Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng áp dụng mô hình tác tử agentbased model để mô phỏng dòng giao thông hỗn hợp trường hợp thành phố hồ chí minh

Luận văn thạc sĩ kỹ thuật xây dựng áp dụng mô hình tác tử Agent-Based Model mô phỏng dòng giao thông hỗn hợp tại TP.HCM, phân tích hiệu quả quản lý giao thông đô thị.

• Tác giả: Lê Hùng Mạnh
• Người hướng dẫn: PGS.TS Chu Công Minh
• Trường học: Đại học Bách Khoa - Đại học Quốc gia Thành phố Hồ Chí Minh
• Chuyên ngành: Kỹ thuật xây dựng công trình giao thông
• Đề tài: Áp dụng mô hình tác tử (Agent-Based Model) để mô phỏng dòng giao thông hỗn hợp – Trường hợp thành phố Hồ Chí Minh
• Loại tài liệu: luận văn thạc sĩ
• Năm xuất bản: 2016
• Địa điểm: Thành phố Hồ Chí Minh

Tóm tắt

I. Tổng quan

Trong bối cảnh giao thông tại TP.HCM ngày càng trở nên phức tạp, việc nghiên cứu và ứng dụng Mô hình Agent-Based để mô phỏng giao thông hỗn hợp trở thành một nhu cầu cấp thiết. Mô phỏng giao thông không chỉ giúp các nhà quản lý hiểu rõ hơn về quy luật vận động của các phương tiện mà còn cung cấp những giải pháp khả thi để cải thiện tình hình giao thông. Luận văn này tập trung vào việc xây dựng một mô hình mô phỏng giao thông hỗn hợp, nhằm phân tích và đánh giá các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng thông hành của dòng xe. Mục tiêu chính là sử dụng phần mềm Netlogo để mô phỏng sự tương tác giữa các loại phương tiện, từ đó đưa ra những khuyến nghị cho việc quy hoạch giao thông tại TP.HCM.

1.1 Đặt vấn đề nghiên cứu

Tình trạng kẹt xe tại TP.HCM đang trở thành một vấn đề nhức nhối, ảnh hưởng đến đời sống hàng ngày của người dân. Việc áp dụng Mô hình Agent-Based cho phép mô phỏng hành vi của từng phương tiện trong dòng giao thông hỗn hợp, từ đó giúp các nhà nghiên cứu có cái nhìn sâu sắc hơn về các yếu tố tác động đến tình trạng giao thông. Mô hình này không chỉ giúp phân tích các yếu tố như tốc độ, lưu lượng mà còn cho phép đánh giá tác động của từng loại phương tiện đến khả năng thông hành của dòng xe. Qua đó, các nhà quản lý có thể đưa ra những quyết định hợp lý hơn trong việc điều chỉnh và quy hoạch giao thông.

1.2 Cơ sở hình thành đề tài

Nhu cầu nghiên cứu và ứng dụng Mô hình Agent-Based trong mô phỏng giao thông tại TP.HCM xuất phát từ thực tế giao thông phức tạp và sự gia tăng nhanh chóng của các phương tiện. Các nghiên cứu trước đây đã chỉ ra rằng việc mô phỏng giao thông hỗn hợp có thể giúp cải thiện tình hình giao thông. Tuy nhiên, nhiều mô hình hiện tại vẫn còn tồn tại những hạn chế, như không kết hợp được lý thuyết về Car-following model và Lane-changing model. Luận văn này nhằm khắc phục những hạn chế đó, đồng thời cung cấp một cái nhìn tổng quan về tình hình giao thông tại TP.HCM.

