     11  17    21   23  2.3 Kết luận chương Ngồi việcchỉ ra mối quan hệ và tính cần thiết của logic mờ trong các hệ GIS,  nội dung chương 2 tập trung chính vào phân tích các giải thuật tìm đường đi ngắn nhất  sử dụng logic mờ. Trong đó, để có sự đối sánh, luận văn cũng tổng kết lại một số thuật  tốn  tìm  đường  đi  ngắn  nhất  kinh  điển  theo  phương  pháp  rõ.  Nguyên  lý  của  các  phương pháp kinh điển này cũng là khởi nguồn cho phương pháp Dijikstra mờ, được  xem  là  tốt  nhất  trong  ba  phương  pháp  được  công  bố  gần  đây  mà  luận  văn  khảo  sát.  Luận văn cũng lựa chọn thuật  tốn Dijikstra mờ cho bài tốn thiết kế tuyến xe BUS  được trình bày trong chương 3.  55        CHƯƠNG XÂY DỰNG CHƯƠNG TRÌNH THỬ NGHIỆM THIẾT KẾ TUYẾN XE BUS CHO THÀNH PHỐ THÁI NGUN Chương 3 của luận án nhằm mơ tả cách thức áp dụng thuật tốn tìm đường đi ngắn  nhất mờ để áp dụng cho bài tốn thiết kế tuyến xe Bus cho thành phố Thái ngun.  Phần đầu chương sẽ đưa ra các u cầu thiết kế và lý do cho việc giải quyết bài tốn  theo hướng tiếp cận mờ. Tiếp theo là mơ tả các cơng cụ hỗ trợ, các bước tiến hành.  Cuối cùng là các kết quả đạt được về mặt chương trình cũng như thuật tốn.  3.1 Mơ tả tốn Phát triển vận tải hành khách cơng cộng bằng xe bt là một địi hỏi bức thiết  của thành phố Thái Ngun nhằm đáp ứng nhu cầu đi lại của người dân, tránh ách tắc  giao thơng, ơ nhiễm mơi trường và đảm bảo an tồn giao thơng. Chính vì vậy, thành  phố cần có bước đi và lộ trình thích hợp trong việc phát triển xe bt, thu hút người  dân chuyển hình thức đi lại bằng phương tiện cá nhân (đặc biệt là xe gắn máy) sang  phương tiện cơng cộng và hồn thiện mạng lưới xe bt.  Hiện tại, do nhu cầu đi lại bằng xe Bus của nhân dân ngày càng tăng, các tuyến  xe bus đã thiết kế ln bị q tải. Chính vì vậy, cần thiết phải thiết kế thêm các tuyến  xe bus mới.  Cho đến nay, GIS đã được xây dựng hồn chỉnh với khả năng lưu trữ, quản lý,  truy cập, xửlý phân tích và cung cấp thơng tin cần thiết để thực thi những quyết định  trong nhiều lĩnh vực dịch vụ cơng cộng. Tuy nhiên, những ứng dụng thực tế GIS trong  cơng tác quy hoạch, thiết kế tuyến trên địa bàn thành phố Thái Ngun vẫn cịn nhiều  hạn chế.  Bài tốn thiết kế tuyến xe Bus thực chất là thực hiện hai lựa chọn. Lựa chọn  tuyến đường đi của xe và lựa chọn vị trí đặt các điểm đừng đỗ sao cho tối ưu. Theo ý  kiến của chun gia, cơng tác thiết kế cần đảm bảo các u cầu sau:  (1) Việc lựa chọn tuyến mới phải dựa trên việc phân tích hiện trạng các tuyến đã  có sao cho khơng chồng chéo và phục vụ tốt nhu cầu của người dân  (2) Điểm dừng nên liền kề với các trung tâm cơng cộng như ngân hàng, trụ sở  ủy ban, trường học, bệnh viện, bến xe.   56        (3) Điểm dừng nên đặt ở nơi có mật độ dân cư cao  (4) Các tuyến giao nhau nên chọn chung điểm dừng đỗ  (5) Điểm dừng đỗ khơng phải là khu vực nhạy cảm về mơi trường  (6) Khoảng cách giữa các điểm dừng đỗ trên  một tuyến tối đa là 1,5km và tối  thiểu là 700 m  Để thực hiện bài tốn này, bên cạnh các kỹ thuật xử lý dữ liệu thơng thường trên  GIS (đã trình bày trong chương 1) thì việc áp dụng thuật tốn tìm đường đi tối  ưu  là  cần  thiết.  