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 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 giao thông Tôi -Trần Thị Mơ - Cam kết Luận văn công trình nghiên cứu thân hướng dẫn TS Phạm Đăng Hải Các kết nêu Luận văn trung thực, chép toàn văn công trình 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 gửi lời cám ơn chân thành tới thầy cô giáo thuộc trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, người tận tình dạy tất kiến thức chuyên ngành cho em suốt trình học tập nghiên cứu trường Trong trình thực Luận văn tốt nghiệp em học hỏi thêm nhiều điều kiến thức bổ ích Đó hội để em tổng kết kiến thức học, đồng thời rút kinh nghiệm quý báu cho thân Em xin chân thành cảm ơn hướng dẫn tận tình TS Phạm Đăng Hải - môn Khoa học máy tính – Viện Công Nghệ Thông Tin Truyền Thông - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội Luận văn hoàn thành mức độ định Bên cạnh kết đạt được, chắn em không tránh khỏi thiếu sót hạn chế Sự phê bình, nhận xét thầy cô học quý báu cho công việc nghiên cứu em sau Em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè bên, ủng hộ, động viên tinh thần cho em suốt trình thực đồ án Xin kính chúc quý thầy cô mạnh khỏe, hạnh phúc, tiếp tục đạt nhiều thành công nghiên cứu khoa học nghiệp trồng người Hà Nội, ngày 10 tháng 09 năm 2015 Học viên thực Trần Thị Mơ ii TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Hiện nay, với tốc độ đô thị hóa nhanh chóng nước ta, người dân đổ dồn thành phố lớn Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh… để làm việc, học tập làm hệ thống giao thông thành phố rơi vào tình trạng tải Tình trạng ùn tắc giao thông vào cao điểm trở thành vấn đề nan giải Để giải vấn đề này, cấp quyền đề xuất mở rộng, nâng cấp hay tạo đường nhằm mục đích giảm tải gánh nặng giao thông Câu hỏi đặt cho quan cần phải mở rộng hay cải tạo đường nào? Và sau thực hiện, tình trạng ùn tắc giao thông có giải triệt để không? Để trả lời câu hỏi này, phương pháp hiệu quả, cần thiết tiết kiệm ngân sách thực trước trình mô giao thông máy tính Luận văn “Xây dựng phần mềm hỗ trợ mô giao thông” kết nghiên cứu phát triển công cụ hỗ trợ mô hình hóa mô hệ thống giao thông thực tế Luận văn xây dựng dựa lý thuyết mô phỏng, yêu cầu phần mềm mô giao thông cần có cách mô dựa mô hình đa Agent Từ khóa: mô giao thông, mô hình dựa 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 Chương I: MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG GIAO THÔNG 1.1 Bài toán mô giao thông 1.1.1 Giới thiệu chung 1.1.2 Bài toán mô giao thông 1.2 Một số mô hình phổ biến sử dụng 1.2.1 Mô kiện rời rạc phương pháp Monte Carlo 1.2.2 Mô thời gian liên tục 1.2.3 Mô hình Cellular Automata 1.2.4 Mô hình car-following 1.3 Phân loại xu hướng mô giao thông 1.3.1 Phân loại ứng dụng mô giao thông 1.3.2 Xu hướng phát triển mô giao thông 1.4 Ứng dụng mô giao thông thực tế 1.5 Chức yêu cầu phần mềm mô giao thông 11 1.5.1 Các chức phần mềm mô giao thông 11 1.5.2 Yêu cầu hệ thống mô giao thông 12 1.6 Các hành vi mô phương tiện giao thông 13 v 1.7 Một số nghiên cứu giao thông nước ta 14 1.7.1 Mô giao thông sử dụng hệ thống đa tác tử 14 1.7.2 Xây dựng đánh giá hệ thống