Mô hình mô phỏng đa tác tử dự báo sự phát triển đô thị

Kỷ yếu Hội nghị KHCN Quốc gia lần thứ XIV về Nghiên cứu cơ bản và ứng dụng Công nghệ thơng tin (FAIR), TP. HCM, ngày 23-24/12/2021
DOI: 10.15625/vap.2021.0071

MƠ HÌNH MƠ PHỎNG ĐA TÁC TỬ DỰ BÁO SỰ PHÁT TRIỂN ĐÔ THỊ
Trần Nguyễn Minh Thư, Đỗ Thanh Nghị
Khoa CNTT-TT, Trường Đại học Cần Thơ
{tnmthu,dtnghi}@cit.ctu.edu.vn
TĨM TẮT: Các đơ thị Việt Nam đang trong quá trình hình thành và phát triển. Tuy nhiên, đô thị là một hệ thống phức hợp
được kết hợp từ rất nhiều yếu tố. Để có được những chính sách phát triển bền vững thì các nhà hoạch định cần phải đưa ra được
những kế hoạch mở rộng hợp lý cả về không gian lẫn thời gian. Trong bài viết này, chúng tơi đề xuất xây dựng mơ hình mô phỏng
đa tác tử nhằm hỗ trợ các nhà quản lý thực hiện các quy hoạch thành phố Cần Thơ. Mơ hình mơ phỏng dựa trên các yếu tố: mật độ
di chuyển của người, các tòa nhà thường tập trung xây dựng ở những vùng có mật độ xây dựng cao, ở những vùng gần với trung
tâm thương mại, nơi làm việc, trường học, gần với đường giao thông (sông, đường bộ, sân bay) và độ ưu tiên trong xây dựng căn cứ
bộ luật xây dựng năm 2014 của Việt Nam. Mơ hình được thực nghiệm trên dữ liệu của phường Tân Phú, quận Cái Răng và phường
An Bình, quận Ninh Kiều, thành phố Cần Thơ. Thực nghiệm cho thấy mơ hình dự báo sự phát triển đơ thị có kết quả khớp với sự
phát triển trong thực tế năm 2010.
Từ khóa: Mơ phỏng, mơ hình đa tác tử, đơ thị.

I. GIỚI THIỆU
Trong những năm qua, đô thị Việt Nam phát triển một cách mạnh mẽ trải đều trên khắp các vùng miền, trở
thành động lực cho sự phát triển kinh tế đất nước. Cả nước hiện có 772 đơ thị, trong đó có 2 đơ thị đặc biệt, 15 đơ thị
loại I, 14 đơ thị loại II [Tạp chí Quy hoạch xây dựng, 2014]. Hạ tầng xã hội đô thị như: các cơng trình cơng cộng như
bệnh viện, trường học, cơng viên, cơng trình văn hố đã được quan tâm đầu tư, nâng cao chất lượng sống của người
dân đô thị. Đô thị phát triển cả về quy mô dân số, diện tích đất đai và đầu tư xây dựng cơng trình hạ tầng đơ thị đạt các
quy định theo phân loại đô thị. Xây dựng và phát triển bền vững đô thị Việt Nam trong thời kỳ hội nhập là một nhiệm
vụ trọng tâm. Các địa phương đã ban hành quy hoạch xây dựng vùng tỉnh là căn cứ để phát triển hệ thống đô thị trên
địa bàn tỉnh, thành. Tuy nhiên, chúng ta đang đứng trước những thử thách lớn để có được một quy hoạch đơ thị khoa
học và hiệu quả:
• Giao thơng thường xun bị ách tắc gây thiệt hại lớn về kinh tế - xã hội.
• Dịch vụ phục vụ đời sống như giáo dục, y tế và không gian công cộng vừa thừa vừa thiếu. Trẻ em thiếu
trường học, bệnh viện quá tải cũng là chuyện thường xuyên xảy ra.