II. Cơ sở lý thuyết

Chương này trình bày các lý thuyết cơ bản liên quan đến Mô hình Agent-Based và các mô hình mô phỏng vi mô. Mô hình Agent-Based cho phép mô phỏng hành vi của các tác nhân trong môi trường giao thông, từ đó phân tích sự tương tác giữa các phương tiện. Các yếu tố như tốc độ, lưu lượng và khoảng cách giữa các xe được xem xét kỹ lưỡng. Việc áp dụng các lý thuyết như Car-following model và Lane-changing model giúp mô phỏng chính xác hơn hành vi của các phương tiện trong dòng giao thông hỗn hợp. Chương này cũng giới thiệu phần mềm Netlogo, công cụ chính được sử dụng để xây dựng mô hình mô phỏng.

2.1 Xây dựng mô hình giao thông hỗn hợp

Mô hình giao thông hỗn hợp dựa trên Mô hình Agent-Based cho phép mô phỏng hành vi của từng phương tiện trong dòng giao thông. Mỗi tác nhân (Agent) được định nghĩa với các thuộc tính và hành vi riêng, cho phép chúng tương tác với nhau và với môi trường xung quanh. Mô hình này giúp phân tích các yếu tố như tốc độ, lưu lượng và khoảng cách giữa các xe, từ đó đưa ra những dự đoán về tình trạng giao thông. Việc sử dụng Mô hình Agent-Based giúp tăng cường khả năng dự đoán và phân tích tình hình giao thông tại TP.HCM.

2.2 Các mô hình mô phỏng vi mô

Mô hình mô phỏng vi mô thường được sử dụng để mô phỏng các mạng lưới đường cỡ nhỏ và trung bình. Dựa trên lý thuyết Car-following model, mô hình này mô tả mối quan hệ giữa các xe thông qua hành vi của người lái. Các phần mềm như Netlogo đã được sử dụng rộng rãi để mô phỏng giao thông, cho phép phân tích chính xác các thông số về vị trí và thời điểm của từng xe. Tuy nhiên, số lượng xe và kích thước của mạng lưới mô phỏng vẫn bị hạn chế bởi bộ nhớ của máy tính.

III. Phương pháp nghiên cứu

Chương này trình bày phương pháp nghiên cứu được áp dụng trong luận văn, bao gồm các bước xây dựng mô hình và phân tích dữ liệu. Việc sử dụng phần mềm Netlogo để mô phỏng giao thông hỗn hợp là một trong những điểm nổi bật của nghiên cứu. Các dữ liệu đầu vào được thu thập từ thực tế giao thông tại TP.HCM, bao gồm kích thước hình học, lưu lượng và tốc độ của các phương tiện. Mô hình được xây dựng dựa trên các lý thuyết đã được nghiên cứu trước đó, nhằm đảm bảo tính chính xác và khả năng ứng dụng cao.

3.1 Sơ đồ khối biểu diễn quá trình xây dựng mô hình

Sơ đồ khối mô tả quá trình xây dựng mô hình Agent-Based bao gồm các bước từ thu thập dữ liệu đầu vào, xây dựng mô hình trên phần mềm Netlogo, đến việc kiểm tra và phân tích mô hình. Mỗi bước đều được thực hiện một cách cẩn thận để đảm bảo tính chính xác của mô hình. Việc phân tích tình trạng giao thông từ mô hình cũng được thực hiện để đánh giá hiệu quả của các giải pháp đề xuất.

3.2 Trình tự thực hiện

Trình tự thực hiện nghiên cứu bao gồm việc thu thập dữ liệu đầu vào, xây dựng mô hình và kiểm tra mô hình. Dữ liệu đầu vào được thu thập từ các nguồn khác nhau, bao gồm số liệu thực tế về giao thông tại TP.HCM. Sau khi xây dựng mô hình trên phần mềm Netlogo, mô hình sẽ được kiểm tra để đảm bảo tính chính xác và khả năng ứng dụng. Cuối cùng, các kết quả từ mô hình sẽ được phân tích để đưa ra những khuyến nghị cho việc quy hoạch giao thông tại TP.HCM.

