XÂY DỰNG PHẦN mềm hỗ TRỢ mô PHỎNG GIAO THÔNG

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI
---------------------------------------

TRẦN THỊ MƠ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
XÂY DỰNG PHẦN MỀM HỖ TRỢ MÔ PHỎNG GIAO THÔNG
Công nghệ thông tin

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Phạm Đăng Hải

Hà Nội – Năm 2015


LỜI CAM ĐOAN
Họ và tên học viên: Trần Thị Mơ

SHHV: CB120096

Chuyên ngành: Công nghệ thông tin Lớp: CH2012B
Người hướng dẫn: TS. Phạm Đăng Hải
Đơn vị: Viện Công nghệ Thông tin - Truyền thông.
Tên đề tài: Xây dựng phần mềm hỗ trợ mô phỏng giao thông
Tôi -Trần Thị Mơ - Cam kết Luận văn là công trình nghiên cứu của bản thân tôi
dưới sự hướng dẫn của TS. Phạm Đăng Hải.
Các kết quả nêu trong Luận văn là trung thực, không phải là sao chép toàn văn
của bất kỳ công trình nào khác.

Hà Nội, ngày 10 tháng 09 năm 2015

Tác giả Luận văn

Trần Thị Mơ

i


LỜI CẢM ƠN
Lời đầu tiên, em xin được gửi lời cám ơn chân thành tới các thầy cô giáo thuộc
trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, những người đã tận tình chỉ dạy tất cả kiến
thức chuyên ngành cho em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường.
Trong quá trình thực hiện Luận văn tốt nghiệp em đã học hỏi được thêm rất
nhiều điều kiến thức bổ ích. Đó cũng là cơ hội để em tổng kết những kiến thức đã
được học, đồng thời rút ra những kinh nghiệm quý báu cho bản thân mình. Em xin
chân thành cảm ơn những hướng dẫn tận tình của TS. Phạm Đăng Hải - bộ môn
Khoa học máy tính – Viện Công Nghệ Thông Tin và Truyền Thông - Trường Đại
học Bách Khoa Hà Nội. Luận văn được hoàn thành ở một mức độ nhất định. Bên
cạnh những kết quả đã đạt được, chắc chắn em sẽ không tránh khỏi những thiếu sót
và hạn chế. Sự phê bình, nhận xét của thầy cô là những bài học quý báu cho công
việc và nghiên cứu của em sau này.
Em cũng xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè đã luôn ở bên,
ủng hộ, động viên tinh thần cho em trong suốt quá trình thực hiện đồ án.
Xin kính chúc quý thầy cô mạnh khỏe, hạnh phúc, tiếp tục đạt được nhiều thành
công trong nghiên cứu khoa học cũng như trong sự nghiệp trồng người.

Hà Nội, ngày 10 tháng 09 năm 2015
Học viên thực hiện

Trần Thị Mơ

ii


TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Hiện nay, với tốc độ đô thị hóa nhanh chóng ở nước ta, người dân đổ dồn về các
thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh… để làm việc, học tập làm hệ
thống giao thông ở các thành phố này rơi vào tình trạng quá tải. Tình trạng ùn tắc
giao thông vào giờ cao điểm trở thành một vấn đề hết sức nan giải. Để giải quyết
vấn đề này, các cấp chính quyền đề xuất mở rộng, nâng cấp hay tạo ra các con
đường mới nhằm mục đích giảm tải gánh nặng giao thông. Câu hỏi đặt ra cho các
cơ quan này là cần phải mở rộng hay cải tạo những con đường nào? Và sau khi thực
hiện, tình trạng ùn tắc giao thông có được giải quyết triệt để không?
Để trả lời những câu hỏi này, một trong những phương pháp hiệu quả, cần thiết
và tiết kiệm ngân sách nhất là thực hiện trước quá trình mô phỏng giao thông trên
máy tính. Luận văn “Xây dựng phần mềm hỗ trợ mô phỏng giao thông” là kết quả
nghiên cứu và phát triển một công cụ hỗ trợ mô hình hóa và mô phỏng hệ thống
giao thông trong thực tế. Luận văn xây dựng dựa trên lý thuyết mô phỏng, yêu cầu
cơ bản của một phần mềm mô phỏng giao thông cần có và cách mô phỏng dựa trên
mô hình đa Agent.
Từ khóa: mô phỏng giao thông, mô hình dựa trên agent

iii


ABSTRACT OF THE THESIS
Currently, the speed of rapid urbanization in our country, people are flocking to
the big cities like Hanoi, Ho Chi Minh City... to work and study as the transport
system in this city fall into overload. Traffic jams at rush hour becomes a very
difficult problem. To solve this problem, the authorities proposed to expand,
upgrade or create new roads aimed at reducing the burden of traffic load. The

question for these agencies is the need to expand or renovate public roads? And
after execution, traffic jams can be solved it?
To answer these questions, one effective method, necessary and budget saving is
done before the traffic simulation on the computer. Thesis "Traffic simulation tools
implementation" is the result of research and development of a tool to support
modeling and simulation systems in real traffic. Thesis based on simulation theory,
the basic requirement of a traffic simulation software needed and how to simulate
multi-Agent-based models.
Keywords:Traffic Simulation, Agent – Based Modelling.