Thống kê của Quỹ dân số Liên Hiệp Quốc (UNFPA - United Nations Population Fund) cho thấy, hiện 25% cư
dân đô thị Việt Nam không đủ điều kiện sở hữu một căn nhà, 20% số căn nhà ở các đô thị được xếp vào loại không đạt
chuẩn [Dương Trọng Dật, 2014]. Tỷ lệ dân đô thị được cung cấp nước sử dụng, tỷ lệ thốt nước đơ thị cịn thấp, tình
trạng ngập úng cục bộ trong mùa mưa, ô nhiễm môi trường chậm khắc phục.
Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ thông tin, việc xây dựng mơ hình mơ phỏng trên máy tính là một
trong những phương pháp nhanh và hiệu quả để xác định tính khả thi của một đề án. Nhiều nghiên cứu, dự án trên thế
giới cũng như tại Việt Nam cũng bắt đầu ứng dụng mô phỏng trong những nghiên cứu về xã hội như mô phỏng hoạt
động giao thông của thành phố [Walid Chaker, 2009], hoạt động du lịch [Richard Beckman et al., 1996], mơ hình phát
triển dân số [Johan Barthelemy & Philippe Toint, 2013], mô phỏng mơ hình thuỷ văn, mơ phỏng sự ngập lụt trong
thành phố [Ngọc Long, 2013; Nguyễn Đăng Tính & Nguyễn Quốc Thái, 2014].
Chương trình Nâng cấp đơ thị Quốc gia từ năm 2009-2020 của Thủ tướng chính phủ (Quyết định số 758/QĐTTg/2009) đã cho thấy sự quan tâm đến việc phát triển đơ thị của nhà nước. Chương trình Nâng cấp đơ thị có mục tiêu
“trực tiếp hỗ trợ việc thực hiện định hướng quy hoạch tổng thể phát triển đô thị Việt Nam; nâng cao điều kiện sống của
người dân đô thị thông qua việc đầu tư cải thiện các dịch vụ hạ tầng kỹ thuật, hạ tầng xã hội và mơi trường đơ thị; xây
dựng hệ thống tiêu chí đánh giá, phân loại cơ sở hạ tầng kỹ thuật và hạ tầng xã hội của khu dân cư thu nhập thấp trong
đơ thị, tiêu chí phát triển và cải thiện mức sống cho từng đô thị.”
Xuất phát từ thực tiễn thành phố Cần Thơ rất cần có những quy hoạch hiệu quả để phát triển đồng bộ và bền
vững khi mở rộng không gian đô thị, chúng tôi tiến hành nghiên cứu mơ hình mơ phỏng để dự báo sự phát triển đô thị
của thành phố Cần Thơ. Mô hình xây dựng dựa dựa trên các yếu tố: mật độ di chuyển của người, các tòa nhà thường
tập trung xây dựng ở những vùng có mật độ xây dựng cao, ở những vùng gần với trung tâm thương mại, nơi làm việc,
trường học, gần với đường giao thông (sông, đường bộ, sân bay) và độ ưu tiên trong xây dựng căn cứ bộ luật xây dựng
năm 2014 của Việt Nam. Thực nghiệm trên bản đồ sử dụng đất của phường Tân Phú, quận Cái Răng và phường An
Bình, quận Ninh Kiều, thành phố Cần Thơ, cho thấy kết quả mô phỏng khớp với sự phát triển đô thị trong thực tế. Kết
quả này có thể hỗ trợ cho các quản lý trong công tác thực hiện quy hoạch phát triển thành phố Cần Thơ.
Trong Phần II, chúng tôi sẽ trình bày tổng quan về ứng dụng của mơ phỏng đối với q trình phát triển đơ thị,
mơ phỏng đa tác tử, đô thị và mô phỏng đô thị. Các thông tin về đô thị thành phố Cần Thơ, mô phỏng đa tác tử cho sự


292

MƠ HÌNH MƠ PHỎNG ĐA TÁC TỬ DỰ BÁO SỰ PHÁT TRIỂN ĐƠ THỊ

phát triển các tồ nhà ở, tồ nhà hành chính, trung tâm thương mại trong khoảng thời gian 2005 - 2010 được trình bày
chi tiết trong Phần III. Bài báo kết thúc bởi phần kết luận và hướng phát triển trong tương lai.
II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
A. Nghiên cứu mơ phỏng trong dự báo q trình phát triển đơ thị
Q trình phát triển đơ thị là một q trình phức tạp, đã có nhiều nghiên cứu trên thế giới cũng như trong nước
ứng dụng mô phỏng để tiếp cận giải quyết một hoặc một số vấn đề của sự phát triển đô thị. Một số nghiên cứu trên thế
giới có thể kể đến như: nghiên cứu của [Walid Chaker, 2009] đề xuất mơ hình hóa mơi trường đô thị ảo với tiếp cận
mô phỏng đa tác tử và dữ liệu khơng gian, để từ đó mơ phỏng hoạt động giao thông của thành phố. Kết quả nghiên cứu
hỗ trợ rất tốt cho quy hoạch phát triển đô thị của Canada. Nghiên cứu của nhóm [Johan Barthelemy & Philippe L.
Toint, 2013] đề xuất lớp mơ hình sinh dữ liệu phát triển dân số phát không cần lấy mẫu. Giải thuật được tiến hành ba
bước kế tiếp chính: sinh dữ liệu cá thể, kiểu hộ gia đình, hộ gia đình. Phương pháp được áp dụng để tạo mẫu dân số
khoảng 10.000.000 cá nhân và 4.350.000 hộ gia đình trên 589 đô thị của Bỉ, đạt được kết quả rất tốt. Nghiên cứu của
nhóm [Richard J. Beckman et al., 1996] đề xuất phát triển mơ hình hoạt động du lịch sử dụng mơ phỏng vi mơ
(microsimulation) có khảo sát du khách cá nhân và hộ gia đình. Nhóm tác giả đề xuất các phương pháp tạo quần thể
của các hộ gia đình dựa trên dữ liệu điều tra dân số năm 1990 tại Hoa Kỳ. Raimbault và cộng sự đã mơ tả một mơ hình
kết hợp giữa mơ hình hố và mô phỏng dựa trên tác tử và mô phỏng hình thái đơ thị. Mơ hình của các tác giả thực
nghiệm dựa trên dữ liệu thực tế của vùng Massy Atlantis thuộc khu vực ngoại ô thủ đô Paris vào năm 2012. Mục tiêu là
quan sát sự phát triển của các tồ nhà hành chính và khu dân cư.
Dự án Mơ hình thủy văn và Mơ phỏng sự phát triển đô thị là dự án đầu tiên được triển khai tại Đà Nẵng và cũng
là dự án đầu tiên được triển khai tại Việt Nam. Và đây cũng là một trong 5 dự án ISET (The Institute for Social and
Environmental Transition) đã nhận được tài trợ của Quỹ Rockefeller nằm trong khn khổ Chương trình Mạng lưới
các thành phố châu Á chống chịu với biến đổi khí hậu được thực hiện tại 10 thành phố trong 4 nước châu Á. Dự án
khởi động từ tháng 03/2011, đến nay dự án đã hoàn thành và đưa vào sử dụng. Dự án có tổng vốn đầu tư 224.884 USD.
Sở Xây dựng thành phố Đà Nẵng cho biết, kết quả nghiên cứu của đề án “Thiết lập mơ hình thủy văn, thủy lực và mơ
hình phát triển đơ thị” đã được ứng dụng vào thực tế, tác động hiệu quả về công tác quy hoạch và quản lý quy hoạch,
tạo ra cơ sở dữ liệu cập nhật và mở rộng về nguồn nước, nâng cao năng lực giải quyết các vấn đề phát triển và biến đổi
khí hậu. Việc hồn thành dự án đã tạo ra một bước phát triển trong công tác quản lý đơ thị tại Đà Nẵng góp phần nâng
cao hiệu quả quản lý nhà nước về lập, thẩm định, phê duyệt và quản lý quy hoạch, dự án đầu tư xây dựng phát triển đô
thị [Ngọc Long, 2013].

