Mô hình mô phỏng đa tác tử & ứng dụng mô phỏng giao thông tại Việt Nam (ĐH BKHN)

Khám phá mô hình mô phỏng đa tác tử và ứng dụng thực tế vào bài toán mô phỏng giao thông, phân tích nguyên nhân tắc nghẽn tại Việt Nam.

• Tác giả: Đặng Hữu Tú
• Người hướng dẫn: Ts. Nguyễn Thị Thu Hương
• Trường học: Trường Đại Học Bách Khoa Hà Nội
• Chuyên ngành: Toán Tin
• Đề tài: Mô Hình Mô Phỏng Đa Tác Tử Và Ứng Dụng
• Loại tài liệu: Luận Văn Thạc Sĩ
• Năm xuất bản: 2021
• Địa điểm: Hà Nội

Tóm tắt

I. Khái niệm về mô hình đa tác tử

Mô hình đa tác tử là một phương pháp mô hình hóa tiên tiến dựa trên các tác tử độc lập tương tác với nhau trong một môi trường chung. Mỗi tác tử có khả năng tự chủ, có thể đưa ra quyết định dựa trên các quy tắc và thông tin cục bộ mà nó nhận được. Trong bối cảnh giao thông Việt Nam, mô hình đa tác tử cho phép mô phỏng hành vi của các phương tiện giao thông một cách chi tiết và chính xác. Phương pháp này đã được ứng dụng thành công tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội để giải quyết các bài toán mô phỏng giao thông phức tạp. Hệ thống đa tác tử tạo ra một nền tảng mạnh mẽ để nghiên cứu và tối ưu hóa các giải pháp giao thông, giúp giảm tắc nghẽn giao thông tại các thành phố lớn của Việt Nam.

1.1. Định nghĩa tác tử trong mô phỏng giao thông

Trong mô hình giao thông, mỗi tác tử đại diện cho một phương tiện hoặc đối tượng giao thông. Tác tử có các thuộc tính như tốc độ, vị trí, hướng di chuyển và có khả năng tương tác với các tác tử khác. Các tác tử tuân theo các quy tắc hành vi cụ thể như tuân thủ tín hiệu đèn, tránh va chạm và tìm kiếm đường đi tối ưu. Cách tiếp cận này cho phép mô phỏng động các tình huống giao thông thực tế.

1.2. Vai trò của hệ thống đa tác tử

Hệ thống đa tác tử cung cấp khung làm việc để mô hình hóa các hệ thống phức tạp như giao thông đô thị. Nó cho phép các tác tử hoạt động độc lập nhưng vẫn tương tác theo các quy tắc cộng đồng. Điều này tạo ra các hành vi khách quan mà không cần lập trình từng kịch bản cụ thể, giúp mô phỏng các tình huống giao thông đa dạng và thực tế hơn.

II. Các mô hình mô phỏng giao thông hiện nay

Hiện nay, có nhiều mô hình mô phỏng giao thông khác nhau được sử dụng trong nghiên cứu và thực tiễn. Mô hình Cellular Automata là một phương pháp rời rạc đơn giản nhưng hiệu quả, trong đó mỗi ô trong lưới đại diện cho trạng thái của một phần đường. Mô hình Car-following mô tả cách thức một phương tiện theo sau xe khác dựa trên khoảng cách và tốc độ. Mô hình chuyển làn đường mô phỏng quyết định của tài xế khi thay đổi làn. Ngoài ra, các phần mềm mô phỏng như SUMO, VISSIM và TRANSIMS được sử dụng rộng rãi quốc tế. Tuy nhiên, những phần mềm này chưa thể mô phỏng chính xác các đặc thù của giao thông Việt Nam như sự vô trật tự, xe hai bánh và các hành vi tài xế không theo quy tắc.

2.1. Mô hình Cellular Automata và Car following

Mô hình Cellular Automata chia đường thành các ô rời rạc, mỗi ô có thể chứa hoặc không chứa phương tiện. Mô hình Car-following sử dụng phương trình vi phân để tính gia tốc của xe dựa trên khoảng cách và sai khác tốc độ với xe phía trước. Cả hai mô hình đều có ưu điểm về độ đơn giản nhưng hạn chế trong việc biểu diễn các hành vi giao thông phức tạp.