IV. Xây dựng mô hình phân tích đánh giá

Chương này tập trung vào việc xây dựng mô hình phân tích đánh giá tình trạng giao thông tại TP.HCM. Các số liệu đầu vào được sử dụng để xây dựng mô hình bao gồm kích thước hình học, lưu lượng và tốc độ của các phương tiện. Mô hình được xây dựng trên phần mềm Netlogo, cho phép mô phỏng chính xác hành vi của các phương tiện trong dòng giao thông hỗn hợp. Việc phân tích đánh giá mô hình giúp xác định các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng thông hành của dòng xe, từ đó đưa ra những giải pháp cải thiện tình hình giao thông.

4.1 Số liệu đầu vào

Số liệu đầu vào cho mô hình bao gồm kích thước hình học của đoạn đường, lưu lượng và tốc độ của các phương tiện. Các thông số này được thu thập từ thực tế giao thông tại TP.HCM, đảm bảo tính chính xác và khả năng ứng dụng của mô hình. Việc sử dụng số liệu thực tế giúp mô hình phản ánh đúng tình hình giao thông hiện tại, từ đó đưa ra những dự đoán chính xác hơn về khả năng thông hành của dòng xe.

4.2 Phân tích đánh giá mô hình

Phân tích đánh giá mô hình được thực hiện thông qua việc so sánh các kết quả mô phỏng với dữ liệu thực tế. Các kịch bản khác nhau được thử nghiệm để đánh giá tác động của thành phần xe, lưu lượng và loại xe đến khả năng thông hành của dòng xe. Kết quả phân tích giúp xác định các yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tình trạng giao thông, từ đó đưa ra những khuyến nghị cho việc quy hoạch giao thông tại TP.HCM.

V. Kết luận

Luận văn đã trình bày một cách chi tiết về việc ứng dụng Mô hình Agent-Based để mô phỏng giao thông hỗn hợp tại TP.HCM. Kết quả nghiên cứu cho thấy mô hình có khả năng phản ánh chính xác tình hình giao thông hiện tại, đồng thời cung cấp những giải pháp khả thi để cải thiện tình trạng giao thông. Việc sử dụng phần mềm Netlogo đã giúp mô phỏng hành vi của các phương tiện một cách hiệu quả, từ đó đưa ra những khuyến nghị cho việc quy hoạch giao thông tại TP.HCM. Nghiên cứu này không chỉ có giá trị lý thuyết mà còn có ý nghĩa thực tiễn cao trong việc cải thiện tình hình giao thông tại các thành phố lớn.

5.1 Đề xuất hướng nghiên cứu tiếp theo

Dựa trên kết quả nghiên cứu, có thể đề xuất một số hướng nghiên cứu tiếp theo như mở rộng mô hình để bao gồm các yếu tố khác như thời tiết, hành vi của người tham gia giao thông, hoặc áp dụng mô hình cho các thành phố khác. Việc nghiên cứu sâu hơn về các yếu tố này sẽ giúp cải thiện tính chính xác của mô hình và khả năng ứng dụng trong thực tế.

Trích đoạn nội dung tài liệu

Đặt vấn đề nghiên cứu Hiện nay, vấn đề giao thông ở Việt Nam rất phức tạp đặc biệt tình trạng kẹt xe vẫn đang diễn ra hằng ngày ở các thành phố lớn. Bài toán đặt ra cho các nhà quản lý là phải có cái nhìn chi tiết nhất về những quy luật tự nhiên của giao thông, để có thể phân tích đánh giá và đƣa ra điều chỉnh, tổ chức, quy hoạch giao thông hợp lý nhất. Cách tiếp cận hiệu quả nhất là sử dụng công cụ mô phỏng, thông qua mô phỏng con ngƣời có thể nắm bắt quy luật một cách tiệm cận nhất. Vì vậy việc nghiên cứu một hệ thống mô phỏng giao thông phù hợp với điệu kiện giao thông ở Việt Nam là hết sức cần thiết.