Theo quy hoạch tổng thể của TP. Hồ Chí Minh đến năm 2020 thì thành phố sẽ tiếp tục được mở rộng diện tích
ra phạm vi xung quanh và trở thành một đô thị tập trung hạng lớn. Tác giả Lương Văn Kiệt và Vũ Thanh Ca đã sử
dụng mô phỏng để nghiên cứu dự đoán những hạn chế khi phát triển đô thị gây tác động xấu đến môi trường không khí
mà nhất là đối với sự gia tăng cường độ của hiệu ứng đảo nhiệt đô thị. Kết quả đạt được cho thấy nhiệt độ của thành
phố tiếp tục gia tăng trong những thập niên tới. Sự gia tăng nhiệt độ xảy ra không những ở các khu vực sẽ phát triển
thành đơ thị mà cịn thể hiện ở khu vực đô thị cũ. Kết quả giúp cho các nhà quy hoạch đơ thị có thêm thơng tin trong
việc cân nhắc, phát triển đô thị [Luong Van Kiet & Vu Thanh Ca, 2010].
Bên cạnh việc mô phỏng tác động của sự phát triển đơ thị lên mơi trường khơng khí, thì việc mơ phỏng ngập lụt
đơ thị khu vực trung tâm Thành phố Hồ Chí Minh cũng được quan tâm và nghiên cứu bởi các tác giả Nguyễn Đăng
Tính (Đại học Thuỷ Lợi), Nguyễn Quốc Thái (Cơng ty Thốt nước đơ thị Thành phố Hồ Chí Minh). Các tác giả đã
nghiên cứu khu vực thoát nước Bắc Nhiêu Lộc và Nam Nhiêu Lộc trong tổng số 10 lưu vực thoát nước của Thành phố
Hồ Chí Minh, với tổng diện tích hơn 33 km2. Bộ mơ hình Mike Flood của tổ chức DHI Đan Mạch dựa trên mơ hình
hố thuỷ lực được các tác giả sử dụng. Đối với mô phỏng ngập lụt, các chỉ số thuỷ lực một chiều (dòng chảy khơng
áp), dịng chảy qua các hệ thống hầm ga và cống (dịng chảy có áp), dịng chảy tràn 2 chiều trên bề mặt địa hình được
sử dụng để xây dựng mơ hình mơ phỏng [Nguyễn Đăng Tính & Nguyễn Quốc Thái, 2014].
B. Mô phỏng đa tác tử
Ngày nay, hệ thống đa tác tử hay cịn gọi là mơ phỏng đa tác tử (Multi-Agent Based System) [Drogoul &
Gaudou, 2012] được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau và nó dần thay thế cho các kỹ thuật mơ phỏng vi
mô, mô phỏng dựa trên hướng đối tượng hay dựa trên từng cá thể đã sử dụng trước đây. Các tác tử có thể cho phép kế
thừa các thuộc tính, hành vi của các tác tử khác. Ví dụ: Tác tử tòa nhà được kế thừa từ các thuộc tính của các tác tử đất.
Do tính linh hoạt này mà mô phỏng đa tác tử được xem như sự lựa chọn hữu hiệu để mô phỏng cho hệ thống phức tạp
trong những năm gần đây. Mơ hình đa tác tử gồm 2 thành phần chính là tác tử và môi trường. Tác tử gồm hành vi phản
ứng và giao tiếp. “Giao tiếp” của một tác tử là việc gửi thông tin đến các tác tử khác trong hệ thống; “hành động” của
một tác tử là hành động thay đổi các tác tử khác, thay đổi môi trường hoặc thay đổi chính bản thân tác tử.
Tác tử (agent), có nhiều định nghĩa tác tử đã được hình thành trong quá trình phát triển. Đối với các nhà mơ
phỏng, tác tử có thể là một chương trình, mơ hình hay một cá nhân [Bonabeau, 2001], một số nhà nghiên cứu khác thì
nhấn mạnh khả năng thích ứng của các tác tử [Casti, J., 1997], trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng khái niệm tác tử
đinh nghĩa bởi [Drogoul & Gaudou, 2012]. “Tác tử” là hệ thống tính tốn hoạt động tự chủ trong một mơi trường nào
đó. Tác tử có khả năng cảm nhận môi trường và tác động vào môi trường. Bất cứ tác tử nào cũng tồn tại và hoạt động