mô giao thông Việt Nam 14 1.7.3 Đề xuất xây dựng phần mềm mô giao thông hợp lý 15 1.8 Một số phần mềm mô 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 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 Agent 24 2.2.1 Khái niệm mô hình dựa Agent – ABM 24 2.2.2 Sự khác Agent đối tượng 25 2.2.3 Một số ứng dụng ABM 26 2.2.4 Cách xây dựng ABM 26 2.3 Một số ý tưởng mô giao thông dựa mô hình Agent 27 2.3.1 Một số đặc điểm giao thông 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 công cụ phát triển 32 3.2 Tổ chức 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 hệ thống 35 3.4.1.Xây dựng mô hình mạng lưới giao thông 37 3.4.1 Thiết kế 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 sử dụng mạng lưới giao thông thiết kế 41 3.5 Mô giao thông 42 3.5.1 Giao diện mô 42 3.5.2 Mô phương tiện tham gia giao thông 43 3.6 Một số thuật toán sử dụng chương trình 44 3.6.1 Xác định điểm cách điểm cho trước đoạn h theo hướng vector u 44 3.6.2 Tìm giao điểm hai đường thẳng AB CD 45 3.6.3 Xác định tọa độ đỉnh phương tiện giao thông 47 3.6.4 Kiểm tra va chạm hai xe 48 3.6.5 Xác định lề đường 50 3.6.6 Xác định đường 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 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 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 Agent so với đối tượng 25 Hình 3.3.1: Cấu trúc tổng quan hệ thống mô giao thông 35 Hình 3.4.1: Giao diện thiết kế mạng lưới giao thông 38 Hình 3.4.2: Giao diện thêm đường 38 Hình 3.4.3: Làn đường hiển thị 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 đồ 41 Hình 3.5.1: Giao diện mô giao thông 42 Hình 3.5.2: Sơ đồ trình mô phương tiện tham gia giao thông 43 Hình 3.6.1: Thuật toán xác định tọa độ điểm cách điểm cho trước đoạn h theo hướng vector u 45 Hình 3.6.2: Thuật toán xác định giao điểm đường thẳng AB CD 47 Hình 3.6.3: Xác định tọa độ đỉnh xe 47 Hình 3.6.4: Thuật toán xác định tọa độ đỉnh xe 48 Hình 3.6.5: Kiểm tra va chạm xe 49 Hình 3.6.6: Thuật toán kiểm tra va chạm xe 49 Hình 3.6.7: Thuật toán kiểm tra điểm có nằm xe không 50 Hình 3.6.8: Mục đích xác định lề đường 51 Hình 3.6.9: Các điểm quy ước đường 51 ix 3.5.2 Mô phương tiện tham gia giao thông Tìm đèn tín hiệu Start Tăng giảm tốc độ theo trạng thái đèn Đ Có đèn Tìm xe phía trước Có xe S Đ Vận tốc lớn xe trước Có chỗ trống để vượt Đ Đ Vượt xe trước S S S Tăng tốc Đi thẳng theo hướng Đi theo xe trước Cập nhật vận tốc Cập nhật trạng thái xe Hình 3.5.2: Sơ đồ trình mô phương tiện tham gia giao thông Phương tiện giao thông tham gia giao thông đường lặp lặp lại bước tạo thành vòng tuần hoàn khép kín Vòng tuần hoàn dừng lại có tác động người dùng (khi người dùng bấm nút Stop) hay phương tiện vượt khỏi phạm vi đồ Tại vị trí, phương tiện kiểm tra xem đoạn đường chưa Nếu tìm đoạn đường để Nếu vị trí có nhiều hướng khác chọn ngẫu nhiên hướng Đầu tiên, phương tiện tìm kiếm đèn tín hiệu giao thông phía trước mình, phạm vi nhìn thấy 43 Nếu tìm thấy đèn tín hiệu tiến hành đọc trạng thái đèn, sau có hành vi tương ứng với trạng thái đèn:  Đèn vàng: giảm tốc độ  Đèn đỏ: dừng lại  Đèn xanh: Đi tiếp bình thường Tiếp theo, phương tiện giao thông tìm kiếm xe phía