權(quán)值優(yōu)先搜索在兒童失蹤追查中的應(yīng)用研究

趙 沖,賀春林

(西華師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,四川 南充 637009)

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權(quán)值優(yōu)先搜索在兒童失蹤追查中的應(yīng)用研究

趙 沖,賀春林

(西華師范大學(xué) 計(jì)算機(jī)學(xué)院,四川 南充 637009)

為了實(shí)現(xiàn)兒童失蹤快速追查，引入了“安珀警戒”系統(tǒng)并分析其在運(yùn)行過(guò)程中存在的問(wèn)題。對(duì)“安珀警戒”系統(tǒng)的運(yùn)行成本過(guò)高的問(wèn)題，針對(duì)城市交通密集路網(wǎng)建立無(wú)邊界不定向的線性模型，借鑒圖論遍歷中的廣度優(yōu)先搜索算法的擴(kuò)展思想，通過(guò)增加輔助隊(duì)列改變算法的搜索次序，并根據(jù)實(shí)際為城市路網(wǎng)模型添加松弛因子，提出了適用于城市交通路網(wǎng)的權(quán)值優(yōu)先算法。該算法能有效地在城市無(wú)邊界路網(wǎng)中快速確定綁匪所行路線范圍并隨時(shí)間推移逐步擴(kuò)展，在保證搜索結(jié)果無(wú)盲點(diǎn)的同時(shí)避免了系統(tǒng)運(yùn)行初期的資源浪費(fèi)。通過(guò)仿真實(shí)驗(yàn)證明，該算法能有效降低安珀警報(bào)短信發(fā)布成本39.7%以上。

安珀警戒；權(quán)值優(yōu)先算法；兒童失蹤；城市路網(wǎng)；線性模型；VISSIM仿真

據(jù)統(tǒng)計(jì)，全球每年約有120萬(wàn)兒童失蹤，而最終尋回的只有0.1%[1]。如何尋回失蹤兒童，建立完整有效的追查機(jī)制，是政府和社會(huì)亟需解決的問(wèn)題。對(duì)于快速查找失蹤兒童，我國(guó)目前的研究略顯不足，美國(guó)的“安珀警戒”(AMBER Alert)為我們提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

安珀警戒系統(tǒng)使用美國(guó)緊急警報(bào)系統(tǒng)(EAS)，通過(guò)廣播電臺(tái)、衛(wèi)星電臺(tái)、電視臺(tái)及有線電視向全國(guó)發(fā)布，同時(shí)利用電子郵件、交通信號(hào)標(biāo)志牌、以及手機(jī)短信等方式將兒童失蹤信息發(fā)送給廣大民眾[2]以協(xié)助警方進(jìn)行偵破。安珀警戒系統(tǒng)受多種學(xué)科、多個(gè)機(jī)構(gòu)的影響[3]，它并不是一個(gè)單獨(dú)的個(gè)體。因此，在實(shí)行過(guò)程中也面臨以下問(wèn)題:(1)錯(cuò)誤警報(bào)。據(jù)統(tǒng)計(jì)，2004年美國(guó)共發(fā)布233次安珀警戒，其中僅有70件是兒童被合法監(jiān)護(hù)人以外的陌生人帶走，誤報(bào)率達(dá)到了70%[4]。錯(cuò)誤的源線索(source cue)極大影響了信息的信用評(píng)級(jí)[5]，因此美國(guó)司法部發(fā)布了四條指引用于規(guī)范信息的真實(shí)性。(2)司法沖突。安珀警戒作為一種緊急性的偵查措施，在實(shí)施過(guò)程中會(huì)大量占用社會(huì)公共設(shè)施，如廣播電臺(tái)、電視媒體、手機(jī)通訊以及公共交通標(biāo)志牌等。這無(wú)疑會(huì)對(duì)正常的社會(huì)秩序產(chǎn)生不利影響。(3)立案標(biāo)準(zhǔn)。2013年《公安機(jī)關(guān)查找疑似被侵害失蹤人員信息工作規(guī)定(試行)》第二條規(guī)定：不滿(mǎn)14周歲的未成年人失蹤超過(guò)48小時(shí)予以立案。而調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，75%的兒童綁架案在案發(fā)后三個(gè)小時(shí)內(nèi)人質(zhì)即遇害，所以解救被綁架兒童就是在跟時(shí)間賽跑[6-7 ]。我國(guó)公安機(jī)關(guān)實(shí)行兒童失蹤快速查找機(jī)制，要求縣、市公安機(jī)關(guān)接到兒童失蹤警情后，可以打破警種界限和常規(guī)做法，立即立案啟動(dòng)查找工作[8]。這一規(guī)定與安珀警戒的核心思想同出一轍，表明我國(guó)已具備實(shí)現(xiàn)安珀警戒系統(tǒng)的隱形條件。(4)成本控制。 安珀警戒的偵查實(shí)質(zhì)是“眼睛越多越好”，但無(wú)論是使用社會(huì)公共設(shè)施、道路交通設(shè)施還是移動(dòng)設(shè)備，其警報(bào)發(fā)布成本與搜索范圍成正比。成本問(wèn)題是制約安珀警戒發(fā)展的關(guān)鍵。