iv


MỤC LỤC
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................ i
LỜI CẢM ƠN .....................................................................................................ii
TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP .........................................iii
ABSTRACT OF THE THESIS .......................................................................... iv
DANH MỤC HÌNH VẼ ..................................................................................... ix
THUẬT NGỮ VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT ............................................................ xi
GIỚI THIỆU CHUNG ........................................................................................ 1
Chương I: MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG GIAO
THÔNG .................................................................................................................. 3
1.1. Bài toán mô phỏng giao thông .................................................................... 3
1.1.1. Giới thiệu chung ..................................................................................... 3
1.1.2. Bài toán mô phỏng giao thông ................................................................ 4
1.2. Một số mô hình phổ biến đang được sử dụng. ........................................... 4
1.2.1. Mô phỏng sự kiện rời rạc và phương pháp Monte Carlo ......................... 4
1.2.2. Mô phỏng trong thời gian liên tục ........................................................... 5
1.2.3. Mô hình Cellular Automata .................................................................... 5

1.2.4. Mô hình car-following ............................................................................ 6
1.3. Phân loại và xu hướng mô phỏng giao thông. ............................................ 6
1.3.1. Phân loại ứng dụng mô phỏng giao thông. .............................................. 6
1.3.2. Xu hướng phát triển trong mô phỏng giao thông. .................................... 7
1.4. Ứng dụng của mô phỏng giao thông trong thực tế. ................................... 8
1.5. Chức năng và yêu cầu đối với phần mềm mô phỏng giao thông. ............ 11
1.5.1. Các chức năng cơ bản của một phần mềm mô phỏng giao thông........... 11
1.5.2. Yêu cầu cơ bản đối với hệ thống mô phỏng giao thông. ........................ 12
1.6. Các hành vi được mô phỏng của phương tiện giao thông. ...................... 13

v


1.7. Một số nghiên cứu về giao thông ở nước ta.............................................. 14
1.7.1. Mô phỏng giao thông sử dụng hệ thống đa tác tử .................................. 14
1.7.2. Xây dựng và đánh giá một hệ thống mô phỏng giao thông Việt Nam.... 14
1.7.3. Đề xuất xây dựng phần mềm mô phỏng giao thông hợp lý .................... 15
1.8. Một số phần mềm mô phỏng giao thông. ................................................. 16
1.8.1. TRANSIMS .......................................................................................... 16
1.8.2. AIMSUM ............................................................................................. 17
1.8.3. SUMO .................................................................................................. 18
1.8.4. VISSIM ................................................................................................ 20
1.9. Kết luận chương I ..................................................................................... 21
Chương II: MÔ PHỎNG HỆ THỐNG GIAO THÔNG DỰA TRÊN MÔ HÌNH
ĐA AGENT .......................................................................................................... 22
2.1. Mô hình Agent và hệ thống đa Agent ....................................................... 22
2.1.1. Agent .................................................................................................... 22
2.1.2. Hệ thống đa Agent - MAS .................................................................... 23
2.2 Mô hình hóa dựa trên Agent ..................................................................... 24
2.2.1. Khái niệm về mô hình dựa trên Agent – ABM ...................................... 24

2.2.2. Sự khác nhau giữa Agent và đối tượng ................................................. 25
2.2.3. Một số ứng dụng của ABM................................................................... 26
2.2.4. Cách xây dựng một ABM ..................................................................... 26
2.3. Một số ý tưởng mô phỏng giao thông dựa trên mô hình Agent............... 27
2.3.1. Một số đặc điểm của giao thông ở Việt Nam ........................................ 27
2.3.2. Xây dựng hệ thống đường xá ................................................................ 28
2.3.3. Xây dựng Agent đóng vai trò người tham gia giao thông ...................... 29
2.4. Kết luận chương II .................................................................................... 31
Chương III: XÂY DỰNG PHẦN MỀM MÔ PHỎNG HỆ THỐNG GIAO
THÔNG ................................................................................................................ 32
vi


3.1. Ngôn ngữ lập trình và công cụ phát triển. ............................................... 32
3.2. Tổ chức dữ liệu cho chương trình ứng dụng............................................ 32
3.2.1. Đèn tín hiệu giao thông......................................................................... 32
3.2.2. Làn đường ............................................................................................ 33
3.2.3. Điểm dừng/điểm xuất phát hành trình ................................................... 33
3.2.4. Bản đồ giao thông................................................................................. 34
3.2.5. Phương tiện giao thông. ........................................................................ 34
3.3. Cấu trúc tổng quát của hệ thống. ............................................................. 35
3.4.1.Xây dựng mô hình mạng lưới giao thông. .............................................. 37
3.4.1. Thiết kế làn đường giao thông. ............................................................. 38
3.4.2. Thiết kế đèn tín hiệu ............................................................................. 39
3.4.3. Thiết kế điểm dừng ............................................................................... 40
3.4.4. Lưu trữ và sử dụng mạng lưới giao thông đã thiết kế. ........................... 41
3.5. Mô phỏng giao thông ................................................................................ 42
3.5.1. Giao diện mô phỏng ............................................................................. 42
3.5.2. Mô phỏng phương tiện tham gia giao thông. ......................................... 43
3.6. Một số thuật toán sử dụng trong chương trình. ...................................... 44

