LUẬN VĂN: XÂY DỰNG VÀ ĐÁNH GIÁ MỘT HỆ THỐNG MÔ PHỎNG GIAO THÔNG VIỆT NAM docx

1


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Ngô Đức Hải

XÂY DỰNG VÀ ĐÁNH GIÁ MỘT HỆ THỐNG
MÔ PHỎNG GIAO THÔNG VIỆT NAM



KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Công nghệ Thông tin







HÀ NỘI - 2010
2

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ

Ngô Đức Hải

XÂY DỰNG VÀ ĐÁNH GIÁ MỘT HỆ THỐNG
MÔ PHỎNG GIAO THÔNG VIỆT NAM



KHOÁ LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC HỆ CHÍNH QUY

Ngành: Công nghệ Thông tin
Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS. Bùi Thế Duy







HÀ NỘI - 2010
i

TÓM TẮT KHOÁ LUẬN
Từ lâu, việc phát triển một hệ thống mô phỏng giao thông đã được nhiều nhà nghiên
cứu trên thế giới quan tâm và đã đạt được một số thành tựu nhất định. Những thành tựu
này cũng đã đóng góp phần nào vào sự phát triển của hệ thống giao thông ở các nước tiên
tiến. Tuy nhiên, việc ứng dụng các thành tựu này vào giao thông Việt Nam là rất khó
khăn do cơ sở vật chất, cơ sở h
ạ tầng giao thông của nước ta có nhiều khác biệt, cùng với
đó là sự khác nhau về các loại phương tiện tham gia giao thông và ý thức của người tham
gia giao thông. Vì vậy việc nghiên cứu một hệ thống mô phỏng giao thông thích hợp với
Việt Nam là rất cần thiết và đã được chúng tôi chọn làm đề tài để thực hiện khóa luận
này.

Đầu tiên, chúng tôi sẽ đưa ra một số cơ sở lý thuyết cho việc mô phỏng giao thông.
Trong số đ
ó chúng tôi sẽ đi sâu vào phương pháp mô phỏng dựa trên agent, một công
nghệ rất thích hợp để mô phỏng một mô hình có sự tương tác cá thể - cá thể và cá thể -
môi trường giống như mô hình giao thông. Cuối cùng, chúng tôi sẽ trình bầy về hệ thống
mô phỏng giao thông Việt Nam mà chúng tôi đã nghiên cứu và xây dựng và các kết quả
đạt được qua quá trình này.
ii

LỜI CÁM ƠN
Đầu tiên, em xin gửi lời cám ơn tới các thầy cô của trường Đại học Công Nghệ - Đại
học Quốc Gia Hà Nội đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo em trong quá trình học tập và làm
việc những năm học vừa qua.
Em xin gửi lời cám ơn chân thành tới Phó Giáo sư Tiến sĩ Bùi Thế Duy, người đã
tận tình hướng dẫn em trong suốt thời gian thực hiện khóa luận.
Em vô cùng biết ơn b
ố mẹ, những người đã có công sinh thành, nuôi dậy và luôn
luôn tin tưởng, ủng hộ em. Em cũng xin gửi lời cám ơn tới các anh chị em và mọi người
trong gia đình cùng bạn bè vì đã luôn tin cậy, động viên và giúp đỡ em trong cuộc sống.

Hà Nội, ngày 2 tháng 5 năm 2010
Sinh viên


Ngô Đức Hải

iii

MỤC LỤC
MỞ ĐẦU 1

CHƯƠNG 1: MÔ PHỎNG GIAO THÔNG 3
1.1. Giới thiệu 3
1.2. Hệ thống mô phỏng giao thông trực quan 4
1.2.1. Mô hình hệ thống giao thông 5
1.2.2. Mô hình điều khiển sự di chuyển các xe trên đường 5
1.2.3. Mô hình thống kê 6
1.3. Mô phỏng xe thông minh trên đường cao tốc 6
1.3.1. Mô hình mạng lưới đường cao tốc 7
1.3.2. Mô hình xe cộ 8
1.4. Hệ thống mô phỏng đèn giao thông 9
1.5. Kết luận 10
CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH DỰA TRÊN AGENT 11
2.1. Agent và hệ thống đa agent 11
2.1.1. Agent 11
2.1.2. Hệ thống đa agent – MAS 12
2.2. Mô hình dựa trên agent 13
2.2.1. Khái niệm về mô hình dựa trên agent – ABM 13
2.2.2. Sự khác nhau giữa agent và đối tượng 14
2.2.3. Một số ứng dụng của ABM 14
2.2.4. Cách xây dựng một ABM 15
2.3. Kết luận 15
CHƯƠNG 3. HỆ THỐNG MÔ PHỎNG GIAO THÔNG VIỆT NAM SỬ DỤNG MÔ
HÌNH DỰA TRÊN AGENT 16

3.1. Một số đặc điểm của giao thông Việt Nam 16
3.2. Các ý tưởng xây dựng hệ thống 16
3.2.1. Xây dựng hệ thống đường xá 17
3.2.2. Xây dựng agent đóng vai trò người tham gia giao thông 20
3.3. Mô tả hệ thống 24
iv

3.3.1. Các thành phần chính của hệ thống 24

3.3.2. Các thuật toán được sử dụng 28
3.4. Cài đặt hệ thống mô phỏng 34
3.5. Giới thiệu chương trình mô phỏng 36
3.5.1. Chế độ thiết kế 36
3.5.2. Chế độ mô phỏng 40
3.6. Một số thử nghiệm và nhận xét 41
3.6.1. Một số thử nghiệm 42
3.6.2. Nhận xét các thử nghiệm 46
CHƯƠNG 4. TỔNG KẾT 47
4.1. Kết luận 47
4.2. Hướng phát triển và mở rộng 47
Tài liệu tham khảo 49
v

MỘT SỐ THUẬT NGỮ

MAS
Multi-Agent System Hệ thống đa Agent
ABM
Agent-Based Modeling Mô hình dựa trên Agent
vi

