ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN  TRƯỜNG ĐẠI HỌC CNTT&TT THÁI NGUYÊN VŨ THÚY HÀ NGHIÊN CỨU MỘT SỐ THUẬT TOÁN TÌM ĐƯỜNG ĐI TRONG GIS ỨNG DỤNG LOGIC MỜ     Ngành: Công nghệ thông tin  Chuyên ngành: Khoa học máy tính  Mã số: 60 48 01 01  LUẬN VĂN THẠC SỸ CÔNG NGHỆ THÔNG 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 công tác tại:   Xin cam đoan: Đề tài “Nghiên cứu số thuật toán tìm đường GIS ứng dụng logic mờ” do Thầy giáo PGS.TS Đặng Văn Đứchướng dẫn là công trình nghiên  cứu của riêng tôi. 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 yêu cầu của thầy giáo hướng dẫn. Nếu sai tôi hoàn toàn chịu trách  nhiệm trước hội đồng khoa học và trước pháp luật.  Thái Nguyên, 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 toán tìm đường GIS ứng dụng logic mờ”đã  hoàn thành.  Tôi xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến:  Thầy giáo hướng dẫn PGS.TS Đặng Văn Đứcđã tận tình chỉ dẫn, giúp đỡ tôi  hoàn thành luận văn này.  Khoa Sau đại học Trường Đại học công nghệ thông tin và truyền thông đã giúp  đỡ tôi trong quá trình học tập cũng như thực hiện luận văn.  Tôi  xin  chân  thành  cảm  ơn  bạn  bè,  đồng  nghiệp  và  gia  đình  đã  động  viên,  khích  lệ,  tạo  điều  kiện  giúp  đỡ  tôi  trong  suốt  quá  trình  học  tập,  thực  hiện  và  hoàn  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  Mô hình biểu diễn dữ liệu không gian   11  1.1.3  Phân tích và xử lý dữ liệu không 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 toán 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 không rõ ràng trong GIS   35  2.2  Nghiên cứu một số thuật toán tìm đường đi ngắn nhất ứng dụng logic mờ   37  2.2.1  Bài toán tìm đường đi ngắn nhất   37  2.2.2  Một số thuật toán 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 toán tìm đường đi ngắn nhất mờ   46  2.2.3.1  Thuật toán FSA  . 46  2.2.3.2  Thuật toán tìm đường đi ngắn nhất trên cơ sở số mờ   48  2.2.3.3  Thuật toán 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  Mô tả bài toán  . 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 toán  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 thông 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 ô 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 mô 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 ngôn ngữ T(tuổi)  . 27  Hình 1-12  Mô hình suy diễn mờ Mamdani   29  Hình 1-13 Mô hình mờ Sugeno   30  Hình 1-14 Mô hình suy luận mờ Tsukamoto   30  Hình 2-1 Tính chất không rõ ràng phát sinh khi xác định ranh giới   36  Hình 2-2 Đồ thị minh hoạ thuật toán Dijkstra  . 41  Hình 2-3 Đồ thị minh họa thuật toán Bellman-Ford   43  Hình 2-4 Đồ thị mờ G minh họa  thuật toán 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 thông   52  Hình 3-1  Các bước thực hiện bài toán   59  Hình 3-2  Bản đồ thành phố Thái nguyên 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 quá trình mờ hóa vị trí điểm đặt trạm   60  Hình 3-5  Minh họa quá trình tính khoảng cách mờ   61  Hình 3-6  Giao diện chương trình chính  . 62  Hình 3-7  Bản đồ giao thông TP Thái Nguyên  63  Hình 3-8  Các vị trí tiềm năng cho đặt trạm xe Bus trên TP Thái Nguyên   63  Hình 3-9  Mờ hóa dữ liệu   64  Hình 3-10  Minh họa thuật toán   64  v          DANH MỤC BẢNG BIỂU    Bảng 1.1 So sánh mô 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 toán 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 thông 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 không 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  công  cụ  hỗ  trợ  ra  quyết  định hầu  hết trong các hoạt  động  kinh  tế – xã  hội,  an  ninh – quốc phòng, trong quản lý, quy hoạch, thăm dò, khai thác… Trong đó, bài toán  tìm kiếm đường đi tối ưu cho các ứng dụng cứu hộ, cứu nạn, hướng dẫn du lịch, quản  lý mạng giao thông vận tải… đang là chủ đề được nhiều nhà khoa học quan tâm.  