trước Nếu không tìm thấy xe tăng tốc độ Nếu tìm thấy xe phía trước, kiểm tra xem vận tốc xe có lớn xe phía trước không Nếu vận tốc không lớn thẳng theo hướng Trường hợp vận tốc lớn hơn, tìm chỗ trống hai bên xe phía trước để vượt Nếu không tìm thấy chỗ trống để vượt theo xe phía trước Còn tìm chỗ trống vượt xe phía trước Cuối phương tiện giao thông tính toán quãng đường cập nhật vận tốc Sau cập nhật trạng thái xe, chương trình quay lại chu kỳ bắt đầu lại từ đầu từ trạng thái 3.6 Một số thuật toán sử dụng chương trình Để đơn giản, mô hình ta quan niệm xe hình chữ nhật ABCD 3.6.1 Xác định điểm cách điểm cho trước đoạn h theo hướng vector u Thuật toán INPUT: tọa độ điểm P, khoảng cách h vector u OUTPUT: tọa độ điểm Q cách P đoạn h theo hướng vector u 44 Start  Tọa độ điểm P(x, y)  Vector u = (x, y)  Khoảng cách h h = u = 0? S Alpha = Góc(Ox, u) dx = h * cos(Alpha) Đ End dy = h * sin(Alpha) xQ = xP xQ = xP + dx yQ = yP yQ = yP + dy Return Q(xQ, yQ) Hình 3.6.1: Thuật toán xác định tọa độ điểm cách điểm cho trước đoạn h theo hướng vector u 3.6.2 Tìm giao điểm hai đường thẳng AB CD Phương pháp giải tích tìm giao điểm đường thẳng AB CD Gọi: , vector pháp tuyến đường thẳng AB CD =( =( ⇒ − − ; ; − − Đặt: = − , = − = − , − = 45 ) ) Suy ra: =( , ) =( , ) Phương trình đường thẳng AB: ( − )+ ( − ⇔ + )=0 = + Phương trình đường thẳng CD: ( − )+ ( − ⇔ + = + , )=0 + Đặt: = = + Suy ra: : + = : + = P giao điểm AB CD ⇒ P nghiệm hệ phương trình: : : + + = = Giải hệ phương trình ta tọa độ điểm P cần tìm: − − − − = : = Thuật toán dựa theo phương pháp giải tích trên: INPUT: toạn độ điểm A, B, C, D OUTPUT: điểm P giao điểm đường thẳng AB CD 46  Start Tọa độ điểm A, B, C, D a = y A – yB; b = xB – xA c = y C – yD ; d = xD – xC e = axA + byA bc – ad = 0? f = cxC + dyC End x Q = Inf xQ = (ce – af) / (bc – ad) y Q = Inf y Q = (bf – de) / (bc – ad) Return Q(xQ , yQ ) Hình 3.6.2: Thuật toán xác định giao điểm đường thẳng AB CD 3.6.3 Xác định tọa độ đỉnh phương tiện giao thông Mục đích thuật toán từ kích thước, tọa độ góc xoay α phương tiện với trục Ox, xác định tọa độ đỉnh xe A O L x D B α C L: Tọa độ xe Α: Góc trục Ox hướng di chuyển xe Hình 3.6.3: Xác định tọa độ đỉnh xe Thuật toán xác định 47 Width, Height: Kích thước xe INPUT: Kích thước, tọa độ hướng di chuyển phương tiện OUTPUT:Tọa độ đỉnh A, B, C, D Start End  Kích thước (width, height)  Vị trị P(x, y)  Hướng di chuyển u = (x, y) H = getPoint(u, P, width / 2) n = (-yu, xu) A = getPoint(-u, B, width) B = getPoint(n, H, height / 2) D = getPoint(-n, A, height) C = getPoint(-n, B, height) Return A, B, C, D A = getPoint(-u, B, width): lấy tọa độ điểm A theo hướng vector -u, cách B đoạn width Hình 3.6.4: Thuật toán xác định tọa độ đỉnh xe 3.6.4 Kiểm tra va chạm hai xe Mục đích việc kiểm tra để xem xe di chuyển đến vị trí có va chạm với xe xung quanh không 48 Hình 3.6.5: Kiểm tra va chạm xe Thuật toán: INPUT: Thông tin xe OUTPUT:Kết va chạm xe True có va chạm false không  Tọa độ đỉnh A, B, C, D xe Start  Thông tin xe A nằm xe 2? Đ Return false S B nằm xe 2? S Đ Return false C nằm xe 2? S D nằm xe 2? Đ Đ Return false Return false End Hình 3.6.6: Thuật toán kiểm tra va