Nghiên cứu hệ thống mô phỏng dựa trên đa tác tử trong quản lý hạ tầng giao thông đô thị

Tình trạng ùn tắc giao thông là một vấn đề lớn từ nhiều năm nay có rất nhiều giải pháp được đưa ra để giảm bớt tình trạng ùn tắc một trong số đó là sử dụng mô phỏng giao thông Mô phỏng là công cụ hiệu quả cho tạo dựng và phân tích những tính chất những trạng thái của các vấn đề phức tạp sự khó khăn trong nghiên cứu các vấn đề này là ở chỗ nó có thể quá tốn kém hoặc nguy hiểm Giao thông có thể xem như một hệ thống phức tạp vì thế mô phỏng là công cụ thích hợp cho việc phân tích hệ thống giao thông để dự báo những việc có thể xảy ra và đưa ra giải pháp phù hợp kịp thời đáp ứng được nhu cầu đi lại giảm thiểu ùn tắc và góp phần đảm bảo trật tự an toàn giao thông Mô phỏng được định nghĩa như sự mô tả động của một phần thế giới thực theo thời gian trong đó mô phỏng giao thông là một trong những dự án mô phỏng phức tạp nhất Trong giới hạn nghiên cứu của mình xin được đưa ra ý tưởng giải pháp để mô phỏng giao thông dựa trên đa tác tử và phần mềm GAMA để thực hiện

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA - TRƯƠNG QUANG PHÚ NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG MÔ PHỎNG DỰA TRÊN ĐA TÁC TỬ TRONG QUẢN LÝ HẠ TẦNG GIAO THÔNG ĐƠ THỊ Chun ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 60.48.01.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS Nguyễn Thanh Bình TS Lê Văn Minh Đà Nẵng – Năm 2019 LỜI CAM ĐOAN Những nội dung luận văn tác giả thực hướng dẫn trực tiếp PGS.TS Nguyễn Thanh Bình TS Lê Văn Minh Mọi tham khảo dùng luận văn trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên cơng trình, thời gian, địa điểm công bố Mọi chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tơi xin chịu hồn tồn trách nhiệm Tác giả Trương Quang Phú TÓM TẮT LUẬN VĂN NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG MÔ PHỎNG DỰA TRÊN ĐA TÁC TỬ TRONG QUẢN LÝ HẠ TẦNG GIAO THÔNG ĐÔ THỊ Học viên: Trương Quang Phú Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60.48.01.01 Trường Đại học Bách khoa – ĐHBK Khóa: K33 QNG Tóm tắt – Tình trạng ùn tắc giao thơng vấn đề lớn từ nhiều năm nay, có nhiều giải pháp đưa để giảm bớt tình trạng ùn tắc, số sử dụng mô giao thông Mô công cụ hiệu cho tạo dựng phân tích tính chất, trạng thái vấn đề phức tạp, khó khăn nghiên cứu vấn đề chỗ tốn nguy hiểm Giao thơng xem hệ thống phức tạp, mơ cơng cụ thích hợp cho việc phân tích hệ thống giao thơng để dự báo việc xảy đưa giải pháp phù hợp, kịp thời đáp ứng nhu cầu lại giảm thiểu ùn tắc góp phần đảm bảo trật tự an tồn giao thơng Mơ định nghĩa mô tả động phần giới thực theo thời gian mô giao thông dự án mô phức tạp Trong giới hạn nghiên cứu xin đưa ý tưởng giải pháp để mô giao thông dựa đa tác tử phần mềm GAMA để thực Từ khóa – GAMA, tác tử, đa tác tử, mô phỏng, giao thông đô thị, GIS RESEARCH MULTI-AGENTS SIMULATION TO APPLICATION FOR URBAN TRAFFIC MANAGEMENT SYSTEM Abstract – Traffic congestion is a big problem