3.6.1. Xác định điểm cách 1 điểm cho trước 1 đoạn h theo hướng vector u..... 44
3.6.2. Tìm giao điểm của hai đường thẳng AB và CD..................................... 45
3.6.3. Xác định tọa độ các đỉnh của 1 phương tiện giao thông. ....................... 47
3.6.4. Kiểm tra va chạm giữa hai xe. .............................................................. 48
3.6.5. Xác định lề đường ................................................................................ 50
3.6.6. Xác định đường đi trong bản đồ. ........................................................... 52
3.7. Kết luận chương III .................................................................................. 53
Chương IV: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN ...................................... 54
4.1. Kết luận ..................................................................................................... 54
vii


4.2. Hướng phát triển và một số đề xuất ......................................................... 54
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................. 56

viii


DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.8.1: Giao diện phần mềm TRANSIMS .................................................. 16
Hình 1.8.2: Giao diện mô phỏng giao thông phần mềm Aimsum....................... 17
Hình 1.8.3: Giao diện phần mềm SUMO. .......................................................... 18
Hình 1.8.4: Giao diện phần mềm VISSIM ......................................................... 20
Hình 2.1: Ưu việt của Agent so với đối tượng. .................................................. 25
Hình 3.3.1: Cấu trúc tổng quan hệ thống mô phỏng giao thông. ........................ 35
Hình 3.4.1: Giao diện thiết kế mạng lưới giao thông. ........................................ 38
Hình 3.4.2: Giao diện thêm làn đường. .............................................................. 38
Hình 3.4.3: Làn đường hiển thị trên màn hình đồ họa ........................................ 39
Hình 3.4.4: Giao diện thêm đèn tín hiệu ............................................................ 40

Hình 3.4.5: Giao diện thêm điểm dừng .............................................................. 41
Hình 3.4.6: Lưu bản đồ ..................................................................................... 41
Hình 3.5.1: Giao diện mô phỏng giao thông. ..................................................... 42
Hình 3.5.2: Sơ đồ quá trình mô phỏng phương tiện tham gia giao thông. .......... 43
Hình 3.6.1: Thuật toán xác định tọa độ 1 điểm cách 1 điểm cho trước 1 đoạn h
theo hướng vector u. .............................................................................................. 45
Hình 3.6.2: Thuật toán xác định giao điểm 2 đường thẳng AB và CD. .............. 47
Hình 3.6.3: Xác định tọa độ các đỉnh của 1 xe. .................................................. 47
Hình 3.6.4: Thuật toán xác định tọa độ các đỉnh của 1 xe. ................................. 48
Hình 3.6.5: Kiểm tra va chạm giữa 2 xe. ........................................................... 49
Hình 3.6.6: Thuật toán kiểm tra va chạm giữa 2 xe............................................ 49
Hình 3.6.7: Thuật toán kiểm tra 1 điểm có nằm trên xe không. .......................... 50
Hình 3.6.8: Mục đích xác định lề đường. ........................................................... 51
Hình 3.6.9: Các điểm quy ước của 1 làn đường. ................................................ 51
ix


Hình 3.6.10: Xác định đường biên của các làn đường độc lập với nhau. ............ 51
Hình 3.6.11: Kết quả xác định lề đường. ........................................................... 52

x


THUẬT NGỮ VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt / thuật ngữ Ý nghĩa
ABM

Agent-Based Modeling, mô hình dựa trên Agent

Agent

Tác tử

CAD

Ứng dụng thiết kế bản vẽ kỹ thuật

Car-following

Mô hình tương tác giữa các phương tiện trong quá trình
mô phỏng

GDI+

Graphics Device Interface, thư viện đồ họa nền tảng
.Net Framework

GIS

Hệ thống thông tin địa lý

GPL

GNU General Public License

GUI

Giao diện đồ họa người dùng

Intelligent Driver

Model
MAS
Microscopic
Simulation

Mô hình điều khiển xe thời gian liên tục sử dụng trong
mô hình hóa luồng giao thông do Treiber phát triển
Multi-Agent System, hệ thống đa Agent
Mô hình mô phỏng vi mô

Mesoscopic Simulation Mô hình mô phỏng trung mô
Macroscopic
Simulation
Mô hình 3 pha của
Kerner

Mô hình mô phỏng vĩ mô

Lý thuyết dòng chảy giao thông được Boris Kerner phát
triển từ năm 1996 đến năm 2002, chủ yếu hướng vào
giải thích khía cạnh vật lý củ sự cố giao thông và kết
quả của tắc nghẽn giao thông trên đường. Kerner mô tả
xi


Từ viết tắt / thuật ngữ Ý nghĩa
3 pha giao thông, trong khi lý thuyết cổ điển lại chỉ dịnh
nghĩa hai pha: dòng chảy tự do và tắc nghẽn giao thông.
Kerner chia pha tắc nghẽn thành 2 pha riêng biệt: đồng
bộ dòng chảy và mắc kẹt di chuyển diện rộng

Mô hình Gipps

Mô phỏng giao thông

Mô hình tương tác phương tiện giao thông do Peter
G.Gipps phất triển cuối những năm 1970 dưới sự tài trợ
của S.R.C, mô hình này hoạt động dựa vào hành vi
người điều khiển và theo dõi các phương tiện khác
trong dòng chảy giao thông.
Mô phỏng hệ thống giao thông vận tải

O/D Matrix

Origin/Destination Matrix, Ma trận điểm đầu/điểm đích
làm đầu vào sinh nhu cầu giao thông cho ứng dụng.