2.2. Phân loại mô phỏng vi mô vĩ mô và trung mô

Mô phỏng vi mô theo dõi từng phương tiện riêng lẻ; mô phỏng vĩ mô coi giao thông như một dòng chảy liên tục; mô phỏng trung mô kết hợp cả hai cách tiếp cận. Để mô phỏng giao thông Việt Nam hiệu quả, mô phỏng vi mô dựa trên mô hình đa tác tử là lựa chọn tối ưu, cho phép biểu diễn chi tiết các hành vi tài xế và phương tiện Việt Nam.

III. Nền tảng GAMA và xây dựng mô hình

Nền tảng GAMA (GIS Agent-based Modeling Architecture) là một công cụ mạnh mẽ dành cho mô hình hóa và mô phỏng các hệ thống đa tác tử. GAMA hỗ trợ ngôn ngữ lập trình GAML (GAMA Modeling Language) cho phép lập trình các tác tử phức tạp một cách dễ dàng. Nền tảng này tích hợp GIS (Hệ thống thông tin địa lý) cho phép sử dụng dữ liệu bản đồ thực tế của các thành phố Việt Nam. Để xây dựng mô hình mô phỏng giao thông, cần định nghĩa các tác tử chính như vehicle (phương tiện), road (đường), traffic light (tín hiệu đèn). Quá trình xây dựng bao gồm việc thiết lập môi trường mô phỏng, xác định quy tắc hành vi cho mỗi tác tử và cấu hình các tham số mô phỏng.

3.1. Tác tử Vehicle Road và Traffic Light

Tác tử Vehicle đại diện cho phương tiện giao thông, có các thuộc tính như tốc độ tối đa, gia tốc, vị trí hiện tại. Tác tử Road mô hình hóa đường đi với các thuộc tính như số làn, chiều dài, độ rộng làn đường. Tác tử Traffic Light điều khiển các tín hiệu giao thông với các trạng thái: đỏ, xanh, vàng. Các tác tử này tương tác với nhau tạo nên hệ thống giao thông hoàn chỉnh.

3.2. Các thuật toán chính trong mô hình

Mô hình sử dụng đường cong Bezier để tạo quỹ đạo mượt mà khi phương tiện vượt xe hoặc rẽ tại ngã rẽ. Thuật toán tránh va chạm giúp tác tử điều chỉnh tốc độ và vị trí để tránh phương tiện khác. Thuật toán định tuyến cho phép phương tiện lựa chọn đường đi tối ưu dựa trên dữ liệu bản đồ và tín hiệu giao thông.

IV. Ứng dụng mô phỏng giao thông tại Việt Nam

Luận văn thạc sĩ từ Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội đã thành công ứng dụng mô hình đa tác tử để mô phỏng giao thông tại các khu vực cụ thể của Hà Nội. Một trong những ứng dụng tiêu biểu là mô phỏng ngã tư Lý Thường Kiệt - Phan Chu Trinh, một trong những ngã tư bận rộn nhất thủ đô. Ngoài ra, mô hình còn được áp dụng để mô phỏng đoạn đường Nguyễn Văn Cừ với các lưu lượng giao thông khác nhau. Kết quả mô phỏng cho thấy mô hình đa tác tử có khả năng tái hiện chính xác các tình huống giao thông thực tế ở Việt Nam, bao gồm hiện tượng tắc nghẽn, các hành vi tài xế không tuân thủ quy tắc, và sự tương tác phức tạp giữa các phương tiện. Điều này mở ra nhiều hướng phát triển cho việc tối ưu hóa giao thông đô thị và quản lý tắc nghẽn tại Việt Nam.

4.1. Mô phỏng ngã tư và đường hai chiều

Mô phỏng ngã tư Lý Thường Kiệt - Phan Chu Trinh được xây dựng dựa trên dữ liệu bản đồ thực tế, bao gồm các làn đường, tín hiệu đèn và các điểm giao nhau. Mô phỏng đường hai chiều trên đoạn đường Nguyễn Văn Cừ cho phép khảo sát ảnh hưởng của lưu lượng giao thông khác nhau đến mức độ tắc nghẽn. Kết quả cho thấy mô hình phản ánh chính xác các hiện tượng giao thông thực tế.

