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 [...]... 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... 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. .. Xây dựng hệ thống đường xá Ở chương 1, chúng tôi đã trình bầy về một số hệ thống mô phỏng giao thông trước đây Đây đều là những hệ thống mô phỏng cho phép tạo ra hệ thống đường từ các thành phần cơ bản Tuy nhiên, như đã đề cập, hệ thống giao thông Việt Nam khá phức tạp, không theo một quy luật nào Việc xây dựng hệ thống đường xá của Việt Nam bằng các công cụ mô phỏng này là rất khó khăn Vì vậy, một thành... cần xây dựng trong hệ thống mô phỏng giao thông Việt Nam chính là hệ thống đường xá Hệ thống đường xá đóng vai trò môi trường trong hệ thống mô phỏng giao thông sử dụng mô hình dựa trên agent (ABM) Chúng tôi cũng đã cố gắng xây dựng các thành phần cơ bản để tạo nên đường xá Các thành phần này sẽ giúp tạo ra nhiều mô hình đường xa khác nhau, vì thế mà ta có thể mô phỏng được nhiều hệ thống giao thông. .. Hình 1-2: Chức năng thống kê của của hệ thống mô phỏng trực quan 4 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:... 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 16 Trước khi đi vào trình bầy chi tiết thiết kế các thành phần của hệ thống mô phỏng, phần này sẽ đưa ra các ý tưởng về cách thức xây dựng hệ thống Đầu tiên chúng tôi xin đưa ra ý tưởng về xây dựng hệ thống đường xá, đóng vai trò môi... 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, .. .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... 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. .. 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 mạng lưới giao thông Việt Nam do sự phức tạp của mạng lưới giao thông . 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. 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. 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