Đối với GIS, các dữ liệu thu thập thường không đầy đủ, không rõ ràng, không  chắc  chắn  và  mập  mờ,  điều  đó  dẫn  đến  dữ  liệu  và  thông  tin  trong  GIS  là  dữ  liệu  “không rõ ràng” hay dữ liệu “mờ”. Khái niệm “không rõ ràng – mờ” là đặc trưng vốn  có của dữ liệu địa lý và có thể sinh ra do: Thông tin tương ứng với chúng không đầy  đủ;  sự  xuất  hiện  không  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 không sẵn sàng cho việc xử lý với các dữ liệu  mờ. Vì thế cần phải có sự mở rộng cả về mô hình dữ liệu, các phép toán 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 toán không 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 toán 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 toán 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 toán  tìm đường đi tối ưu thông thường, các thông 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 mô hình mới về tìm đường đi ngắn nhất mờ và  cũng đã đưa ra một thuật toán tổng quát dựa trên quy hoạch động để giải quyết các mô  hình mới này. Lin & Chen (1993) xem xét trường hợp mà khoảng cách được xem là  một  số  mờ  và  đề  xuất  một  thuật  toán  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 toán tìm đường đi ngắn nhất mờ. Gent và  các cộng sự (1997) đã nghiên cứu khả năng sử dụng các thuật toán di truyền để giải  quyết bài toán tìm đường đi ngắn nhất. Okada (2001) tập trung vào bài toán 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 toán 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  thông số mờ. Ông đề xuất sửa đổi thuật toán Okada (2001), sử dụng một số tính chất  quan  sát  bởi  các  tác  giả  khác.  Ông  cũng  đề  xuất  một  thuật  toán  di  truyền  để  tìm kiếm một giải pháp xấp xỉ đối với các bài toán có quy  mô lớn. Chuang & Kung  (2005) xem xét mỗi cung trong đồ thị là một tập mờ hình tam giác và một thuật toán  mới được đề xuất để tìm đường đi ngắn mờ. Nayeem Pal (2005)coi là một mạng với  độ dài cunglà số không 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 toán 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 toán cho các vấn đề đường đi ngắn nhất khi các vòng cung được kết nối  trong một mạng lưới giao thông được đại diện bằng khoảng mờ.  2        S  1 ,   ,     Q    ,   ,   ,    ,  23    1  1    1        31.6666   1     8.5000   1     11  21.8333   1     10.8333   Loại vì   1     11  19.6667   Tìm kiếm từ   1     others     1      Tìm ra đường ngắn nhất là:  1   3  12.0000   Bảng 2.3Kết bước cuối (bước 22) thuật toán Dijkstra mờ Bước Tập S Tập Q (Đường ngắn nhất)  (Chưa tối ưu)  1 ,   ,   ,  3 ,   ,   , 11 , 12  ,    S    , 13 ,   ,17, 14  ,   , 10  , 15  ,     21 , 20, 16  , 19  , 18  ,  23  Q   22    1  1    Tìm ra đường ngắn nhất là:  1     8.5000   1   12   15    18   22   52.8333 1     10.8333   1   3  12.0000   1   14.1667   22 1        18.3333   1     11  19.6667   1     12   23.3333   1        13   24.8333   1        26   1     11  17   29.1667   1     11  14   29.8334   1           34.8333   54    1   5  11  17      21   23  others       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 Ngoài 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  toán  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  toán Dijikstra mờ cho bài toán 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 NGUYÊN Chương 3 của luận án nhằm mô tả cách thức áp dụng thuật toán tìm đường đi ngắn  nhất mờ để áp dụng cho bài toán thiết kế tuyến xe Bus cho thành phố Thái nguyên.  Phần đầu chương sẽ đưa ra các yêu cầu thiết kế và lý do cho việc giải quyết bài toán  theo hướng tiếp cận mờ. Tiếp theo là mô tả các công cụ hỗ trợ, các bước tiến hành.  