王澤松,王梓天,萬(wàn)后鵬,秦澤青
(1.湖北大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息工程學(xué)院,武漢430062;2.湖北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院,武漢430062)
我們以某校為例,考慮該校的實(shí)際情況,同時(shí)假設(shè)該校突發(fā)事故發(fā)生現(xiàn)場(chǎng)均在圖1的道路上。該校三個(gè)重點(diǎn)部位的坐標(biāo)分別為:(5112,4806)、(9126,4266)、(7434,1332)(見(jiàn)圖1紅點(diǎn)部位,藍(lán)色部分為水域,相鄰兩個(gè)交叉路口之間的道路近似認(rèn)為是直線(xiàn))。
圖1 數(shù)據(jù)生成全景圖
該校擬增加一批配有先進(jìn)通訊設(shè)備的校園巡邏車(chē)。假設(shè)學(xué)校內(nèi)校園巡邏車(chē)的平均速度為15Km/h,遇到緊急事故開(kāi)往事故現(xiàn)場(chǎng)的平均速度為30Km/h。校園巡邏車(chē)配備及巡邏方案要盡量滿(mǎn)足以下要求:
D1:校園巡邏車(chē)在接到校園報(bào)警電話(huà)后四分鐘之內(nèi)趕到現(xiàn)場(chǎng)的不低于90%;而趕到重點(diǎn)部位的時(shí)間必須在三分鐘之內(nèi)。
D2:使巡邏效果更顯著。
現(xiàn)需要建立數(shù)學(xué)模型解決以下問(wèn)題:
(1)若要求滿(mǎn)足D1,該校最少需配備多少輛校園巡邏車(chē)?
(2)請(qǐng)給出評(píng)價(jià)巡邏效果的評(píng)價(jià)指標(biāo),并給出滿(mǎn)足D1且盡量滿(mǎn)足D2條件的校園巡邏方案。
(3)你認(rèn)為還有哪些因素、哪些情況需要考慮?給出相應(yīng)的解決方案。
對(duì)于如何求在滿(mǎn)足D1條件時(shí),校園所需配備巡邏車(chē)的最少數(shù)量,我們可先將路口與道路信息從坐標(biāo)軸中提出,轉(zhuǎn)化為帶權(quán)無(wú)向圖結(jié)構(gòu),用節(jié)點(diǎn)表示路口,邊表示道路,各邊權(quán)重則代表著道路的長(zhǎng)度。針對(duì)要求D1,我們通過(guò)時(shí)間與巡邏車(chē)速度的信息,將對(duì)時(shí)間的限制變成了對(duì)距離的限制,從而,問(wèn)題一的概念發(fā)生了如圖2的改變。
圖2 概念轉(zhuǎn)化圖
接下來(lái),我們所需解決的,也就是“找到最少節(jié)點(diǎn)集,其可達(dá)覆蓋至少90%的節(jié)點(diǎn)”的問(wèn)題。為了使巡邏效果更顯著結(jié)合我們對(duì)巡邏車(chē)在實(shí)際工作中工作方式的理解,在巡邏效果的評(píng)估上,我們給出三個(gè)參考因素。
(1)整體覆蓋率
我們認(rèn)為首先應(yīng)該提及的就是巡邏車(chē)隊(duì)整體的作用覆蓋率。這是由于巡邏路徑對(duì)整體作用范圍的影響是直觀的,故整體的覆蓋率可以直接體現(xiàn)一套巡邏方案中,策劃者對(duì)巡邏路徑所作安排的優(yōu)劣。
(2)應(yīng)答時(shí)效
鑒于事件的發(fā)生方式完全隨機(jī),我們優(yōu)先考慮極端情況,即突發(fā)事件發(fā)生時(shí),巡邏車(chē)到達(dá)事發(fā)地點(diǎn)所需行駛的距離達(dá)到巡邏路徑上的最大值,并將此時(shí)巡邏車(chē)趕到事發(fā)地點(diǎn)的用時(shí)記作應(yīng)答時(shí)效tmax,我們認(rèn)為該數(shù)值可以反映巡邏方案對(duì)極端緊急情形的應(yīng)對(duì)能力。