Chúng  ta  hồn  tồn  có  thể  áp  dụng  các  thuật  tốn  theo  hướng  tính tốn rõ. Tuy nhiên, nếu theo hướng này sẽ gặp một số khó khăn như sau:  (1) Hệ GIS có thể cho phép xác định chính xác vị trí tối ưu cần đặt trạm dừng.  Tuy  nhiên,  khi  thi  cơng  thực  tế  có  thể  gặp  một  số  trở  ngại  về  nhà  dân,  cây  xanh, giải tỏa đền bù…nên điểm đặt trạm dừng có thể sai dịch trong phạm vi  lên tới 500 m. Việc sai dịch của trạm dừng này sẽ kéo theo sai dịch của các  trạm khác và ảnh hưởng đến kết quả tồn cục.  (2) Việc xử lý dữ liệu GIS trong đó có chấp nhận các yếu tố sai lệch trên rất khó  thực hiện đối với các thuật tốn tìm đường đi tối ưu rõ.  Dựa  trên  các  phân  tích  trên,  áp  dụng  các  kiến  thức  đã  trình  bày  trong  các  chương  1,2,  phần  này  của  luận  văn  sẽ  trình  bày  các  bước  cụ  thể  trong  thiết  kế  mới  tuyến xe Bus cho thành phố Thái Nguyên áp dụng giải thuật tìm đường đi ngắn nhất  Dijikstra mờ.  3.2 Phương pháp tiến hành 3.2.1 Các công cụ hỗ trợ 3.2.1.1 Phần mềm ArcGIS ArcGIS là hệ thống GIS hàng đầu hiện nay, cung cấp một giải pháp toàn diện  từ  thu  thập  /  nhập  số  liệu,  chỉnh  lý,  phân  tích  và  phân  phối  thơng  tin  trên  mạng  Internet tới các cấp độ khác nhau như cơ sở dữ liệu địa lý cá nhân hay cơ sở dữ liệu  của các doanh nghiệp. Về mặt cơng nghệ, hiện nay các chun gia GIS coi cơng nghệ  ESRI là một giải pháp mang tính chất mở, tổng thể và hồn chỉnh, có khả năng khai  57        thác hết các chức năng của GIS trên các ứng dụng khác nhau như: desktop (ArcGIS  Desktop),  máy chủ  (ArcGIS Server),  các  ứng  dụng  Web  (ArcIMS, ArcGIS Online),  hoặc  hệ  thống  thiết  bị  di  động  (ArcPAD)   và  có  khả  năng  tương  tích  cao  đối  với  nhiều loại sản phẩm của nhiều hãng khác nhau.   ArcGIS Destop (với  phiên  bản  mới nhất  là  ArcGIS 10)  là  một  bộ phần  mềm  ứng  dụng  gồm:  ArcMap,  ArcCatalog,  ArcToolbox,  ModelBuilder,  ArcScene  và  ArcGlobe. Khi sử dụng các ứng dụng này đồng thời, người sử dụng có thể thực hiện  được các bài tốn ứng dụng GIS bất kỳ, từ đơn giản đến phức tạp, bao gồm cả thành  lập bản đồ, phân tích địa lý, chỉnh sửa và biên tập dữ liệu, quản lý dữ liệu, hiển thị và  xử lý dữ liệu. Phần mềm ArcGIS Desktop được cung cấp cho người dùng ở 1 trong 3  cấp bậc với mức độ chun sâu khác nhau là ArcView, ArcEditor, ArcInfo.   