基于Qt实现的可视化地铁换乘系统

基于Qt实现的可视化地铁换乘系统

前言

这是大二头一学期的时候的C++大作业，要求是写2000行，觉得地铁换乘很好玩遂实现一下，主要的代码量还是在Qt里面，尤其是布局位置这一类的，当然底层的算法也是写了不少的。

当然大二的水平实在有限，当时配Qt没有留下来一个完整操作流程。

如果要看最后的效果，请跳转最终成果展示

全部代码发布在了lankoestee/MetroSearch上，但由于C++与Qt的环境配置过于困难了，故没有安装使用方法，不过所有的文件都在上面了。

系统功能介绍

本系统是基于Qt5.9实现的可视化地铁换乘系统，可以通过可视化控件的点按或滑动形式，实现全国各城市的地铁换乘线路指引，帮助异地者更加方便地换乘地铁线路。进入页面后，可以通过下拉选项框的方式选择城市、起点线路、起点站、终点线路、终点站，并通过查询按钮，点击查询地铁乘坐路线。初始页面如图1所示。

在初始界面选择相应的信息并点击“查询”按钮后，如图2所示的图形化的换乘界面便会显示在右边的空位处。在图形化换乘界面中，通过纵向排列换乘方案的方式，清楚地标明了起点站、终点站、换乘站、乘坐线路、乘坐方向、乘坐站数和线路标识色等信息，方便使用者记忆路线。同时，点击“切换地图显示模式”按钮，如图3所示地图界面便会显示在右方、替代图形化换乘界面。地图界面以线路标识色绘制了换乘路径在地图上的显示，并以灰色线条绘制了乘坐路径周围的地铁线路。将鼠标放置在途径站点上，会在鼠标右侧显示站点名称，通过线路等相关信息，更为具体地展现了乘坐路径。

除此之外，系统还提供了许多额外功能。为更方便地了解线路走向，选择显示线路后点击“显示线路”按钮，便可在右方实现线路整体走向的显示，其显示风格与地图显示模式相同；通过下拉框选择历史记录后，点击“应用”按钮，便可将下拉框的历史记录成为当前的起点与终点，随后点击“查询”，可以快捷地回访历史路径；若想进行地铁图的更新，点击“更新”按钮，根据消息框的提示，在联网的情况下等待15秒左右，系统将自动更新至最新版本的线路图；在查询路线的过程中，可以通过拖动两个滑块，实现个性化换乘方案的选择，根据要求实现不同换乘方案。其具体操作流程如图4所示。

功能实现思路

实现工具选择

在功能的实现过程中，选择了Qt5对上述功能进行实现。Qt是一个大型的跨平台C++应用程序开发框架，被广泛的用于应用程序GUI的开发。在选择方面，同样可以通过#include<windows.h>来进行应用程序的开发，但相较windows.h而言，Qt的开发流程更为简洁，控件的布局设置更为直观，同时支持更为复杂的操作和图形化编程。因此，在地铁换乘程序的开发上，最终选择使用Qt对其进行实现。

而在使用Qt的过程中，受限于电脑性能，图形化编程功能在自带的Qt Creator编辑器中响应较慢，同时由于Qt Creator不美观的操作界面和较复杂的类生成方式，在编辑器的选择方面，最终选择通过安装插件的方式在Visual Studio上进行功能的实现，同时放弃图形化的编程方式，通过自编代码的初始化和参数改变生成响应的控件和部件。

图形界面初始化

在确定使用Qt进行非图形化编程后，可以采用Qt自带的多种控件和其完备的功能函数对图形界面进行初始化，包括按钮QPushButton、下拉框QComboBox、标签QLabel等多种功能函数对界面进行初始化。在本程序中，窗口被设定为 $1600\times 900$ 的大小，这与大多数显示器的显示比例相差无几，同时其分辨率不会超出如今大部分的电脑的屏幕分辨率。在这样的窗口大小下，直接通过每个实体控件均有的setGrometry函数对其进行位置编辑，其中一个重载函数接收左上角横坐标、左上角纵坐标、横向距离、纵向距离四个参数确定控件具体位置。