目前安珀警戒系統(tǒng)尚無(wú)明確的搜索范圍規(guī)定。以美國(guó)加州為例，當(dāng)警察機(jī)構(gòu)確認(rèn)綁架案發(fā)生時(shí)，在封鎖車(chē)站、機(jī)場(chǎng)等交通樞紐的同時(shí)通過(guò)管轄區(qū)域內(nèi)所有的信號(hào)基站向其控制范圍內(nèi)的移動(dòng)終端發(fā)送安珀警戒信息，造成發(fā)布范圍大、成本高、資源浪費(fèi)嚴(yán)重。因而正確的搜索范圍能極大降低警報(bào)發(fā)布的成本。

1 安珀警戒搜索范圍

安珀警戒搜索范圍的確定實(shí)質(zhì)上是解決這樣一個(gè)問(wèn)題：從發(fā)生綁架到發(fā)布警戒信息這一段時(shí)間內(nèi)，嫌犯能走多遠(yuǎn)。為嫌犯的逃竄路線劃定一個(gè)區(qū)域作為安珀警戒的搜索范圍，在保證沒(méi)有盲區(qū)的情況下，盡可能縮小搜索區(qū)域，以降低信息發(fā)布成本。因?yàn)闊o(wú)法確定嫌犯的逃竄路線，因此需要將所有的可行的道路全部考慮進(jìn)來(lái)進(jìn)行分析。

設(shè)路網(wǎng)中有N條道路，道路的長(zhǎng)度為l1,l2,…,ln，每條道路的通行速度為v1,v2,…,vn，每條道路通行時(shí)間為t1，t2，…,tn。則滿(mǎn)足：

(1)

要計(jì)算嫌犯在一定時(shí)間內(nèi)的活動(dòng)范圍，即要求:

t1+t2+…tn≤T。

(2)

由(1)代入(2)可得：

(3)

l1x1+l2x2+…+lnxn≤T。

(4)

由于嫌犯運(yùn)行路線不確定，即要求將所有符合要求的路線全部包括在內(nèi)，因此嫌犯活動(dòng)的最大范圍可表示為：

Maxz=c1x1+c2x2+…+cnxn，

s.t.l11x1+l12x2+…+l1nxn≤T，l21x1+l22x2+…+l2nxn≤T， ?

