北京地铁出行线路规划系统项目总结(Java+Flask+Vue实现)

北京地铁出行线路规划系统项目总结

GitHub仓库地址：https://github.com/KeadinZhou/SE-Subway

项目需求

实现一个帮助进行地铁出行路线规划的命令行程序
地铁线路图数据需要与执行程序解耦
支持查询单条线路的所有站点
支持查询任意两站之间通过最少站数的路线

算法设计

项目中最主要的点在于：找出两个站点之间通过最少站数的路线。该点对应的经典模型是“在一个无向图中找出两点之间的最短路径”。各个站点即为无向图中的点，两站间的路径即为无向图中连接两个节点的边，在此需求下，所有边的长度均为1。

地铁最短路的换乘，最贴近实际的情况是“一次初始化，多次查询”，即在地图确定下来之后可能会有若干次不同点对的查询。而本需求中地铁线路图数据需要与执行程序解耦，每次查询对于地图数据都可能是不同的，所以初始化的时间应该均摊到每次查询中去。由于地铁地图属于稀疏图，且该图中每条边权恒定，故可以直接使用BFS算法解决。

细节上，为了解决两条线路覆盖的情况下（见下图），连续换乘的问题，需要更好的换乘算法。

解决方法：通过判断站点和前继站点的所在线路是否有重叠来判断是否需要换乘。

存储设计

数据存储上，可以采用存点/存边两种形式。在本项目中，存边会明显优于存点。

简洁易懂。数据中每个条目表示两个站点中的一条通路。
易于扩展。添加站点方便；数据不需要有序。
方便应用程度读取。数据中每个条目即为图中的一条边，方便建图。

具体到内容，整个数据文件可以被几条线路分成几个大的模块，每个模块存一条线路的数据，由于地铁站名不存在同名的情况，可以不存线路换乘站点的信息，通过同名同名判断即可。由于同一条边不可能同时属于两条线路，所以在边信息上不会存在冗余。每个模块由一个星号（*）开始，后面这个这条线的名称。接下来包含若干条边信息。每条边信息的格式为起点站名称终点站名称。每条线的起点可以由建图后入度为 0 的点确定。

样例如下：

* 1号线
刘院 西横堤
果酒场 本溪路
...(省略)
咸水沽北 双桥河
* 9号线
天津站 大王庄
大王庄 十一经路
...(省略)

架构设计

系统整体的计算核心使用Java实现，通过命令行可以与之进行数据交互，通过指定地图数据和相关查询指令，可以实现所有的需求。同时，该核心可以通过外加另外的展示模块来实现人机交互的可视化。外加的数据显示模块采用B/S架构，后端使用Python/Flask实现，前端使用Node.js/Vue.js实现，前后端分离，两者使用接口进行数据交互。

实现细节

计算核心

数据初始化

private static void dataInit(String pathname) {
    try(FileReader reader = new FileReader(pathname); BufferedReader br = new BufferedReader(reader) ) {
        String line;
        String lineName="";
        boolean first=false;
        while((line=br.readLine()) != null) {
            String[] data = line.split(" ");
            if(data[0].contains("*")){
                lineName=data[1];
                first=true;
                continue;
            }
            int id1=getStationId(data[0]);
            int id2=getStationId(data[1]);
            if(first){
                lineStart.put(lineName, id1);
                first=false;
                stations.get(id1).addLines(lineName);
            }
            stations.get(id2).addLines(lineName);
            addEdge(id1, id2, lineName);
        }
        Station.count=stationCnt;
    } catch (Exception e) {
        e.printStackTrace();
    }
}

通过约定的数据存储格式进行数据初始化，通过 * 星号来区别不同线路的数据。每条数据表示地铁图上的一条边，通过记录边数据和对应的线路名称来建立地铁图。

换乘检测

private static String checkSwitchLine(int id1, int id2, int id3){
    String linea=edgeLines.get(getEdgeHash(id1,id2));
    String lineb=edgeLines.get(getEdgeHash(id2,id3));
    if(linea.equals(lineb)) return null;
    return lineb;
}

通过检测相邻两条表是否同属于同一条线路来判断是否需要换乘。

路径查询

private static void getShortestPath(String start, String end) throws IOException {
    int startID=getStationId(start);
    if(startID>Station.count){
        println("错误：没有 " + start + " 这个站");
        return;
    }
    int endID=getStationId(end);
    if(endID>Station.count){
        println("错误：没有 " + end + " 这个站");
        return;
    }
    Queue<Integer>q=new LinkedList<>();
    q.offer(startID);
    stations.get(startID).setVis(true);
    while(!q.isEmpty()){
        Station now=stations.get(q.poll());
        for(int it:now.getEdges()){
            Station tmp=stations.get(it);
            if(tmp.isVis()) continue;
            q.offer(it);
            tmp.setVis(true);
            tmp.setLastPoint(now.getId());
            if(it==endID) break;
        }
    }
    Stack<Integer> path=new Stack<>();
    int tip=endID;
    while(tip!=startID){
        path.push(tip);
        tip=stations.get(tip).getLastPoint();
    }

    ArrayList<Integer> res=new ArrayList<>();
    res.add(startID);
    while(!path.empty()){
        int now=path.pop();
        res.add(now);
    }
    println(res.size());
    int tmpa=-1,tmpb=-1;
    for(int it:res){
        if(tmpa!=-1){
            String switchMsg=checkSwitchLine(tmpa,tmpb,it);
            if(switchMsg!=null){
                println(switchMsg);
            }
        }
        println(stations.get(it).getName());
        tmpa=tmpb;
        tmpb=it;
    }
}

通过BFS算法进行最短路的寻路。找到路径之后检测路径上的所有站点是否需要换乘。

后端接口

后端接口由Python/Flask实现。Flask是一个轻量级的web框架，在接口类后端应用上有很大的优势。

全局数据接口

@app.route('/data', methods=['GET'])
def data():
    lines = []
    sites = set()
    file = open('subway.txt', 'r')
    for item in file:
        ll = item.strip().split()
        if ll[0].find('*') != -1:
            lines.append(ll[1])
        else:
            sites.add(ll[0])
            sites.add(ll[1])
    return jsonify({
        'lines': lines,
        'sites': list(sites)
    })

该接口用于查询地铁图中出现的所有线路和所有站点的列表，通过直接读取数据文件实现。

查询接口

GET_ALL_CMD = 'java subway -map subway.txt -a %s -o out.txt'
GET_PATH_CMD = 'java subway -map subway.txt -b %s %s -o out.txt'

@app.route('/query', methods=['POST'])
def query():
    json_data = request.get_json()
    all = json_data['isAll']
    if all:
        os.system(GET_ALL_CMD % json_data['query'])
    else:
        os.system(GET_PATH_CMD % (json_data['query'][0], json_data['query'][1]))
    file = open('out.txt', 'r')
    res = []
    for item in file:
        res.append(item.strip())
    return jsonify({
        'res': res
    })

该接口通过前端提交的数据，选择查询线路和查询路径对应的计算核心命令，来使用计算核心来获取线路数据。