在图形的绘制方面，Qt提供了画家类QPainter以供绘制图形，通过对QPen，QBrush类创建、修改对象和应用，可以通过其绘制多种图形，以提供可视化解决方案。

线路数据获取与更新

为实现该系统在全国范围内的通用，在数据文档的生成方面，不能仅仅通过手动输入编写信息，这会带来巨额的工作量，通过代码的实现，可以直接从网络中爬取所需的相应数据。在爬取数据方面，C++提供了相应的库以完成爬取任务，然而相较于Python，其劣势也是明显的。Python语言在数据爬取方面拥有更好的封装，能够以更加简介的代码完成同样的任务，是目前主流的数据爬取工具。但其仍有缺点，即与计算机较慢的交互速度，这会增加其爬取时间。在本程序中，数据的获取是由Python语言文件进行实现的。

在爬取对象的确定方面，可以通过百度地图、高德地图等地图软件获取地铁线路站点数据，而由于百度地图网页代码并不开源，因此选择了高德地图作为数据的来源。在锁定高德地图地铁图功能网站后，通过解析其中json文件代码，可以从中得到需要的数据，选择了其中一部分进行储存，包括线路名称、线路标志色、站点名称、站点经纬度等。由于网站数据存在一定问题和不明晰，如连续出现两个站点、地铁主线和支线没有区分等不利于后续实现的问题存在，还需在Python文件中对错误数据进行满足程序需求的改良，最终形成各个城市的地铁数据文件，并以csv文件的形式为每个城市保存了一个文件。

更新方面，可以通过#include"Python.h"，引入该头文件，实现在C++程序中执行Python程序。在本程序中，更新功能是通过执行Python程序，重新获取全部数据实现的。

类的设置与定义

若需实现根据站点搜寻路径的功能，建立类是一个很好的形式。在本程序中，建立了线路类Line和站点类Station两个类，其中Station类继承自Line类。对于线路类，需要明晰其线路名称、线路标识色、环线与否等情况，将这些要素设为了保护性数据成员，以便Staiton类使用。若要使用两者之间的继承关系，则需满足一个站点仅对应一条线路的情形，大部分站点均是满足这个条件的，而换乘站却是例外，故将换乘站是为多个不同线路上重名的几个站点。

Station类继承自Line类，但其仍然拥有其独特的数据成员，分别是站点编号、站点名称、站点经纬度、和连接站点。对于每一个数据成员，都采用设置函数的方式方便读取私有或保护性数据成员。其UML类图如图5所示。

为实现换乘路径的搜寻，由于穷举法的不切实际性，必须采用构建网络（图）的形式以搜寻最佳路径。在网络的构建方面，选择采用邻接表的形式进行构建，即创立了新的数据结构Adjacent，其定义如下。

struct Adjacent {
	int adjacentId;
	double spacing;
	Adjacent* next;
};

在Adjacent中，adjacentId用以表示邻接站点ID，spacing用以表示相邻站点距离（换乘站点距离为0），next则表示该站点的下一个邻接站点，若已表示了该站点的所有邻接站点，则将其设为空指针NULL。邻接表的赋值过程，即为地铁网络的构建过程。在为每一个站点赋值邻接表时、需要进行如下的操作：

连接同一线路相邻的两站，互相将站点ID写入对方邻接表中，通过两站的经纬度信息，计算相隔距离spacing，将其作为Adjacent指针写入站点邻接表的末尾；
遍历除本站外所有站点，寻找同名、同经度、同纬度的站点，将该站ID写入本站邻接表末尾中，其中相隔距离设置为0，以判断该站为换乘站。

通过上述的两步操作，便可在 $O(n^2)$ 的时间复杂度内填充每个站点的邻接表，构建城市地铁网络。在 $O(n^2)$ 时间复杂度下，该步骤运行时间极短。在打开程序时，程序默认以北京作为初始化城市，当城市选择复选框发生改变时，便会清楚原有数据，对新的选定城市进行初始化。

最短路径的搜寻

如今的图最短路径算法众多，最为常见的算法是广度优先搜索算法（Breadth First Search，简称BFS）其时间复杂度仅为 $O(|V|+|E|)$ ，能够较快的完成无权图的最短路径搜寻。而由于站点之间的距离存在，地铁网络可被视为一个有权图，BFS算法在有权图中的实现稍显复杂，故于此，选择使用迪杰斯特拉算法（Dijkstra’s Algorithm）是实现该无向带权图的单源最短路径搜寻。