Cuối cùng là các kết quả đạt được về mặt chương trình cũng như thuật toán.  3.1 Mô tả toán Phát triển vận tải hành khách công cộng bằng xe buýt là một đòi hỏi bức thiết  của thành phố Thái Nguyên nhằm đáp ứng nhu cầu đi lại của người dân, tránh ách tắc  giao thông, ô nhiễm môi trường và đảm bảo an toàn giao thông. Chính vì vậy, thành  phố cần có bước đi và lộ trình thích hợp trong việc phát triển xe buýt, thu hút người  dân chuyển hình thức đi lại bằng phương tiện cá nhân (đặc biệt là xe gắn máy) sang  phương tiện công cộng và hoàn thiện mạng lưới xe buýt.  Hiện tại, do nhu cầu đi lại bằng xe Bus của nhân dân ngày càng tăng, các tuyến  xe bus đã thiết kế luôn bị quá tải. Chính vì vậy, cần thiết phải thiết kế thêm các tuyến  xe bus mới.  Cho đến nay, GIS đã được xây dựng hoàn chỉnh với khả năng lưu trữ, quản lý,  truy cập, xửlý phân tích và cung cấp thông tin cần thiết để thực thi những quyết định  trong nhiều lĩnh vực dịch vụ công cộng. Tuy nhiên, những ứng dụng thực tế GIS trong  công tác quy hoạch, thiết kế tuyến trên địa bàn thành phố Thái Nguyên vẫn còn nhiều  hạn chế.  Bài toán 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 chuyên gia, công tác thiết kế cần đảm bảo các yêu cầu sau:  (1) Việc lựa chọn tuyến mới phải dựa trên việc phân tích hiện trạng các tuyến đã  có sao cho không chồng chéo và phục vụ tốt nhu cầu của người dân  (2) Điểm dừng nên liền kề với các trung tâm công 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 không phải là khu vực nhạy cảm về môi 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 toán này, bên cạnh các kỹ thuật xử lý dữ liệu thông thường trên  GIS (đã trình bày trong chương 1) thì việc áp dụng thuật toán tìm đường đi tối  ưu  là  cần  thiết.  Chúng  ta  hoàn  toàn  có  thể  áp  dụng  các  thuật  toán  theo  hướng  tính toán 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  công  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 toàn 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 toán 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  thông  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 công nghệ, hiện nay các chuyên gia GIS coi công nghệ  ESRI là một giải pháp mang tính chất mở, tổng thể và hoàn 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 toán 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 chuyên 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 công cụ phân tích không gian cùng với việc biên tập  và phân tích thông tin từ các lớp bản đồ khác nhau đồng thời thể hiện các mối quan hệ  và nhận dạng các mô 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 công 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 không gian và khả năng chuyển đổi dữ liệu, xây dựng dữ liệu, mô  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 chuyên dụng cho tính toán số liệu dưới dạng ma trận.  Dây là một công cụ tốt trong việc triển khai và đánh giá các thuật toán. Đặc biệt, các  thuật toán tìm đường đi tối ưu trên thực tế đã được công 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 toán, 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 toán  Các chồng  Các vị thuộc bản đồ  trí tiềm Dijkstra  mờ  tính dữ liệu    Hình 3-1Các bước thực toán Bước 1: Xây dựng cơ sở dữ  liệu  Để tiến hành bài toán 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…Công  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 mô tả một hoặc một số ít thuộc tính theo dữ liệu không  gian. Vì vậy, để phát hiện các điểm chứa đầy đủ các thuộc tính yêu cầu cho việc đặt  trạm xe Bus như: ở khu vực đông dân cư, gần các địa điểm công 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 không gian, mờ hóa dữliệu  và tìm các điểm đặt trạm thỏa mãn với yêu cầu của bài toán.      Hình 3-4Minh họa 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 còn hai điểm  trái phải còn 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 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 không cùng nằm trên một tuyến  đường thì khoảng cách AB bằng vô cùng.   