(5)

lm1x1+lm2x2+…+lmnxn≤T，
xi>0，i=1,2,…,n。

式中，m是迭代次數(shù)，n為路段標(biāo)號(hào)。以起點(diǎn)為例，第一條路段的標(biāo)號(hào)n為1，所有從起點(diǎn)出發(fā)的路段集合為{l11,l21，…，lm1}。搜索過(guò)程中，存在著多種路徑選擇，因此在計(jì)算其總耗費(fèi)時(shí)間時(shí)，需要將所有可行的路段逐一計(jì)算。而在實(shí)際情況中，不可能恰好在規(guī)定時(shí)間內(nèi)將每一條路段走完。因此在計(jì)算時(shí)引入一個(gè)松弛變量：xn+1，xn+2，…，xn+m，可將式(5)轉(zhuǎn)化為：

Maxz=c1x1+c2x2+…+cnxn，

s.t.l11x1+l12x2+…+l1nxn+xn+1=T，l21x1+l22x2+…+l2nxn+xn+2=T， ?

(6)

lm1x1+lm2x2+…+lmnxn+xn+m=T，xi>0，i=1,2,…,n；xj≤0,j=n+1,n+2，…,n+m。

2 無(wú)邊界路網(wǎng)權(quán)值優(yōu)先搜索算法描述

城市路網(wǎng)中的搜索范圍的確定，可視為基于圖論的遍歷問(wèn)題。通常有兩條遍歷圖的路徑：深度優(yōu)先搜索和廣度優(yōu)先搜索[9]。但由于范圍的不確定性，無(wú)法提供圖中的節(jié)點(diǎn)數(shù)及邊界，因此傳統(tǒng)的各種遍歷算法均存在不同程度的缺陷。例如圖1所示。

當(dāng)使用深度優(yōu)先搜索DFS時(shí)，算法的搜索順序?yàn)椋孩佟凇堋荨蕖?；使用廣度優(yōu)先搜索BFS時(shí)，算法的搜索順序?yàn)椋孩佟凇邸堋荨?。假設(shè)限制時(shí)間T=10，通過(guò)窮舉計(jì)算可知圖1中T時(shí)間內(nèi)可以達(dá)到的節(jié)點(diǎn)有①②③④⑤⑥；深度優(yōu)先搜索在④節(jié)點(diǎn)時(shí)超出限制條件，最終搜索范圍確定為①②③；廣度優(yōu)先搜索在第一次搜索到④節(jié)點(diǎn)后將其設(shè)定為已訪問(wèn)，導(dǎo)致③節(jié)點(diǎn)無(wú)鄰接節(jié)點(diǎn)，最終搜索范圍確定為①②③；這兩種遍歷方式均與實(shí)際情況不相符，原因在于沒(méi)有考慮到路徑的權(quán)值。因此提出一種基于廣度優(yōu)先搜索的權(quán)值優(yōu)先搜索算法來(lái)解決其路徑選擇問(wèn)題。該算法與傳統(tǒng)算法的區(qū)別在于借助隊(duì)列來(lái)確定搜索次序,同時(shí)已訪問(wèn)的節(jié)點(diǎn)并不標(biāo)記，在訪問(wèn)重復(fù)節(jié)點(diǎn)時(shí)，如權(quán)值小于隊(duì)列中已存在的節(jié)點(diǎn)權(quán)值，則更新權(quán)值；若大于等于隊(duì)列中已存在的節(jié)點(diǎn)權(quán)值，則不處理。這種策略的優(yōu)點(diǎn)在于不會(huì)在搜索過(guò)程中產(chǎn)生盲點(diǎn)。算法主要代碼如下：

1.InitQueue(&Q);GreatList(C); //C表存放符合條件的節(jié)點(diǎn)，即搜索范圍

2.WFS(G，u){ //u為圖G的頭節(jié)點(diǎn)

3.Visit(u);EnQueue(Q,u);EnList(C,u);

4.for(w=FirstAdjvex(G,u);w>=0;w=NextAdjvex(G,u,w)) //w為頭節(jié)點(diǎn)的后繼節(jié)點(diǎn)

5.{Visit(w);w.date=u.date+d(vu,vw); //更新權(quán)值

6.if w.date+P<=T EnList(C,w); else break; //判斷是否滿(mǎn)足條件

7. for (i=1;i<=Q.length;++i)

