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### 2.4 算法设计
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本节详细描述了系统中的核心算法设计，这些算法是系统智能化和高效运行的关键。
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#### 2.4.1 A* 寻路算法
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A*寻路算法是系统中的核心算法之一，用于为网格员规划从当前位置到任务目标点的最优路径。该算法在网格与地图模块中发挥着重要作用。
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**算法目的**:
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为网格员提供从当前位置到任务地点的最优（最短或最快）路径，避开障碍物。
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**算法输入**:
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- `startNode`: 起始点坐标 (x, y)。
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- `endNode`: 目标点坐标 (x, y)。
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- `grid`: 包含障碍物信息的地图网格数据。
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**核心逻辑**:
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1. 维护一个开放列表（`openList`）和一个关闭列表（`closedList`）。
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- `openList`: 存储待探索的节点，使用优先队列实现，按F值排序。
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- `closedList`: 存储已探索过的节点。
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2. 从 `openList` 中选取F值（G值+H值）最小的节点作为当前节点。
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- G值: 从起点到当前节点的实际代价。
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- H值: 从当前节点到终点的预估代价（启发函数）。
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- F值: G值 + H值，表示经过当前节点到达终点的总代价估计。
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3. 遍历当前节点的相邻节点（上、下、左、右四个方向）。
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4. 对于每个相邻节点：
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- 如果是障碍物或已在`closedList`中，则跳过。
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- 如果不在`openList`中，计算其G值、H值和F值，将其加入`openList`，并记录其父节点为当前节点。
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- 如果已在`openList`中，检查经由当前节点到达该相邻节点的路径是否更优（G值更小）。如果更优，则更新其G值、F值和父节点。
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5. 将当前节点从`openList`移除，加入`closedList`。
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6. 重复步骤2-5，直到：
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- 找到目标节点（当前节点为终点）。
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- 或`openList`为空（无法找到路径）。
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7. 如果找到目标节点，通过回溯父节点构建从起点到终点的路径。
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**启发函数选择**:
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系统采用曼哈顿距离（Manhattan Distance）作为启发函数，计算公式为：
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```
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h(n) = |n.x - goal.x| + |n.y - goal.y|
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```
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这种启发函数适合网格化的移动模式，只允许上、下、左、右四个方向的移动。
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**算法实现**:
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```java
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public List<Point> findPath(Point start, Point end) {
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// 加载地图数据和障碍物信息
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List<MapGrid> mapGrids = mapGridRepository.findAll();
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Set<Point> obstacles = new HashSet<>();
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for (MapGrid gridCell : mapGrids) {
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if (gridCell.isObstacle()) {
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obstacles.add(new Point(gridCell.getX(), gridCell.getY()));
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}
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}
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// 初始化开放列表和所有节点映射
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PriorityQueue<Node> openSet = new PriorityQueue<>(Comparator.comparingInt(n -> n.f));
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Map<Point, Node> allNodes = new HashMap<>();
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// 创建起始节点
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Node startNode = new Node(start, null, 0, calculateHeuristic(start, end));
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openSet.add(startNode);
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allNodes.put(start, startNode);
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// 开始A*算法主循环
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while (!openSet.isEmpty()) {
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Node currentNode = openSet.poll();
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// 找到目标
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if (currentNode.point.equals(end)) {
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return reconstructPath(currentNode);
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}
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// 探索相邻节点
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for (Point neighborPoint : getNeighbors(currentNode.point)) {
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if (obstacles.contains(neighborPoint)) {
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continue; // 跳过障碍物
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}
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int tentativeG = currentNode.g + 1; // 相邻节点间距离为1
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Node neighborNode = allNodes.get(neighborPoint);
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if (neighborNode == null) {
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// 新节点
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int h = calculateHeuristic(neighborPoint, end);
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neighborNode = new Node(neighborPoint, currentNode, tentativeG, h);
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allNodes.put(neighborPoint, neighborNode);
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openSet.add(neighborNode);
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} else if (tentativeG < neighborNode.g) {
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// 找到更好的路径
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neighborNode.parent = currentNode;
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neighborNode.g = tentativeG;
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neighborNode.f = tentativeG + neighborNode.h;
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// 更新优先队列
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openSet.remove(neighborNode);
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openSet.add(neighborNode);
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}
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}
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}
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return Collections.emptyList(); // 没有找到路径