Trần Nguyễn Minh Thư, Đỗ Thanh Nghị

293

trong một môi trường nhất định. Đối với các tác tử là chương trình phần mềm, môi trường hoạt động thông thường là
các máy tính hoặc mạng máy tính. Việc cảm nhận mơi trường và tác động được thực hiện thông qua các lời gọi hệ
thống. Một tác tử có thể được thiết kế để hoạt động trong nhiều dạng môi trường khác nhau. Một yêu cầu quan trọng
đối với tác tử là “tính tự chủ” nghĩa là khả năng các tác tử hành động không cần đến sự can thiệp trực tiếp của người
hay các tác tử khác: tác tử hồn tồn có khả năng kiểm soát trạng thái cũng như hành vi của mình trong một thời gian
tương đối dài. Một số các tác giả định nghĩa tính tự chủ rộng hơn, chẳng hạn yêu cầu tác tử phải có khả năng tự học.
Môi trường (environment) [Drogoul & Gaudou, 2012] là nơi chứa các tác tử, các tài nguyên, là một phần thiết
yếu của hệ đa tác tử. Môi trường trong một đa tác tử có thể phục vụ cho nhiều chức năng như: nhận thức, di chuyển,
định vị của các tác tử. Mơi trường có thể được định nghĩa như là tập hợp những thông tin mà các tác tử sẽ tác động và
biến đổi trong q trình mơ phỏng.
Bộ mơ phỏng: là một chương trình tin học hay cịn gọi là một hệ nền (platform) có khả năng thơng dịch những
mơ hình động và được sử dụng để sinh ra những biến đổi (xáo trộn) mong muốn trên những mô hình này. Hiện nay có
4
rất nhiều bộ mơ phỏng khác nhau như Netlogo 1, Repast 2, Manson 3. Trong nghiên cứu này GAMA 1.6.1 (Hệ nền
GAMA - Gis & Agent-based Modelling Architecture) sẽ được dùng để làm bộ mô phỏng do các ưu điểm: Phần mềm tự
do nguồn mở, tích hợp ngơn ngữ mơ hình hóa GAML và mơi trường phát triển thân thiện dễ sử dụng cho người dùng,
hỗ trợ cơng cụ cho phân tích mơ hình, hỗ trợ nhiều các mơ hình mơ phỏng đa tác tử.
0F

1F

2F

3F

C. Đơ thị
Đô thị là nơi tập trung dân cư đông đúc sinh sống bằng các ngành nghề phi nông nghiệp. Đô thị là tên chung của
thành phố, thị xã, thị trấn là trung tâm của một vùng lãnh thổ. Đô thị tại Việt Nam được định nghĩa là khu vực tập trung
dân cư sinh sống có mật độ cao và chủ yếu hoạt động trong lĩnh vực kinh tế phi nông nghiệp, là trung tâm chính trị,
kinh tế, hành chính, văn hóa, có vai trị thúc đẩy sự phát triển kinh tế - xã hội của quốc gia hoặc một vùng lãnh thổ, một
địa phương, bao gồm nội thành, ngoại thành của thành phố [Lê Quang Trí, 2015].
Khi đề cập đến sự phát triển một đô thị, ta cần quan tâm đến các yếu tố như hiện trạng đô thị, mô hình phát triển
của đơ thị và quy hoạch phát triển đơ thị của thành phố. Hiện trạng đơ thị có thể đưa vào q trình mơ phỏng thơng qua
bản đồ sử dụng đất (GIS - Geographic Information System), các lớp đường, sơng, nhà ở, hành chính; Mơ hình đơ thị và
quy hoạch đô thị được đưa vào trong mô phỏng dưới dạng các luật từ sự phân tích các quy luật phát triển. Một trong
những mơ hình đơ thị đầu tiên, có thể kể đến mơ hình của học giả Von Thunen. Von Thunen vốn là chủ đất ở thế kỉ 19,
ông quan sát quy luật trong cách tổ chức giữa đơ thị và nơng thơn. Vào thời kỳ đó, thành phố được cung cấp thực phẩm
từ các vùng nông thơn, ơng vạch ra các vịng trịn nơng nghiệp đồng tâm vịng quanh thành phố, các vịng trịn nơng
nghiệp có đặc trưng là chuyển dần từ thâm canh sang quảng canh và ngồi đầu mút ngoại vi là đất khơng canh tác. Với
những quan sát đó, ơng cho rằng giá trị của đất phụ thuộc vào khoảng cách từ mảnh đất đó đến thị trường đầu ra chứ
khơng phải phụ thuộc vào độ màu mỡ của đất [Đỗ Hoài Nam & Stéphane Largrée, 2015].