4.2. Hướng phát triển trong tương lai

Những hướng phát triển tiếp theo bao gồm: tích hợp dữ liệu giao thông theo thời gian thực, thêm các loại phương tiện khác như xe buýt và xe tải, mô hình hóa hành vi tài xế chi tiết hơn. Mô hình có thể được mở rộng để mô phỏng các quận đô thị lớn, hỗ trợ quyết sách về quản lý giao thông và quy hoạch đô thị.

Trích đoạn nội dung tài liệu

đặt vấn đề, giới thiệu bài toán mô phỏng giao thông, giả thuyết của mô hình, giới thiệu các phần mềm mô phỏng giao thông và nền tảng GAMA. • Chương 2: trình bày cơ sở lý thuyết về mô hình hóa dựa trên tác tử, một số mô hình mô phỏng giao thông phổ biến, phân loại mô phỏng giao thông và một số nghiên cứu về giao thông tại Việt Nam. • Chương 3: xây dựng các tác tử trong mô hình mô phỏng giao thông và trình bày một số thuật toán sử dụng trong mô hình. • Chương 4: trình bày ứng dụng của mô hình đề xuất để mô phỏng giao thông cho một số kịch bản khác nhau.

Các kịch bản đó bao gồm: mô phỏng giao thông trên đoạn đường hai chiều, tại ngã tư Lý Thường Kiệt - Phan Chu Trinh và đoạn đường Nguyễn Văn Cừ. • Chương 5: kết luận về mô hình và đưa ra một số hướng phát triển của mô hình trong tương lai.1 Giới thiệu bài toán mô phỏng giao thông Hiện nay, trên thế giới đã có nhiều hệ thống mô phỏng giao thông trên máy tính được nghiên cứu để tìm và đánh giá các giải pháp để phát triển hệ thống giao thông. Hệ thống mô phỏng giao thông có thể giúp các nhà hoạch định giao thông tìm ra các giải pháp cho nhiều vấn đề giao thông như tắc nghẽn cũng như tiết kiệm kinh phí để thử nghiệm các thiết kế mới trước khi thực sự xây dựng cơ sở hạ tầng giao thông. Ví dụ, trước khi chặn đường, mở tuyến mới, nâng cấp cơ sở hạ tầng hoặc xác định thời gian của đèn giao thông trong thế giới thực, các nhà phát triển có thể thử nghiệm trên hệ thống mô phỏng.

(a) Giao thông tại Việt Nam1. (b) Giao thông tại Châu Âu 2 .1: Sự khác nhau giữa hệ thống giao thông của Việt Nam và các nước phát triển. Tại Việt Nam, mô phỏng giao thông là một vấn đề vô cùng khó khăn bởi một số lí do. Đầu tiên, đó là quá trình đô thị hóa nhanh chóng dẫn đến việc gia tăng nhanh chóng của các phương tiện giao thông, đặc biệt là xe máy.

Thứ hai, đó là có sự khác nhau giữa hệ thống giao thông tại Việt Nam và hệ thống giao thông 2 https://tuoitre.vn/6-van-nan-ton-tai-khien-giao-thong-tphcm-tac-nghen.htm 2 https://khoahoc.tv/o-nhiem-am-thanh-de-doa-chau-au-25841 14 Mô hình mô phỏng đa tác tử và ứng dụng tại các nước phát triển, nơi mà các phương tiện giao thông di chuyển theo làn đường (Hình 1. Thứ ba và là lý do chính, đó là người tham gia giao thông không chấp hành đúng các quy định khi tham gia giao thông, họ có thể di chuyển đến bất kỳ chỗ trống nào phía trước họ, và thậm chí là bên trái hoặc bên phải nếu có vật cản phía trước. Chính vì các lý do trên, việc mô phỏng giao thông tại Việt Nam là bài toán vô cùng phức tạp, đặc biệt là mô tả cho tình trạng tắc đường khi xảy ra Hình 1. Do đó, việc biểu diễn bài toán theo mô hình toán học là rất khó khăn.

Trong trường hợp này, mô phỏng dựa trên tác tử dường như là giải pháp phù hợp hơn.2: Tắc nghẽn giao thông tại Việt Nam 3 .2 Mục tiêu của mô hình Mục tiêu của mô hình là có thể biểu diễn một số đặc điểm của văn hóa giao thông ở Việt Nam. Các phương tiện tham gia giao thông có thể di chuyển đến bất kỳ chỗ trống nào phía trước và thậm chí là bên trái hoặc bên phải nếu có vật cản phía trước. Mô hình phải có khả năng mô phỏng luồng giao thông hỗn hợp, bao gồm một số loại phương tiện giao thông như: xe máy, ô tô, xe buýt và xe tải. Mỗi loại phương tiện sẽ chiếm một khoảng không gian cụ thể trên đường và có thể có một tốc độ di chuyển tối đa được cho phép.