Sau  khi  tính  toán  được  toàn  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 toán Dijikstra mờ  Từ file dữ liệu diem.mat, khoangcach.mat và yêu cầu về điểm đầu và cuối của  tuyến xe Bus, ta có thể áp dụng thuật toán 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 toán 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 mô phỏng dựa trên việc kết hợp xử lý dữ liệu GIS trên hai  phần mềm Arcgis và Matlab. Arcgis là một công 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 toán Dijikstra mờ.  Khi click vào button Xem theo thuộc tính, người sử dụng có thể thấy được các  dữ liệu của bản đồ Thái nguyên về sông ngòi, trụ sở, dân cư, giao thông…(Hình 3-7).  62          Hình 3-7Bản đồ giao thông TP Thái Nguyên   Hình 3-8Các vị trí tiềm cho đặt trạm xe Bus TP Thái Nguyên 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  nguyên (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 quá trình giải bài toán tìm đường đi ngắn nhất (Hình 3-9).    Hình 3-9Mờ hóa liệu   Hình 3-10Minh họa thuật toán 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  toán 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 toán tìm đường đi tối ưu  Dijikstra mờ cho bài toán 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  thông,  dân  cư,  gần  tụ  điểm  công  cộng…Tiếp đó là xếp chồng bản đồ để xác định các điểm có thể đặt trạm trên địa bàn  thành phố Thái Nguyên. 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 toánDijikstra mờ. Kết quả cho thấy thuật toán 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 công  cụ  một  cách  hiệu quả để hỗ trợ các xử lý ra quyết định đối với các bài toán không gian mà đặc thù  của nó là dữ liệu không 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 toán 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 toán tìm đường tối ưu  - Nghiên cứu một số thuật toán tìm đường tối ưu mờ như thuật toán FSA,  thuật  toán  số  mờ,  thuật  toán  Dijkstra  mờ…  và  ứng  dụng  trong  hệ  thống  thông tin địa lý.  - Cài  đặt  thử  nghiệm  thuật  toán  tìm  đường  đi  tối ưu  sử dụng  logíc  mờ  áp  dụng  cho  bài  toán  thiết  kế  tuyến  xe  Bus  trên  địa  bàn  thành  phố  Thái  Nguyên.  Trong  quá  trình  thử  nghiệm  chương  trình,  thuật  toán  Dijikstra  mờ  chứng  minh  hoạt động hiệu quả.Tuy  nhiên, để có thể triển khai áp dụng trong thực tế, thuật toán  cần phải được cải tiến và chứng minh trên nhiều bài toán ứng dụng hơn như bài toán  tìm đường cứu hộ, cứu nạn (online), bài toán xây dựng mạng lưới giao thông 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  Đoài,  Ứng dụng logic mờ hệ thống thông 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 toán trong GIS ứng dụng logic mờ,  Luận văn thạc sỹ khoa học máy tính, Trường ĐH Công nghệ thông tin và truyền  thông, 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    [...]... phạm vi nghiên cứu của đề tài Đề tài nhằm thực hiện các mục tiêu sau: - Nghiên cứu một số thuật toán tìm đường tối ưu  - Nghiên cứu một số thuật toán tìm đường tối ưu mờ như thuật toán FSA, thuật toán tìm đường đi ngắn  nhất  trên  cơ  sở  số mờ,   thuật toán Dijkstra  mờvà  ứng dụng trong hệ thống thông tin địa lý.  - Cài đặt thử  nghiệm thuật toán tìm đường đi tối ưu sử  dụng logíc mờ ... cơ bản, tập mờ và các hàm thuộc, các phép toán logíc mờ,  hệ suy diễn mờ Chương 2 Thuật toán đường đi mờ trong GIS - Nghiên cứu về khả năng mở rộng Hệ thông tin địa lý truyền thống theo hướng  tiếp  cận  sử  dụng logic mờ .Nghiên cứu bài  toán tìm đường đi tối  ưu,  một số thuật toán tìm đường đi tối ưu kinh đi n. Từ đó tạo cơ sở để phân tích một số thuật toán tìm đường tối ưu mờ đã được công bố gần đây như thuật toán FSA, ... Chính vì vậy, đối tượng của luận văn là: Bài toán tìm đường đi tối ưu trong GIS sử dụng logic mờ.  Luận văn sẽ khảo sát và đánh giá một số thuật toán tìm đường đi tối  ưu mờ ứng dụng trong GIS đã được đề xuất. Lựa chọn thuật toán phù hợp nhất để áp  dụng cho bài toán thiết kế tuyến xe BUS cho thành phố Thái Nguyên.  