Phương pháp Euler

Một thủ tục số học để giải phương trình vi phân thông
thường với giá trị khởi tạo cho trước

Phương pháp Heun

Một thủ tục số học giải phương trình vi phân thông
thường với giá trị khởi tạo cho trước, thường dùng để
cải tiến hoặc chỉnh sửa phương pháp Euler hoặc phương
pháp Runge-Kutta 2 tần

Phương pháp Monte
Carlo

Một lớp rộng các thuật toán tính toán dựa trên việc lấy
mẫu ngẫu nhiên để thu được kết quả dạng số

PTGT

Phương tiện giao thông

Phương pháp RungeKutta

Một họ các phương pháp lặp quan trọng được sử dụng
để rời rạc hóa thời gian nhằm tìm lời giải xấp xỉ cho
phương trình vi phân thông thường

TRACI

Traffic Control Interface, giao diện điều khiển giao
thông, có khả năng truy cập mô phỏng giao thông đang
chạy, lấy thông tin của các đối tượng được mô phỏng
xii


Từ viết tắt / thuật ngữ Ý nghĩa
rồi điều khiển hoạt động đối tượng đó trực tuyến qua
kết nối TCP client/server
TRANSIMS
SUMO

TRansportation ANalysis SIMulation System
Simulation Urban of Mobility

xiii


GIỚI THIỆU CHUNG
Quá trình đô thị hóa nhanh chóng dẫn đến việc một lượng lớn lao động đổ dồn về
các thành phố lớn. Việc ùn tắc giao thông vào giờ cao điểm trở thành một vấn đề
hết sức nhức nhối dư luận. Để giải quyết vấn đề này, các cấp chính quyền tại các
thành phố lớn đề xuất giải pháp là phải mở rộng, nâng cấp hay tạo ra các con đường
mới nhằm mục đích giảm tải gánh nặng giao thông. Nhưng trước khi thực hiện việc
nên mở rộng, nâng cấp hay xây dựng một con đường mới cần phải có sự tính toán
kỹ lưỡng, hợp lý và hiệu quả. Một trong những giải pháp hiệu quả, cần thiết và tiết
kiệm là thực hiện quá trình mô phỏng giao thông trước trên máy tính. Từ kết quả
mô phỏng, việc đánh giá một giải pháp sẽ tối ưu hơn.
Trên thế giới đã có nhiều phần mềm cho phép mô phỏng giao thông trên máy
tính. Nhưng đa số các phần mềm này chỉ phù hợp với từng khu vực, từng quốc gia.
Còn đối với giao thông ở Việt nam với tình trạng đường xá chằng chịt, tình trạng
thiếu ý thức của người tham gia giao thông cũng như đặc trưng của “đất nước nhiều
xe máy” làm cho các phần mềm này không thực sự phù hợp với điều kiện thực tế ở
nước ta. Mặt khác, hầu như các phần mềm mô phỏng giao thông đều không có khả
năng mô phỏng người đi bộ tham gia giao thông. Vậy nên yêu cầu cấp thiết đặt ra là
cần một phần mềm mô phỏng giao thông “sát sườn” với tình trạng giao thông ở
nước ta, phù hợp với các đặc trưng và tình trạng văn hóa giao thông hiện nay.
Luận văn “Xây dựng phần mềm hỗ trợ mô phỏng giao thông” là nghiên cứu
mong muốn phát triển một công cụ hỗ trợ mô hình hóa và mô phỏng hệ thống giao
thông trong thực tế. Luận văn xây dựng dựa trên lý thuyết mô phỏng, yêu cầu cơ
bản của một phần mềm mô phỏng giao thông cần có và cách mô phỏng dựa trên mô
hình đa Agent.
Bố cục tổ chức luận văn trình bày với 4 chương như sau:
 Chương 1: Một số nghiên cứu về mô hình mô phỏng giao thông giới thiệu

bài toán mô phỏng giao thông, phân loại, xu hướng và ứng dụng mô phỏng giao
thông trong thực tế, các chức năng một phần mềm mô phỏng giao thông cần
phải có và một số phần mềm mô phỏng giao thông hiện nay.
 Chương 2: Mô phỏng hệ thống giao thông dựa trên mô hình đa Agent cung
cấp lý thuyết về Agent và đa Agent, quá trình mô hình hóa dựa trên Agent như
thế nào và một số ý tưởng mô phỏng giao thông sử dụng mô hình Agent.
1


 Chương 3: Xây dựng phần mềm mô phỏng hệ thống giao thông giới thiệu
về ngôn ngữ lập trình, cách thức tổ chức dữ liệu, cấu trúc tổng quát của hệ
thống và quá trình xây dựng mạng lưới giao thông cho đến quá trình tiến hành
mô phỏng.
 Chương 4: Kết luận và hướng phát triển trình bày kết quả đạt được của luận
văn, hướng phát triển và một số đề xuất.