DANH SÁCH HÌNH VẼ & BẢNG BIỂU
Hình 1-1: Hệ thống mô phỏng giao thông trực quan 4
Hình 1-2: Chức năng thống kê của của hệ thống mô phỏng trực quan 4
Hình 1-3: Hệ thống mô phỏng đường cao tốc 7
Hình 1-4: Mô tả cấu tạo đoạn đường cao tốc 8

Hình 1-5: Hệ thống mô phỏng đèn giao thông 9
Hình 2-1: Ưu việt của agent so với đối tượng 14
Hình 3-1: Chia một ngã tư gồm nhiều tuyến đường thành các vùng đơn giản 17
Hình 3-2: Vùng ở giữa ngã tư chứa nhiều tuyến đường khác nhau 18
Hình 3-3: Các lối vào, lối ra và các đoạn đương trong một vùng 18
Hình 3-4: 16 đoạn đường ở vùng giữa ngã tư 19
Hình 3-5: Thuộc tính vận tốc an toàn ảnh hưởng đến cách lái xe của các agent 23
Hình 3-6: Thuộc tính thời gian dự tính ảnh hưởng đến cách lái xe của các agent 24
Hình 3-7: Biểu đồ mô tả các thành phần của hệ thống và mối quan hệ của chúng 25
Hình 3-8: Thuật toán tính toán di chuyển của agent 29
Hình 3-9: Agent lập kế hoạch lý tưởng trên đường dài và thẳng 30
Hình 3-10: Thuật toán xây dựng kế hoạch di chuyển lý tưởng của agent 31
Hình 3-11: Agent lập kế hoạch di chuyển lý tưởng trên hệ thống đường bất kỳ 31
Hình 3-12: Agent cảm nhận được va chạm với agent khác 32
Hình 3-13: Agent hình dung vị trí của agent khác ở các thời điểm dịch chuyển 33
Hình 3-14: Thuật toán kiểm tra va chạm nếu di theo chuyển theo kế hoạch lý tưởng 33
Hình 3-15: Agent kiểm tra lựa chọn đánh lái để tránh va chạm 34
Hình 3-16: Giao diện chương trình ở chế độ thiết kế 37
Hình 3-17: Ghép các vùng đường với nhau để tạo thành hệ thống đường xá tùy ý 38
Hình 3-18: Hộp thoại chọn các thành phần đường dựng sẵn 38
vii

Hình 3-19: Hộp thoại tùy chọn số người tham gia giao thông 39

Hình 3-20: Hộp thoại tùy chọn các thuộc tính của người lái 39
Hình 3-21: Giao diện chương trình ở chế độ mô phỏng 40
Hình 3-22: Thử nghiệm mô phỏng tại môt ngã tư có bùng binh 41
Hình 3-23: Thử nghiệm mô phỏng với 80 người 43
Hình 3-24: Thử nghiệm mô phỏng với 120 người 44
Hình 3-25: Thử nghiệm mô phỏng với 160 người 45

Bảng 3-1: Thuộc tính của các người lái 42

Bảng 3-2: Thử nghiệm mô phỏng với 80 người 43
Bảng 3-3: Thử nghiệm mô phỏng với 120 người 44
Bảng 3-4: Thử nghiệm mô phỏng với 160 người 45
1

MỞ ĐẦU
Đối với mọi quốc gia, giao thông là một bộ phận trong kết cấu hạ tầng, có ảnh
hưởng trực tiếp đến sự phát triển kinh tế - xã hội. Ở các nước phát triển, việc phát triển hệ
thống giao thông luôn được đầu tư những khoản chi phí khổng lồ. Bên cạnh đó, các nhà
quy hoạch luôn có một tầm nhìn chiến lược, định ra được kế hoạch rõ ràng trong việc xây
dựng các hệ thố
ng giao thông. Nhờ vậy mà hệ thống giao thông của những nước này rất
phát triển, tạo cơ sở thuận lợi cho sự phát triển của kinh tế và xã hội. Còn ở Việt Nam thì
ngược lại, cơ sở hạ tầng giao thông không theo kịp sự phát triển kinh tế xã hội và dân số,
gây cản trở cho sự nghiệp hiện đại hóa, công nghiệp hóa của đất nước.
Hiện nay ở nước ta, giao thông đang là một v
ấn đề nhức nhối của các nhà hoạch
định chính sách. Ở các đô thị như Hà Nội, nhiều hệ thống đường quá hỗn độn, không theo
quy chuẩn hay quá chật hẹp. Trong khi đó, số lượng xe tham gia thông không ngừng gia
tăng. Điều đó đã dẫn đến hậu quả là sự gia tăng về tắc đường, tai nạn, ô nhiễm môi
trường. Thêm vào đó, ý thức của người tham gia giao thông chưa cao nên càng làm tăng
tính phứ
c tạp của giao thông Việt Nam. Vì vậy việc tìm giải pháp phát triển cho các hệ
thống giao thông ở nước ta là rất khó khăn.
Ở nhiều nước trên thế giới, việc mô phỏng hệ thống giao thông trên máy tính đã
được nghiên cứu từ lâu nhằm phục vụ cho việc tìm kiếm và đánh giá các giải pháp phát
triển hệ thống giao thông. Trước khi chặn một tuyến đường, mở một tuyến đường mới