ArcView: Cung cấp đầy đủ chức năng cho phép biểu diễn, quản lý, xây dựng  và phân tích dữ liệu địa lý, các cơng cụ phân tích khơng gian cùng với việc biên tập  và phân tích thơng tin từ các lớp bản đồ khác nhau đồng thời thể hiện các mối quan hệ  và nhận dạng các mơ hình.   ArcEditor:  Là  bộ  sản  phẩm  có  nhiều  chức  năng  hơn,  dùng  để  chỉnh  sửa  và  quản lý dữ liệu địa lý. ArcEditor bao gồm các tính năng của ArcView và thêm vào đó  là một số các cơng cụ chỉnh sửa, biên tập.   ArcInfo:  Là  bộ  sản  phẩm  ArcGIS  đầy  đủ  nhất.  ArcInfo  bao  gồm  tất  cả  các  chức năng của ArcView lẫn ArcEditor. Cung cấp các chức năng tạo và quản lý một hệ  GIS, xử lý dữ liệu khơng gian và khả năng chuyển đổi dữ liệu, xây dựng dữ liệu, mơ  hình hóa, phân tích, hiển thị bản đồ trên màn hình máy tính và xuất bản bản đồ ra các  phương tiện khác nhau.   3.2.1.2 Phần mềm Matlab R2015a Matlab là một phần mềm chun dụng cho tính tốn số liệu dưới dạng ma trận.  Dây là một cơng cụ tốt trong việc triển khai và đánh giá các thuật tốn. Đặc biệt, các  thuật tốn tìm đường đi tối ưu trên thực tế đã được cơng bố đều đa phần minh họa trên  Matlab  nên  rất  tiện  cho  việc  đối  sánh  hiệu  năng  của  các  thuật  toán.  Bên  cạnh  đó,  58        Matlab cũng hỗ trợ giao diện GUI giao tiếp với người dùng giống các phần mềm khác  như Visual Basic, Java, Visual C nhưng tập lệnh và cú pháp dễ sử dụng hơn nhiều.  3.2.2 Các bước thực   Để thực hiện việc giải quyết bài tốn, ta tiến hành theo trình tự bốn bước như  trong Hình 3-1 dưới đây:      Xây dựng   cơ sở    dữ liệu    Xếp  Mờ hóa  Khoảng Áp dụng  cách mờ thuật tốn  Các chồng  Các vị thuộc bản đồ  trí tiềm Dijkstra  mờ  tính dữ liệu    Hình 3-1Các bước thực tốn Bước 1: Xây dựng cơ sở dữ  liệu  Để tiến hành bài tốn xác định vị trí đặt trạm xe Bus, chúng ta cần thu thập dữ  liệu GIS có chứa các thuộc tính liên quan như: dân cơ, trụ sở hành chính, phường xã,  các  trạm  dừng  xe  BUS  đã  có…Cơng  việc  này  được  thực  hiện  nhờ  chương  trình  Arcmap  của  ArcGIS,  tạo  ra  các  shape  file  của  các  dữ    liệu  như:  giaothong.shp,  tru_so_hc.shp, Dan_so.shp…(Hình 3-2)    Hình 3-2Bản đồ thành phố Thái nguyên với thuộc tính Arcmap     Bước 2: Xếp chồng các lớp bản đồ (các shapefile)  Mỗi một shapefile chỉ mơ tả một hoặc một số ít thuộc tính theo dữ liệu khơng  gian. Vì vậy, để phát hiện các điểm chứa đầy đủ các thuộc tính u cầu cho việc đặt  trạm xe Bus như: ở khu vực đơng dân cư, gần các địa điểm cơng cộng hay trụ sở cơ  quan hành chính, ưu tiên các trạm xe Bus đã có sẵn ta cần xếp chồng các shapefile đã  thu thập trong bước 1. Kết quả minh họa được thể hiện trong Hình 3-3.    Hình 3-3Minh họa vị trí đặt trạm xe Bus sau xếp chồng liệu Bước 3: Truy  vấn  với  các  dữ  liệu thuộc tính và dữ liệu khơng gian, mờ hóa dữliệu  và tìm các điểm đặt trạm thỏa mãn với u cầu của bài tốn.      