2


Chương I: MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG GIAO
THÔNG
1.1. Bài toán mô phỏng giao thông
1.1.1. Giới thiệu chung
Mô phỏng được định nghĩa là một cách trình diễn động một phần thế giới thực
bằng cách xây dựng một mô hình máy tính và cho nó hoạt động trong một khoảng
thời gian [1]. Mô phỏng hệ thống giao thông vận tải (Simulation of Traffic and
Transportation) là một lĩnh vực trong mô phỏng máy tính. Trong đó, phần mềm
được xây dựng để mô phỏng các cấu trúc giao thông, bao gồm cơ sở hạ tầng, các
phương tiện, các tình huống giao thông… Các phần mềm này sẽ mô tả việc lưu
thông của các phương tiện trên các mạng lưới giao thông được xây dựng sẵn, có áp

dụng các quy tắc giao thông tùy thuộc yêu cầu của người dùng. Tùy theo từng phần
mềm và cách nhìn của các nhà phát triển mà mỗi phần mềm có những đặc tính
riêng, chủ yếu liên quan đến việc xây dựng một mạng lưới giao thông và tiến hành
mô phỏng quá trình lưu thông các phương tiện trên đó. Theo Kallberg [2], người
đầu tiên đề cập đến việc sử dụng máy tính để mô phỏng là D.L. Gerlough trong luận
văn của ông: “Simulation of freeway traffic on a general-purpose dicrete variable
computer”, tạm dịch là “Mô phỏng giao thông tự do trên máy tính biến thiên rời rạc
đa năng” tại trường đại học California, Los Angenles năm 1955. Trong lịch sử 60
năm phát triển, từ một vài công cụ nghiên cứu phục vụ cho một nhóm nhỏ các
chuyên gia, các phần mềm mô phỏng giao thông đã được ứng dụng ngày một rộng
rãi trong nghiên cứu, lập kế hoạch, trình diễn cũng như phát triển hệ thống giao
thông thực.
Cũng giống như hầu hết các loại mô phỏng khác, giao thông được đưa vào mô
phỏng do khó khăn khi giải quyết bài toán phân tích bằng tay, nhu cầu kiểm thử,
ước lượng, trình diễn một đề án giao thông trước khi nó được thực thi hoặc phát
triển nhằm mục đích nghiên cứu và huấn luyện con người. Các hệ thống mô phỏng
giao thông được đẩy mạnh phát triển nhờ sự tiến bộ trong lý thuyết giao thông,
trong công nghệ phần cứng máy tính và công cụ lập trình, sự phát triển của cơ sở hạ
tầng kỹ thuật thông tin và nhu cầu của xã hội trong việc phân tích chi tiết hơn kết
quả thu được từ đo đạc và lập kế hoạch giao thông.

3


1.1.2. Bài toán mô phỏng giao thông
Bài toán mô phỏng giao thông được phát biểu như sau: Trong giao thông vận tải,
hãy tìm cách làm sao cho người tham gia giao thông di chuyển được thuận lợi qua
các con đường cũng như toàn mạng lưới. Hệ thống giao thông được đặc trưng bởi
một số nét khiến cho nó trở nên khó phân tích, điều khiển và tối ưu. Các hệ thống
giao thông thường bao phủ một vùng rộng lớn, số lượng thành phần hoạt động lớn,

mục đích và mục tiêu của các thành phần này cũng không cần thiết song song với
các thành phần khác và với các mục tiêu tối ưu hệ thống hoặc do người dùng chọn.
Có rất hiều đầu vào nằm ngoài kiểm soát của người điều hành cũng như các thành
phần tham gia như điều kiện thời tiết, số lượng người tham gia giao thông… Thêm
vào đó, hệ thống giao thông biến động một cách tự nhiên, nghĩa là số lượng đơn vị
trong hệ thống thay đổi theo thời gian thực một cách ngẫu nhiên. Số phần tử đang
hoạt động tại một thời điểm là rất lớn đồng nghĩa với số tương tác đồng thời.
Hệ thống vận tải là hệ thống người - máy điển hình. Các hoạt động trong hệ
thống bao gồm cả tương tác người - người, tức giữa người điều khiển phương tiện phương tiện - người khác và tương tác người - máy giữa người điều khiển phương
tiện và phương tiện, thông tin giao thông, hệ thống điều khiển giao thông và môi
trường đường phố. Thêm nữa, luật tương tác được ước lượng một cách tự nhiên. Sự
quan sát và phản ứng của người điều khiển phương tiện bị chi phối bởi nhận thức
con người chứ không phải là công nghệ dựa trên hệ thống cảm ứng và theo dõi [3].
Nói chung, hệ thống giao thông là một môi trường tuyệt vời cho mô phỏng dựa
trên kỹ thuật nghiên cứu và lập kế hoạch, một lĩnh vực ứng dụng mà ở đó ứng dụng
của các công cụ phân tích, mặc dù rất quan trọng, nhưng lại bị giới hạn ở mức hệ
thống con và các bài toán nhỏ.