hay điều chỉ
nh thời gian bật đèn xanh, đèn đỏ ngoài thực tế, các nhà phát triển có thể thử
trên hệ thống mô phỏng trước. Tuy nhiên, giao thông của Việt Nam là rất khác biệt và
phức tạp nên việc ứng dụng các thành tựu nghiên cứu này là rất khó. Hơn nữa, mô phỏng
giao thông vẫn còn là một đề tài ít được các nhà nghiên cứu trong nước quan tâm. Do đó
chúng tôi đã nghiên cứu và xây dựng một hệ thống mô phỏng thích hợp với giao thông
của Việt Nam nhằ
m phục vụ cho việc phát triển hệ thống giao thông trong nước.
Mô phỏng thực chất là tái hiện hoặc tạo dựng một phần nào nào đó của thế giới thực
trên máy tính. Đối với mô phỏng giao thông, đã có nhiều phương pháp, cơ sở lý thuyết
được đưa ra. Chúng tôi đã chọn phương pháp mô phỏng dựa trên agent làm phương pháp
nghiên cứu và xây dựng một hệ thống mô phỏng giao thông. Với các mô hình có sự tương
tác giữa các cá th
ể như hệ thống giao thông thì việc sử dụng mô hình dựa trên agent là rất
thích hợp. Đây là một phương pháp tiên tiến và đã được ứng dụng nhiều trong việc mô
2

phỏng các hệ thống phức tạp trong thực tế. Hệ thống mô phỏng giao thông mà chúng tôi
xây dựng cho phép người sử dụng có thể tùy biến tạo ra các hệ thống giao thông đa dạng,
phức tạp, rồi quan sát sự di chuyển của các phương tiện trên hệ thống giao thông này. Từ
việc quan sát này mà các nhà quy hoạch giao thông có thể đánh giá được các giải pháp
phát triển hệ thống giao thông và đưa ra quyết định của mình.
Nội dung củ
a khóa luận gồm 4 chương:
• Chương 1 sẽ trình bầy về bài toán mô phỏng giao thông và các mô hình mô phỏng
giao thông của các nhà nghiên cứu trên thế giới trước đây
• Chương 2 sẽ trình bầy về agent, hệ thống đa agent, phương pháp sử dụng mô hình
dựa trên agent và các ứng dụng của mô hình này.
• Chương 3 sẽ trình bầy về hệ thống mô phỏng giao thông mà chúng tôi đã nghiên
cứu và xây dựng.

• Cuối cùng, Chương 4 sẽ tổ
ng kết các kết quả đã đạt được và hướng phát triển hệ
thống mô phỏng giao thông trong tương lai.
3

CHƯƠNG 1: MÔ PHỎNG GIAO THÔNG
1.1. Giới thiệu
Việc phát triển hệ thống giao thông tốt là nhu cầu bức thiết của mỗi quốc gia nhằm
tạo cơ sở thuận lợi cho quá trình phát triển kinh tế xã hội. Xây dựng được một hệ thống
giao thông tốt là một bài toán khó với các nhà quy hoạch giao thông. Ngoài việc phân
tích, đánh giá mang tính lý thuyết, họ cần có một cái nhìn trực quan về các giải pháp mà
họ lựa chọn. Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng có thể áp dụng các giải pháp phát triển
hệ
thống giao thông vào thực tế chỉ để kiểm tra tính hiệu quả do nhiều nguyên nhân như
tốn kém, mất nhiều thời gian, hoặc gặp rủi ro không lường trước được. Chính vì vậy, họ
cần một công cụ giúp họ mô phỏng các giải pháp phát triển hệ thống giao thông để đánh
giá và đưa ra lựa chọn hợp lý nhất.
Công cụ mô phỏng giao thông đầu tiên được ra đời năm 1955 [10], và kể từ đó đến
nay, việc mô phỏng giao thông trên máy tính đã được nghiên cứu, phát triển và được áp
dụng nhiều vào thực tế. Đã có rất nhiều công cụ được ra đời, nhiều giải pháp, cơ sở lý
thuyết được đưa ra. Có những giải pháp mang tính vĩ mô, các nhà nghiên cứu chỉ để tâm
đến mối liên hệ giữa các tham số như vận tốc các, lưu lượng, mật độ các xe tham gia giao
thông. Các giải pháp mang tính vi mô thì nhằm xây dựng các hệ thống mô phỏng mà có
s
ự chuyển động của các xe một cách chi thiết. Có những giải pháp mang tính rời rạc hay
liên tục về thời gian… Tính đến nay, việc nghiên cứu xây dựng công cụ mô phỏng giao
thông đã đạt được nhiều thành tựu, đã đóng góp phần nào vào sự phát triển của các hệ
thống giao thông ở nhiều nước tiên tiến trên thế giới. Tuy nhiên, rất khó có thể ứng dụng
được những công cụ này để mô phỏng hệ thống giao thông
ở Việt Nam do hệ thống giao

thông của nước ta có nhiều điểm khác biệt. Cơ sở hạ tầng giao thông còn kém, hệ thống
giao thông mang tính phức tạp vì có nhiều hệ thống đường xá chằng chịt trong một diện
tích nhỏ, nhất là trong các đô thị. Hầu hết các công cụ mô phỏng được xây dựng chỉ mô
phỏng các phương tiện đi trên đường là ô tô. Trong khi đó, các phương tiện tham giao ở
nước ta rất h
ỗn tạp, từ những phương tiện kích thước nhỏ xe đạp, xe máy đến những
phương tiện cỡ lớn như ô tô, xe tải, xe buýt, hay thậm chí là các phương tiện thô xơ.
Thêm vào đó sự thiếu ý thức chấp hành luật lệ giao thông của người lái xe là chưa cao
nên càng làm cho hệ thống giao thông thêm hỗn độn. Chính vì vậy mà nghiên cứu một hệ
thống mô phỏng chi tiết giao thông của nước ta là rất cần thiết. Đó là nguyên nhân thúc
4

đẩy chúng tôi nghiên cứu một hệ thống mô phỏng giao thông phù hợp với tình hình giao
thông ở Việt Nam. Nhưng trước khi trình bầy những những nghiên cứu và các kết quả đã
đạt được, chúng tôi xin được giới thiệu một số phương pháp, cơ sở lý thuyết và các công
cụ mô phỏng hệ thống giao thông của các nhà nghiên cứu trước đây.
1.2. Hệ thống mô phỏng giao thông trực quan
Đây là hệ thống được nghiên cứu và phát triển bởi Thomas Fotherby [14]. Hệ thống
rất đa năng trong việc mô phỏng các hệ thống giao thông. Nó cung cấp các chức năng
thiết kế mạng lưới giao thống, hệ thống mô phỏng các xe chạy trên mạng lưới giao thông
đã được thiết kế và một chức năng rất hữu ích đó là chức năng thống kê chi tiết các thông
số như lưu lượng xe đi trên
đường, vận tốc trung bình các xe, …Vì vậy mà hệ thống này
được coi là tiếp cận từ cả hai hướng là theo hướng vi mô và theo hướng vi mô.