Hình 3-4Minh họa q trình mờ hóa vị trí điểm đặt trạm 60        Từ các vị trí tiềm năng cho việc xây dựng trạm xe Bus (vị trí “rõ”), ta tiến hành  mờ hóa các vị trí trên. Vị trí của một điểm đặt trạm sẽ được mờ hóa theo hai phương x  và y bằng số mờ dạng tam giác với đỉnh của tam giác ứng với giá trị rõ cịn hai điểm  trái phải cịn lại được xác định dựa trên độ sai lệch cho phép về vị trí theo các phương  x,y (Hình 3-4). Các điểm sau khi mờ hóa được lưu vào file dữ liệu diem.mat.    Hình 3-5Minh họa q trình tính khoảng cách mờ Bước tiếp theo, ta tiến hành xác định chi phí giữa hai điểm. Trên thực tế, chi phí  này phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố về kinh tế, xã hội. Nếu xét yếu tố khoảng cách mờ,  ta  có  thể  biểu  diễn  hàm  khoảng  cách  mờ  giữa  hai  điểm  mờ A xa1 , xb1 , xc1  ,  ya1 , yb1 , yc1  và  B  xa2 , xb2 , xc2  ,  ya2 , yb2 , yc2  trên  một  tuyến  đường  theo  ABb  hàm  thuộc  dạng  giác AB  ABa , ABb , ABc    tam  Trong  đó: 2  xb1  xb2    xb1  xb2  (chính  là  khoảng  cách  rõ  AB)  còn  ABa   và  ABc là  sai  lệch cực đại theo cả hai phương x và y. Khi A và B khơng cùng nằm trên một tuyến  đường thì khoảng cách AB bằng vơ cùng.   Sau  khi  tính  tốn  được  tồn  bộ  khoảng  cách  giữa  các  điểm  có  khả  năng  đặt  trạm, dữ liệu thu được sẽ được lưu vào file khoangcach.mat  Bước 4: Áp dụng thuật tốn Dijikstra mờ  Từ file dữ liệu diem.mat, khoangcach.mat và u cầu về điểm đầu và cuối của  tuyến xe Bus, ta có thể áp dụng thuật tốn Dijikstra mờ với các bước được trình bày cụ  61        thể trong phần 2.2.3.3. Kết quả thu được là tuyến xe Bus với vị trí các điểm đặt trạm là  tối ưu nhất.  3.2.3 Chương trình minh họa thuật tốn Dijikstra mờ Trên cơ sở các bước thực hiện đã được trình bày chi tiết ở trên, học viên đã tiến  hành cài đặt chương trình mơ phỏng dựa trên việc kết hợp xử lý dữ liệu GIS trên hai  phần mềm Arcgis và Matlab. Arcgis là một cơng cụ tốt cho việc thu thập, cập nhật dữ  liệu và chỉnh sửa các file .shp. Các file này cùng với dữ liệu về các thuộc tính được  đưa sang Matlab và xử lý tiếp.     Hình 3-6Giao diện chương trình Giao diện chính của chương trình được thể hiện trên Hình 3-6. Trên giao diện  này cho phép người sử dụng có thể thực hiện một số thao tác cơ bản như: Xem bản đồ  theo thuộc tính, chồng xếp bản đồ, thực hiện thuật tốn Dijikstra mờ.  Khi click vào button Xem theo thuộc tính, người sử dụng có thể thấy được các  dữ liệu của bản đồ Thái ngun về sơng ngịi, trụ sở, dân cư, giao thơng…(Hình 3-7).  62          Hình 3-7Bản đồ giao thơng TP Thái Ngun   Hình 3-8Các vị trí tiềm cho đặt trạm xe Bus TP Thái Ngun Trên chương trình chính, khi click vào button Xếp chồng đồ, người sử dụng  có  thể  thấy  được  vị  trí  các  điểm  tiềm  năng  cho  xây  dựng  tram  xe  Bus  trên  TP  Thái  ngun (Hình 3-8).  