4 Phương pháp luận nghiên cứu - Phương pháp nghiên cứu lý thuyết: Tổng  hợp,  nghiên cứu các  tài  liệu  thuật toán tìm đường ... LOGIC MỜ Với định hướng :Nghiên cứu một số thuật toán tìm đường đi trong GIS ứng dụng logic mờ,  nội chương này sẽ cung cấp các kiến thức cơ sở nền tảng, tạo đi u kiện thuận lợi  cho việc phân tích các thuật toán cũng như triển khai ứng dụng trong các chương kế  tiếp. Phần đầu chương sẽ trình bày tổng quan về GIS bao gồm các định nghĩa về GIS,   cách thức biểu diễn dữ liệu, mô hình biểu diễn dữ liệu GIS trên máy tính, một số bài ...    Đặc biệt trong lĩnh vực tìm đường trên các hệ thống GIS cũng đã có rất nhiều  công  bố  sử dụng giải  pháp  tìm đường đi mờ[ 5] [6] [11] . Petrik  (2007)  đưa  ra  thuật toán FSA ứng dụng trên GIS.  Năm 2012, Yong den và các cộng sự đề xuất khả năng  áp dụng trong GIS của giải thuật Dijkstra mờ (kết hợp biểu diễn cung bằng số mờ tam  giác, hình thang và tìm kiếm theo phương pháp Dijkstra truyền thống). ... thuật toán tìm đường tối ưu mờ đã được công bố gần đây như thuật toán FSA,  thuật toán tìm đường đi ngắn nhất trên cơ sở số mờ ,thuật toán Dijkstra mờ.   Chương 3 Xây dựng chương trình thử nghiệm thiết kế tuyến xe BUS cho thành phố Thái nguyên - Phát biểu bài toán thiết kế tuyến xe BUS cho thành phố Thái Nguyên  - Thu thập dữ liệu thử nghiệm: dữ liệu GIS về thành phố Thái Nguyên   - Lựa chọn thuật toán Dijkstra mờ cho việc giải quyết bài toán - Phân ... cách thức biểu diễn dữ liệu, mô hình biểu diễn dữ liệu GIS trên máy tính, một số bài  toán phân tích và xử lý dữ liệu thường gặp trên GIS (đặc biệt là bài toán chồng phủ  bản đồ), các ứng dụng của GIS trong thực tế. Phần sau của chương tổng kết các kiến  thức  cơ  sở  về logic mờ như: các khái  niệm  về hàm  thuộc, biến ngôn  ngữ, các  phép  toán trên tập mờ, số mờ,  các hệ mờ trong thực tế.  1.1 Hệ thống thông tin địa lý (GIS) 1.1.1 Định nghĩa về... tin địa lý (GIS) và logic mờ - Nghiên cứu về  các  vấn  đề  cơ  bản  của  hệ  thông  tin  địa  lý,  bao  gồm,  các  khái  niệm  cơ  bản, kiến  trúc hệ  thống  GIS,  biểu  diễn dữ liệu GIS theo  mô hình  dữ  liệu véc tơ và mô hình dữ liệu raster, các phép toán phân tích không gian trong hệ GIS,  cuối cùng là khả năng ứng dụng của GIS.   - Nghiên cứu các vấn đề cơ bản của logíc mờ và hệ mờ,  bao gồm, các khái niệm ... đối tượng đường đi dưới dạng cung và giao của chúng dưới dạng nút, việc tìm đường bao gồm việc duyệt qua các đường đi từ đi m đầu tới đi m cuối qua các cung nút và  chỉ ra cung đường nào ngắn nhất. Trong mô hình raster, việc tìm đường thực hiện bởi  sự dịch chuyển từ một tế bào sang tế bào lân cận của nó.  1.1.3.4 Tìm kiếm hiện tượng và bài toán chồng phủ a Tìm kiếm hiện tượng Việc  tìm kiếm  hiện  tượng  trong ... năng cắt xén đối tượng nếu đối tượng đó chỉ nằm một phần trong cửa sổ truy vấn.  1.1.3.2 Tìm kiếm lân cận Phép phân tích này thực hiện tìm kiếm các đối tượng địa lý trong vùng cận kề  với  một hoặc  một tập  đối  tượng  địa  lý  biết trước.  Có  một vài kiểu  tìm kiếm  cận  kề  như:   - Tìm kiếm trong vùng mở rộng (vùng đệm) của một đối tượng: Ví dụ: Tìm các  trạm thu phát sóng đi n thoại di động BTS nằm trong vùng phủ sóng của một trạm BTS nào đó.  ... Tính không rõ ràng trong GIS  35  2.2  Nghiên cứu một số thuật toán tìm đường đi ngắn nhất ứng dụng logic mờ  37  2.2.1  Bài toán tìm đường đi ngắn nhất   37  2.2.2  Một số thuật toán tìm đường đi ngắn nhất kinh đi n ... vi nghiên cứu đề tài Đề tài nhằm thực mục tiêu sau: - Nghiên cứu một số thuật toán tìm đường tối ưu  - Nghiên cứu một số thuật toán tìm đường tối ưu mờ như thuật toán FSA, thuật toán tìm đường ... Chính vì vậy, đối tượng của luận văn là: Bài toán tìm đường đi tối ưu trong GIS sử dụng logic mờ.  Luận văn sẽ khảo sát và đánh giá một số thuật toán tìm đường đi tối  ưu mờ ứng dụng trong GIS đã được đề xuất. Lựa chọn thuật toán phù hợp nhất để áp