高速公路物流運輸管理系統設計

景海濤，李 偉，周 琳，原世偉

（1.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000）

高速公路物流運輸管理系統設計

景海濤1，李 偉1，周 琳1，原世偉1

（1.河南理工大學 測繪與國土信息工程學院，河南 焦作 454000）

從網絡空間分析、數據庫建立、系統開發等方面出發，重點實現物流運輸管理功能。以某區域內相關數據為數據源，建立GeoDataBase和SQL Server數據庫，基于ArcGIS Engine開發組件、Visual Studio，利用C#開發物流運輸管理系統，采用分支定界算法、Dijkstra算法，結合GIS中網絡分析功能，實現物流運輸信息管理中最短路徑選擇、旅行商回路確定、自定義路徑等問題。系統對于物流運輸管理具有易操作性、實用性等特點，可為物流運輸提供有效的空間信息保障。

物流運輸；高速公路；GIS；旅行商問題

物流網絡[1-3]由大量的物流結點和物流線路組成，具有復雜的空間特性[4,5]，常規的信息管理系統（例如業務管理系統）空間分析能力不足、局限性明顯。

本研究通過建立GeoDataBase和SQL Server數據庫，管理地圖數據和屬性數據，采用分支定界算法和Dijkstra算法，結合GIS網絡分析模塊，實現對物流運輸進行信息管理及線路分析的功能，構建河南省高速公路物流運輸管理系統，為物流運輸提供有效的空間信息保障。

1 Dijkstra算法和旅行商問題

Dijkstra算法是一種典型的最短路徑算法，以指定的起始點為中心向外層擴展，直至尋到目標點[6,7]，用于解決網絡中2個結點間最短路徑的問題。其基本思路為[8]：

1）起點固定標號為0，其他結點臨時標號為∞。

2）對未固定標號的結點全部給出臨時標號，其值為：min[j的舊標號，（i的舊標號+wij）]。式中，i是前一步剛被標定的結點；wij是邊eij的權，如果結點i和j不相鄰接，wij=∞。

3）臨時標號最小值設為固定標號。

4）重復進行步驟2）與3），直至終點。

旅行商問題實質是尋找一個代價最小的哈密爾頓回路，哈密爾頓回路是指途經的結點有且僅一次的環路。解決方法包括線性規劃算法、動態規劃算法、最鄰近方法[9]和分支定界算法等，本研究采用分支定界算法：

1）首先將所有邊權值從小到大排序。

2）按順序依次選邊權值進行深度搜索，直至選取n條邊，判斷是否構成哈密爾頓回路[10]。若是，得出結果，否則執行步驟3）。

3）剔除當前回路中最長邊，加入后面第一條待選邊，轉到步驟2）。

2 系統設計

2.1 數據庫設計與建立

基于GIS的高速公路物流運輸管理系統的數據庫設計，主要包括地理數據庫和業務數據庫（二者均是模擬數據，用于系統測試）。

GeoDataBase是利用ArcCatalog建立的數據庫[11]，包括城市群、高速公路網及其網絡數據集等空間數據。其中，網絡數據集包括道路網絡和網絡拓撲結構[12]，用于輔助最佳路徑選擇；城市群作為各地物流貨物集散中心；高速公路網圖層用于顯示該地詳細的高速公路網空間分布。

業務數據庫是利用SQL Server建立的數據庫，包括集散中心信息、貨物信息、客戶信息、車輛信息、駕駛員信息等。

2.2 系統開發流程

系統開發具體流程如圖1所示，收集高速公路網和物流業務流程等相關資料，建立系統的地理數據庫和業務數據庫；經過公路網矢量化和拓撲檢查，生成網絡分析的基礎數據——網絡數據集，并與城市群、高速公路、物流業務數據等集成，建立系統數據庫平臺。

2.3 系統功能設計

系統由6個功能模塊組成（圖2）：數據管理和信息查詢主要用于管理和查詢送貨中心、貨物、客戶、車輛、司機等信息；地圖圖層和地圖操作用于實現地圖瀏覽等基本功能；路徑選擇是系統核心功能，提供多種路徑獲取方式，實現路線自動快速科學獲取；路徑設置功能用于設置路徑相關屬性。

圖2 系統結構

3 運輸管理系統實現

系統主界面如圖3，按照實用、可靠、使用方便等原則，系統具體功能大致可以分為基本操作功能、業務管理功能和線路選擇3大部分。

3.1 基本操作功能

圖3 系統主界面

基本操作功能包括地圖圖層、地圖瀏覽、繪圖工具。地圖圖層用于控制圖層顯示、疊加順序、符號渲染等；繪圖工具用于繪制點、線、面、圓、矩形、多邊形等多種圖形；地圖瀏覽包括站點輸入、要素選擇、放大、縮小、漫游、全圖顯示、量測等。