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}
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// 计算启发式函数值（曼哈顿距离）
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private int calculateHeuristic(Point a, Point b) {
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return Math.abs(a.x() - b.x()) + Math.abs(a.y() - b.y());
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}
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// 获取相邻节点（上、下、左、右）
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private List<Point> getNeighbors(Point point) {
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List<Point> neighbors = new ArrayList<>(4);
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int[] dx = {0, 0, 1, -1}; // 右、左、下、上
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int[] dy = {1, -1, 0, 0};
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for (int i = 0; i < 4; i++) {
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int newX = point.x() + dx[i];
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int newY = point.y() + dy[i];
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// 检查边界
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if (newX >= 0 && newX < mapWidth && newY >= 0 && newY < mapHeight) {
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neighbors.add(new Point(newX, newY));
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}
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}
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return neighbors;
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}
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// 重建路径
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private List<Point> reconstructPath(Node node) {
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LinkedList<Point> path = new LinkedList<>();
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while (node != null) {
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path.addFirst(node.point);
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node = node.parent;
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}
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return path;
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}
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```
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**算法输出**:
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从起点到终点的一系列坐标点列表，表示规划好的路径。如果无法找到路径，则返回空列表。
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**算法应用**:
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在`PathfindingController`中通过`/api/pathfinding/find`接口暴露，网格员可以通过该接口获取从当前位置到任务地点的最优路径。
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#### 2.4.2 任务智能分配算法
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任务智能分配算法是系统的另一个核心算法，用于在多个可用网格员中，为新任务选择最合适的执行者。
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**算法目的**:
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在多个可用网格员中，为新任务选择最合适的执行者，优化任务分配效率和完成质量。
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**算法输入**:
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- `task`: 需要分配的任务对象。
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- `availableWorkers`: 可用的网格员列表。
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**核心逻辑**:
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这是一个复合策略算法，综合考虑多个因素，通过加权评分机制选择最合适的网格员：
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1. **地理距离评分**:
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- 计算每个网格员当前位置到任务位置的距离。
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- 距离越近，评分越高。
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- 使用公式: `distanceScore = maxDistance - distance`，其中`maxDistance`是一个预设的最大考虑距离。
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2. **当前负载评分**:
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- 评估每个网格员当前正在处理的任务数量。
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- 任务数量越少，评分越高。
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- 使用公式: `loadScore = maxTasks - currentTasks`，其中`maxTasks`是一个预设的最大任务数。
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3. **专业匹配度评分**:
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- 根据任务类型和网格员的专业技能进行匹配。
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- 匹配度越高，评分越高。
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- 使用公式: `skillScore = matchedSkills / requiredSkills.size()`。
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4. **历史表现评分**:
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- 考虑网格员的历史完成率和质量评分。
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- 表现越好，评分越高。
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- 使用公式: `performanceScore = (completionRate * 0.7) + (qualityRating * 0.3)`。
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5. **综合评分计算**:
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- 对上述各项评分进行加权求和。
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- 使用公式: `totalScore = (distanceScore * w1) + (loadScore * w2) + (skillScore * w3) + (performanceScore * w4)`。
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- 其中w1、w2、w3、w4是各项评分的权重，且满足`w1 + w2 + w3 + w4 = 1`。
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6. **选择最高评分的网格员**:
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- 根据综合评分对网格员进行排序。
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- 选择评分最高的网格员作为推荐人选。
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**算法实现**:
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```java
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public UserAccount recommendWorkerForTask(Task task, List<UserAccount> availableWorkers) {
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if (availableWorkers.isEmpty()) {
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return null;
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}
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// 权重配置
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final double DISTANCE_WEIGHT = 0.4;
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final double LOAD_WEIGHT = 0.3;
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final double SKILL_WEIGHT = 0.2;
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final double PERFORMANCE_WEIGHT = 0.1;
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// 任务位置
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Point taskLocation = new Point(task.getGridX(), task.getGridY());
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// 计算每个网格员的评分
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Map<UserAccount, Double> workerScores = new HashMap<>();
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for (UserAccount worker : availableWorkers) {
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// 1. 地理距离评分
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Point workerLocation = new Point(worker.getGridX(), worker.getGridY());