(a) Chế độ thiết kế (b) Chế độ mô phỏng
Hình 1-1: Hệ thống mô phỏng giao thông trực quan

Hình 1-2: Chức năng thống kê của của hệ thống mô phỏng trực quan
5

Hệ thống được xây dựng dựa trên các 3 mô hình cơ bản bao gồm mô hình hệ thống giao
thông, mô hình điều khiển sự di chuyển các xe trên đường, mô hình thống kê.
1.2.1. Mô hình hệ thống giao thông
Đây là hệ thống mô tả mạng lưới đường đi. Mạng lưới này được xây dựng từ các
thành phần gồm đoạn đường thẳng - Road và vùng đường giao nhau – Junction:
• Mỗi đoạn đường thẳng được mô tả bằng hai đoạn thẳng song song với nhau, cách
nhau một khoảng đúng bằng độ rộng của một làn đường dành cho ô tô và có một điểm
đầu và một điểm k
ết thúc. Mỗi đoạn đường này đều có một hướng nhất định xác định bởi
điểm đầu và điểm cuối. Khi nối các đoạn đường này với nhau theo cùng một hướng ta sẽ
được một tuyến đường gấp khúc tùy ý. Khi xếp các đoạn đường này song song ta sẽ
đường một tuyến đường đi thật sự có độ rộng bằng số nguyên lần độ rộng củ
a một làn
đường.
• Mỗi vùng đường giao nhau được mô tả bằng một hình chữ nhật có chiều dài và
chiều rộng bằng số nguyên lần độ rộng của một làn đường, tối đa là gấp 4 lần làn đường.
Trên mỗi cạnh của vùng này có các điểm nối. Khi nối các đoạn đường nêu trên vào các
điểm nối này ta sẽ được hệ thống các đường giao nhau. Hơn nữa, các vùng giao nhau này
có các thuộc tính giúp mô t
ả các đèn giao thông, đường ưu tiên, giúp xây dựng các luật đi
đơn giản trên đưòng.
Về mặt giao diện, hệ thống cung cấp công cụ thiết kế một cách trực quan mạng lưới
giao thông. Về mặt phát triển, nó cung cấp một thư viện lệnh giúp người phát triển có thể
thao tác dễ dàng với các thành phần này để tạo ra các mạng lưới giao thông bằng cách lập
trình.
1.2.2. Mô hình điều khiển sự di chuyển các xe trên đường
Đây là mô hình giúp tính toán sự di chuyển từng xe tham gia giao thông. Mô hình
này có các thành phần nhỏ hơn. Chúng bao gồm bộ đếm thời gian để thực hiện việc lái xe
chân thực, thành phần sinh xe ngẫu nhiên tại một đầu vào của hệ thống giao thông, và

thành phần quan trọng của mô hình này là thành phần tính toán sự di chuyển của các xe.
Cách thức di chuyển các xe được mô tả như sau:
6

• Trường hợp xe đang đi trên đoạn đường thẳng: Gọi v là vận tốc của xe trên đường,
x là khoảng cách với xe gần nhất phía trước, thì vận tốc v sẽ được xác định như
sau:

k, nếu v ≥ L
giá trị giữa 0 và k, nếu l < v < L
0, nếu x ≤ L
Trong đó k là vận tốc lớn nhất xe có thể đạt được, L là khoảng cách an toàn với xe
phía trước, l là khoảng cách nguy hiểm với xe ở phía trước.
• Khi đi đến gần đoạn đường giao nhau, xe có các lựa chọn sau:
o Dừng lại khi gặp đèn đỏ
o Nếu có xe ở hướng khác và có
độ ưu tiên cao hơn thì giảm tốc độ, nhường
xe ở phía này đi qua
o Nếu có xe ở hướng khác đi tới nhưng xe đang ở đoạn đường ưu tiên cao
hơn thì xe có thể đi tiếp, nhưng lúc này xe cần điều chỉnh tốc độ để không
va chạm với các xe khác đang nằm trong vùng đường giao nhau này
1.2.3. Mô hình thống kê
Đây là mô hình giúp ghi lại các thông tin của các xe đi trên đường. Tại một thời
điểm trong một chu kỳ nào đó, mô hình này sẽ ghi lại số lượng xe vào và ra khỏi hệ
thống, số lượng xe đang di chuyển, vận tốc trung bình các xe, … Các thông tin này có thể
được xem là hữu ích để đánh giá mức độ hợp lý của hệ thống giao thông.
Đây có thể coi là công cụ khá thích hợp trong việc mô phỏng các hệ thống giao
thông đô thị. Trong phần tới, chúng tôi sẽ
giới thiệu một hệ thống dùng để mô phỏng một
loại hệ thống giao thông khác, đó là hệ thống mô phỏng giao thông trên đường cao tốc.

1.3. Mô phỏng xe thông minh trên đường cao tốc
Đây là một hệ thống mô phỏng giao thông đưa ra bởi Rahul Sukthankar, Dean
Pomerleau và Charles Thorpe [13]. Hệ thống này mang tên Simulated Highways for
Intelligent Vehicle Algorithms (viết tắt là SHIVA) và chủ yếu dùng để mô phỏng giao
thông trên đường cao tốc ở mức độ vi mô. Đường cao tốc thường có độ dài lớn, mật độ
đèn giao thông là rất ít, và các nhà trong hệ thống này được coi như là không có. Tốc độ
7

di chuyển các xe trên đường cao tốc là rất cao, chính vì vậy mà hệ thống được chú trọng
vào việc tính toán sự di chuyển quả các xe một cách tiết để đánh giá được mức độ an toàn
của một đường cao tốc.