Hình 1. Mơ hình đơ thị của Christalle

Mơ hình đơ thị của Walter Christaller [Christaller, 1966], một trong những mơ hình phù hợp với đơ thị hiện nay
dựa trên mơ hình cơ bản của Von Thunen. Christaller đề ra trật tự đơ thị (Hình 1), khi bạn ở trong một đô thị nhỏ, bạn
sẽ mua các sản phẩm thông thường hằng ngày nếu sản phẩm càng hiếm thì quy mơ đơ thị càng lớn. Người tiêu dùng sẽ
giảm được chi phí đi lại và ưu tiên các đơ thị gần hơn, các nhà sản xuất sẽ có xu hướng phân bổ một cách đều đặn.
Không gian mang tính đồng bộ, người tiêu dùng có cùng chung hành vi là mua hàng với giá rẻ nhất, cạnh tranh mang
tính hồn hảo, ơng cho rằng chi phí vận chuyển hàng hóa do người tiêu dùng chi trả thường là người tiêu dùng sống
ngồi phạm vi đơ thị. Chi phí vận chuyển được tính trong chi phí bán sản phẩm [Đỗ Hoài Nam & Stéphane Largrée,
2015].

1

/> />3
/>4
/>2


MƠ HÌNH MƠ PHỎNG ĐA TÁC TỬ DỰ BÁO SỰ PHÁT TRIỂN ĐƠ THỊ

294

D. Mơ hình đa tác tử cho mô phỏng sự phát triển thành phố Cần Thơ
Chúng tôi đề xây dựng mơ hình mơ phỏng sự phát triển đô thị tại thành phố Cần Thơ, dựa trên nghiên cứu của
các tác giả [Raimbault et al., 2014]. Mơ hình mô phỏng sự phát triển của đô thị cần tuân theo các quy tắc để tạo sự tăng
trưởng đô thị khớp với sự tăng trưởng trong thực tế. Quy tắc cơ bản này chính là cách sử dụng đất có tác động sớm đến
khả năng di chuyển của tác tử “con người” và việc “di chuyển” này lại tác động dài hạn đến việc sử dụng đất. Ví dụ
như, nếu xố bỏ các tồ nhà ra khỏi hệ thống thì khả năng “di chuyển” của tác tử “con người” bị ảnh hưởng ngay lập
tức, nhưng các cá nhân có thể phải gặp khó khăn trong di chuyển một thời gian dài thì mới đưa ra quyết định chuyển
đến nơi ở mới. Từ những phân tích này, chúng ta có thể thấy rằng có 3 quy luật vận động của các khu nhà ở như sau:
­ Xu hướng xây dựng thêm các khu dân cư có mật độ dân cư đơng đúc.
­ Xu hướng không quá xa các “dịch vụ”.
­ Xu hướng kết nối với những khu dân cư khác (gần đường giao thơng, sơng).
Ngồi 3 quy luật trên, chúng ta cũng cần kết hợp với việc nghiên cứu Bộ luật Xây dựng năm 2014 của Việt Nam
để phù hợp với tình hình thực tiễn của Việt Nam. Dựa vào khoản 3, Điều 12 “các hành vi nghiêm cấm” của Bộ luật
Xây dựng 2014 của nước Cộng hòa Xã hội chủ nghĩa Việt Nam: “Xây dựng cơng trình trong khu vực cấm xây dựng;
xây dựng cơng trình lấn chiếm hành lang bảo vệ cơng trình quốc phịng, an ninh, giao thơng, thủy lợi, đê điều, năng
lượng, khu di tích lịch sử- văn hóa và khu vực bảo vệ cơng trình khác theo quy định của pháp luật; xây dựng cơng trình
ở khu vực đã cảnh báo về nguy cơ lở đất, lũ qt lũ ống, trừ cơng trình xây dựng để khắc phục những hiện tượng này”
để xác định thứ tự ưu tiên trong quá trình xây dựng. Với điều khoản này, hệ thống mô phỏng tuân theo 4 mức độ ưu
tiên xây dựng như sau:
­
­

­
­

Mức 1: Cơng trình quốc phịng, an ninh.
Mức 2: Khu di tích lịch sử - văn hóa.
Mức 3: Trường học, khu thương mại.
Mức 4: Khu dân cư.

Kết hợp lý thuyết mô phỏng sự phát triển đô thị và Điều 12 của Luật Xây dựng năm 2014, mức độ ưu tiên xây
dựng của các cơng trình, tạo thêm một quy luật là thứ tự ưu tiên trong xây dựng.
Dựa trên 4 quy luật trên, chúng ta có thể định nghĩa hàm xây dựng của các tác tử theo cơng thức sau:
trong đó:

Constructability = (w1 x C1 + w2 x C2 + w3 x C3 + w4 x C4)/ (w1 + w2 + w3 + w4)
C1: mật độ dân cư.
C2: khoảng cách đến các dịch vụ.
C3: khoảng cách đến đường/sông.
C4: thứ tự ưu tiên xây dựng.
w1, w2, w3, w4 là các trọng số.