for many years, there are many solutions to reduce congestion, one of which is to use traffic simulation Simulation is an effective tool for creating and analyzing the properties and states of complex problems, the difficulty of studying these problems is that it can be too costly or dangerous Traffic can be considered as a complex system, so simulation is an appropriate tool for analyzing transport systems to predict possible events and provide appropriate and timely solutions to meet travel demand minimizes congestion and contributes to ensuring traffic order and safety Simulation is defined as a dynamic description of a real-world part over time in which traffic simulation is one of the most complex simulation projects Within the limits of my research, I would like to give you the idea of multi-agent based transport simulation and GAMA software to implement Keywords – GAMA, agent, muti-agents, simulation, urban traffic, GIS MỤC LỤC MỞ ĐẦU 1 Lý chọn đề tài Mục tiêu nhiệm vụ đề tài Đối tượng phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu Ý nghĩa khoa học thực tiễn đề tài Cấu trúc luận văn CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÁC TỬ VÀ HỆ THỐNG ĐA TÁC TỬ4 1.1 Giới thiệu tác tử 1.2 Định nghĩa tác tử 1.3 Tác tử hợp lý 1.3.1 Đánh giá hiệu hoạt động tác tử hợp lý 1.3.2 Tính chất tác tử hợp lý 1.4 Môi trường tác nghiệp 1.4.1 Đặc tả môi trường tác nghiệp 1.4.2 Các kiểu môi trường 1.5 Các kiểu tác tử 10 1.5.1 Tác tử phản xạ đơn 10 1.5.2 Tác tử phản xạ dựa mô hình 11 1.5.3 Tác tử dựa mục đích 12 1.5.4 Tác tử dựa lợi ích 12 1.5.5 Tác tử có khả học 13 1.6 Một số ứng dụng tác tử 14 1.6.1 Ứng dụng quản lý sản xuất 14 1.6.2 Tác tử quản lý qua trình luồng cơng việc (workflow) 14 1.6.3 Tác tử thu thập quản lý thông tin 14 1.6.4 Tác tử phục vụ thương mại điện tử 14 1.6.5 Tác tử giao diện 15 1.6.6 Trò chơi sử dụng tác tử 15 1.7 Cơ sở tri thức tác tử 15 1.8 Tổng quan hệ thống đa tác tử 16 1.9 Khái niệm hệ thống đa tác tử 16 1.10.Lợi ích việc áp dụng hệ thống đa tác tử để mô giao thơng 17 CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THƠNG TIN ĐỊA LÝ GIS VÀ NỀN TẢNG MÔ PHỎNG GAMA 20 2.1 Giới thiệu GIS 20 2.2 Hệ thống thông tin địa lý 20 2.3 Các thành phần GIS 20 2.4 Hoạt động nhiệm vụ GIS 21 2.4.1 Lập đồ ở nơi (Mapping where things are) 21 2.4.2 Lập đồ số lượng (Mappingquantities) 22 2.4.3 Lập đồ mật độ (Mappingdensities) 22 2.4.4 Tìm kiếm bên (Finding what is inside) 23 2.4.5 Tìm kiếm những ở gần (Finding what is nearby) 23 2.4.6 Lập đồ thay đổi (Mapping change) 24 2.5 Dữ liệu ứng dụng GIS 25 2.5.1 Tổng quan 25 2.5.2 Định dạng Vector 26 2.5.2.1 SHP: Shapefile 26 2.5.2.2 SDC: Smart Data Compression 26 2.5.2.3 MDB/GDB: Geodatabase 26 2.5.2.4 ArcInfo Coverage 26 2.5.2.5 E00: Arc Export or Interchange Format 27 2.5.3 Định dạng Raster 27 2.5.3.1 ArcInfo Grid 27 2.5.3.2 GeoTIFF 27 2.5.3.3 DEM (Digital Elevation Model) 27 2.6 Một số phần mềm mô giao thông 27 2.7 Phần mềm mô giao thông