Các phương tiện tham gia giao thông 3 https://tuoitre.vn/6-van-nan-ton-tai-khien-giao-thong-tphcm-tac-nghen.htm 15 Mô hình mô phỏng đa tác tử và ứng dụng đặc biệt là xe máy, thường di chuyển không theo làn đường. Vì vậy, một hệ quả quan trọng đó là mô hình sẽ mô phỏng giao thông trong không gian hai chiều, tức là một mô hình mà các phương tiện có thể di chuyển trên tất cả các bề mặt của đường chứ không chỉ trên các làn đường một chiều. Cuối cùng, các phương tiện có khả năng không tuân thủ các quy định giao thông, chẳng hạn như đèn tín hiệu giao thông hoặc di chuyển sang làn đường đối diện để vượt xe ở phía trước. Bài toán mô phỏng giao thông được phát biểu như sau: hãy tìm cách mô phỏng hệ thống giao thông Việt Nam trong phạm vi vi mô sao cho các phương tiện tham gia giao thông di chuyển một cách thuận lợi, không xảy ra va chạm trên đường cũng như trên toàn mạng lưới giao thông.3 Một số phần mềm mô phỏng giao thông 1.1 TRANSIMS TRANSIMS (TRansportation ANalysis SIMulation System) [2] là một bộ công cụ tích hợp được phát triển để tiến hành phân tích hệ thống giao thông và dự đoán sự di chuyển của dân sư cho một khu vực.

TRAMSIMS được phát triển đầu tiên tại phòng thí nghiệm quốc gia Los Alamos. Và sau đó, với mục đích thiết lập TRANSIMS trở thành tài nguyên chung được phát triển liên tục cho cộng đồng nghiên cứu giao thông vận tải, TRANSIMS đã được cung cấp dưới dạng nguồn mở dưới giấy phép NASA Open Source Agreement. TRANSIMS có thể mô phỏng các hành vi di chuyển của mỗi cá nhân trong 24 giờ dựa trên các hoạt động được trích xuất từ dữ liệu khảo sát. TRANSIMS mô phỏng dựa trên mô hình Cellular Automata [18], một mô hình mô phỏng sử dụng lý thuyết Automat.

So với các mô hình tổng hợp giao thông khác, TRANSIMS thể hiện thời gian một cách nhất quán và liên tục. Dự án phát triển phần mềm TRANSIMS đã được ngừng hỗ trợ từ năm 2013.2 SUMO SUMO (Simulation of Urban MObility) [3] là một gói mô phỏng giao thông đường bộ mã nguồn mở, có tính di động cao, gói mô phỏng giao thông đường 16 Mô hình mô phỏng đa tác tử và ứng dụng Hình 1.3: Giao diện phần mềm TRANSIMS 4. bộ liên tục và vi mô được thiết kế để xử lí những mạng lưới đường bộ lớn. Phần mềm được phát triển chủ yếu bởi các nhân viên của viện hệ thống giao thông vận tải của Trung tâm vũ trụ Đức và được cung cấp miễn phí dưới dạng mã nguồn mở từ năm 2001.

Trong thời gian gần hai thập kỷ qua, SUMO đã phát triển thành một gói nhiều tính năng tiện ích cho mô phỏng giao thông bao gồm nhập mạng lưới đường đi, hỗ trợ nhiều định dạng nguồn khác nhau,. Phần lớn thành quả phát triển được thực hiện bởi Học viện các hệ thống giao thông vận tải, trực thuộc Trung tâm hàng không vũ trụ Đức. SUMO rất linh hoạt, hỗ trợ chạy trên nhiều hệ điều hành thông dụng như Windows, Linux, Mac OS. Về khả năng hỗ trợ tạo lập các mạng lưới giao thông, SUMO không có công cụ tạo lập bằng đồ họa tích hợp ngay trong phần mềm.