1.2. Một số mô hình phổ biến đang được sử dụng.
Các phương pháp mô phỏng giao thông vận tải có thể sử dụng một trong số
những lý thuyết, xác suất thống kê, phương trình vi phân và phương pháp số [2].
1.2.1. Mô phỏng sự kiện rời rạc và phương pháp Monte Carlo
Trong hướng tiếp cận mô phỏng giao thông dựa trên mô phỏng sự kiện rời rạc,
mô phỏng Monte Carlo là một trong những mô hình ra đời sớm nhất. Phương pháp
4


Monte Carlo được biết đến như là một lớp rộng các thuật toán tính toán dựa trên
việc lấy mẫu ngẫu nhiên để thu được kết quả dạng số. Chúng thường được sử dụng
trong các bài toán vật lý, toán học và có ích nhất là khi khó hoặc không thể sử dụng

các phương pháp toán khác. Phương pháp Monte Carlo chủ yếu được sử dụng trong
ba lớp bài toán riêng biệt: tối ưu hóa, tích hợp số học và sinh hình vẽ từ phân phối
xác suất [5]. Khi áp dụng phương pháp Monte Carlo vào mô phỏng giao thông, các
mô hình mô phỏng sự kiện rời rạc tuân theo một loạt các biến thống kê ngẫu nhiên
với các thành phần ngẫu nhiên và biến đổi động theo thời gian. Để mô phỏng và
quản lý các sự kiện, một server chứa hàng đợi được xây dựng và đặt tại một điểm
duy nhất.
1.2.2. Mô phỏng trong thời gian liên tục
Mô phỏng trong thời gian liên tục khác với mô phỏng sự kiện rời rạc. Nó có thể
giải quyết những thiếu sót của mô phỏng sự kiện rời rạc nhưng lại yêu cầu phải có
đường cong đầu vào, trạng thái và đầu ra trong một khoảng thời gian. Phương pháp
này đòi hỏi việc sử dụng các phương trình vi phân, phương pháp tích hợp số đặc
biệt. Những phương trình này có thể dao động từ phương pháp đơn giản, chẳng hạn
như phương pháp Euler [6], phương pháp chuỗi Taylor bậc cao, phương pháp Heun
[7] và Runge-Kutta [8].
1.2.3. Mô hình Cellular Automata
Cellular Automata là một mô hình rời rạc được nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực
như lý thuyết tính toán, toán học, vật lý, khoa học phức hợp, sinh học lý thuyết và
mô hình hóa vi kiến trúc [9]. Mỗi Cellular Automata chứa một số trạng thái hữu
hạn. Việc xây dựng mô hình và chuyển trạng thái giữa các Cellular Automata có thể
sinh ra mô hình giao thông ngẫu nhiên từ các định luật đơn định. Hệ thống mô
phỏng giao thông tiêu biểu nhất sử dụng mô hình này là TRANSIMS của Mỹ.
Trong khi nhiều phần mềm định nghĩa chi tiết rất nhiều đối tượng giao thông lớn
nhỏ khác nhau, TRANSIMS lại coi mạng lưới giao thông như một tập các thành tố
giống nhau. Mỗi thành tố chỉ có thể chứa tối đa một phương tiện trong một đơn vị
thời gian. Khi thời gian trôi đi, các phương tiện này sẽ nhảy qua các phần tử sao cho
vẫn tuân thủ các định luật di chuyển vật lý.

5

1.2.4. Mô hình car-following
Mô hình car-following là một lớp của các mô hình thời gian liên tục dựa trên các
phương trình vi phân để mô hình hóa sự tương tác giữa các phương tiện [10]. Mô
hình lâu đời nhất và cũng được biết đến nhiều nhất là mô hình General Motors-GM.
Các mô hình quan trọng bao gồm mô hình điều khiển giao thông thông minh
(Intelligent Driver Model) và mô hình của Gipps. Hành vi của mỗi phương tiện
được mô hình hóa và xem xét tác động của nó trên toàn bộ hệ thống giao thông vĩ
mô. Sử dụng một phương pháp số với một mô hình car-following như Gipps sử
dụng phương pháp Heun có thể tạo ra được các thông tin quan trọng về điều kiện
giao thông, chẳng hạn như độ trễ hệ thống và xác định các nút thắt cổ chai.

1.3. Phân loại và xu hướng mô phỏng giao thông.
1.3.1. Phân loại ứng dụng mô phỏng giao thông.
Các ứng dụng mô phỏng giao thông có thể được phân loại theo một số cách. Một
trong các cách đó là ứng dụng sẽ được phân làm 3 loại: mô phỏng vi mô
(microscopic simulation), mô phỏng vĩ mô (macroscopic simulation) và mô phỏng
trung mô (mesoscopic simulation).
Mô phỏng vi mô (microscopic simulation)
Mô phỏng chi tiết hành vi của từng phương tiện trong hệ thống, phạm vi mô
phỏng phụ thuộc vào tốc độ xử lý và dung lượng bộ nhớ của máy tính. Ngày nay,
công nghệ thông tin có những bước phát triển vượt bậc nên xu hướng là phát triển
các phần mềm mô phỏng vi mô có khả năng mô phỏng quá trình giao thông trên
phạm vi rộng.
Mô phỏng vĩ mô (macroscopic simulation)
Mô phỏng quá trình giao thông trên một phạm vi rộng, với sự có mặt của một
lượng lớn phương tiện giao thông, do đó khó mà có thể mô phỏng chi tiết hành vi
của từng phương tiện trong hệ thống. Độ tin cậy và thông tin thu được trong kết quả
mô phỏng vì thế cũng bị hạn chế.