ARCADY, TRANSYT 28 2.8 Mô giao thông với VISSIM 29 2.9 Nền tảng mô Gama 30 2.10.Giới thiệu GAMA 30 2.11.Tính GAMA 32 2.12.Các công cụ GAMA hỗ trợ 33 2.12.1 Công cụ soạn thảo GAML 33 2.12.2 Công cụ mô inspector 37 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MƠ HÌNH MƠ PHỎNG HẠ TẦNG GIAO THƠNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ 39 3.1 Hiện trạng hạ tầng giao thông đường tỉnh Quảng Ngãi 39 3.2 Đánh giá thực trạng hệ thống hạ tầng giao thông đường tỉnh Quảng Ngãi 39 3.2.1 Khảo sát trạng CSDL 39 3.2.2 Đánh giá trạng khảo sát 42 3.2.2.1 Đánh giá trạng hạ tầng CNTT Sở 42 3.2.2.2 Đánh giá trạng liệu 43 3.3 Xác định phân tích nhu cầu cụ thể cơng tác quản lý hạ tầng giao thông đường tỉnh Quảng Ngãi 45 3.3.1 Mơ hình tổng thể hệ thống 46 3.3.2 Cơ sở dữ liệu: 46 3.3.3 Các phần mềm phục vụ công tác nghiệp vụ 47 3.3.3.1 Phần mềm GIS 47 3.3.3.2 Phần mềm quản lý kết cấu hạ tầng giao thông 47 3.3.3.3 Các đối tượng người dùng: 48 3.4 Yêu cầu CSDL hạ tầng giao thông vận tải 49 3.4.1 Yêu cầu phạm vi xây dựng dữ liệu 49 3.4.2 Yêu cầu nội dung, cấu trúc dữ liệu 49 3.4.3 Yêu cầu nguồn dữ liệu 50 3.5 Cấu trúc hạ tầng giao thông đường tỉnh Quảng Ngãi 53 3.6 Lợi ích việc mô hạ tầng giao thông đường 54 3.7 Giải pháp mô hệ thống giao thông dựa tác tử 54 3.8 Xây dựng tác tử đóng vai trị phần hạ tầng giao thông 55 3.9 Xây dựng tác tử đóng vai trị người tham gia giao thơng 57 3.10.Thực nghiệm 63 3.11.Giới thiệu phần mềm mô 64 KẾT LUẬN 67 Tài liệu tham khảo 69 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT Viết tắt Viết đầy đủ CNTT Công nghệ thông tin MAS Multi-Agent System GIS Geographic Information System AOI area of interest SHP Shapefile SDC Smart Data Compression GDB Geodatabase DEM Digital Elevation Model BIL Band Interleaved by Line 10 BIP Band Interleaved by Pixel 11 BSQ Band Sequential 12 GAMA Gis & Agentbased Modelling Architecture 13 GAML Gis & Agent based Modelling Language 14 LAT Latitude 15 LONG Longitude 16 USGS U.S Geological Survey DANH MỤC CÁC HÌNH ẢNH Hình Nội dung Trang Hình 1.1 Lược đồ mơ tả tác tử phản xạ đơn 11 Hình 1.2 Lược đồ mô tả tác tử phản xạ dựa mơ hình 11 Hình 1.3 Lược đồ mơ tả tác tử dựa đích 12 Hình 1.4 Lược đồ mơ tả tác tử dựa lợi ích 13 Hình 2.1 Các thành phần GIS 21 Hình 2.2 Bản đồ vùng nơng nghiệp 21 Hình 2.3 Bản đồ địa điểm 22 Hình 2.4 Bản đồ mật độ 23 Hình 2.5 Bản đồ tìm kiếm 24 Hình 2.6 Bản đồ thay đổi 25 Hình 2.7 Giao diện khởi động GAMA v1.8 31 Hình 2.8 Các thành phần GAMA 32 Hình 2.9 Cách xem thơng tin agent 38 Hình 3.1 Xây dựng tác tử phần hạ tầng giao thơng 56 Hình 3.2 Xây dựng tác tử khu dân cư 57 Hình 3.3 Xây dựng tác tử đóng vai trị người tham gia giao thơng 58 Hình 3.4 Xây dựng cách di chuyển tác tử 58 Hình 3.5 Thiết lập số lượng phương tiện tham gia giao thơng 59 Hình 3.6 Mơ giao thơng lúc chưa ùn tắt 01 vị trí định 59 Hình 3.7 Mơ trạng giao thơng thời điểm ùn tắc 60 Hình 3.8 Giải pháp xây dựng 01 cầu 60 Hình 3.9 Giao thơng cầu Trà Khúc thời điểm