(3)巡邏路徑長(zhǎng)度
基于節(jié)能環(huán)保,倡導(dǎo)綠色生活的宗旨,我們希望在滿(mǎn)足需求的情況下,巡邏車(chē)消耗最少的電量,即行駛最短的距離,因此,將巡邏路徑的總長(zhǎng)度納入考慮因素,其可以反映巡邏方案在節(jié)能上的作用效果。在三項(xiàng)參考因素的基礎(chǔ)上,我們根據(jù)各因素的重要性為其分配權(quán)值,并融合得到評(píng)分指標(biāo)γ。
根據(jù)本文提出的問(wèn)題和以上的問(wèn)題分析,我們做了如下模型假設(shè):
(1)在問(wèn)題一中,假設(shè)巡邏車(chē)的位置均位于交叉路口。
(2)在問(wèn)題一中,假設(shè)重點(diǎn)部位等不在道路上的點(diǎn)近似到最近的交叉路口及道路上。
(3)在問(wèn)題一中,經(jīng)計(jì)算,圖中兩交叉路口間連線(xiàn)距離小于2000m的概率為99%(4分鐘內(nèi)均可到達(dá)),故假設(shè)面積覆蓋率等價(jià)于交叉路口的覆蓋率。
(4)在問(wèn)題二中,假設(shè)巡邏車(chē)在處理事故時(shí)耗費(fèi)時(shí)間為無(wú)窮大,且事件總并發(fā)數(shù)小于等于巡邏車(chē)數(shù)量。即巡邏車(chē)到達(dá)事件處理地點(diǎn)后不可移動(dòng),僅能解決當(dāng)前位置的事故。
(5)在問(wèn)題二中,對(duì)于巡邏車(chē)路徑的移動(dòng)我們假設(shè)在同類(lèi)型的區(qū)域內(nèi)從一個(gè)交叉路口移動(dòng)到另一個(gè)交叉路口的時(shí)間相同,且由于不同區(qū)域之間距離較遠(yuǎn),從效率角度假設(shè)巡邏車(chē)不會(huì)跨區(qū)域進(jìn)行巡邏。
本文常用符號(hào)見(jiàn)下表,其他符號(hào)見(jiàn)文中說(shuō)明。
表1
文獻(xiàn)[1]中利用了退火算法進(jìn)行路徑優(yōu)化調(diào)度,文獻(xiàn)[2]基于博弈論對(duì)巡邏策略展開(kāi)了研究。不同于它們,本文采用蒙特卡洛算法進(jìn)行模擬巡邏軌跡,并結(jié)合圖論算法達(dá)到模型的自?xún)?yōu)化效果。
問(wèn)題一中需要求出滿(mǎn)足D1條件時(shí),需要部署的最少巡邏車(chē)數(shù)目,為解決該問(wèn)題,我們使用蒙特卡洛法與弗洛伊德法,建立了最小消耗覆蓋模型。本小節(jié)的主要內(nèi)容是最小消耗覆蓋模型的建立、模型的求解與分析、問(wèn)題一的回答。
(1)最小消耗覆蓋模型的建立
本模型主要采取了“覆蓋”的思想,通過(guò)將路口與道路信息轉(zhuǎn)化為圖,進(jìn)而把4分鐘內(nèi)“趕到現(xiàn)場(chǎng)不低于90%”轉(zhuǎn)化為“4分鐘內(nèi)巡邏車(chē)活動(dòng)覆蓋面積大于校園的90%”。在求解最小巡邏車(chē)數(shù)目的過(guò)程中,利用蒙特卡洛模擬算法來(lái)隨機(jī)模擬巡邏車(chē)的初始位置,再通過(guò)使用弗洛伊德算法求出任意兩節(jié)點(diǎn)間的最短路徑,可以得到每輛巡邏車(chē)可覆蓋的面積,經(jīng)由假設(shè)3,巡邏車(chē)可達(dá)面積的覆蓋率可等價(jià)于巡邏車(chē)可達(dá)交叉路口的覆蓋率,單次蒙特卡洛模擬的簡(jiǎn)化流程如圖3所示。
圖3 單次蒙特卡洛模擬的簡(jiǎn)化流程
蒙特卡洛算法在大規(guī)模的隨機(jī)數(shù)列與復(fù)雜系統(tǒng)中的模擬有著杰出的表現(xiàn),例如在電力系統(tǒng)中的評(píng)估[3-4]、水質(zhì)概率預(yù)報(bào)[5]、證券定價(jià)[6],等等。因此,我們認(rèn)為其模擬的巡邏車(chē)初始位置與真實(shí)環(huán)境具有高度相似性。