3.2 業務管理功能

業務管理功能包括數據管理和信息查詢（如圖4，上部分為數據管理對話框，下部分為信息查詢界面），管理與物流貨物相關的信息。數據管理和信息查詢功能都具有查詢功能，采用精確查詢和模糊查詢2種方式，模糊查詢分為前方一致、中間一致、后方一致3種模式。二者不同之處在于，考慮到數據安全性，數據管理功能中添加了數據編輯功能，包括刷新、添加、修改、刪除和清空。

圖4 信息管理和信息查詢功能

3.3 線路選擇功能

線路選擇功能包括獲取線路和路徑參數設置，獲取線路功能包括添加站點、添加障礙點、最短路徑、加載站點圖層的GIS網絡分析常用功能和環狀路徑、旅行商路徑、自定義路徑等新添加功能。

3.3.1 最短路徑

最短路徑是物流運輸中最基本的功能。具體流程如圖5，通過鼠標在地圖視圖中獲取目的地和障礙點，依據路徑參數和Dijkstra算法計算出最短路徑，并把最短路徑的空間和屬性信息傳輸到主界面。

圖5 最短路徑計算流程

以圖6為例，研究M點到B點最短路徑的獲取。圖中左側是路徑設置，右側是最短路徑結果。

圖6 路徑設置和最短路徑結果

3.3.2 旅行商路徑

旅行商路徑計算流程如圖7，先通過鼠標添加多個（多于2個）目的地，并依照路徑參數和Dijkstra算法計算出任意2點間的最短路徑值，再根據分支定界算法篩選出滿足旅行商問題的線路，并把旅行商路徑的空間和屬性信息傳輸到主界面。如圖8所示，獲取經過研究區域中部6個目的地的旅行商路徑。

圖8 旅行商路徑結果

3.3.3 自定義路徑

最短路徑要求用戶掌握目標點的大致地理位置，即需要用戶通過鼠標獲取目的地的坐標，而自定義路徑只要求用戶掌握目的地名稱。其具體的計算流程如圖9。在自定義對話框中選擇目的地名稱，通過字符標準化處理后獲取所在地的點坐標，然后依據路徑參數和Dijkstra算法獲取運輸路徑，并把自定義路徑的空間和屬性信息傳輸到主界面。在圖10中，左側是輸入目的地的對話框，右側是路徑選取結果。

圖9 自定義路徑計算流程

圖10 自定義對話框和路徑選取結果

4 結 語

現代物流運輸線路管理系統實現物流運輸信息管理及線路分析，能夠滿足在物流運輸管理中的應用，為物流運輸提供有效的空間信息保障。除此之外，系統還有以下特點：

1）系統分析對象不僅可以包括高速公路網，還可以包括公路網、鐵路網等運輸系統；2）系統與數學知識結合，提供新的線路獲取功能；3）整合地理數據庫和SQL數據庫，實現二者間交換查詢；

4）界面設計實用、美觀，信息綜合顯示等。

但是，系統仍存在一些問題，如旅行商路徑算法有待改善，如何實現系統移植在手機、平板電腦等移動設備上。

[1] 李創,王麗萍.物流學概論[M].北京:北京大學出版社,2012

[2] 葛穎波,喻立,宇清紅.物流經濟地理[M].北京:北京大學出版社,2013

[3] 新華網.前11月全國社會物流總額182.2萬億元[EB/ OL].http://news.xinhuanet.com/newmedia/2013-12/26/ c_125917993.htm,2014-04-06

[4] 胡振文,孫玉梅,李仁杰.地理信息系統原理與應用[M].北京:中國鐵道出版社,2005

[5] 喬望.《國家公路網規劃(2013～2030年)》發布[J].交通世界,2013(7):24-25

[6] 王變利.GIS在物流配送系統中的應用研究[D].焦作:河南理工大學,2010

[7] 郝海,熊德國.物流運籌學[M].北京:北京大學出版社,2010

[8] 黃安心.配送中心運作與管理實務[M].武漢:華中科技大學出版社,2009

[9] 孫晶.離散數學教程[M].沈陽:東北大學出版社,2009

[10] 鄭宗漢.算法設計與分析[M].北京:清華大學出版社,2011

[11] 湯國安.地理信息系統[M].北京:科學出版社,2010

[12] 劉湘南,黃方,王平.GIS空間分析原理與方法[M].北京:科學出版社,2008

P208

B

1672-4623（2015）03-0087-03

10.3969/j.issn.1672-4623.2015.03.031

景海濤，博士，教授，主要研究領域為3S技術及應用。

2014-05-29。

項目來源：河南省基礎與前沿技術研究資助項目（142300410149）。