bình thường 61 Hình 3.10 Giao thông cầu Trà Khúc thời điểm tan làm việc 61 Hình 3.11 Xây dựng hồn thiện hệ thống mơ 63 Hình 3.12 Xây dựng đồ thu từ openstreetmap 65 Hình 3.13 Xây dựng hệ thống mơ hạ tầng giao thơng 65 Hình 3.14 Xây dựng viết code cho chương trình mơ 66 Hình 3.15 Thực thi chương trình mơ 66 Trang 66 Hình 3.15: Thực thi chương trình mơ Trang 67 KẾT LUẬN Trong luận văn này, tác giả trình bày tổng quát kiến thức tác tử hệ đa tác tử, hệ thống thông tin địa lý, giới thiệu số phần mềm dùng để mô tập trung chủ yếu vào tảng mô GAMA đưa mơ hình phối hợp thông tin cho hệ đa tác tử việc tham gia giao thơng Từ tìm hiểu hệ thống mô giao thông phát triển trước phương pháp mô dựa agent, tìm hiểu giao thơng Việt Nam, tác giả nghiên cứu xây dựng hệ thống mơ phù hợp với phần tình hình giao thông nước ta Đây hệ thống mô mang tính vi mơ, giúp mơ cách chi tiết di chuyển phương tiện tham gia giao thông Tác giả thiết kế thành phần hệ thống đường xá, giúp tạo nhiều hệ thống đa dạng, phong phú, phức tạp giống với thực tế Hơn nữa, agent đóng vai trị người tham giao thông xây dựng thông qua agent phương tiện tham gia giao thông, qua làm cho việc mơ chận thực Người sử dụng hồn tồn tùy biến thuộc tính cho di chuyển xe phù hợp với thực tế Việc sử dụng phần mềm GAMA cho phần hiển thị cài đặt giải thuật tính tốn tỉ mỉ di chuyển phương tiện giúp cho việc di chuyển phương tiện mượt mà, đồng thời cung cấp số thơng tin thống kê q trình mơ qua cung cấp nhìn trực quan giải pháp phát triển giao thông Cố gắng mô tả hệ thống cách rõ ràng từ thiết kế thành phần, mối liên hệ thành phần đến giải thuật sử dụng, module cài đặt phân chia vào gói cách có hệ thống nên hệ thống mơ giao thơng dễ dàng nâng cấp phát triển Hướng phát triển mở rộng Hệ thống nghiên cứu xây dựng mức độ vi mơ nhằm góp phần mơ cách chi tiết giao thông Việt Nam Tuy nhiên phần mềm mô số nhược điểm hoạt động chậm số lượng agent lớn Kết đạt - Đã tổng hợp nghiên cứu kiến thức hệ thống thông tin địa lý, nghiên cứu tác tử, hệ đa tác tử phối hợp thông tin hệ đa tác tử, đề xuất mơ Trang 68 hình phối hợp thơng tin hệ đa tác tử Đồng thời nghiên cứu cụ thể phần mềm GAMA tảng mô phù hợp với hệ thống để đưa dự báo vấn đề giao thơng tương lai có giải pháp phù hợp góp phần đáp ứng nhu cầu phát triển xã hội - Thử nghiệm kết 100 test để đánh giá mơ hình Hạn chế Hệ thống chưa kiểm nghiệm thực tế phần mềm mô GAMA hoạt động chậm số lượng agent lớn Hướng phát triển mở rộng Thời gian đến tác giả tiếp tục nghiên cứu cố gắng cải thiện hạn chế, mở rộng chức để áp dụng hệ thống mô vào thực tế, nhằm đưa giải pháp phát triển phù hợp cho hệ thống giao thông nước ta Trang 69 Tài liệu tham khảo Tiếng Việt: [1] Tác tử - công nghệ phần mềm hướng tác tử, Lê Tấn Hùng - Từ Minh Phương Huỳnh Quyết Thắng, NXB Khoa học kỹ thuật Hà Nội [2] “Giáo trình Hệ thống thơng tin địa lý” – Trần Thị Băng Tâm, 2006 [3] “Giao thông đô thị chuyên đề đường” – TS Cao Văn Thọ, 2005 [4] “Đường đô thị tổ chức giao