在蒙特卡洛模擬過(guò)程中,為得到最小且符合要求的巡邏車(chē)數(shù)len(N),我們還需要加上約束條件:
①四分鐘之內(nèi)趕到現(xiàn)場(chǎng)的不低于90%:
以4分鐘內(nèi)巡邏車(chē)可以行駛的距離為度量指標(biāo),利用弗洛伊德算法計(jì)算每輛巡邏車(chē)可以覆蓋的交叉路口數(shù),使覆蓋總數(shù)大于交叉路口數(shù)的90%。
②重點(diǎn)部位的時(shí)間必須在三分鐘之內(nèi)趕到:
以三個(gè)重點(diǎn)部位為圓心,以?xún)?nèi)巡邏車(chē)可以行駛的距離為度量指標(biāo)。分別計(jì)算三分鐘內(nèi)可以到達(dá)這三點(diǎn)的交叉路口集合,最終巡邏車(chē)的位置應(yīng)該包含這些集合中的點(diǎn)。
(2)模型的求解與分析
①計(jì)算方法的設(shè)計(jì)
在求解最小消耗覆蓋模型時(shí),我們首先將約束條件轉(zhuǎn)換為公式表達(dá):
基于建模過(guò)程中提到的單次蒙特卡洛模擬,我們將其結(jié)合弗洛伊德算法,應(yīng)用在圖結(jié)構(gòu)上,并寫(xiě)出完整算法,如圖4所示。
圖4 問(wèn)題一算法流程圖
單輛巡邏車(chē)的覆蓋范圍的計(jì)算如表2所示。
表2 單車(chē)輛覆蓋范圍示例
由于約束條件的存在,我們需要針對(duì)三個(gè)重點(diǎn)檢測(cè)地進(jìn)行特別處理,從3分鐘內(nèi)可覆蓋它們的節(jié)點(diǎn)中進(jìn)行單獨(dú)選取,以保證模擬的巡邏車(chē)位置能滿(mǎn)足條件,及時(shí)趕到重點(diǎn)地點(diǎn)??杉皶r(shí)抵達(dá)三處重點(diǎn)檢測(cè)地的節(jié)點(diǎn)編號(hào)集合如表3所示。
表3 可及時(shí)抵達(dá)重點(diǎn)檢測(cè)地的路口編號(hào)集
續(xù)表
②結(jié)果分析
最終,所用車(chē)輛最少時(shí),巡邏車(chē)所在交叉路口的編號(hào)分別為[140,94,40,290,137,261,217,49,12,260,250,25,105,213,180,43,300,10,305,116,8]。此時(shí)蒙特卡洛模擬結(jié)果如圖5所示。圖中,紅色的點(diǎn)代表巡邏車(chē)所在的位置,紅色加綠色是緊急情況發(fā)生4分鐘內(nèi)能覆蓋到的范圍,由圖可見(jiàn),21輛巡邏車(chē)的覆蓋范圍大于90%,且可在3分鐘內(nèi)前往重點(diǎn)地段。
圖5 最終蒙特卡洛模擬結(jié)果
③問(wèn)題一的回答
經(jīng)計(jì)算得出,滿(mǎn)足要求D1時(shí),該校最少需配備21輛校園巡邏車(chē)。
問(wèn)題二要求給出評(píng)價(jià)巡邏效果的評(píng)價(jià)指標(biāo),并給出效果顯著的巡邏方案。結(jié)合我們對(duì)問(wèn)題二的分析中提出的影響因素,我們建立CTL模型來(lái)幫助我們?cè)u(píng)價(jià)巡邏效果,進(jìn)而計(jì)算出一個(gè)可供方案間比較的評(píng)分?jǐn)?shù)值,擇出分?jǐn)?shù)最高的巡邏方案進(jìn)行選用。本小節(jié)的主要內(nèi)容為CTL模型的建立、模型的求解與分析、問(wèn)題二的回答。
(1)CTL模型的建立
在問(wèn)題二的分析中我們已經(jīng)提到需要考慮的三個(gè)影響因素,C(整體覆蓋率)、T(應(yīng)答時(shí)效)、L(巡邏路徑長(zhǎng)度),在它們的基礎(chǔ)上,我們構(gòu)建CTL模型來(lái)對(duì)巡邏方案進(jìn)行評(píng)估,求解評(píng)分?jǐn)?shù)值γ。