(1)

Mơ hình đa tác tử mơ phỏng sự phát triển đô thị được chia làm hai nhóm tác tử: một số tác tử được tạo ngay từ
đầu trong dữ liệu bản đồ; tác tử được tính tốn và sinh ra trong q trình mơ phỏng. Các tác tử trong thực nghiệm này
này được mô tả như Hình 2. Các tác tử được hình thành khi khởi tạo mơ hình dựa trên bản đồ hiện trạng sử dụng đất
của phường Tân Phú và phường An Bình, thành phố Cần Thơ năm 2005 bao gồm: đường, sông, các tồ nhà đã hình
thành và các khu vực xây dựng dự kiến mở rộng là tất cả các diện tích cịn trống trừ sơng và đường. Các tác tử xây
dựng thêm trong các khu vực xây dựng mới gồm có khu dân cư (màu xanh lá cây), trung tâm thương mại (màu vàng
đậm), khu vực tơn giáo (màu tím đậm) và khu vực giáo dục (màu đỏ) (Hình 2).

Hình 2. Các tác tử xây dựng trong mơ hình mơ phỏng

III. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM
A. Chuẩn bị dữ liệu
Dữ liệu sử dụng để thực nghiệm dựa trên bản đồ hiện trạng sử dụng đất của hai phường Tân Phú và An Bình,
thành phố Cần Thơ. Diện tích của phường Tân Phú tương đối nhỏ và khơng có nhiều dân cư (8,07 km2) với dân số năm


Trần Nguyễn Minh Thư, Đỗ Thanh Nghị

295

2004 là 6383 người. Diện tích của phường An Bình tương đương diện tích phường Tân Phú: 7,53 km² nhưng mật độ
dân số cao hơn 1689 người/km² năm 2007. Trên thực tế, phường An Bình là nơi có nhiều biến động và phát triển ở Cần
Thơ trong những năm qua, nên chúng tôi phân tích kết quả của mơ hình dựa trên thơng tin của phường An Bình. Dựa
vào thơng tin giới thiệu chi tiết trong bản đồ hiện trạng năm 2005 của phường An Bình (Hình 3): các đường màu vàng
nhạt và xanh dương biểu diễn cho đường và sông; các khối màu tím đậm thể hiện các khu vực tơn giáo (chùa, nhà thờ);
khối màu vàng đậm thể hiện các trung tâm thương mại, chợ; khối màu đỏ thể hiện các khu vực giáo dục; khối màu
xanh lá cây và đen nằm dọc các con đường là nhà cửa, khu dân cư.

Hình 3. Bản đồ hiện trạng đất phường An Bình năm 2005

B. Chương trình
Chúng tơi sử dụng hệ nền GAMA (Gis & Agent-based Modelling Architecture) được phát triển bởi Drogoul và
các cộng sự ( để thực hiện các thực nghiệm mô phỏng sự phát triển của thành phố Cần Thơ.
GAMA là một phần mềm tự do nguồn mở, cho phép xây dựng mơ hình phức cho phép tích hợp nhiều dữ liệu để lồng
ghép các hành vi của các tác tử và quan sát các mơ hình thực tế. Việc tích hợp các dữ liệu địa lý và phương pháp phát
triển mơ hình đa cấp độ ứng với các tác tử và các hành vi.
C. Kết quả mô phỏng
Hệ thống mô phỏng lấy thông tin từ dữ liệu bản đồ thông qua các tập tin *.shp, khởi tạo tác tử theo thông tin

khu dân cư, khu vực thương mại, khu vực quân sự, khu vực giáo dục và các hệ thống giao thơng đường bộ và đường
thuỷ. Mơ hình mơ phỏng đa tác tử mô phỏng sự phát triển của các đô thị bao gồm nhiều tác tử tương tác qua lại lẫn
nhau. Mỗi tác tử sẽ có những thuộc tính và các “hành động” tác động lên môi trường.
Trong nghiên cứu này, tác tử đường và sông là các tác tử chỉ thể hiện và phân biệt bởi màu sắc, hai tác tử này
không thay đổi hiện trạng trong suốt q trình mơ phỏng. Tác tử “World” được định nghĩa như tác tử “mơi trường” của
q trình mơ phỏng, tác tử này chứa tất cả các tác tử còn lại: tác tử đường, sông, khu vực xây dựng, khu dân cư, khu
trung tâm thương mại, khu vực tôn giáo, khu vực giáo dục. Tác tử “World” thực hiện gọi và khởi tạo tất cả các tác tử
trong hệ thống, các hành động/phản xạ của tác tử này được thực hiện đều đặn ở mỗi bước lặp trong q trình mơ
phỏng. Mỗi bước lặp của mơ hình được tính là 6 tháng. “Hành động” của tác tử này bao gồm khởi tạo các tác tử, hàm
tính giá trị đất xây dựng cho các tác tử, kiểm tra khoảng đất trống và xây dựng trong các khu vực xây dựng, nhằm cung
cấp tính động của mơ hình. Để tính tốn giá trị của một khu vực, theo cơng thức đã trình bày ở trên, ta cần dựa vào 4
yếu tố cơ bản: mật độ dân cư, khoảng cách đến các dịch vụ, khoảng cách đến đường/sông, thứ tự ưu tiên xây dựng. Tác
tử “Khu vực xây dựng” sẽ cho phép xây dựng các loại hình: khu dân cư, khu vực thương mại, khu vực tôn giáo, khu
vực giáo dục, khu vực quân sự.