迪杰斯特拉算法通过维护两个数组dist和pi进行单源最短路径的搜寻。其中dist值数组代表的是各个点到起点的最短路径长度，pi数组代表所有未求得最短路径的点到起点的局部最短路径长度。通过不断在pi数组中寻找最小值，赋入dist数组，并重新更新所有点的pi值，可以实现单源点到联通图中任一一点的距离。迪杰斯特拉算法的时间复杂度高于BFS，为 $O(|V|^2+|E|)$ ，但在实际使用中，其复杂度不会产生任何延迟。

在站点的更新方面，不仅只将两站点之间距离distance作为唯一的判断标准，而是引入了换乘代价和途径站点代价两种不同的代价，将其以距离的形式表示，作为添加进入最短距离的计算中去。这两种代价可以通过滑动初始页面中的滑块进行自定义设置，为路径的搜寻提供了另外的可能。

在本程序中，由于要记录最短生成路径，创建并维护了一个updater数组，用以记录是何站点路径的确定引起了本站点pi值的改变，即是谁减小了本站点的pi值。除了起点站外，连通网中每个站点都拥有一个updater，用以表示从起点站到该站点的最短路径中，该站点的上一站是谁。可以使用标准模板库中的栈std::stack以储存站点数据。从终点站开始，依次对上一站点的updater进行进栈操作。直至进栈至起点站，便得到了一个以起点站为栈顶，终点站为栈底的方案栈scheme。这便产生了其最短路径，为下一步的处理奠定了基础。

可视化图形的绘制

可视化图形的绘制，主要是通过重写Qt中自带的paintEvent函数进行图形的绘制，paintEvent函数无需通过槽函数进行调用，而是可以在每次页面内容存在改变时自动调用，同时可以通过Qt自带的update()函数进行手动调用。

对于图2所示的路径绘图模式而言，其绘制的主要依靠是最短路径搜寻所得到的方案栈scheme，通过对其进行出栈操作。判断其是否为换乘站，并对途径站和换乘站绘制可视化图形进行表示，同时提取站点所在线路的标识色，在文字显示之余能够通过颜色更加直观的显示出换乘方案，方便记忆。由于图形绘制细节繁多，这部分内容是本程序实现代码中最长的部分。

对于图3的地图绘制模式而言，其依然通过对方案栈scheme的使用进行地图的绘制。首先确定最优路径站点的经纬度信息，确定绘制的比例尺和绘制区域，其次通过遍历所有站点，将所有站点绘制出来，随后仍是使用方案栈路径，将最优线路用站点所属线路颜色标志出来，最后通过删除指定画布外围区域，实现在指定区域内以合适比例尺大小展示方案路线。

历史记录提取与应用

与读取城市文件应用到复选框中相同，历史记录同样以csv文件的形式保存在文件夹中。每次点击查询按钮，便会生成一条新的历史记录，并将其放至文件夹的头部，为防止数据量过大，若此时历史记录的条数超过20条时，便会自动删除最后一条的历史记录。通过fstream读取历史记录并以逗号分割，通过复选框函数setCurrentText，便可将历史记录自动应用至设置起始站点的复选框内。

实现过程中所遇到的问题

使用Visual Studio实现Qt应用程序时，由于无法使用图形化编程，故各个控件只能通过多次调整位置的方式进行布放和实现，这样的布放较为严格地限制了窗口的大小，扩大和缩小窗口均有可能造成控件和图片位置的错乱。

由于本人电脑中所安装的Python是在x64平台上运行的，而非win32，这使得在建立解决方案的过程中，统一采用了x64平台进行编写与建立。又因为若将解决方案配置为debug模式，会导致release模式无法使用，故在程序编写和测试的过程中，统一采用了x64平台的release模式进行调试和发布。

最终结果展示

附上了程序运行示例视频，以便更换电脑无法正确运行时使用。

本程序的主要实现均在MetroSearch.cpp文件中，其余代码可以参考其余文件。