下面給出C、T、L的定義與推導(dǎo):
C:整體覆蓋率
根據(jù)不同點(diǎn)間平均路徑的差異,我們將巡邏點(diǎn)分為不同的區(qū)域。基于假設(shè)5,我們可知相同區(qū)域內(nèi)巡邏車(chē)是同時(shí)移動(dòng)的。每當(dāng)所有巡邏車(chē)到達(dá)新的交叉路口時(shí),記錄下當(dāng)前的三分鐘內(nèi)所有巡邏車(chē)可達(dá)位置的范圍si,取多次范圍si求和。
利用∑1i s i,對(duì)巡邏方案中不同階段的s i求均值得到該巡邏方案的平均覆蓋范圍s a,同時(shí)對(duì)于巡邏車(chē)的位置進(jìn)行多次重置,回到起始點(diǎn),且巡邏車(chē)每次從相距自身最近的三個(gè)交叉路口中選擇一個(gè)作為下次訪(fǎng)問(wèn)的路口,保證計(jì)算的范圍具有普適性。
我們用區(qū)域里覆蓋范圍內(nèi)交叉路口數(shù)除以本區(qū)域內(nèi)所有路口數(shù)Ta作為整體覆蓋率。
為找出三種因素中的在評(píng)價(jià)過(guò)程中的重要性關(guān)系,我們利用AHP層次分析法對(duì)這三項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行分析,進(jìn)而得到定量的評(píng)價(jià)指標(biāo)γ。
在擁有評(píng)價(jià)指標(biāo)后,我們繼續(xù)使用蒙特卡洛模擬不同的巡邏方案,從中選擇覆蓋率高于90%,且γ值最小的方案。
(2)模型的求解與分析
依據(jù)節(jié)點(diǎn)間平均距離的差異,我們將地圖分為兩塊區(qū)域,如圖6所示。區(qū)域1代表低密度區(qū)域,也就是正方形區(qū)域,區(qū)域二代表高密度區(qū)域,也就是三角形區(qū)域。
在對(duì)三項(xiàng)指標(biāo)進(jìn)行AHP分析之后,得到的判斷矩陣如下:
對(duì)矩陣進(jìn)行一致性檢驗(yàn),我們得到了指標(biāo)情況CR<0.10,所以該判斷矩陣A的一致性可以接受,同時(shí)我們使用算術(shù)平均法求得權(quán)重。
圖6 分區(qū)
根據(jù)計(jì)算的結(jié)果,我們得到定量的評(píng)價(jià)指標(biāo)如下:
將各參數(shù)的值進(jìn)行歸一化后代入計(jì)算我們就能得到量化的巡邏效果評(píng)價(jià)指標(biāo)。
我們利用蒙特卡洛法進(jìn)行了1000000次隨機(jī)模擬,每次巡邏車(chē)隨機(jī)移動(dòng)至與當(dāng)前路口相鄰的路口,我們控制每個(gè)區(qū)域里的覆蓋率大于90%,且γ值最小,計(jì)算出了最佳巡邏方案,在最佳方案下,兩區(qū)域的評(píng)分與覆蓋率如表4所示。
表4 計(jì)算結(jié)果
(3)問(wèn)題二的回答
我們使用經(jīng)由CTL模型生成的γ作為方案評(píng)價(jià)指標(biāo),并給出在此指標(biāo)下表現(xiàn)最優(yōu)的方案。
在前兩問(wèn)的分析中,我們認(rèn)為巡邏車(chē)處理事件的用時(shí)為無(wú)窮大,由此避免了某一巡邏階段中,單巡邏車(chē)處理了多個(gè)突發(fā)事件的情形發(fā)生;同時(shí)我們也假設(shè)了,事件總并發(fā)數(shù)不超過(guò)巡邏車(chē)數(shù)目,且僅會(huì)發(fā)生一次,解決后不再?gòu)?fù)發(fā),從而將情況控制在了巡邏車(chē)可處理范圍內(nèi)。然而在實(shí)際維護(hù)治安的過(guò)程中,處理治安事件的時(shí)間不一定為無(wú)窮大,往往巡邏車(chē)趕到目標(biāo)地點(diǎn)后,僅花費(fèi)短暫時(shí)間即可解決事件并離開(kāi);事件并發(fā)數(shù)目也不總是如我們所愿,以至于巡邏車(chē)能輕而易舉地?cái)[平校園內(nèi)的所有突發(fā)事件。