Hình 1-3: Hệ thống mô phỏng đường cao tốc
Hệ thống chỉ gồm 2 mô hình chính là mô hình mạng lưới đường cao tốc và mô hình
xe cộ.
1.3.1. Mô hình mạng lưới đường cao tốc
Mô hình này mô tả một mạng lưới đường cao tốc với các đoạn đường dài ghép nối
với nhau. Thành phần cơ bản của mô hình này là các đoạn đường, được gọi là
RoadSegment. Khác với hệ thống mô phỏng giao thông trực quan của Thomas Fotherby
[14], các đoạn đường có hình dạng rất tùy ý, nhưng độ rộng luôn phải bằng số nguyên lần
độ rộng một làn đường được mô tả bằng “lane number”. Ngoài ra, nó còn chứa thông tin
mô tả v
ề đoạn bị thu hẹp (RoadSlice), các mối nối để nối nhiều đoạn đường thẳng với
nhau, và tốc độ tối đa các xe khi di chuyển trên đoạn đường đó.
8


Hình 1-4: Mô tả cấu tạo đoạn đường cao tốc
1.3.2. Mô hình xe cộ
Đây là mô hình khá phức tạp, gồm các thành phần: thành phần lệnh điều khiển,

thành phần cảm ứng và thành phần người lái xe.
• Thành phần lệnh điều khiển – Controller. Đây là thành phần mô tả các lệnh điều
khiển của người lái xe bao gồm:
o Đánh lái: Dùng để mô tả lệnh đánh lái khi lái xe của người điều khiển. Nó
gồm các thông tin mô tả như đánh lái về phía nào, bao nhiêu độ, …
o Điều chỉnh tốc độ: Mô tả lệnh tăng tốc, giảm tốc hoặc giữ tốc độ của
người lái xe
• Thành phần cảm ứng: Đây là thành phần giúp xe cảm giác được sự di chuyển của
các xe khác chẳng hạn như tăng tốc, giảm tốc, đang đổi hướng. Điều này làm cho
việc điều khiển không bị cứng nhắc như
điều khiển sự di chuyển của xe trong hệ
thống mô phỏng trực quan của Thomas Fotherby [14].
• Thành phần người lái xe: Đây là thành phần tính toán ra quyết định của người lái
xe. Trong một tập lệnh điều khiển được đưa ra, dựa vào các thông tin lấy từ
thành phần cảm ứng, một thuật toán sẽ được thực thi để tính toán quyết định
chọn cách điều khiển hợp lý nhấ
t của người lái.
Hệ thống cho phép người định nghĩa các loại xe khác nhau như xe tải, xe con, công-
ten-nơ. Người sử dụng không chỉ có thể định nghĩa kích thước của xe mà còn có thể mô tả
9

các tham số khác như khả năng tăng tốc, giảm tốc, tốc độ đổi hướng, … Việc định nghĩa
này có thể thực hiện qua việc chỉnh sửa file cài đặt ( config file ).
1.4. Hệ thống mô phỏng đèn giao thông
Trong mục này, chúng tôi xin giới thiệu về hệ thống mô phỏng đèn giao thông được
phát triển bởi một số thành viên của trường đại học Utrecht (Hà Lan) [7]. Đây là một hệ
thống khá thông minh trong việc trợ giúp lựa chọn thời gian bật đèn xanh đèn đỏ của đèn
giao thông.
Về cơ bản đây cũng là một hệ
thống mô phỏng giao thông vi mô.

Tuy nhiên, nó có chức năng thống kê
các thông tin như lượng xe qua lạ
i,
vận tốc trung bình các xe. Thông tin
này không chỉ mang tính tham khảo,
mà nó còn được sử dụng bên trong
hệ thống để tự động điều chỉnh thời
gian bật đèn xanh, đèn đỏ của các
đèn giao thông sao cho hợp lý.


Các thành phần chính của hệ thống này gồm:
• Các làn đường (DriveLane) được mô tả bởi 2 đoạn thẳng song song.
• Các đoạn đường (Road) được tạo từ 2 làn đường. Nó có thêm thông tin về chi
ều, đầu
vào đầu ra dùng để liên kết tạo thành mạng lưới giao thông.
• Các nút (Node) mô tả các đường giao nhau như ngã tư, ngã ba. Đây chính là các ô
vuông màu xám trong hình 5. Các nút chứa thông tin về các đầu vào và đầu ra dùng để
nối với các đoạn đường để tạo ra mạng lưới giao thông.
• Các nút biên (EdgeNode) mô tả các khu vực mà xe cộ xe đi vào và đi ra. Đây chính là
các ô vuông màu xám trong hình 5.
• Các tín hiệu đèn (Sign) mô tả đèn giao thông. Nó chứa một số thông tin dùng trong
giải thuật điề
u chỉnh thời gian bật đèn xanh, đèn đỏ sao cho hợp lý một cách tự động.

Hình 1-5: Hệ thống mô phỏng đèn giao thông
10

• Thành phần xe cộ (Car) đóng vai trò phương tiện tham gia giao thông trong hệ thống
này. Vì hệ thống chỉ tập trung vào cách thức tự động điều chỉnh tín hiệu đèn sao cho