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double distance = calculateDistance(workerLocation, taskLocation);
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double maxDistance = 10.0; // 最大考虑距离
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double distanceScore = Math.max(0, maxDistance - distance) / maxDistance;
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// 2. 当前负载评分
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int currentTasks = taskRepository.countByAssigneeIdAndStatusIn(
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worker.getId(), Arrays.asList(TaskStatus.ASSIGNED, TaskStatus.IN_PROGRESS));
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int maxTasks = 5; // 最大任务数
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double loadScore = (double)(maxTasks - currentTasks) / maxTasks;
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// 3. 专业匹配度评分
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double skillScore = calculateSkillMatch(worker, task);
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// 4. 历史表现评分
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double completionRate = workerStatsService.getCompletionRate(worker.getId());
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double qualityRating = workerStatsService.getAverageQualityRating(worker.getId());
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double performanceScore = (completionRate * 0.7) + (qualityRating * 0.3);
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// 5. 综合评分
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double totalScore = (distanceScore * DISTANCE_WEIGHT) +
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(loadScore * LOAD_WEIGHT) +
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(skillScore * SKILL_WEIGHT) +
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(performanceScore * PERFORMANCE_WEIGHT);
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workerScores.put(worker, totalScore);
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}
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// 选择评分最高的网格员
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return workerScores.entrySet().stream()
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.max(Map.Entry.comparingByValue())
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.map(Map.Entry::getKey)
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.orElse(null);
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}
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```
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**算法输出**:
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推荐的最佳网格员对象。如果没有合适的网格员，则返回null。
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**算法应用**:
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在`TaskAssignmentService`中实现，当主管触发自动分配或系统基于反馈自动创建任务时调用。
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### 2.5 数据持久化设计
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系统采用了一种独特的数据持久化方案，不使用传统的关系型数据库，而是以JSON文件的形式存储所有数据。这种设计简化了部署和配置，特别适合快速迭代和中小型应用场景。
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#### 2.5.1 JSON文件存储架构
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系统的数据持久化层基于以下架构：
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1. **核心存储服务**:
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- `JsonStorageService`: 提供对JSON文件的读写操作，包括序列化和反序列化。
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- `FileSystemService`: 处理文件系统操作，如创建、读取、更新和删除文件。
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2. **Repository层**:
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- 为每种核心模型提供专门的Repository类，如`UserRepository`、`FeedbackRepository`等。
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- 这些Repository类模拟了类似JPA的接口，提供CRUD操作和查询功能。
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- 内部使用`JsonStorageService`进行实际的文件操作。
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3. **并发控制**:
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- 使用文件锁机制确保在并发环境下的数据一致性。
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- 实现了简单的乐观锁定策略，通过版本号检测冲突。
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4. **索引和查询优化**:
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- 在内存中维护索引结构，加速常见查询操作。
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- 支持基于字段值的过滤和排序。
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#### 2.5.2 核心JSON文件结构
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系统中的每个核心模型对应一个JSON文件，下面详细描述了这些文件的结构。
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##### `users.json` - 用户账户数据
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存储系统中所有用户的账户信息，包括认证信息和角色权限。
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| 字段名 | JSON数据类型 | 约束/说明 | 描述 |
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| --------------------- | ----------------- | ------------------------ | ---------------------------------------- |
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| `id` | `Number` | **唯一标识**, 自增 | 用户的唯一标识符 |
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| `name` | `String` | 非空 | 用户姓名 |
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| `phone` | `String` | 非空, **唯一** | 手机号码，可用于登录 |
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| `email` | `String` | 非空, **唯一** | 电子邮箱，可用于登录 |
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| `password` | `String` | 非空, 长度>=8 | 加密后的用户密码 |
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| `gender` | `String` | (ENUM) | 性别 (MALE, FEMALE, OTHER) |
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| `role` | `String` | (ENUM) | 用户角色 (ADMIN, SUPERVISOR, GRID_WORKER等) |
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| `status` | `String` | 非空, (ENUM) | 账户状态 (ACTIVE, INACTIVE, SUSPENDED) |
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| `grid_x` | `Number` | | 关联的网格X坐标 (主要用于网格员) |
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| `grid_y` | `Number` | | 关联的网格Y坐标 (主要用于网格员) |
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| `region` | `String` | | 所属区域或地区 |
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| `level` | `String` | (ENUM) | 用户等级 (JUNIOR, SENIOR, EXPERT) |
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| `skills` | `Array` | | 技能列表 (JSON数组格式的字符串) |
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| `enabled` | `Boolean` | 非空, 默认 `true` | 账户是否启用 |
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| `current_latitude` | `Number` | | 当前纬度坐标 (用于实时定位) |
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| `current_longitude` | `Number` | | 当前经度坐标 (用于实时定位) |
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| `failed_login_attempts` | `Number` | 默认 `0` | 连续失败登录次数 |
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| `lockout_end_time` | `String` | | 账户锁定截止时间 |
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| `created_at` | `String` | 非空 | 记录创建时间 |
