交通咨询系统(最短路径问题)

【问题描述】

在交通网络非常发达、交通工具和交通方式不断更新的今天,人们在出差、旅游或做其他出行时,不仅关心节省交通费用,而且对里程和所需要的时间等问题也感兴趣。对于这样一个人们关心的问题,可用
一个图结构来表示交通网络系统,利用计算机建立一个交通咨询系统。图中的顶点表示城市,边表示城市之间的交通关系。这个交通系统可以回答出行旅客提出的各种路径选择问题。例如,问题之一:“一位旅
客要从 A 城到 B 城,他希望选择一条途中中转次数最少的路线。”假设图中每一站都需要换车,那么这个问题反映到图上就是要找一条从顶点 A 到顶点 B 的所含边数目最少的路径。我们只需要从顶点 A 出发对图
作广度优先搜索,一旦遇到顶点 B 就终止。由此所得广度优先生成树上,从根顶点 A 到顶点 B 的路径就是中转次数最少的路径。路径上 A 与 B 之间的顶点就是路径的中转站,但这只是一类最简单的图的最短路径问题。系统还可以回答诸如此类的等等的路径选择问题。设计一个交通咨询系统,为出差、旅游或做其他出行的客人提供各种路径选择信息查询服务。

【基本要求】

设计一个交通咨询系统,能让旅客咨询从任一个城市顶点到另一城市顶点之间的最短路径(里程)或最低花费或最少时间等问题。对于不同的咨询要求,可输入城市间的路程或所需时间或所需费用。
本设计共分三部分,一是建立交通网络图的存储结构;二是解决单源最短路径问题;三是实现任两个城市顶点之间的最短路径问题。

建立图的存储结构

图的邻接矩阵表示,除了需用一个二维数组存储顶点之间的相邻关系的邻接矩阵外,通常还需要使用一个具有 n 个元素的一维数组来存储顶点信息,其中下标为 i 的元素存储顶点 i 的信息。因此,图的邻接
矩阵的存储结构定义如下:

#define MVNum 50 //最大顶点数
typedef struct{
 VertexType vexs[MVNum]; //顶点数组,类型假定为 char 型
 Adjmatrix arcs[MVNum][MVNum]; //邻接矩阵,假定为 int 型
} MGraph; //图的邻接矩阵存储类型

单源最短路径

为了叙述方便,我们把路径上的开始点称为源点,路径的最后一个顶点为终点。
那么,如何求得给定有向图的单源最短路径呢?迪杰斯特拉(Dijkstra)提出按路径长度递增产生诸点的最短路径算法,称之为迪杰斯特拉算法。

任意一对顶点间最短路径

任意一对顶点间最短路径问题,是对于给定的有向网络图 G=(V,E),要对 G 中任意一对顶点有序对 “v,w(v !=w)”,找出 v 到 w 的最短路径。
要解决这个问题,我们可以依次把有向网络图中每个顶点作为源点,重复执行前面讨论的迪杰斯特拉算法 n 次,即可以求得每对顶点之间的最短路径。这里还可以用另外一种方法,称作费洛伊德(Floyd) 算法。

【测试实例】

测试实例一
图 5-1 是一个有向图,求顶点a到其余顶点的最短路径。
交通咨询系统(最短路径问题)_第1张图片
为了操作方便,对于图的顶点可以用序号来表示的,顶点的字母就用其对应的序号来表示,如a用 1来代替,„„。

运行实例二
图 5-2 是一个简单的交通网络图。求顶点“北京”到其余各城市之间的最短路径;并分别求“成都”到“上海”之间以及“上海”到“西安”之间的最短路径。为了操作方便,对于图的顶点可以用序号来表示的,顶点的字母就用其对应的序号来表示,如北京用1 来代替,„„。
交通咨询系统(最短路径问题)_第2张图片

#include<stdio.h>
#include<stdlib.h>
#define MVNum 50    //最大顶点数
#define Maxint 35000
enum boolean{FALSE,TRUE};
typedef char VertexType;
typedef int Adjmatrix;
typedef struct 
{
    VertexType vexs[MVNum];     //顶点数组,类型假定为char型
    Adjmatrix arcs[MVNum][MVNum];     //邻接矩阵,假定为int型
}MGraph;
int D1[MVNum],p1[MVNum];
int D[MVNum][MVNum],p[MVNum][MVNum];


//采用邻接矩阵表示法构造有向图G
//n,e表示图的当前顶点数和边数
void CreateMGraph(MGraph *G,int n,int e)
{
    int i,j,k,w;
    for(i=1;i<=n;i++)   //输入顶点信息
        G->vexs[i]=(char)i;
    for(i=1;i<=n;i++)
        for(j=1;j<=n;j++)
            G->arcs[i][j]=Maxint;   //初始化邻接矩阵
    printf("输入%d条边的i,j及w:\n",e);
    for(k=1;k<=e;k++)
    {
        //读入e条边,建立邻接矩阵
        scanf("%d,%d,%d",&i,&j,&w);
        G->arcs[i][j]=w;
    }
    printf("有向图的存储结构建立完毕! \n");
}