Mô phỏng giao thông là m ột trong những mô phỏng ph ức tạp, mô phỏng dựa trên hành vi ngƣời tham gia giao thông, có sự tƣơng tác giữa ho ̣ và quỹ đạo của các phƣơng tiện giao thông trên đƣờng, mô phỏng giao thông có thể tiế p c ận theo hai hƣớng, mô phỏng vi ̃ mô ho ặc mô phỏng vi mô tùy thuộc vào mục đích nghiên cứu. Mô hình mô phỏng vi ̃ mô sƣ̉ du ̣ng các mô hình toán ho ̣c, tập trung vào các đặc điể m của giao thông nhƣ tốc đ ộ, lƣu lƣợng và mật độ. Mô hình này không phân biệt giƣ̃a các xe riêng biệt và thư ờng không mô tả các loa ̣i xe khác nhau. Mô hình vi ̃ mô thƣờng đƣợc dùng để mô phỏng các h ệ thố ng giao trên m ột khu vực rộng lớn, phƣ́c tạp.

Mô hình vi mô mô phỏng mỗi tác nhân (Agent) ở mức chi tiết, mỗi Agent đư ơ ̣c theo dõi khi nó tư ơ ng tác với các Agent khác và với môi tr ƣờng. Tƣơng tác đƣợc điề u chỉnh bởi các s ố liệu đầu vào của mô hình giao thông nhƣ: thành phần xe (%, số lƣợng), tốc độ cho phép lớn nhất, tốc độ giới hạn nhỏ nhất, gia tốc tăng tốc, gia tốc giảm tốc, khoảng an toàn tối thiểu giữa hai xe liền kề, các điều kiện về chuyển làn, vƣợt xe, v…v. Mô hình vi mô đư ơ ̣c sƣ̉ du ̣ng rộng rãi để đánh giá kiể m soát giao thông cũng như phân tích hoa ̣t động giao thông.1 Hiện trạng giao thông giờ cao điểm (T.p Hồ Chí Minh) Hình 1.2 Hiện trạng giao thông giờ cao điểm (T.2 Cơ sở hình thành đề tài Việc phân tích, đánh giá mang tính lý thuyết rất khó để kiểm tra tính hiệu quả, chi phí tốn kém, mất nhiều thời gian hoặc gặp rủi ro không lƣờng trƣớc đƣợc. Vì 10 vậy, cần có công cụ để mô phỏng để phân tích đánh giá, đƣa ra các dự báo để điều chỉnh kịp thời cho sự phát triển một hệ thống giao thông tối ƣu,bền vững.

Từ những đòi hỏi thiết thực nêu trên, đã có nhiều tác giả với những công cụ mô phỏng khác nhau nhƣ NetLogo, Repast, Gama.đã tiến hành mô phỏng ứng xử của từng thành phần xe riêng rẽ trong dòng giao thông hỗn hợp. Ở Việt Nam cũng có nhiều bài viết sử dụng công cụ mô phỏng dựa trên cơ sở nghiên cứu hành vi của ngƣời tham gia giao thông, thói quen vƣợt xe, chuyển làn, nghiên cứu tình trạng về giao thông đô thị. để dự đoán tình hình giao thông thực tế, trong đó phần mềm Netlogo với ứng xử đa tác tử đã phản ánh gần đúng nhất (Ngô Việt Đức, 2014; Nguyễn Thanh Tuấn, 2010). Tuy nhiên, các mô phỏng trên vẫn còn một số tồn tại hạn chế nhƣ: chƣa kết hợp đƣợc lý thuyết về Car-following model với Lane – changing trong dòng xe hỗn hợp (Nguyễn Thanh Tuấn, 2010); xe ô tô vẫn chƣa tuân theo đúng lý thuyết về Car-following model (Ngô Việt Đức, 2014).