Thay vào đó là sử dụng dòng lệnh. Tuy nhiên, SUMO cho phép nhập dữ liệu bản đồ từ nhiều nguồn khác nhau như Visum, VISSIM , Shapefiles, OpenStreetMap, RoboCup, MATsim, OpenDrive và các loại tập tin mô tả bằng XML khác. Điều này là hết sức thuận lợi cho người dùng trong các ứng dụng thực tiễn. SUMO có thể tiến hành mô phỏng trên mạng lưới lên tới 10000 con đường.

Tốc độ thực hiện nhanh (cập nhật đến 100000 xe/s trên một máy 1GHz), cho phép mô hình hóa những hệ thống giao thông tương đối lớn có sự tương tác giữa các phương tiện.gov/joomla/index.php/transims-interface-development 17 Mô hình mô phỏng đa tác tử và ứng dụng Hình 1.4: Giao diện phần mềm SUMO 5 .3 VISSIM VISSIM [4] là phần mềm mô phỏng lưu lượng giao thông đa phương thức được phát triển bởi tập đoàn PTV Planung Transport Verkehr AG, Đức. VISSIM được coi là tiêu chuẩn của thế giới về lập kế hoạch giao thông và mô phỏng giao thông vì khả năng cung cấp tổng quan thực tế và chi tiết về hiện trạng của lưu lượng và tác động giao thông cùng khả năng xác định nhiều kịch bản giả định. Với khái niệm liên kết và kết nối của trong VISSIM, người dùng có thể ánh xạ chi tiết mạng lưới giao thông và mô hình hóa các hình học khác nhau từ một nút giao thông đơn giản đến các giao điểm phức tạp. VISSIM có thể được sử dụng cho mô phỏng vĩ mô , vi mô và thậm chí là mô phỏng hỗn hợp giữa vĩ mô và vi mô.

Ngoài ra, VISSIM còn có khả năng linh hoạt giúp mở rộng mô phỏng lập kế hoạch vi mô trong một môi trường thử nghiệm ổn định.de/docs/Tutorials/TraCIPedCrossing.html 18 Mô hình mô phỏng đa tác tử và ứng dụng Hình 1.5: Giao diện phần mềm VISSIM 6 .4 Nền tảng GAMA GAMA [1] là một nền tảng mô phỏng nhằm cung cấp cho các chuyên gia, người điều hành và nhà khoa học máy tính một môi trường phát triển mô hình hóa và mô phỏng hoàn chỉnh để xây dựng các mô phỏng đa tác tử rõ ràng về mặt không gian. GAMA được phát triển đầu tiên bởi nhóm nghiên cứu MSI (đặt tại IFI, Hà Nội) và IRD/SU International Research Unit UMMISCO từ năm 2007 đến 2010, và hiện được phát triển bởi một nhóm các đối tác học thuật bao gồm UMMISCO, đại học Rouen(Pháp), đại học Toulouse 1 (Pháp), đại học Orsay (Pháp), đại học Cần Thơ (Việt Nam). Nền tảng GAMA dựa trên ngôn ngữ Java và có thể chạy trên các hệ điều hành khác nhau như Windows, Mac OS, Linux. GAMA được phát triển để có thể sử dụng trong nhiều lĩnh vực ứng dụng khác nhau như: quy hoạch đô thị, dịch tễ học, môi trường, vận tải,.

Ngoài ra, nền tảng cho phép người dùng có thể nhập một lượng lớn các loại dữ liệu đầu vào khác nhau như CSV, OSM (Open Street Map), SVG, Shapefiles, dữ liệu văn bản,. Một số đặc điểm của GAMA như sau: 6 https://i.com/vi/IJTRL_CCBqI/maxresdefault.jpg 19 Mô hình mô phỏng đa tác tử và ứng dụng • Là một ngôn ngữ mô hình hóa hoàn chỉnh, GAML, để mô hình hóa các tác tử và môi trường. • Có khả năng sử dụng dữ liệu phức hợp GIS như một môi trường cho các cá thể. • Có thư viện lớn và khả năng mở rộng cao (sự chuyển động, giao tiếp, các hàm toán học, vẽ đồ thị,.

• Có khả năng xử lý một lượng rất lớn (hỗn hợp) các cá thể. • Giao diện người dùng linh hoạt dựa trên nền tảng Eclipse. • Dễ dàng sử dụng ngay với những nhà khoa học không thuộc chuyên ngành máy tính. • Có khả năng tương tác với các cá thể trong quá trình chạy mô phỏng.6: Giao diện nền tảng GAMA.