8. {EnQueue(w);SortQueue(Q); }

9. DeQueue(u);} } //更新隊(duì)頭元素

10.if (!QueueEmpty(Q)) WFS(G,w) //遞歸調(diào)用WFS

現(xiàn)基于權(quán)值優(yōu)先搜索算法對(duì)圖1中的節(jié)點(diǎn)進(jìn)行訪問(wèn)，不考慮松弛變量P，算法運(yùn)行過(guò)程中輔助隊(duì)列Queue(Q)和結(jié)果列表List(C)中的元素變化如下表1所示。

表1 權(quán)值優(yōu)先算法對(duì)圖1簡(jiǎn)單路網(wǎng)的計(jì)算步驟表

表1中，每運(yùn)行一步，都要執(zhí)行刪除隊(duì)頭元素，目的是更新隊(duì)頭元素。當(dāng)運(yùn)行至Step 7時(shí)，隊(duì)列內(nèi)元素為空，算法結(jié)束。此時(shí)的List(C)表中所存放的節(jié)點(diǎn)數(shù)，即滿(mǎn)足權(quán)值w

通過(guò)對(duì)式(5)的描述可知，搜索范圍即將所有符合條件的節(jié)點(diǎn)和路段全部計(jì)算在內(nèi)。因此權(quán)值優(yōu)先算法在計(jì)算時(shí)，首先將頭節(jié)點(diǎn)即起點(diǎn)的所有后繼節(jié)點(diǎn)加入隊(duì)列，并通過(guò)迭代計(jì)算最終將所有符合條件的節(jié)點(diǎn)計(jì)算入表。計(jì)算時(shí)保證了搜索范圍不存在盲點(diǎn)，證明了算法的有效性。

在城市路網(wǎng)中，除城市主路以外，另有大量密集且路段長(zhǎng)度較短的支路。這些特點(diǎn)造成在以廣度優(yōu)先算法搜索時(shí)無(wú)法一層一層擴(kuò)展，而在以深度優(yōu)先算法搜索時(shí)會(huì)產(chǎn)生比較多的重復(fù)節(jié)點(diǎn)。因此按權(quán)值對(duì)支路節(jié)點(diǎn)排序時(shí)，可以保證支路節(jié)點(diǎn)優(yōu)先擴(kuò)展，以保證算法在節(jié)點(diǎn)密集的區(qū)域能有效進(jìn)行。

3 實(shí)驗(yàn)分析

實(shí)驗(yàn)以四川省南充市的一段路網(wǎng)為例，運(yùn)用的仿真工具為德國(guó)PTV公司開(kāi)發(fā)的VISSIM[10-11]軟件，版本號(hào)為6.00。實(shí)驗(yàn)環(huán)境為Windows 7 64位操作系統(tǒng)，AMD Athlon II x4 651 2.99GHz CPU，4.00GB內(nèi)存。為計(jì)算方便，設(shè)定路段長(zhǎng)度為實(shí)際長(zhǎng)度(數(shù)據(jù)來(lái)源于百度地圖)；不考慮特殊交通情況(如交通擁堵等)；不考慮交通信號(hào)燈等待時(shí)間，設(shè)定松弛變量P=0。

3.1 實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備

簡(jiǎn)化后的交通網(wǎng)絡(luò)是由路段和交叉路口組成的網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)[12]。在實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備階段，需要對(duì)路網(wǎng)圖范圍內(nèi)所有的路段：包括快速路、主干路、次干路和支路[13]及交叉路口(連接器)。在VISSIM中建立的路網(wǎng)模型如圖2。

3.2 實(shí)驗(yàn)過(guò)程

以圖2中A點(diǎn)即兒童綁架案件發(fā)生的地點(diǎn)為起點(diǎn)，假設(shè)疑犯使用的交通工具為小型汽車(chē)，且運(yùn)行方向不確定。以下列仿真參數(shù)運(yùn)行，仿真參數(shù)如表2。