Từ những lý do kể trên và thiết nghĩ đây là một đề tài rất bức thiết, cần phải đƣợc làm rõ. Tác giả với mong muốn sẽ khắc phục đƣợc những hạn chế nêu trên, chính vì vậy đề tài: “Áp dụng mô hình tác tử (Agent – Based Model) để mô phỏng dòng giao thông hỗn hợp – Trƣờng hợp thành phố Hồ Chí Minh” đã đƣợc tác giả lựa chọn để nghiên cứu. Tác giả xin đề ra biện pháp khắc phục những hạn chế trên nhƣ sau: sử dụng gia tốc tăng tốc, giảm tốc đối với xe ô tô để có thể chạy mô hình theo lý thuyết Car- following model và theo thực tế; đồng thời sẽ tính toán lại khoảng cách phản ứng giữa xe mục tiêu và xe dẫn đầu đúng theo lý thuyết Lane – changing model để xe máy có thể chuyển làn đúng theo lý thuyết và thực tế.3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài Mục tiêu của đề tài là xây dựng mô hình mô phỏng giao thông dòng xe hỗn hợp với số liệu từ thành phố Hồ Chí Minh. Nhằm thực hiện mục tiêu này, nghiên cứu giải quyết các vấn đề sau: - Sử dụng các mô hình sẵn có về xe máy và các loại xe khác để mô phỏng chuyển động của các xe trong dòng hỗn hợp.

- Dựa trên môi trƣờng phân tích tác tử Netlogo, lập trình mô phỏng chuyển 11 động dòng xe hỗn hợp. - Đánh giá tác động của thành phần xe, lƣu lƣợng, loại xe. lên khả năng thông hành của dòng xe.4 Phạm vi và giới hạn nghiên cứu Trong phạm vi của đề tài, tác giả tiến hành nghiên cứu xây dựng mô hình mô phỏng luồng giao thông cho một đoạn đƣờng ( 01 hƣớng) có 3 làn xe ( 1 làn xe ô tô, 1 làn xe hỗn hợp và 1 làn xe máy), trong điều kiện giao thông hỗn hợp tại địa bàn thành phố Hồ Chí Minh. Áp dụng các lý thuyết đã đƣợc nghiên cứu trƣớc đây về Car-following models; Lane-changing models để xây dựng mô hình mô phỏng giao thông dựa trên tốc độ, lƣu lƣợng, thời gian chậm xe,.

với các đối tƣợng nghiên cứu là xe ô tô con, xe buýt và xe máy. Giới hạn nghiên cứu của đề tài là xây dựng mô hình dựa trên mô phỏng vi mô 1 đoạn đƣờng cụ thể trên địa bàn thành phố Hồ Chí Minh. Phân tích ảnh hƣởng sự thay đổi lƣu lƣợng, vận tốc, thành phần xe. đến khả năng thông hành của dòng xe hỗn hợp.5 Bố trí luận văn Bài nghiên cứu đƣợc trình bày thành 5 chƣơng - Chƣơng 1: Tổng quan - Chƣơng 2: Cơ sở lý thuyết.

- Chƣơng 3: Phƣơng pháp nghiên cứu. - Chƣơng 4: Xây dựng mô hình phân tích đánh giá. - Chƣơng 5: Kết Luận. 12 CHƢƠNG 2 - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Xây dựng mô hình giao thông hỗn hợp dựa trên Agent (Agent – Based Model) Mô hình dựa trên Agent, gọi tắt là ABM (Agent-Based Modeling) là mô hình dùng để mô phỏng các hành động không đồng nhất của các thực thể tự trị trong một môi trƣờng và sự tƣơng tác giữa chúng.

Có thể coi ABM là một kỹ thuật mô phỏng mạnh mẽ đƣợc sử dụng nhiều năm qua, trong đó có cả các ứng dụng liên quan đến rất nhiều lĩnh vực khác nhau, ABM có một số tên gọi khác nhau nhƣ ABS ( Agent- Based Systems ), IBM (Individual-Based Modeling) hay ABMS (Agent-Based Modeling and Simulating). Agent-Based Modeling gồm các yếu tố chính nhƣ sau:  Agent (tác tử): là một thực thể tự trị và có các hành vi không đồng nhất. Tác tử (Agents) trong NetLogo đƣợc chia thành patches, turtles, links, và các quan sát viên. Patches đƣợc sắp xếp trong một mạng lƣới caro.