//dijkstra
//广度优先搜索
void Dijkstra(MGraph *G,int v1,int n)
{
    //用Dijikstra算法求有向图G的v1顶点到其他顶点v的最短路径p[v]及其权D[v]
    //S[v]为真当且仅当v属于s,及以求的从v1到v的最短路径
    int D2[MVNum],p2[MVNum];
    int v,i,w,min;
    enum boolean S[MVNum];
    for(v=1;v<=n;v++)
    {
        //初始化 S 和 D
        S[v]=FALSE;          //置空最短路径终点集
        D2[v]=G->arcs[v1][v];      //置初始的最短路径值
        if(D2[v]<Maxint)
            p2[v]=v1;             //v1是的前趋(双亲)
        else
            p2[v]=0;              //v无前趋
    }
    D2[v1]=0;         //S集初始时只有源点,源点到源点的距离为0
    S[v1]=TRUE;       //开始循环,每次求的V1到某个顶点的最短路径,并加V到S集中
    for (i=2;i<n;i++)
    {
        //其余n-1个顶点
        min=Maxint;
        for(w=1;w<=n;w++)
            if(!S[w]&&D2[w]<min)
            {
                //找离v1最近的顶点w,并将其赋给v,距离赋给min
                v=w;
                min=D2[w];
            }
            S[v]=TRUE;
            for(w=1;w<=n;w++)
                if(!S[w]&&(D2[v]+G->arcs[v][w]<D2[w]))
                {
                    D2[w]=D2[v]+G->arcs[v][w];
                    p2[w]=v;
                }
    }
    printf("路径长度 路径\n");
    for(i=1;i<=n;i++)
    {
        printf("%5d",D2[i]);
        printf("%5d",i);
        v=p2[i];
        while(v!=0)
        {
            printf("<-%d",v);
            v=p2[v];
        }
        printf("\n");
    }
}


//floyd(费洛伊德算法)
//使用n*n二维数组储存路径信息
//D[i][j]:记录每一对顶点的最短距离
void Floyd(MGraph *G,  int n)
{
    int i, j, k;
    //储存每一对顶点之间的路径距离
    for(i=1;i<=n;j++)
        for(i=1;i<=n;i++)
            for(j=1;j<=n;j++)
            {
                if(G->arcs[i][j]!=Maxint)
                    p[i][j]=j;
                else
                    p[i][j]=0;
                D[i][j]=G->arcs[i][j];    
            }

    //k=1时只允许经过1号顶点进行中转
    //k=2时只允许经过1号和2号顶点进行中转
    //k=3......
    //k=4......
    for(k=1;k<=n;k++)
    {
        for(i=1;i<=n;i++)
            for(j=1;j<=n;j++)
            {
                //如果顶点i到k,k到j的距离大于i直接到j距离则i到j的距离则需经过k顶点中转
                if(D[i][k]+D[k][j]<D[i][j])
                {
                    D[i][j]=D[i][k]+D[k][j];
                    p[i][j]=p[i][k];
                }
            }
    }
}

//v:起点   
//w:终点
int main()
{
    MGraph *G;
    int n,e,v,w,k;
    int xz=1;      //算法选择标志
    G=(MGraph *)malloc(sizeof(MGraph));     //初始化图
    printf("输入图中顶点个数和边数n,e:");
    scanf("%d,%d",&n,&e);
    CreateMGraph(G,n,e);    //建立有向图结构
    while(xz!=0)
    {
        printf("    求城市之间的最短路径    \n");
        printf("----------------------\n");
        printf("1.求一个城市到所有城市的最短路径\n");
        printf("2.求任意的两个城市之间的最短路径\n");
        printf("-------------------\n");
        printf("请选择:1 或 2,  选择 0:退出   ");
        scanf("%d",&xz);
        if(xz==2)           //任意一对顶点间最短路径
        {
            Floyd(G,n);     
            printf("输入起点:");
            scanf("%d",&v);
            printf("输入终点:");
            scanf("%d",&w);
            k=p[v][w];     //k为v的后继结点
            if(k==0)
            {
                printf("顶点%d 到 %d无路径!\n",v,w);
            }else
            {
                printf("从顶点%d到%d的最短路径是:%d",v,w,v);
            }
            while(k!=w)
            {
                printf("-->%d",k);
                k=p[k][w];
            }
            printf("--%d",w);
            printf("路径长度:%d\n",D[v][w]);
        }
        if(xz==1)
        {
            printf("求单源路径,输入起点 v:");
            scanf("%d",&v);
            Dijkstra(G,v,n);
        }
    }
    printf("结束求最短路径");
}

输入

1,2,2553 
2,1,2553
1,3,695
3,1,695
1,4,704
4,1,704
2,3,511
3,2,511
2,5,812
5,2,812
3,4,349
4,3,349
3,6,1579
6,3,1579
4,7,651
7,4,651
5,6,2368
6,5,2368
6,7,1385
7,6,1385

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