hợp lý nên cách di chuyển của các xe là khá đơn giản.
Trong quá trình mô phỏng, hệ thống thực hiện việc thống kê một số thông tin như
mật độ xe, lượng xe qua lại, … Các thông tin này được sử dụng làm tham số cho giải
thuật điề
u chỉnh thời gian bật đèn xanh, đèn đỏ.
1.5. Kết luận
Chúng tôi vừa trình bầy một số hệ thống mô phỏng giao thông tiêu biểu. Các hệ
thống này có một số điểm chung. Thứ nhất, chúng đều là các hệ thống mô phỏng giao
thông vi mô, tức là đều cố gắng mô phỏng một cách chi tiết sự di chuyển của các phương
tiện tham gia giao thông. Thứ hai, các hệ thống này đều cho phép tạo ra các mạng lưới
giao thông một cách linh hoạt, tuy nhiên vẫn rất khó để tạo dựng lại một m
ạng lưới giao
thông Việt Nam do sự phức tạp của mạng lưới giao thông nước ta. Một điểm chung nữa là
các phương tiện tham gia giao thông trong các hệ thống này chủ yếu là ô tô, sự di chuyển
không quá phức tạp để tính toán.
Như đã đề cập, hệ thống giao thông của nước ta khá phức tạp với hệ thống đường
chằng chịt, các phương tiện giao thông nhiều chủng loại, hỗn tạp. Thêm vào
đó, sự thiếu ý
thức của người tham gia giao thông đã làm cho hệ thống giao thông trở nên rất hỗn độn.
Vì vậy mà rất khó có thể áp dụng những hệ thống mô phỏng này vào giao thông của nước
ta. Do đó, việc xây dựng một hệ thống mô phỏng chi tiết hơn cho giao thông Việt Nam là
rất cần thiết.
Tuy nhiên, những hệ thống nêu trên cũng có một số ưu điểm nhất định. Bên cạnh
việc tiếp thu những cơ sở lý thuyết, phương pháp xây dựng của các hệ thống này, chúng
tôi đã kết hợp sử dụng phương pháp mới nhằm nghiên cứu xây dựng một hệ thống mô
phỏng giao thông phù hợp hơn với tình hình giao thông của Việt Nam. Phương pháp mà
chúng tôi muốn đề cập ở đây là sử dụng mô hình dựa đa agent. Đây là mộ phương pháp
tiên tiến trong việc mô phỏng các mô hình có sự tương tác gi
ữa cá thể với môi trường và
giữa các cá thể với nhau. Trong chương tiếp theo, chúng tôi sẽ trình bầy kỹ về agent, hệ

thống đa agent, phương pháp mô phỏng dựa trên agent và một số ứng dụng của công nghệ
này.
11

CHƯƠNG 2: MÔ HÌNH DỰA TRÊN AGENT
2.1. Agent và hệ thống đa agent
Agent là một khái niệm tương đối mới và hiện nay được rất nhiều các nhà nghiên
cứu quan tâm. Dưới đây chúng tôi xin trình bầy một số khái niệm và đặc điểm của agent
và hệ thống đa agent.
2.1.1. Agent
Có rất nhiều khái niệm về agent đã được đưa ra nhưng cho đến nay vẫn chưa có một
khái niệm được coi là chung nhất cho agent. Chúng tôi xin nêu một khái niệm được đưa
ra bởi Wooldridge và Jennings [11]:
“Một agent là một hệ thống máy tính được đặt trong một môi trường nào đó, và nó
có khả năng hành động một cách tự chủ trong môi trường này nhằm đạt được một mục
tiêu nào đó”
Để mô tả kỹ hơn về agent, chúng tôi xin trình bầ
y một số đặc điểm của nó:
• Mỗi agent trong môi trường đều có những thuộc tính riêng biệt. Chúng cảm nhận,
tiếp thu thông tin từ môi trường rồi đưa ra hành động dựa vào trạng thái hiện thời
của các thuộc tính của chúng.
• Mỗi agent có một số nguyên tắc chi phối hành vi và khả năng đưa ra quyết định
của chúng [4]
• Agent có khả năng đáp ứng lại sự tác
động từ môi trường bằng cách đưa ra hành
động nào đó. Tuy nhiên, agent không chỉ đưa hành động có tính đáp ứng mà các
hành động của agent còn hướng đến mục tiêu nào đó. Để đạt được mục tiêu, các
agent cần thực hiện một chuỗi các hành động khác nhau. Việc xác định chuỗi các
hành động cần thực hiện chính là lên kế hoạch [6].
• Agent có tính chủ động. Chúng có khả năng tự đưa ra hành động, hoạt động một

cách
độc lập mà không chịu sự chi phối, tác động hay kích thích từ các yếu tố bên
ngoài.
• Agent có tính linh động. Chúng có khả năng học hỏi, ghi nhớ và đưa ra các hành vi
đáp ứng dựa trên những kinh nghiệm của chúng [4].
12

Trên đây là một số đặc điểm chung của agent nhưng chưa đầy đủ. Để có thể mô tả
được đầy đủ các đặc điểm của agent, ta phải đặt nó vào môi trường mà trong đó có sự
tham gia của nhiều agent. Trong mục tiếp theo, chúng tôi xin giới thiệu về hệ thống đa
agent và bổ sung một số đặc điểm khác của agent khi tham gia vào môi trường có sự có
mặt của nhiề
u agent khác.
2.1.2. Hệ thống đa agent – MAS
Một hệ thống đa agent, hay gọi tắt là MAS (Multi-Agent System), là một hệ thống
trong đó có sự có mặt của của nhiều agent trong một môi trường và có sự tương tác lẫn
nhau giữa chúng.
Các agent có thể tương tác với nhau theo nhiều cách. Các hành động đưa ra của
chúng có thể có tính cạnh tranh, xung đột với các agent khác. Hoặc chúng có thể hợp tác,
phối hợp hành động để đạt được mục tiêu hay thậm chí có thể cùng lên kế hoạch hành
động
để đạt được mục tiêu chung nào đó [9]. Các agent có khả năng giao tiếp với các
agent khác bằng cách truyền và nhận các thông điệp theo một giao thức nào đó. Thậm chí
các agent có thể nhận biết được các agent khác tiếp nhận thông được tin gì [15].
Trong MAS, mỗi agent đều có một cái nhìn giới hạn, chúng không có thông tin đầy
đủ về môi trường và các agent khác trong toàn bộ hệ thống [9]. Mỗi hành động của agent
đều tác động tới một phần của môi trường và các agent khác trong một phạm vi nào
đó.
Trong một MAS, các hành vi của và thuộc tính của các agent là không đồng nhất.
MAS có thể có tính tổ chức, tức là các agent có thể hoạt động trong một nhóm các