表2 VISSIM仿真運(yùn)行參數(shù)表

參數(shù)類(lèi)型參數(shù)值期望速度40km/h期望減速度3.0m/s2信號(hào)燈停等時(shí)間0仿真時(shí)間120仿真秒仿真精度20時(shí)間步長(zhǎng)/仿真秒隨機(jī)種子42運(yùn)行次數(shù)100隨機(jī)種子增量1仿真運(yùn)行速度10.0仿真秒/s中斷時(shí)刻0仿真秒多核數(shù)量4Core

表2中期望速度是車(chē)輛在路段中行駛速度；期望減速度是指車(chē)輛在彎道或減速帶的減速值；仿真時(shí)間與仿真運(yùn)行速度決定仿真運(yùn)行時(shí)間；仿真精度決定仿真結(jié)果的精確度；隨機(jī)種子及隨機(jī)種子增量決定仿真過(guò)程中各種隨機(jī)事件，如車(chē)道的變化、左右彎道選擇等，設(shè)定為默認(rèn)值；多核數(shù)量與計(jì)算機(jī)CPU有關(guān)，影響仿真運(yùn)行的結(jié)果。

3.3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

按表2的實(shí)驗(yàn)參數(shù)對(duì)圖2中的路網(wǎng)模型運(yùn)行仿真。結(jié)果如圖3所示：A為起點(diǎn)，VISSIM軟件的仿真結(jié)果是以.vlz文本格式保存，提取結(jié)果文本中的路段名稱(chēng)與距離值在地圖圖像中用黑色小點(diǎn)予以標(biāo)示，每一個(gè)點(diǎn)即代表一次仿真運(yùn)行結(jié)果。灰色區(qū)域?yàn)闄?quán)值優(yōu)先搜索算法確定的搜索范圍。

由圖3可知：灰色區(qū)域能完全覆蓋黑點(diǎn)出現(xiàn)的范圍,即算法所計(jì)算出的范圍能包涵從A點(diǎn)出發(fā)的車(chē)輛所選擇的所有路段，并且能保證無(wú)盲點(diǎn)。假設(shè)A點(diǎn)發(fā)生兒童綁架案件，并馬上啟動(dòng)安珀警戒，警報(bào)發(fā)布部門(mén)根據(jù)權(quán)值優(yōu)先搜索算法計(jì)算出疑犯運(yùn)行范圍并在該范圍內(nèi)發(fā)布搜索信息，可完全保證綁匪的行蹤在市民的監(jiān)測(cè)范圍之內(nèi)。

3.4 成本計(jì)算

安珀警戒系統(tǒng)的運(yùn)行成本中，除了電視電臺(tái)以及網(wǎng)絡(luò)資源、公共交通資源外，最常用的手段是向民眾發(fā)送手機(jī)短信，且其發(fā)送成本在總成本中占較大比重。要計(jì)算其短信發(fā)送成本，即要求計(jì)算出該范圍內(nèi)有多少人口，可表示為：

(7)

其中：C總是總發(fā)送成本，S1是權(quán)值優(yōu)先算法確定的搜索范圍，S總是該行政區(qū)域總面積，N總是該行政區(qū)域總?cè)丝跀?shù)，C1是人均發(fā)送成本。以四川省南充市為例：已知S總為1.25×103km2，N總為7.5902×105人[14]，C1為0.033元[15]。(7)式中僅S1是未知數(shù)，求出權(quán)值優(yōu)先算法的搜索范圍即可計(jì)算出總發(fā)送成本。

由圖3可知，權(quán)值優(yōu)先算法所確定的搜索范圍是不規(guī)則圖形，常用的面積計(jì)算方法有坐標(biāo)法、梯形法、支距法、simpson1/3法、simspon3/8法和1/6法[16]。但這些算法的計(jì)算方法較為復(fù)雜，對(duì)于精確度要求不高的計(jì)算中，可以采用像素法來(lái)進(jìn)行面積的估算[17]。將權(quán)值優(yōu)先算法計(jì)算出的范圍在PhotoShop軟件中勾選出來(lái)，并為其填充不同顏色，通過(guò)統(tǒng)計(jì)其像素?cái)?shù)量結(jié)合地圖比例尺進(jìn)行計(jì)算。將計(jì)算出的面積代入(7)式可求得發(fā)送總成本，結(jié)果如圖4所示。