Turtles di chuyển trên mạng lƣới caro này. Liên kết kết nối hai turtle khác nhau lại. Các quan sát viên giám sát tất cả mọi thứ đang xảy ra và làm bất cứ điều gì các con rùa, các bản vá lỗi và các liên kết không thể làm cho bản thân mình.  Môi trƣờng: là nơi để các agent tồn tại và tạo điều kiện cho các tác tử đó hành động.

Cả turtles và patches đều có tọa độ, tuy nhiên tọa độ của patches luôn là số nguyên còn tọa độ của turltes là số thập phân do đó mỗi turtle có thể di chuyển trong tất cả vị trí trên mạng lƣới do patches tạo ra mà không nhất thiết phải nằm ở trung tâm của patch đó.  Cơ chế tƣơng tác giữa các tác tử: các tác tử tham gia tiến hành trao đổi thông tin một cách trực tiếp hoặc gián tiếp. Tác tử này có thể nhận thức đƣợc hành động, tác động từ tác tử khác. Năm 1995 Wooldridge và Jennings đã tiến hành định nghĩa Agent với một tập hợp các thuộc tính sau: 13  Quyền tự chủ đặc biệt: Các agent có khả năng hoạt động mà không cần có sự can thiệp của con ngƣời, ở một mức độ nhất định tác tử tự kiểm soát các hoạt động của mình.

 Khả năng xã hội: Khả năng tƣơng tác gây ra những thay đổi trong môi trƣờng hoặc làm thay đổi các hành vi của các Agent khác.  Phản ứng: Agent cảm nhận đƣợc môi trƣờng mà nó tồn tại và đáp ứng đƣợc những thay đổi từ nhận thức.  Chủ động: Các Agent có khả năng chủ động, bắt đầu một số hoạt động theo mục tiêu nội bộ chứ không phản ứng từ một kích thích bên ngoài. Một số trƣờng hợp về hành vi của Agent theo rules Agent có hành vi Agent có hành vi Agent có hành vi kết hợp phân tán di chuyển theo hàng Hình 2.1 Mô tả một số trƣờng hợp chuyển động của Agent - Nguồn Eric Bonabeau Các bƣớc xây dựng một ABM (Agent-Based Model): Cần phải xác định rõ mục đích của mô hình cần xây dựng là gì? Căn cứ vào mục đích đã vạch ra ta tiến hành phân tích nghiên cứu về hệ thống, xác định các thành phần và mối liên hệ giữa chúng.

Các bƣớc cần thực hiện khi xây dựng một ABM gồm:  Định nghĩa Agent: xác định loại thực thể của agent, gán thuộc tính và hành vi cho nó.  Định nghĩa môi trƣờng mà agent sẽ “sống” trong đó.  Xây dựng cơ chế tƣơng tác của Agent trong việc phản ứng lại sự tƣơng tác giữa agent-agent và tƣơng tác agent-môi trƣờng. 14  Thêm vào các phƣơng thức điểu khiển việc agent sẽ tƣơng tác với agent nào, khi nào nó tƣơng tác, và nó sẽ tƣơng tác nhƣ thế nào trong suốt quá trình mô phỏng.

 Thực thi mô hình. Toàn bộ quá trình mô phỏng bao gồm 3 giai đoạn đƣợc minh họa nhƣ sau Thiết kế mô hình Thực thi mô Phân tích hình mô hình Hình 2.2 Sơ đồ biểu diển quá trình thực thi chƣơng trình - Nguồn Ngô Việt Đức 2.2 Các mô hình mô phỏng vi mô ứng dụng Agent-Based Modeling Mô hình mô phỏng vi mô thƣờng đƣợc sử dụng cho các mạng lƣới đƣờng cỡ nhỏ và trung bình (phụ thuộc vào bộ nhớ và tốc độ của máy tính).