63        Nếu click vào button Mờ hóa liệu, người sử dụng có thể thực hiện mờ hóa  các điểm đặt trạm cũng như xác định khoảng cách mờ giữa các điểm để tạo ra các file  dữ liệu chuẩn cho q trình giải bài tốn tìm đường đi ngắn nhất (Hình 3-9).    Hình 3-9Mờ hóa liệu   Hình 3-10Minh họa thuật tốn 64        Nếu click vào button Fuzzy Dijkstra, giao diện Hình 3-10 sẽ cho phép người sử  dụng  chọn  điểm  nguồn  và  điểm  đích  của  tuyến.  Dựa  trên  cơ  sở  dữ  liệu  đã  có,  thuật  tốn Dijkstra mờ sẽ tìm ra đường ngắn nhất thỏa mãn.  3.3 Kết luận chương Trong chương này, luận văn đã triển khai áp dụng thuật tốn tìm đường đi tối ưu  Dijikstra mờ cho bài tốn thiết kế tuyến xe Bus. Đầu tiên là việc thu thập dữ liệu GIS  sao  cho  thỏa  mãn  các  tiêu  chí  đề  ra  về  giao  thơng,  dân  cư,  gần  tụ  điểm  cơng  cộng…Tiếp đó là xếp chồng bản đồ để xác định các điểm có thể đặt trạm trên địa bàn  thành phố Thái Ngun. Sau khi xác định được các vị trí rõ, tiến hành mờ hóa dữ liệu  GIS. Cuối cùng, và tùy vào nguồn và đích của tuyến xe Bus mà xác định tuyến tối ưu  theo thuật tốnDijikstra mờ. Kết quả cho thấy thuật tốn Dijikstra mờ hoạt động tốt và  có khả năng triển khai trong thực tế.      65        KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Lý  thuyết  tập  mờ  được  xem  như  là  phương  tiện  thiết  kế các cơng  cụ  một  cách  hiệu quả để hỗ trợ các xử lý ra quyết định đối với các bài tốn khơng gian mà đặc thù  của nó là dữ liệu khơng rõ ràng. Trong luận văn này đã nghiên cứu sự hợp nhất của lý  thuyết tập mờ trong hệ thống cơ sở dữ liệu quan hệ GIS và ứng dụng thành quả nghiên  cứu vào thực tiễn mà điển hình là bài tốn tìm đường tối ưu mờ.  Sau một thời gian tìm hiểu nghiên cứu, luận văn đã trình bày được các vấn đề :  - Nghiên cứu một số thuật tốn tìm đường tối ưu  - Nghiên cứu một số thuật tốn tìm đường tối ưu mờ như thuật tốn FSA,  thuật  tốn  số  mờ,  thuật  tốn  Dijkstra  mờ…  và  ứng  dụng  trong  hệ  thống  thông tin địa lý.  - Cài  đặt  thử  nghiệm  thuật  tốn  tìm  đường  đi  tối ưu  sử dụng  logíc  mờ  áp  dụng  cho  bài  tốn  thiết  kế  tuyến  xe  Bus  trên  địa  bàn  thành  phố  Thái  Nguyên.  Trong  q  trình  thử  nghiệm  chương  trình,  thuật  tốn  Dijikstra  mờ  chứng  minh  hoạt động hiệu quả.Tuy  nhiên, để có thể triển khai áp dụng trong thực tế, thuật tốn  cần phải được cải tiến và chứng minh trên nhiều bài tốn ứng dụng hơn như bài tốn  tìm đường cứu hộ, cứu nạn (online), bài tốn xây dựng mạng lưới giao thơng vận tải.  Đây cũng chính là hướng phát triển của đề tài.  Một lần nữa học viên xin được cảm ơn  Thầy giáo PGS TS Đặng Văn Đức đã  tận tình giúp đỡ, hướng dẫn trong thời gian thực hiện đề tài, cảm ơn sự giúp đỡ của gia  đình, bạn bè và các đồng nghiệp trong thời gian qua.  