地鐵線路最短路徑問題最終實現

阿新 • • 發佈：2020-11-04

*github地址：https://github.com/zucc31801061/31801061subway

1.主要功能

給出一副地鐵線路圖，例如：

將其轉化為格式如下的.txt檔案：

  線路1 站名1 站名2 ... 站名n
  線路2 站名1 站名2 ... 站名n
  線路n 站名1 站名2 ... 站名n

例如：

則可實現以下功能：

1、輸入起點站與終點站可以查詢之間最佳搭乘方法（最短路徑）

2、可以檢視所有線路，並可以通過選擇線路檢視該線路內的所有站點

2.實現語言

Java

3.實現演算法

Dijkstra演算法

　　Dijkstra演算法是從起點開始，查詢所有連通點中距離最近的中轉點，然後再以中轉站為起點來尋找下一個最近的連通點，直到遍歷到終點結束。

　　由於地鐵線路站與站之間的連通預設為無權圖，故預設每個站點之間的距離為1

4.類職責劃分

1.Station類

用於儲存站點資訊，各變數都擁有set和get方法

變數宣告

private int staId;//站點編號（唯一）
private String line;//該站點所屬線路名
private String staName;//站點名

方法宣告（具體不做解釋，程式碼見github，下同）

public Station(int staId, String staName, String line);//定義Station
public String getLine();//返回線路名
public void setLine(String line);//修改線路名
public int getStaId();//返回站點編號
public void setStaId(int staId);//修改站點編號
public String getStaName();//返回站點名
public void setStaName(String staName);//修改站點名

2.ReadTxt類

用於讀取.txt檔案並存儲到對應的儲存結構中

變數宣告

static Set<String> lines = null;//地鐵線路名
static List<Station> allStations = null;//所有站點資訊（編號，站點名，所屬線路），其中換乘站應有多條資訊
static Map<String, List<Station>> map = new LinkedHashMap<>();//線路資訊，線路名，線路所含站點資訊
static int[][] graph = null;//站點間的連通訊息

方法宣告

public ReadTxt(String fileName);//執行下面兩個方法並建立Main視窗
private void readFileContent(String fileName);//讀取檔案並存入相應儲存結構
private void initialize();//初始化，給graph賦值為當前線路圖的連通圖

3.Dijkstra類

計算所有站點之間的最短路徑並將其路徑儲存

變數宣告

private Queue<Integer> visited = null;//已訪問的站點
int[] length = null;//路徑長度
private Map<String, List<Station>> map = null;
static String nowLine = null;//當前地鐵線
static String[] nextLine = null;//當前節點的下一換乘地鐵線
static HashMap<Integer, String> route = null;//路徑
static List<Station> list = null;

方法宣告

public Dijkstra(int len, Map<String, List<Station>> map);//初始化賦值
private int getIndex(Queue<Integer> q, int[] length);//獲取未訪問點中距離源點最近的點
public String shortestroute(int v, int dest);//根據起始站點id初始化輸出
public String dijkstra(int[][] weight, List<Station> list, int v, int dest);//計算最短路徑

4.FrmMain類

程式的UI介面

5.SubwayStarter類
程式入口

5.核心程式碼

1.讀取檔案的方法

private void readFileContent(String fileName) {
	File file = new File(fileName);
	InputStreamReader read = null;
	BufferedReader br = null;
	lines = new LinkedHashSet<>();
	allStations = new LinkedList<>();
	List<Station> line_stations = null;
	try {
		if(file.isFile() && file.exists()){//判斷檔案是否存在
			read = new InputStreamReader(new FileInputStream(file), "UTF-8");
			br = new BufferedReader(read);
			String tempStr = null;
			int staId = 0;//站點編號
			while ((tempStr = br.readLine())!= null) {//使用readLine方法，一次讀一行，判斷是否讀到檔案末尾
				line_stations = new LinkedList<>();
				String[] message = tempStr.split("\\s+");//分割線路站點資訊
				lines.add(message[0]);//讀取地鐵線路名
				for(int i=1; i<message.length; i++) {
					Station station = new Station(staId++, message[i], message[0]);//建立站點物件
					allStations.add(station);
					line_stations.add(station);//將站點加入當前線路
				}
				map.put(message[0], line_stations);//將路線加入map
			}
			br.close();
		}
	        else{
            	    System.out.println("找不到指定的檔案");
                }
	} catch (IOException e) {
		System.out.println("讀取檔案內容出錯");
		e.printStackTrace();
	}
}