6


Mô phỏng trung mô (mesoscopic simulation)
Dung hòa mâu thuẫn giữa hai mô hình mô phỏng vi mô và mô phỏng vĩ mô bằng
cách giảm yêu cầu mô tả chi tiết hành vi của mỗi phương tiện để có thể mở rộng
phạm vi mô phỏng.
1.3.2. Xu hướng phát triển trong mô phỏng giao thông.
Hầu hết các xu hướng mô phỏng hiện nay là nhằm vào mô phỏng vi mô. Bên
cạnh đó, một số ứng dụng mô phỏng vi mô khá tốt đã chuyển sang làm việc với cả
mô phỏng trung mô. Một số xu hướng chính có thể được kể đến như:
Các ứng dụng mô phỏng được phát triển về quy mô
Từ các ứng dụng khá tốt cho một địa phương hoặc một loại phương tiện nào đó
đến việc hỗ trợ mạng lưới đường xá rộng lớn, tích hợp nhiều loại phương tiện.
Mô tả chi tiết và chính xác hơn môi trường vật lý đường phố
Xu hướng này làm tăng nhu cầu về năng lực tính toán, đặc biệt là trong các ứng
dụng mô phỏng giao thông địa phương, kiểu như mô phỏng một nút giao thông nào
đó. Trong trường hợp này, sử dụng giao diện đồ họa người dùng tích hợp với các hệ
thống GIS và CAD là phương pháp khả thi.
Tiếp cận mạng lưới giao thông
Công tác phát triển TRANSIMS của Mỹ hay gói phần mềm SUMO của Đức là
những ví dụ về việc tiếp cận mạng lưới giao thông. Mô phỏng hệ thống giao thông
một thành phố dựa trên sử dụng một lượng lớn tính toán song song, song có thể đạt
được thông qua sử dụng đồng thời nhiều máy vi tính giao tiếp thông qua mạng nội
bộ.
Ảnh hưởng của các phương pháp lập trình đến mô phỏng
Ngoài tính toán song song, các nguyên tắc và phương pháp lập trình hiện đại
cũng có ảnh hưởng đến mô phỏng. Lập trình hướng đối tượng rất thích hợp trong
7

các mô tả về số lượng lớn của các tương tác thực tế song song trong giao thông. Các
đối tượng, Agent có thể được lập trình để tương tác một cách rất tự nhiên. Từ đó
sinh ra mô hình chính xác hành vi của dòng chảy giao thông.
Tìm hướng tiếp cận khác ngoài hướng tiếp cận truyền thống
TRANSIMS là một ví dụ về sự thay đổi trong cách tiếp cận. Các mô tả dòng
chảy giao thông truyền thống dựa trên các biến tốc độ và khoảng cách liên tục.
TRANSIMS như đã nói, sử dụng một cách tiếp cận khác biệt, trong đó mạng lưới
đường phố được xây dựng từ các ô tế bào chỉ có thể chứa một chiếc xe tại một thời
điểm. Trong cách tiếp cận này, các phương tiện khi di chuyển sẽ nhảy từ ô tế bào
hiện tại sang một ô tế bào mới theo quy tắc mô tả hành vi điều khiển và duy trì các
định luật cơ bản của vật lý hiện nay khi di chuyển xe [11].
Mô phỏng dòng chảy giao thông
Sử dụng logic mờ để mô tả nhận thức con người đang được sử dụng trong xu
hướng này.
Hệ thống thực tế ảo kết hợp với công cụ lập trình phổ biến
Sự kết hợp này là cần thiết trong những mô phỏng mà phản ứng và hành vi của
người lái xe phải được phân tích rất chi tiết. Sự kết hợp giữa mô phỏng lái xe truyền
thống và hệ thống mô phỏng dòng chảy giao thông truyền thống trở nên khả thi nhờ
các kỹ thuật thực tế ảo. Trong mô phỏng lái xe truyền thống, người lái thử nghiệm
phản ứng với dòng phương tiện cố định nhìn thấy trên màn hình. Mô phỏng sẽ tự
nhiên hơn nếu giao thông cũng phản ứng với các hành vi của lái xe thử nghiệm. Khi
đó, chiếc xe với lái thử nghiệm trở thành một phần tương tác của dòng chảy giao
thông mô phỏng.

1.4. Ứng dụng của mô phỏng giao thông trong thực tế.
Mô phỏng giao thông giúp cho người sử dụng có thể trả lời một số câu hỏi:

8

 Khả năng thông qua của dòng phương tiện tại nút giao thông X sẽ thay
đổi thế nào nếu ta sử dụng một phương pháp điều khiển mới hay làm
thay đổi một số tuyến đường xung quanh?
 Có nên đổi đường Y từ đường hai chiều thành một chiều hay ngược lại
hay không?
 Có cần thiết phải mở rộng con đường A hay thêm 1 đường mới từ A
đến Z hay không?
 …
Thực tế đã chứng minh, mô phỏng giao thông là giải pháp cung cấp thông tin trả
lời cho những câu hỏi trên với chi phí thấp nhất.
Một số ứng dụng thực tế và tiềm năng ứng dụng của các phần mềm mô phỏng
giao thông có thể kể đến:
 Mô tả quá trình lưu thông của phương tiện trên một số tuyến đường giả
định hoặc mô phỏng thực tế, từ đó giúp các nhà quy hoạch, các nhà
quản lý có thể ước lượng, tiên đoán và thiết kế xây dựng hoặc điều
chỉnh hạ tầng giao thông cho phù hợp.
Ví dụ: Bằng cách mô phỏng trên một số tuyến đường với lưu lượng
phương tiện tùy chỉnh, người ta có thể có một số ước lượng tương đối
chính xác rằng tuyến đường này nên được mở rộng thế nào, các nút
giao thắt nên được bố trí ở đâu, các đường nhánh bố trí ra sao, độ rộng
thế nào… để tránh ùn tắc.
 Xa hơn, các phần mềm mô phỏng giúp tiên đoán được các tình huống
giao thông thực tế, nếu được xây dựng ở mức độ phù hợp, nó sẽ là
phương tiện rất hữu ích trong việc xây dựng hệ thống giao thông thông
minh trong tương lai, khi mà các phương tiện đường bộ có mức độ tự
động hóa cao, có thể liên lạc với một trung tâm điều phối nhằm xác
định đường đi tốt nhất cho mình và tránh được những trường hợp đáng
tiếc.