296

MƠ HÌNH MƠ PHỎNG ĐA TÁC TỬ DỰ BÁO SỰ PHÁT TRIỂN ĐƠ THỊ

Hình 4. Các tham số tuỳ chỉnh trước khi bắt đầu mô phỏng

Các tham số trong mô phỏng bao gồm: Trọng số cho mật độ dân cư (weight for the density), trọng số cho
khoảng cách đến các dịch vụ (weight for the distance to center), trọng số cho khoảng cách đến đường/sông (weight for
the distance to roads). Các trọng số được phép tuỳ chỉnh: thứ tự ưu tiên của các loại hình xây dựng (khu dân cư; khu
thương mại và giáo dục; khu vực tôn giáo; khu quốc phịng, an ninh). Để tìm ra mơ hình tối ưu, người dùng có thể tuỳ
chỉnh tham số và trọng số trước khi thực hiện mơ phỏng (Hình 4).

Hình 5. Bản đồ mơ phỏng phường An Bình năm 2010

Kết quả của q trình mơ phỏng sau 5 năm được thể hiện thơng qua bản đồ phường An Bình (Hình 5), nhà cửa,
khu dân cư phát triển thêm dọc các con đường và các nhánh sông cũng như phát triển dày đặc hơn ở những trung tâm
mua sắm. Sự phát triển của các khu dân cư này cũng gần khớp với bản đồ hiện trạng sử dụng đất thực tế năm 2010 của
phường An Bình (Hình 6). Chi tiết về kết quả dự báo, mơ hình mơ phỏng đã dự báo số toà nhà vào năm 2010 là 9000
trong khi số toà nhà trong thực tế là 9089. Tỷ lệ lỗi tuyệt đối của mơ hình dự báo là 89 trên 9089 toà nhà.
Từ kết quả nghiên cứu này, các nhà quản lý và quy hoạch đơ thị có thể thực hiện các nghiên cứu quy hoạch sự
phát triển đô thị, lựa chọn các mơ hình phát triển phù hợp dựa vào kết quả dự đốn của mơ hình mơ phỏng. Nhờ đó, họ
có thể tránh được các sai lầm trong quy hoạch. Họ có thể thực hiện các quy hoạch chiến lược cho sự phát triển của đô
thị. Các nhà quy hoạch có thể đưa ra kế hoạch phát triển thêm các con đường cũng như những trung tâm giáo dục, văn
hố, tơn giáo phù hợp với mật độ dân cư mà không phải đợi đến khi quá đông dân mới bắt đầu xây dựng các con đường
vừa đảm bảo kịp thời vừa đảm bảo khơng q tốn kinh phí bồi thường.


Trần Nguyễn Minh Thư, Đỗ Thanh Nghị

297

Hình 6. Bản đồ thực tế phường An Bình năm 2010

IV. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN
Trong bài viết này, chúng tôi đề xuất xây dựng mơ hình mơ phỏng đa tác tử nhằm hỗ trợ các nhà quản lý thực
hiện các quy hoạch thành phố Cần Thơ. Mơ hình mơ phỏng đa tác tử được sử dụng nhằm mơ phỏng q trình phát triển
của phường Tân Phú giai đoạn phát triển từ 2005 đến 2010. Q trình mơ phỏng dựa trên các yếu tố: mật độ dân cư,
các tòa nhà thường tập trung xây dựng ở những vùng có mật độ xây dựng cao, ở những vùng gần với trung tâm thương
mại, nơi làm việc, trường học, gần với đường giao thông (sông, đường bộ, sân bay) và quy định ưu tiên về xây dựng
của bộ luật xây dựng năm 2014. Kết quả thực nghiệm trên dữ liệu của phường Tân Phú, quận Cái Răng và phường An
Bình, quận Ninh Kiều, thành phố Cần Thơ cho thấy mơ hình dự báo sự phát triển đô thị khớp với sự phát triển trong
thực tế năm 2010.
Trong tương lai, mơ hình mơ phỏng cần bổ sung thêm các quy luật khác, ví dụ như sự gia tăng dân số, thông tin
sử dụng đất, vào trong q trình mơ phỏng. Nghiên cứu so sánh kết quả của các mơ hình mơ phỏng khác nhau trên các