(1)對(duì)于不同用時(shí)事件進(jìn)行分類(lèi)處理
在考慮到巡邏車(chē)處理用時(shí)不總為無(wú)限長(zhǎng)后,我們對(duì)事件的類(lèi)型進(jìn)行分類(lèi)分析,對(duì)于少部分處理事件所需時(shí)間為無(wú)窮的事件,我們采用之前的分配方案,同時(shí)對(duì)于在短時(shí)內(nèi)可以處理的事件我們則需對(duì)其進(jìn)行新的優(yōu)化處理。
為了便于分析,我們假設(shè)事件分為兩種,一種事件處理時(shí)間為無(wú)限長(zhǎng),巡邏車(chē)到達(dá)事件發(fā)生地點(diǎn)后無(wú)法移動(dòng)。第二種事件處理事件為無(wú)限短,即認(rèn)為巡邏車(chē)到達(dá)后事件即解決,巡邏車(chē)可立即前往一下事發(fā)地點(diǎn)。同時(shí)我們認(rèn)為不同類(lèi)型的事件發(fā)生時(shí)應(yīng)存在某種特定比例。
我們用以下的情形來(lái)模擬:
車(chē)輛總數(shù)不變記為n,并發(fā)事件數(shù)q等于車(chē)輛總數(shù)也為n,當(dāng)事件并發(fā)時(shí)每次出現(xiàn)的處理時(shí)間無(wú)限長(zhǎng)事件數(shù)ql占全部事件數(shù)的一半,當(dāng)總數(shù)為奇數(shù)時(shí),ql向下取整。全部事件解決后車(chē)輛重新分布規(guī)劃,隨后發(fā)生新一次事件并發(fā)。我們意圖展現(xiàn)出在事件過(guò)量發(fā)生時(shí)整個(gè)系統(tǒng)具備的穩(wěn)健性,我們記錄下每一次并發(fā)后所有事件解決的總范圍并要求在問(wèn)題1的要求下的總巡邏范圍至少要達(dá)到總面積的60%,并以此分析出在車(chē)輛不足場(chǎng)景下巡邏軌跡以及巡邏點(diǎn)的生成規(guī)律是否受到影響。
(2)對(duì)于高事件并發(fā)數(shù)情形的應(yīng)對(duì)
在前兩問(wèn)的背景下,事件發(fā)生的次數(shù)我們認(rèn)為不超過(guò)巡邏車(chē)輛數(shù),并且再一次發(fā)生后事件不再更新。實(shí)際上事故可能會(huì)不斷發(fā)生,于是我們認(rèn)為事故每隔一段時(shí)間會(huì)繼續(xù)發(fā)生,直至超過(guò)巡邏車(chē)可以處理的最大值。由于事件的并發(fā)數(shù)的失控,我們需要容錯(cuò)率更高的部署方案,因此,巡邏車(chē)不再只部署在各交叉路口,將其轉(zhuǎn)移到事故多發(fā)地的中心加以應(yīng)對(duì),如此,巡邏車(chē)在解決事件后可迅速趕往下一處事件發(fā)生地。
我們首先將所有事件發(fā)生地點(diǎn)進(jìn)行聚類(lèi),把各簇中心視作事件發(fā)生地。同時(shí)由于簇中心數(shù)顯著小于車(chē)輛總數(shù),車(chē)輛可根據(jù)簇的密度前往各聚類(lèi)中心。每當(dāng)一次事件解決完成后,重新進(jìn)行一次聚類(lèi)過(guò)程直至所有的事件決完成。相較于前兩問(wèn)的情況,此情況下事件發(fā)生的位置處于動(dòng)態(tài)變化之中,需要對(duì)車(chē)輛的運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行實(shí)時(shí)的分析。鑒于我們單次并發(fā)產(chǎn)生的事件數(shù)較少,經(jīng)多次實(shí)驗(yàn),我們發(fā)現(xiàn)使用Mean-Shift算法可以得到最好的聚類(lèi)效果。我們以輪廓系數(shù)作為標(biāo)準(zhǔn)評(píng)價(jià)幾種分類(lèi)算法,輪廓系數(shù)定義如下:
式中:
O代表C i中的對(duì)象,p(o)代表o與C i中剩余對(duì)象的均值,q(o)代表o與Ci中其他點(diǎn)的平均距離,c(o)代表O的輪廓系數(shù)。
最終公式如下:
各聚類(lèi)方法效果如表5所示。
表5 各聚類(lèi)方法效果
針對(duì)問(wèn)題1:
我們結(jié)合了蒙特卡洛模擬和圖論中的弗洛伊德算法,用蒙特卡洛算法模擬巡邏車(chē)的初始位置與數(shù)量,以弗洛伊德算法求得的最短路徑為指標(biāo)計(jì)算巡邏車(chē)在不同時(shí)間段內(nèi)可覆蓋的最大范圍。最終生成了巡邏覆蓋圖清晰且直觀地展現(xiàn)了采取本策略可達(dá)到的預(yù)期成效。
針對(duì)問(wèn)題2:
由于在實(shí)際的巡邏過(guò)程中,車(chē)輛處于運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。我們選取了整體覆蓋率、應(yīng)答時(shí)效和巡邏路徑這三個(gè)方面作為優(yōu)化巡邏路線(xiàn)的三個(gè)評(píng)價(jià)指標(biāo)并采取了層次分析法對(duì)其進(jìn)行了附權(quán)。我們依照路口密度將校園進(jìn)行了分區(qū)并求解最優(yōu),最終校園百分之九十以上的路段都會(huì)被巡邏到,發(fā)生緊急情況時(shí)可做到全覆蓋。
針對(duì)問(wèn)題3:
為了設(shè)計(jì)出更符合實(shí)際場(chǎng)景的巡邏過(guò)程,我們將巡邏過(guò)程進(jìn)行了兩方面的擴(kuò)充,首先將巡邏處理的事件種類(lèi)做了擴(kuò)充,此外還考慮了事件并發(fā)的重復(fù)過(guò)程,使得整個(gè)模擬環(huán)境由靜態(tài)轉(zhuǎn)為動(dòng)態(tài)。最終我們發(fā)現(xiàn)在這樣一個(gè)動(dòng)態(tài)模擬的環(huán)境下,需要優(yōu)先對(duì)生成的數(shù)據(jù)進(jìn)行聚類(lèi)分析,經(jīng)多次實(shí)驗(yàn)我們找到了聚類(lèi)效果最好的Mean-Shift算法,實(shí)現(xiàn)了動(dòng)態(tài)分析最優(yōu)巡邏路徑。
針對(duì)問(wèn)題1:
部分路口之間的距離大于2000,在求覆蓋率時(shí)忽略了這些細(xì)微因素的影響,直接用交叉路口的覆蓋率代替了面積覆蓋率。
針對(duì)問(wèn)題2:
層次分析法附權(quán)帶有稍許主觀色彩,在有真實(shí)數(shù)據(jù)支撐的情況下可以用熵權(quán)法來(lái)修訂參數(shù)。
針對(duì)問(wèn)題3:
由于事件并發(fā)數(shù)數(shù)量的限制,聚類(lèi)算法分析結(jié)果的可靠性有待提升。
本模型可用來(lái)指定校園巡邏策略,可以通過(guò)圖的形式清晰直觀地展示成效。同時(shí)隨著評(píng)價(jià)體系的建立,本模型可對(duì)校園已經(jīng)采取的巡邏策略進(jìn)行評(píng)估,便于后期的改進(jìn)。同時(shí)本模型還考慮了在處理事件類(lèi)型不同且事件多次并發(fā)情況下的巡邏路徑分析策略,可為不同的事件提供不同的方案,通過(guò)在不同條件下及時(shí)進(jìn)行對(duì)路徑的調(diào)整得到最佳的動(dòng)態(tài)巡邏策略。