由圖4可知，權(quán)值優(yōu)先算法確定的搜索范圍在發(fā)布成本上呈現(xiàn)隨時(shí)間遞增的趨勢(shì)。當(dāng)案件發(fā)生10分鐘時(shí)，權(quán)值優(yōu)先搜索范圍為264.50 km2，發(fā)送成本為0.53×103元。而按區(qū)域搜索范圍固定為1.25×104km2，發(fā)送成本為2.502×104元。即此時(shí)案件偵破，則可降低短信發(fā)布成本97.9%；若案件在90分鐘內(nèi)偵破，則權(quán)值優(yōu)先搜索范圍為7.56×103km2，成本為1.511×104元，即降低短信發(fā)布成本39.7% 。而在案件發(fā)生90分鐘以后，疑犯已經(jīng)擁有至少一條路徑逃離該行政區(qū)域，按區(qū)域搜索已經(jīng)存在盲點(diǎn)，需申請(qǐng)周邊區(qū)域聯(lián)合偵查。當(dāng)案件發(fā)生100分鐘時(shí)，需將周邊各市均計(jì)算在內(nèi)，因此區(qū)域搜索面積為8.91×104km2，總?cè)丝跒?.144×106人[18]，總成本為1.0375×105元。而權(quán)值優(yōu)先搜索的范圍為9.02×103km2，成本為1.807×104元，與按區(qū)域搜索相比成本降低了82.6%。實(shí)驗(yàn)證明權(quán)值優(yōu)先搜索算法節(jié)省了大量的資源，對(duì)安珀警戒的發(fā)展與完善具有一定的實(shí)際意義。

4 結(jié)束語(yǔ)

安珀警戒系統(tǒng)能有效的保證被綁架兒童的快速追回。而我國(guó)目前對(duì)安珀警戒系統(tǒng)的引進(jìn)和實(shí)現(xiàn)還處于試驗(yàn)階段，但已經(jīng)擁有運(yùn)行安珀警戒系統(tǒng)的隱性條件。本文通過(guò)權(quán)值優(yōu)先搜索算法在安珀警戒系統(tǒng)中的應(yīng)用，能有效降低安珀系統(tǒng)的運(yùn)行成本，有助于該系統(tǒng)在我國(guó)的引進(jìn)和實(shí)施，為被綁架兒童快速找回保駕護(hù)航。

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Application of Weight First Priority Search in the Search for the Missing of Children

ZHAO Chong,HE Chunlin

(College of Computer Science,China West Normal University,Nanchong Sichuan 637009,China)

In order to realize fast track of the missing children,the “Amber Alert” System is introduced and the problems existing in its operation process is analyzed.As the “Amber Alert” control system operation costs high,aiming at urban traffic dense road network,non-boundary directional linear model is established,and the applicable priority weights algorithm for urban traffic network is put forward,which consults the prior algorithm of graphic traversal breadth search in terms of the search order of increasing assisted queue algorithm,and according to the actual model of added relaxation factor in urban road network.The algorithm can effectively locate the area of the kidnappers in the city without boundary in the network and gradually extended with the passage of time,which ensures the search results without blind spots and avoids the waste of resources at the initial operation of the system.Through simulation experiments,this algorithm can effectively reduce the amber alert message issued more than 39.7% of the cost.

amber alert;weight priority algorithm;children missing;urban road network；linear model;VISSIM simulation

1673-5072(2016)04-0479-06

2016-06-21

四川省教育廳自然科學(xué)重點(diǎn)項(xiàng)目(15ZA0148)

趙 沖(1986—)，男，四川廣元人，碩士研究生，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用技術(shù)研究。

賀春林(1971—)，男，四川廣安人，教授，主要從事計(jì)算機(jī)應(yīng)用研究，E-mail:93401318@qq.com

TP399

A

10.16246/j.issn.1673-5072.2016.04.021