thông” – Bùi Xuân Cậy, 2006 Tiếng Anh: [5] Michael Wooldridge, An Introduction to Multi Agent Systems, John Wiley, Sons, 2002, [6] J Laumonier, B Chaib-draa Multiagent QLearning: Preliminary Study on Dominance between the Nash and Stackelberg fgnxfghEquilibriums In roceedings of AAAI-2005 Workshop on Multiagent Learning,Pittsburgh, USA, July 10, 2005 [7] P Stone, M Veloso, Multiagent System: A Survey from a Machine Learning Perspective, Ferbuary, 1997 [8] Guestrin, S Venkataraman, D Koller, Context-specific multiagent coordination and planning with factored MDPs In: Pr006Fc 8th Nation Conf on Artificial Intelligence, Edmonton, Canada (2002) [9] José M Vidal, Learning in Multiagent Systems: An Introduction from a GameTheoretic Perspective In Adaptive Agents: LNAI 2636, Eduardo Alonso editor, Springer Verlag, 2003,p 202-215 [10] Taillandier, P., Vo, D.A., Amouroux, E and Drogoul, A., 2010, November GAMA: a simulation platform that integrates geographical information data, agent-based modeling and multi-scale control In International Conference on Principles and Practice of Multi-Agent Systems (pp 242-258) Springer, Berlin, Heidelberg Trang 70 [11] Amouroux, E., Chu, T.Q., Boucher, A and Drogoul, A., 2007, November GAMA: an environment for implementing and running spatially explicit multiagent simulations In Pacific Rim International Conference on Multi-Agents (pp 359-371) Springer, Berlin, Heidelberg [12] Taillandier, P and Drogoul, A., 2010 From GIS data to GIS agents, modeling with the GAMA simulation platform In Technical Forum Group on Agent and Multi-agent-based Simulation: 1st meeting collocated with Eumas (Vol 10) [13] Taillandier, P., 2014, May Traffic simulation with the gama platform In International Workshop on Agents in Traffic and Transportation (pp 8-p) Trang web [14] https://vi.wikipedia.org/wiki/Hệ_thống_Thông_tin_Địa_lý - 04/2019 [15] https://www.esri.com - 04/2019 [16] https://www.arcgis.com/ - 04/2019 [17] https://www.autodesk.com/ - 04/2019 [18] https://www.foxitsoftware.com/pdf-reader/ - 04/2019 [19] http://www.vbms.vn/ - 04/2019 [20] https://drvn.gov.vn/ - 04/2019 [21] www.gama-system.com/en/solutions/document-management/- 04/2019 [22] https://github.com/gama-platform/gama/wiki/Documentation- 04/2019 Trang 71 Trang 72 Trang 73 Trang 74 Trang 75 Trang 76 Trang 77 Trang 78 Trang 79 Trang 80 ... triển hạ tầng giao thông phù hợp Đối tượng phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống đa tác tử, hệ thống mô GAMA, hệ thống thông tin địa lý GIS hạ tầng giao thông đường Phạm vi nghiên cứu: ... giao thơng dự án mô phức tạp Trong giới hạn nghiên cứu xin đưa ý tưởng giải pháp để mô giao thông dựa đa tác tử phần mềm GAMA để thực Từ khóa – GAMA, tác tử, đa tác tử, mô phỏng, giao thông đô. .. thiệu hệ thống đa tác tử lợi ích việc áp dụng cách tiếp cận đa tác tử để mô giao thông 1.9 Khái niệm hệ thống đa tác tử Một hệ thống đa tác tử, hay gọi tắt MAS (Multi-Agent System), hệ thống