2.初始化graph的方法

private void initialize() {
	int count = 0;//站點數量
	allStations = new LinkedList<>();
	
	for (String st : map.keySet()) {//遍歷map中地鐵線路
		count += map.get(st).size();
		for (Station s : map.get(st)) {//遍歷當前線路站點
			allStations.add(s);
		}
	}
	graph = new int[count][count];
	for (int i = 0; i < count; i++) {
		for (int j = 0; j < count; j++)
			graph[i][j] = -1;
	}
	for (int i = 0; i < count; i++) {
		String name = allStations.get(i).getStaName();
		graph[i][i] = 0;
		for (Station s : allStations) {
			if (s.getStaName().equals(name)) {//可換乘站和環線起止站的連通
				int id = s.getStaId();
				if (id - 1 >= 0) {
					if (allStations.get(id - 1).getLine().equals(allStations.get(id).getLine())) {
						graph[i][id - 1] = 1;
						graph[id - 1][i] = 1;
					}
				}
				if (id + 1 < count) {
					if (allStations.get(id + 1).getLine().equals(allStations.get(id).getLine())) {
						graph[i][id + 1] = 1;
						graph[id + 1][i] = 1;
					}
				}
			}
		}
	}
}

3.Dijkstra演算法

public String dijkstra(int[][] weight, List<Station> list, int v, int dest) {
	Dijkstra.list = list;
	//路徑HashMap route;
	route = new HashMap<Integer, String>();
	for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
		route.put(i, "");
	}
	//初始化路徑長度陣列length
	for (int i = 0; i < list.size(); i++) {
		route.put(i, route.get(i) + "" + list.get(v).getStaName());
		if (i == v) {
			length[i] = 0;
		}
		//連通站點
		else if (weight[v][i] != -1) {
			length[i] = weight[v][i];
			//獲取當前站點所屬的線路
			nowLine = list.get(v).getLine();
			StringBuffer sbf = new StringBuffer();
			for (Station s : map.get(nowLine)) {
				sbf.append(s.getStaName());
			}
			//起點站和下一站點是否屬於同一地鐵線
			if (sbf.indexOf(list.get(i).getStaName()) != -1) {
				route.put(i, route.get(i) + "\n\t-->" + list.get(i).getStaName());
				nextLine[i] = nowLine;
			}
			else {
				route.put(i, route.get(i) + "\n-->換乘" + list.get(i).getLine() + "\n\t-->" + list.get(i).getStaName());
				nextLine[i] = list.get(i).getLine();
			}
		}
		//不連通
		else
			length[i] = Integer.MAX_VALUE;
	}
	visited.add(v);
	//迭代尋找最優線路
	while (visited.size() < list.size()) {
		int k = getIndex(visited, length);// 獲取未訪問點中距離源點最近的點
		visited.add(k);
		if (k != -1) {
			for (int j = 0; j < list.size(); j++) {
				if (weight[k][j] != -1) {// 判斷k點能夠直接到達的點
					//通過遍歷各點，比較是否有比當前更短的路徑，有的話，則更新length，並更新route。
					if (length[j] > length[k] + weight[k][j]) {
						length[j] = length[k] + weight[k][j];
						nowLine = nextLine[k];
						StringBuffer sbf = new StringBuffer();
						for (Station s : map.get(nowLine)) {
							sbf.append(s.getStaName());
						}
						//判斷到下一站點是否需要換乘
						if (sbf.indexOf(list.get(j).getStaName()) != -1) {
							route.put(j, route.get(k) + "\n\t-->" + list.get(j).getStaName());
							nextLine[j] = nowLine;
						}
						else {
							StringBuffer temp = new StringBuffer();
							for (String str : map.keySet()) {
								temp = new StringBuffer();
								for (Station s : map.get(str)) {
									temp.append(s.getStaName());
								}
								if (temp.indexOf(list.get(j).getStaName()) != -1 && temp.indexOf(list.get(k).getStaName()) != -1) {
								　　route.put(j,route.get(k) + "\n-->換乘" + str + "\n\t-->" + list.get(j).getStaName());
								　　nextLine[j] = str;
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　}
							}
						}
					}
				}
			}
		}
	}
	visited.clear();
	return this.shortestroute(v, dest);
}