9


Ví dụ: Nhiều xe đang ở chế độ tự lái và có kết nối với trung tâm điều
phối và thông báo về lộ trình dự kiến của mình. Khi đó, trung tâm điều
phối tập hợp được lộ trình của các xe trong vùng mình quản lý, nhờ
phần mềm mô phỏng, trung tâm có thể tiên liệu được các tình huống
ách tắc, va chạm có thể xảy ra và có hướng điều chỉnh lộ trình phù hợp
và an toàn hơn cho các xe.
Có nhiều lĩnh vực đã và đang được giới nghiên cứu quan tâm đến khi đề cập đến
mô phỏng giao thông:
An toàn giao thông và tầm ảnh hưởng của hệ thống thông tin và điều khiển
An toàn giao thông là một bài toán tương đối khó trong mô phỏng. Trong các
chương trình mô phỏng truyền thống, người điều khiển phương tiện được lập trình
để tránh va chạm. Điều đó là không thể làm được. Mô phỏng an toàn giao thông
thuộc loại mô phỏng lấy con người làm trung tâm, khi đó hệ thống nhận thức – phản
ứng của người lái xe được mô tả với tất cả những điểm yếu. Cách tiếp cận này đôi
khi được gọi là nanosimulation để tách biệt nó ra khỏi các mô phỏng vi mô truyền
thống.
Ước lượng nhu cầu giao thông thông qua mô phỏng vi mô
Câu hỏi đặt ra là tìm cách tái tạo mô hình các hành trình của người dân trong một
khu vực (số lượng, thời gian trong ngày, mục đích, phương pháp phân chia và sử
dụng làn đường) thông qua tổng hợp hành vi mỗi cá nhân.
Phân tích mô hình car-following
Các mô hình car-following cũng như phân tích nút giao cắt, là một trong những
câu hỏi cơ bản của lý thuyết dòng chảy giao thông và mô phỏng vẫn được tích cực
nghiên cứu cho đến nay.
Mô phỏng dòng chảy giao thông
Các thông số như lưu lượng, các chỉ số đặc trưng, độ trễ và độ dài hàng đợi
phương tiện ở nút giao cắt đều được quan tâm đến.

10


Điều khiển tín hiệu đèn giao thông
Các bộ điều khiển tín hiệu đèn giao thông hiện đại khác với bộ điều khiển truyền
thống vốn chỉ bắt giao thông phải phản ứng theo tín hiệu nó đề ra, mà thêm vào đó,
nó cũng phản ứng lại với tình hình giao thông và tự điều chỉnh cho phù hợp.
Mạng lưới giao thông
Hầu hết các vấn đề giao thông vận tải đô thị liên quan đến mạng lưới đường xá.
Trong mạng, một người phải đi qua nhiều loại giao cắt (có tín hiệu hoặc không có
tín hiệu) và đường nối (đường chính, cao tốc, đường phố…) khiến cho việc mô
phỏng trở nên tương đối phức tạp. Vì vậy, số lượng công cụ mô phỏng dùng cho
phân tích mạng giao thông là tương đối ít so với số chương trình chỉ phân tích một
nút giao cắt hay một đoạn đường cô lập.

1.5. Chức năng và yêu cầu đối với phần mềm mô phỏng giao thông.
1.5.1. Các chức năng cơ bản của một phần mềm mô phỏng giao thông.
Một phần mềm mô phỏng giao thông hoàn chỉnh thường bao gồm các chức
năng sau:
Mô phỏng hành vi trong mối quan hệ tương tác giữa các phương tiện giao thông
với nhau, và giữa các phương tiện giao thông với các công trình trong hệ thống cơ
sở hạ tầng giao thông, tái tạo các tình huống giao thông trong thực tế như vượt xe,
bám xe, chuyển làn, chiếm chỗ trống, đỗ xe… Chức năng này cho phép tạo ra “quá
trình giao thông ảo” trên máy tính giúp các nhà quản lý và điều hành phát hiện,
phân tích các tình huống giao thông, đánh giá hiệu quả các phương án quản lý, điều
khiển giao thông, phát hiện và hiệu chỉnh các khiếm khuyết trước khi ứng dụng vào
thực tế.
Thiết kế mô hình mạng giao thông, nút giao thông. Mô hình này chính là “hệ
thống cơ sở hạ tầng giao thông ảo”, nơi diễn ra “quá trình giao thông ảo” như đã đề
cập ở chức năng mô phỏng. Việc xây dựng mô hình cụ thể là xác định các thông số

về hình dạng, kích thước của nút hoặc đường giao thông, hiển thị hình ảnh đồ họa
của mô hình mạng giao thông trên máy tính.
11