chạm xe Để kiểm tra điểm P có thuộc xe không, ta làm sau: 49 S Return true Start  Tọa độ đỉnh A, B, C, D xe  Kích thước (width, height) xe  Tọa độ điểm P d1 = KhoangCach(P, A, B) d2 = KhoangCach(P, C, D) d3 = KhoangCach(P, A, D) d4 = KhoangCach(P, B, C) P điểm nằm xe d1 + d2 > height d3 + d4 > width? S Đ Điểm P không nằm xe End Hình 3.6.7: Thuật toán kiểm tra điểm có nằm xe không 3.6.5 Xác định lề đường Xác định lề đường thao thác cần thực có thay đổi danh sách đường Khi thêm xóa đường, cần phải xác định lại lề đường để vẽ lại đường Mục đích chủ yếu thao tác xác định giao lề đường với triệt tiêu đoạn thừa hay đoạn thiếu lề đường để đường hoàn chỉnh liên tục 50 Hình 3.6.8: Mục đích xác định lề đường Thuật toán xác định lề đường: INPUT: danh sách đường (điểm bắt đầu, điểm kết thúc, độ rộng đường) OUTPUT: danh sách đường biên tương ứng đường Một số điểm quy ước đường: B A pStart Hướng pEnd C D Hình 3.6.9: Các điểm quy ước đường Bước 1: xác định danh sách đường biên đường độc lập với Hình 3.6.10: Xác định đường biên đường độc lập với Bước 2: Với đường:  Nếu điểm cuối đường trùng với điểm đầu đường 51 :  Xác định giao điểm <  Nếu đường đường thẳng đến (khoảng cách từ điểm đầu nhỏ khoảng cách từ điểm đầu đường đến ) thay tọa độ điểm  Xác định giao điểm  Nếu với đường thẳng đường thẳng < với đường thẳng ) thay tọa độ điểm  Nếu điểm cuối đường pi trùng với điểm cuối đường pj:  Xác định giao điểm <  Nếu  Xác định giao điểm  Nếu đường thẳng với đường thẳng thay tọa độ điểm đường thẳng < với đường thẳng ) thay tọa độ điểm  Thực tương tự cho điểm đầu đường Hình 3.6.11: Kết xác định lề đường 3.6.6 Xác định đường đồ Bản đồ có chức thực mô phương tiện giao thông di chuyển điểm dừng Mục đích việc xác định đường đồ xác định 52 đường đến điểm cuối cho phương tiện chạy đường Thuật toán mô thủ tục đệ quy sau: ( Procedure ) Begin If < == > Return; ∈ For ℎ Begin If < == > ( ); End For End 3.7 Kết luận chương III Phần mềm mô giao thông xây dựng tương đối hoàn chỉnh, đủ modul chức theo yêu cầu Tuy nhiên, tốc độ xử lý chưa thực nhanh hành vi phương tiện giao thông chưa sát với thực tế khách quan Phần mềm thiếu khả đọc liệu đồ từ phần mềm mô giao thông khác Giao diện phần mềm đơn giản 53 Chương IV: KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 4.1 Kết luận Luận văn nghiên cứu đề tài “Xây dựng phần mềm hỗ trợ mô giao thông” hoàn thành Luận văn giải vấn đề sau  Tìm hiểu nội dung liên quan đến toán mô giao thông mô hình mô giao thông phổ biến, phân loại mô hình hướng tiếp cận nay, yêu cầu phần mềm mô giao thông cần có  Tìm hiểu số phần mềm mô giao thông phổ biến Aimsum, TRANSIMS, SUMO, VISSIM…  Tìm hiểu mô hình Agent, đa Agent, cách xây dựng mô hình dựa Agent Từ ứng dụng việc xây dựng mô hình giải toán mô giao thông dựa mô hình đa Agent  Triển khai số ứng dụng mô giao thông dựa nội dung tìm hiểu 4.2 Hướng phát triển số đề xuất Do thời gian có hạn nên nội dung nghiên cứu khuôn khổ luận văn dừng lại nghiên cứu ban đầu Vì vậy, nghiên cứu vấn đề tập trung triển khai theo hướng sau:  Tối ưu hóa tốc độ độ xác hành vi người tham gia giao thông, giúp cho ứng dụng mô sát với thực tế  Chuyển ứng dụng từ mô vi mô