[发明专利]一种不规则区域中的网络拓扑结构可视化方法

说明书

本发明公开一种不规则区域中的网络拓扑结构可视化方法，针对目前的不规则区域内的拓扑结构布局，缺少有效解决方案的问题，本发明首先根据不规则区域的几何特征将区域分为若干部分，然后在每个部分中根据力导引的思想建立受力模型，在限制条件下进行多次迭代，使区域中心密集的节点向边角扩散，最终使得整个不规则区域中的节点布局均匀美观。

技术领域

本发明属于网络结构分析领域，特别涉及一种网络拓扑结构可视化技术。

背景技术

随着社会的发展，我们进入了信息爆炸的时代，关系数据网络的规模越来越大，传统的文本表示方法已经不能快速而准确的使得数据研究员可以快速了解并分析一个网络的结构信息，而网络拓扑可视化产生的拓扑图像却可以让数据研究员一目了然的观察网络拓扑的整体情况以及任何子结构的细节。网络拓扑可视化的布局包括逻辑布局与物理布局，逻辑布局主要是为了展示网络的逻辑结构，布局比较简单；物理布局不仅要展示出网络的逻辑结构，还要结合拓扑中点的位置信息，这有重要的现实意义。

当前的网络拓扑可视化领域最关注的主题仍然是网络节点布局效果符合美学标准，例如力导引布局算法、KK布局算法；这些传统的布局算法所存在的问题是他们都是将网络拓扑的节点在矩阵区域中自由的移动从而获取较好的网络拓扑布局效果。然而当结合节点的位置信息之后，拓扑的布局区域往往为不规则多边形，在不规则多边形中进行布局就会产生布局不均匀的问题：多边形中心区域节点密集而多边形的边角区域节点稀疏。

网络拓扑可视化对于人们获取网络结构信息具有十分重要的作用，传统的网络拓扑布局方法通常以计算机屏幕作为显示目标，拓扑布局区域是规则区域(如长方形屏幕，长方形软件窗口等)。但在实际使用中，通常需要在不规则区域内布局，如当拓扑结构和地理信息结合时，需要将拓扑结构布局到某个国家和地区的范围内，这个范围就是一个不规则的区域。对于不规则区域内的拓扑结构布局，目前还缺少相关的解决方案。

力导引拓扑布局算法由P.Eades于1984年提出，该方法参照了实际物理世界中分子之间的作用力模型：每个分子之间都存在引力从而拉近彼此间的距离，同时当距离过近时又会有巨大的引力从而维持彼此间的距离。这种物理模型可以保证分子之间维持稳定、清晰的结构。但是Eades对力导引布局算法的构建有一点不同，他将网络拓扑中的节点想象成一个钢圈，将拓扑中的边想象成一个弹簧。每个钢圈拥有一个初始位置，通过弹簧的拉伸将钢圈的位置改变从而保证整体的势能最小。因为力导引算法是参照于实际物理模型，因此它的可视化效果满足布局的美学要求，是当今逻辑布局中最经典的算法之一。

力导引拓扑布局算法主要规律如下：有边相连的节点他们之间的距离应适当靠近；网络拓扑中任意两个节点之间距离不能特别近。该方法受到了弹簧的胡克定律及宇宙中的万有引力的启发，对于相连的节点保证两点之间是具有吸引力的，而网络节点两两之间是存在斥力。但是力导引算法只是通过斥力和引力来计算节点之间移动的速率，而不像真实物理世界中还要考虑加速度。这点修改是非常重要的，因为如果考虑了加速度的存在，那么这个系统将是动态系统，节点的位置一直是变化的；而只考虑速度的话由于移动距离有限，节点的位置会在多次迭代之后趋于平衡。所以力导引布局算法的核心是计算节点之间的斥力引力。

在上文阐述过，由于当纯考虑力对节点产生的速度变化，这使得整体会在多次迭代之后趋于平衡，因此本算法会对一些步骤进行大量的迭代，所要进行迭代的步骤如下：

第一步，计算每个节点所受到的引力作用产生的位移向量，对于一个节点来说，只有与它有邻接关系的节点才对该节点具有引力作用；

第二步，计算每个节点所受到的斥力作用产生的位移向量，对于一个节点来说，可视化区域中的剩余节点均对该节点具有斥力作用。

在经过一定次数的迭代之后，网络拓扑会达到一个稳定的状态，在这个状态下，网络拓扑就会呈现出美观的可视化效果。

发明内容