agent nào đó, chúng có một số rằng buộc nào đó với nhau và các hoạt động của chúng sẽ
nhắm đến một mục tiêu chung của nhóm. Có nhiều loại mô hình tổ chức trong MAS. Với
loại mô hình phân cấp, quyền ra quyết định hành động thường nằm trong tay một agent
đứng đầu
ở mỗi cấp. Ở mô hình tổ chức này, các agent thường tương tác với các agent
khác trong cùng cấp hoặc với các agent ở các cấp liền kề ( trên và dưới ). Một mô hình tổ
chức khác là mô hình thị trường, trong đó có sự tồn tại của các agent đóng vai trò cung
cấp sản phẩm hoặc dịch vụ và các agent đóng vai trò có nhu cầu sử dụng sản phẩm dịch
vụ [1].
Một ví dụ điển hình về MAS chính là Internet [9]. Internet có th
ể được coi là một
mạng lưới rộng lớn với mỗi nút của mạng lưới là một agent. Các nút mạng này được thiết
13

kế, thực thi bởi những người, tổ chức khác nhau, và hoạt động với những mục đích khác
nhau. Ngoài ra, hoạt động của chúng là không đồng bộ. Các nút mạng trao đổi thông tin
với các nút mạng khác trong một phạm vi nào đó và theo một giao thức nào đó, …
Trong một hệ thống giao thông, hệ thống đường xá, các đèn giao thông, tín hiệu giao
thông đóng vai trò môi trường. Mỗi người tham gia giao thông trong đó đóng vai trò một
agent. Các agent này đưa ra hành động bằng cách di chuyể
n theo các cách khác nhau để
đạt được một mục tiêu là đi đến một vị trí nào đó trong hệ thống đường xá. Mỗi người
tham gia giao thông đều có những thuộc tính riêng biệt phụ thuộc vào giới tính, tuổi tác,
kinh nghiệm, … và do đó cách di chuyển của họ cũng là không đồng nhất. Người tham
gia giao thông tương tác với những người khác trong một phạm vi nào đó. Họ có một số
cách thức truyền thông điệp như bấm còi, b
ật sinh nhan để ra hiệu xin đường, … Chính vì
vậy mà việc mô phỏng hệ thống giao thông dựa trên agent là một phương pháp rất thích
hợp.
2.2. Mô hình dựa trên agent

2.2.1. Khái niệm về mô hình dựa trên agent – ABM
Mô hình dựa trên agent, gọi tắt là ABM ( Agent-Based Modeling ) là một trong các
loại mô hình tính toán dùng để mô phỏng các hành động không đồng nhất của các thực
thể tự trị trong một môi trường và sự tương tác giữa chúng.
Bằng việc mô phỏng lại hoạt động và tương tác giữa các thực thể giống như agent,
ABM được sử dụng dể tái tạo hay dự đoán sự hiện diện của những những hiện tượng
phứ
c tạp. ABM đặc biệt được dùng để nghiên cứu các hệ thống phức hợp. Trong những
hệ thống này, ta sử dụng những nguyên tắc ở mức độ vi mô để tạo ra những hiện tượng
mang tính vĩ mô. Những hiện tượng nổi bật này không thể được giải thích bởi một đơn vị
vi mô đơn lẻ [2].
Có thể coi ABM là một kỹ thuật mô phỏng mạnh mẽ được s
ử dụng nhiều năm qua,
trong đó có cả các ứng dụng liên quan đến các vấn đề thực tế trong đó có cả thương mại.
ABM có một số tên gọi khác nhau như ABS ( Agent-Based Systems ), IBM (Individual-
Based Modeling) hay ABMS (Agent-Based Modeling and Simulating) nhưng trong khóa
luận này, chúng tôi sẽ sử dụng ABM.

14

2.2.2. Sự khác nhau giữa agent và đối tượng
Từ khi ra đời cho đến nay, công nghệ hướng đối tượng luôn là một phương pháp
hữu hiệu trong công nghiệp sản xuất phần mềm. So với phương pháp xây dựng một
chương trình theo hướng module như trước, phương pháp hướng đối tượng đã có nhiều
ưu điểm vượt bậc. Tuy nhiên, sự ra đời của agent, hệ thống đa agent mà mô hình dựa trên
agent đã mở ra một cách thức mới trong xây dựng phầ
n mềm với những ưu việt của nó so
với phương pháp hướng đối tượng.
Hình 2-1 [3] có thể mô tả được phần nào được sự ưu việt
của agent so với đối tượng. Ta có thể thấy rằng, đối tượng

chỉ mang tính thụ động do các phương thức của chỉ được
thực thi khi các thực thể bên ngoài gửi cho nó một thông
điệp nào đó. Trong khi đó, agent có tính chủ
động hay tự
trị, chúng có thể đưa hành động một cách độc lập mà
không chịu sự tác động nào từ bên ngoài. Ngoài ra, giữa
chúng còn một số điểm khác biệt như sau [5, 8]:
• Các phương thức của đối tượng luôn là cố định,
không bao giờ thay đổi, trong khi agent có khả năng
học hỏi, thích nghi để thay đổi hành vi cho phù hợp với
môi trường. Do đó hành vi của đối tượng luôn là có thể
đoán trước
được, trong khi các hành vi của agent chưa chắc là có thể đoán trước được.
• Agent có mục tiêu, mục đích, nó có có khả năng lập kế hoạch hay phối hợp với các
agent khác để có thể đạt được mục tiêu đó.
2.2.3. Một số ứng dụng của ABM
ABM được sử dụng từ những giữa thập kỷ 90 để giải quyết rất nhiều vấn đề về
thương mại và công nghệ. Các ví dụ điển hình về ứng dụng của ABM gồm tối ưu dây
chuyền cung ứng, mô hình hành vi của người tiêu thụ, các hiệu ứng xã hội, tính toán phân
tán, quản lý lực lượng lao động và quản lý hồ sơ. Một số ABM được dùng để phân tích sự

lan tràn của dịch bệnh, sự nguy hiểm của vũ khí sinh học, sự phát triển và suy tàn của
những nền văn minh cổ đại hay nghiên cứu về sự viêm nhiễm và hệ miễn dịch của con
người. Một số ABM được sử dụng để phân tích sự tắc nghẽn của giao thông.