sang mô trung mô hướng tới mô vĩ mô  Xây dựng hệ thống quản lý điều hướng phương tiện giao thông tránh đường ùn tắc 54  Cải tiến giao diện chương trình bổ sung chức phù hợp với yêu cầu thực tế  Có khả nhập liệu đồ giao thông từ phần mềm khác  Song song hóa để cải tiến hiệu thực chương trình 55 TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Drew, D.R Traffic flow theory anh control New York: MCGraw-Hill, 1968 [2] Kallberg, H Traffic simulation Helsinki University of Technology, 1971 [3] MattiPursula, Simulatinon of Traffic Systems – An Overview Journal of Geographic Information anh Decision Analysis, tập 3, 1, 1991 [4] Zeigler, B P., Praehofer, H., & Kim, T G (2000) Theory of modeling and simulation: Integrating discrete event and continuous complex dynamic systems San Diego: Academic Press [5]Berg, Bernd A (2004) Markov Chain Monte Carlo Simulations and Their Statistical Analysis (With Web-Based Fortran Code) Hackensack, NJ: World Scientific [6]Lakoba, Taras I (2012), Simple Euler method and its modifications (Lecture notes for MATH334, University of Vermont), retrieved 29 February 2012 [7]Ascher, Uri M.; Petzold, Linda R (1998), Computer Methods for Ordinary Differential Equations and Differential-Algebraic Equations, Philadelphia: Society for Industrial and Applied Mathematics [8]Butcher, John C (May 1963), Coefficients for the study of Runge-Kutta integration processes, Trang 185–201 [9]Gutowitz, Howard, ed (1991) Cellular Automata: Theory and Experiment MIT Press [10]Newell G.F (2002) A simplified car-following theory: a lower order model Institute of Transportation Studies, University of California, Berkeley [11]Gerlough, D., and Huber, M Traffic flow theory A monograph TRB Special Report 165 Washington, D.C, 1975 [12]Michael Wooldridge, An Introduction to Mutiagent System (second edition) John Wiley & Sons,2009,tr 15-45 [13] Charles M Macal & Michael J North Introduction to Agent-based Modeling and Simulation http://www.mcs.anl.gov/~leyffer/listn/slides-06/MacalNorth.pdf [14]FERBER, J., 1999 Multi-agentSystem: Introduction to Distributed Artificial Intelligence England: Addison Wesley 56 [15]Katia P Sycara MultiagentSystems AI Magazine, 1998 [16]Todd Sundsted An introduction to agents http://www.javaworld.com/javaworld/jw-06-1998/jw-06-howto.html [17]Adina Magda Florea Introduction to Multi-Agent Systems, In Proc Of Continuous Education Program on Intelligent Agents Technology anh Knowledge Processing, Bucharest, 2001, trang 49-60 [18]Agent Based Modeling FAQ.http://www.openabm.org/faq 57 ... trình mô giao thông máy tính Luận văn Xây dựng phần mềm hỗ trợ mô giao thông” kết nghiên cứu phát triển công cụ hỗ trợ mô hình hóa mô hệ thống giao thông thực tế Luận văn xây dựng dựa lý thuyết mô. .. cứu mô hình mô giao thông giới thiệu toán mô giao thông, phân loại, xu hướng ứng dụng mô giao thông thực tế, chức phần mềm mô giao thông cần phải có số phần mềm mô giao thông  Chương 2: Mô hệ... muốn phát triển công cụ hỗ trợ mô hình hóa mô hệ thống giao thông thực tế Luận văn xây dựng dựa lý thuyết mô phỏng, yêu cầu phần mềm mô giao thông cần có cách mô dựa mô hình đa Agent Bố cục tổ