Thái Nguyên ngày 22 tháng 06 năm 2016 Người thực     Vũ Thúy Hà  66            67        TÀI LIỆU THAM KHẢO Tài liệu tiếng Việt [1]  Đ. V. Đức, Hệ thông tin địa lý GIS, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, Hà Nội,  2001.  [2]  Trần  Văn  Đồi,  Ứng dụng logic mờ hệ thống thơng tin địa lý,  Luận  văn  thạc sỹ khoa học, Trường ĐH Bách khoa Hà nội, 2006.  [3]  Nguyễn Như Quỳnh, Nghiên cứu một số thuật tốn trong GIS ứng dụng logic mờ,  Luận văn thạc sỹ khoa học máy tính, Trường ĐH Cơng nghệ thơng tin và truyền  thơng, 2012.  Tài liệu tiếng Anh [4]  C. T. S. E. M. Jyh Shing Roger Jang, Neuro fuzzy and Soft Computing, Prientice  Hall International, Inc, 2002.  [5]  J.-Y.  K.  Tzung-Nan  Chuang,  "A  new  algorithm  for  the  discrete  fuzzy  shortest  path problem in a network," Applied Mathematics and Computation, vol. 174 , p.  660–668, 2006.  [6]  M. T. L. J. L. V. A. Y. Fábio Hernandes, "The shortest path problem on networks  with fuzzy parameters," Fuzzy Sets and Systems , vol. 158, p. 1561–1570, 2007.  [7]  W. Kainz, The Mathematics of GIS, Austria: University of Vienna, 2010.  [8]  R.  B.  Kiran  Yadav,  "Finding  a  ShortestPath  Using  an  Intelligent  Technique,"  International Journal of Engineering and Technology, vol. 1, no. 2, pp. 139-141,  June , 2009.  [9]  S. M. L. Á. N. V. Petrík, "Application of Shortest Path Algorithm  to GIS using  Fuzzy Logic," [Online]. Available: http://conf.uni-obuda.hu/HUCI2003/petrik.pdf.  [10] Y.  C.  Y.  Z.  S.  M.  Yong  Deng,  "Fuzzy  Dijkstra  algorithm  for  shortest  path  problem  under  uncertain  environment,"  Applied Soft Computing , vol.  12,  pp.  1231-1236, 2012.  [11] V.  P.  Ananthanarayanan  M.,  "A  Study  on  Comparison  Between  Fuzzy  Shortest  Path With Conventional Method," Indian Journal of Applied Research, vol. 4, no.  5, pp. 374-376, 2014.  Các trang Web [12] https://en.wikipedia.org/wiki/Geographic_information_system  [13] https://en.wikipedia.org/wiki/Shortest_path_problem  68    ...  35  2.2  Nghiên? ?cứu? ?một? ?số? ?thuật? ?tốn? ?tìm? ?đường? ?đi? ?ngắn nhất? ?ứng? ?dụng? ?logic? ?mờ   37  2.2.1  Bài tốn? ?tìm? ?đường? ?đi? ?ngắn nhất   37  2.2.2  Một? ?số? ?thuật? ?tốn? ?tìm? ?đường? ?đi? ?ngắn nhất kinh? ?đi? ??n ... Nghiên? ?cứu? ?một? ?số? ?thuật? ?tốn? ?tìm? ?đường? ?tối ưu  - Nghiên? ?cứu? ?một? ?số? ?thuật? ?tốn? ?tìm? ?đường? ?tối ưu mờ như? ?thuật? ?tốn FSA,? ?thuật? ? tốn  tìm? ? đường? ? đi? ? ngắn  nhất  trên  cơ  sở  số? ? mờ,  thuật? ? toán? ? Dijkstra  mờvà  ứng? ? dụng? ?trong? ?hệ thống thơng tin địa lý. ... 2.2 Nghiên cứu số thuật tốn tìm đường ngắn ứng dụng logic mờ 2.2.1 Bài toán tìm đường ngắn Trong? ?đời sống, chúng ta thường gặp những tình huống như sau: để? ?đi? ?từ địa  đi? ??m A đến địa? ?đi? ??m B? ?trong? ?thành phố, có nhiều? ?đường? ?đi,  nhiều cách? ?đi;  có lúc ta