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| `updated_at` | `String` | 非空 | 记录最后更新时间 |
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##### `feedback.json` - 环境问题反馈数据
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存储用户提交的所有环境问题反馈信息。
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| 字段名 | JSON数据类型 | 约束/说明 | 描述 |
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| ---------------- | --------------- | ------------------------ | ---------------------------------------- |
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| `id` | `Number` | **唯一标识**, 自增 | 反馈的唯一标识符 |
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| `event_id` | `String` | 非空, **唯一** | 人类可读的事件ID |
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| `title` | `String` | 非空 | 反馈标题 |
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| `description` | `String` | | 问题详细描述 |
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| `pollution_type` | `String` | 非空, (ENUM) | 污染类型 (AIR, WATER, SOIL, NOISE) |
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| `severity_level` | `String` | 非空, (ENUM) | 严重程度 (LOW, MEDIUM, HIGH, CRITICAL) |
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| `status` | `String` | 非空, (ENUM) | 反馈状态 (PENDING_REVIEW, PROCESSED等) |
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| `text_address` | `String` | | 文字描述的地址 |
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| `grid_x` | `Number` | | 事发地网格X坐标 |
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| `grid_y` | `Number` | | 事发地网格Y坐标 |
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| `latitude` | `Number` | | 事发地纬度 |
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| `longitude` | `Number` | | 事发地经度 |
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| `submitter_id` | `Number` | 外键 (FK) -> users.id (可为空) | 提交者ID (公众提交时可为空) |
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| `attachments` | `Array` | | 附件列表 (包含文件路径等信息) |
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| `created_at` | `String` | 非空 | 记录创建时间 |
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| `updated_at` | `String` | 非空 | 记录最后更新时间 |
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##### `tasks.json` - 任务数据
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存储系统中所有工作任务的信息。
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| 字段名 | JSON数据类型 | 约束/说明 | 描述 |
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| ---------------- | --------------- | ------------------------ | ---------------------------------------- |
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| `id` | `Number` | **唯一标识**, 自增 | 任务的唯一标识符 |
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| `feedback_id` | `Number` | 外键 (FK) -> feedback.id (可为空) | 关联的原始反馈ID |
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| `assignee_id` | `Number` | 外键 (FK) -> users.id (可为空) | 任务执行人（网格员）ID |
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| `created_by` | `Number` | 外键 (FK) -> users.id | 任务创建人（主管）ID |
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| `status` | `String` | 非空, (ENUM) | 任务状态 (CREATED, ASSIGNED, IN_PROGRESS等) |
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| `title` | `String` | | 任务标题 |
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| `description` | `String` | | 任务详细描述 |
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| `pollution_type` | `String` | (ENUM) | 污染类型 |
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| `severity_level` | `String` | (ENUM) | 严重程度 |
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| `text_address` | `String` | | 任务地点文字描述 |
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| `grid_x` | `Number` | | 任务地点网格X坐标 |
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| `grid_y` | `Number` | | 任务地点网格Y坐标 |
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| `latitude` | `Number` | | 任务地点纬度 |
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| `longitude` | `Number` | | 任务地点经度 |
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| `assigned_at` | `String` | | 任务分配时间 |
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| `completed_at` | `String` | | 任务完成时间 |
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| `created_at` | `String` | 非空 | 记录创建时间 |
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| `updated_at` | `String` | 非空 | 记录最后更新时间 |
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| `deadline` | `String` | | 任务截止日期 |
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| `history` | `Array` | | 任务状态历史记录 |
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| `submissions` | `Array` | | 任务提交记录 |
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##### `grids.json` - 业务网格数据
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存储系统中定义的地理网格信息。
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| 字段名 | JSON数据类型 | 约束/说明 | 描述 |
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| --------------- | --------------- | ------------------- | ---------------------------------- |
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||
| `id` | `Number` | **唯一标识**, 自增 | 网格的唯一标识符 |
|
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| `grid_x` | `Number` | | 网格X坐标 |
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| `grid_y` | `Number` | | 网格Y坐标 |
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| `city_name` | `String` | | 所属城市 |
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| `district_name` | `String` | | 所属区县 |
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| `description` | `String` | | 网格描述信息 |
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| `is_obstacle` | `Boolean` | 默认 `false` | 是否为障碍物（如禁区） |
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| `created_at` | `String` | 非空 | 记录创建时间 |
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| `updated_at` | `String` | 非空 | 记录最后更新时间 |
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##### `assignments.json` - 任务分配记录数据
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存储任务分配的详细记录。
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| 字段名 | JSON数据类型 | 约束/说明 | 描述 |
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| ---------------- | --------------- | ------------------------ | -------------------------- |
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||
| `id` | `Number` | **唯一标识**, 自增 | 分配记录的唯一标识符 |
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| `task_id` | `Number` | 非空, 外键 (FK) -> tasks.id | 关联的任务ID |
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||
| `assigner_id` | `Number` | 非空, 外键 (FK) -> users.id | 分配者（主管）ID |
|
||
| `status` | `String` | 非空, (ENUM) | 分配状态 |
|
||
| `remarks` | `String` | | 分配备注 |
|
||
| `assignment_time`| `String` | 非空 | 分配时间 |
|
||
| `deadline` | `String` | | 任务截止日期 |
|
||
| `created_at` | `String` | 非空 | 记录创建时间 |
|
||
| `updated_at` | `String` | 非空 | 记录最后更新时间 | |