phần mềm mô phỏng khác như Netlogo, Repast, Manson sẽ được bổ sung.
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Christaller, W., Central Places in Southern Germany, Trad. par C. Baskin, Prentice Hall, de : Die zentralen Orte in
Süddeutschland. Eine ökonomisch- geographische Untersuchung über die Gesetzmäbigkeit der Verbreitung und
Entwicklung der Siedlungen mit städtischen Funktionen, Jena, Fischer Verlag (1933), 1966.
[2] Lê Quang Trí, Giáo trình Quy hoạch và phát triển đô thị. Nhà xuất bản Đại học Cần Thơ, 2015.
[3] Lê Tấn Hùng, Từ Minh Phương và Huỳnh Quyết Thắng. Tác tử - Công nghệ phần mềm hướng tác tử. Nhà xuất
bản Khoa học và Kỹ thuật, 2006.
[4] Bonabeau, E., Agent-based modeling: methods and techniques for simulating human systems. Proceedings of
National Academy of Sciences 99(3): 7280-7287, 2001.
[5] Casti, J., Would-be worlds: how simulation is changing the world of science, New York: Wiley, 1997.
[6] Chaker, W., Proulx, M. J., Moulin, B., Bédard, Y. Modélisation, Modélisation, simulation et Analyse
d’Environnements Urbains Peuplés. Approche multi-agent pour l’étude des déplacements multimodaux. Revue
Internationale de Géomatique, pp. 413-441, 2009.


298

MƠ HÌNH MƠ PHỎNG ĐA TÁC TỬ DỰ BÁO SỰ PHÁT TRIỂN ĐÔ THỊ

[7] Charles M. Macal and Michael J. North, Agent-based modeling and simulation: ABMS examples. Proceedings of
the 40th Conference on Winter Simulation (WSC '08), Scott Mason, Ray Hill, Lars Mönch, and Oliver Rose (Eds.).
Winter Simulation Conference 101-112, 2008.
[8] Johan Barthelemy and Philippe L. Toint, Synthetic population generation without a sample. Transportation
Science 47, pp. 266-279, 2013.
[9] Lương Văn Kiệt, Vũ Thanh Ca, Mô phỏng sự thay đổi nhiệt độ Thành phố Hồ Chi Minh theo quy hoạch đô thị đến
năm 2010. Tạp chí Phát triển KH&CN, tập 13, số M1, pp. 5-13, 2010.
[10] Nguyễn Đăng Tính và Nguyễn Quốc Thái, Mô phỏng ngập lụt đô thị khu vực trung tâm Thành phố Hồ Chí Minh.
Tuyển tập Hội nghị khoa học thường niên, 2014.
[11] Richard J. Beckman, K. A. Baggerly, and M. D. McKay, Creating synthetic baseline populations. Transportion

Research Part A Policy and Practice, 30(6), pp. 415 429, 1996.
[12] Wolfram, Stephen, Statistical Mechanics of Cellular Automata. Reviews of Modern Physics 55 (3), pp. 601-44,
1983.
[13] Raimbault and al, A Hybrid Network/Grid Model of Urban Morphogenesis and Optimization, ICCSA 2014,
Normandie University, Le Havre, Franc, pp. 51-60, 2014.
[14] Đỗ Hoài Nam, Stéphane Largrée, Phát triển đô thị bền vững. Nhà xuất bản Tri thức, 2015.
[15] Drogoul, A, et B. Gaudou, Méthodes informatiques de modélisation à base d’agents in LAGREE, S. (ed.
scientifique), Collection Conférences et Séminaires, No8, AFD-ÉFEO, 2012.
[16] Quốc hội nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam. Luật Xây dựng 2014, Nhà xuất bản Lao động - Xã hội, 2015.
[17] Tổng cục Thống kê, Niên giám thống kê 2015. Nhà xuất bản Thống kê, Hà Nội, 2016.
[18] Tổng cục Thống kê, Niên giám thống kê 2004. Nhà xuất bản Thống kê, Hà Nội, 2005.
[19] Dương Trọng Dật, Phát triển đô thị bền vững. />27/02/2014.
[20] Ngọc Long, Hồn thành Dự án Mơ hình thủy văn và mơ phỏng sự phát triển đơ thị.
2013.
[21] Tạp chí Quy hoạch xây dựng, “Thực trạng đơ thị hóa, phát triển đơ thị & những u cầu cần đổi mới tại Việt
Nam”. Từ “ số 70/2014.

MULTI-AGENT SIMULATION MODEL FOR URBAN DEVELOPMENT
Minh Thu Tran Nguyen, Thanh Nghi Do
ABSTRACT: Vietnam’s urbanization has been formated and developed. However, a city is a complex- system which is a
combination of many factors. To obtain the sustainable development policies, urban planners need to have a good plan to expand
reasonably both in space and time. In this paper, we propose to build a multi-agent simulation model to support managers in
implementing Can Tho City plans. The simulation model is based on the following factors: density of people's movement, buildings
are usually built in areas with high construction density, in areas close to commercial centers, workplaces, schools. education,
proximity to roads (rivers, roads, airports) and priority in construction based on Vietnam's 2014 construction code. The model is
evaluated on data of Tan Phu ward, Cai Rang district and An Binh ward, Ninh Kieu district, Can Tho city. Experiments show that
the urban development forecasting model has the same results as the real development in 2010.