Hình 2-1: Ưu việt của
agent so với đối tượng
15

Trong những ứng dụng của ABM, hệ thống được quan tâm sẽ được mô phỏng bằng

cách tìm ra những hành vi của các agent và mối liên hệ giữa chúng. Các công cụ ABM có
thể được sử dụng để kiểm tra xem những thay đổi về hành vi của agent sẽ thay đổi như
thế nào đến toàn bộ hệ thống.
2.2.4. Cách xây dựng một ABM
Ở mức chung nhất, cách xây dựng một ABM cũng tương tự như cách xây dựng các
mô hình khác. Điều cần làm trước tiên là cần xác định được mục đích của mô hình cần
xây dựng. Tiếp theo, phân tích nghiên cứu về hệ thống, xác định các thành phần và mối
liên hệ giữa chúng. Sau đó, áp dụng mô hình để thực hiện những thí nghiệm nếu-thì đơn
giản. Cuối cùng, cần đánh giá được sự hữu dụ
ng của mô hình qua kết quả và việc so sánh
nó với các mô hình khác.
Sau đây là một số bước cần thực hiện khi xây dựng một ABM [4]:
• Xác định agent: Xác định loại thực thể của agent, các thuộc tính và các hành vi của
chúng
• Định nghĩa môi trường mà agent sẽ “sống” trong đó
• Xác định các phương thức mà các thuộc tính của agent được cập nhật trong việc
phản ứng lại sự tương tác giữa agent-agent và tương tác agent-môi tr
ường
• Thêm vào các phương thức điểu khiển việc agent sẽ tương tác với agent nào, khi
nào nó tương tác, và nó sẽ tương tác như thế nào trong suốt quá trình mô phỏng
• Thực thi mô hình
2.3. Kết luận
Trên đây, chúng tôi đã trình bầy những khái niệm về cơ bản của agent và hệ thống
đa agent cũng như sự ưu việt của nó so với phương pháp hướng đối tượng. Chương này
cũng đã nêu ra phương pháp mô phỏng dựa trên trên agent. Đây là một phương pháp pháp
tiên tiến trong lĩnh vực mô phỏng những hệ thống phức tạp trong thế giới thực, điều đó
thể hiệ
n qua những ứng dụng của nó trong thực tiễn.
Ở chương tiếp theo, chúng tôi xin trình bầy về chi tiết về hệ thống mô phỏng giao
thông mà chúng tôi đã nghiên cứu và xây dựng. Đây cũng là hệ thống áp dụng mô hình

dựa trên agent.
16

CHƯƠNG 3. HỆ THỐNG MÔ PHỎNG GIAO THÔNG VIỆT
NAM SỬ DỤNG MÔ HÌNH DỰA TRÊN AGENT
3.1. Một số đặc điểm của giao thông Việt Nam
Hệ thống giao thông nước ta, như đã đề cập, là tương đối phức tạp. Sự phức tạp này
đến từ nhiều yếu tố khác nhau. Một mặt, cơ sở hạ tầng giao thông nước ta còn chưa phát
triển, trong khi lượng phương tiện tham gia giao thông ngày càng tăng với mức độ chóng
mặt. Mặt khác, sự thiếu ý thức của người dân khi tham gia giao thông cũng làm cho hệ
thống giao thông trở nên hỗn độn.
Hệ thống giao thông trước hết gồm các hệ thống đường xá, hệ thống đèn giao thông,
và các biển báo. Hầu hết các đường xá ở nước ta nhỏ hẹp, đặc biệt là trong các thành thị.
Nhiều ngã ba, ngã tư không có đèn giao thông, hay có đèn giao thông nhưng thời gian bật
đèn xanh đèn đỏ chưa hợp lý. Nhiều tuyến đường một chiều, hai chiều có giải phân cách
không phù hợp tạo ra những hành vi rẽ trái, rẽ phải hoặc quay đầ
u không đúng của người
tham gia giao thông.
Ở nước ta hiện nay có nhiều loại phương tiện giao thông khác như gồm xe đạp, xe
máy, ô tô, xe buýt, thậm chí cả các phương tiện không đạt tiêu chuẩn an toàn như xe ba
gác, xích lô. Lượng phương tiện tham gia giao thông là rất lớn, trong khi hệ thống đường
xá nhỏ hẹp nên thường xảy ra nhiều ách tách, đặc biệt là trong các giờ cao điểm.
Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới giao thông của nướ
c ta chính là
yếu tố con người. Do ý thức chưa cao, cộng thêm sự thiếu hiểu biết về các tín hiệu, biển
báo, nên sự di chuyển của người tham gia giao thông là rất tùy tiện. Điều đó càng làm
tăng tính hỗn độn của giao thông Việt Nam.
Từ những đánh giá trên về thực trạng giao thông của nước ta, chúng tôi đã đưa ra
những ý tưởng xây hệ thống mô phỏng sao cho dựng phù hợp. Do hệ thống áp dụng mô
hình d

ựa trên agent trong việc mô phỏng nên việc đầu tiên cần làm là xác định các yếu tố
môi trường, xác định các agent trong một hệ thống giao thông. Ở phần tiếp theo, chúng
tôi xin trình bầy về các ý tưởng về xây dựng hệ thống, gồm hệ thống đường xá – đóng vai
trò môi trường và các ý tưởng xây dựng agent đóng vai trò người tham gia giao thông.
3.2. Các ý tưởng xây dựng hệ thống