1.5.1. Các chức năng cơ bản của một phần mềm mô phỏng giao thông.
Một phần mềm mô phỏng giao thông hoàn chỉnh thường bao gồm các chức năng sau:
Mô phỏng hành vi trong mối quan hệ tương tác giữa các phương tiện giao thông với nhau, và giữa các phương tiện giao thông với các công trình trong hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông, tái tạo các tình huống giao thông trong thực tế như vượt xe, bám xe, chuyển làn, chiếm chỗ trống, đỗ xe… Chức năng này cho phép tạo ra “quá trình giao thông ảo” trên máy tính giúp các nhà quản lý và điều hành phát hiện, phân tích các tình huống giao thông, đánh giá hiệu quả các phương án quản lý, điều khiển giao thông, phát hiện và hiệu chỉnh các khiếm khuyết trước khi ứng dụng vào thực tế.
Thiết kế mô hình mạng giao thông, nút giao thông. Mô hình này chính là “hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông ảo”, nơi diễn ra “quá trình giao thông ảo” như đã đề cập ở chức năng mô phỏng. Việc xây dựng mô hình cụ thể là xác định các thông số về hình dạng, kích thước của nút hoặc đường giao thông, hiển thị hình ảnh đồ họa của mô hình mạng giao thông trên máy tính.
12
Xác định các quy tắc giao thông trên mô hình: ấn định tốc độ, loại xe cho mỗi làn đường. Xác định chế độ hoạt động cho nút giao thông: điều khiển bằng đèn hay không điều khiển bằng đèn, có hay không có đảo xoay, có hay không có đường dành riêng cho dòng xe rẽ phải…
Ấn định tham số cho các phương pháp điều khiển tín hiệu tại nút giao thông: xác định số pha, trình tự các pha, thời gian kéo dài của mỗi pha.
Ngoài ra một số phần mềm còn có khả năng cung cấp các chức năng mở rộng khác:
Cung cấp giao diện kết nối với các hệ thống khác như: hệ thống điều khiển giao thông, hệ thống dẫn đường, hệ thống thông tin địa lý (GIS).
Mô phỏng bãi đỗ xe.
Mô phỏng bến xe, nhà ga…
1.5.2. Yêu cầu cơ bản đối với hệ thống mô phỏng giao thông.
Trong quá trình tìm hiểu các phần mềm mô phỏng giao thông cùng các nghiên cứu tương tự, tôi nhận thấy các phần mềm mô phỏng hệ thống giao thông cần có đảm bảo các yêu cầu:
Có modul giúp thiết kế và xây dựng mạng lưới giao thông với đầy đủ các tùy chỉnh cần thiết, đáp ứng theo thông số của các hệ thống giao thông thực tế.
Có khả năng tiến hành mô phỏng bằng giao diện đồ họa người dùng (GUI) với lượng phương tiện lớn, đáp ứng yêu cầu giải quyết các bài toán trong thực tế.
Có khả năng mô phỏng đa dạng và trực quan, có khả năng đưa ra các thông số trạng thái của một mô hình giao thông đang được tiến hành mô phỏng ở một thời điểm bất kỳ, giúp có những cơ sở để đánh giá hiệu quả của mô hình giao thông.
13
1.6. Các hành vi được mô phỏng của phương tiện giao thông.
Một phần mềm mô phỏng giao thông cần mô phỏng được các hành vi thường gặp của phương tiện giao thông:
Chiếm chỗ trống (Gap-Acceptance): Chiếm dụng khoảng trống trên đường phía
trước.
Chuyển làn (Lane-Changing): Chuyển làn trái để vượt xe phía trước hoặc
chuyển làn phải để nhường đường cho xe phía sau.
Bám xe (Car-Following): Duy trì khoảng cách không đổi tới xe phía trước. Điều chỉnh tốc độ (Turning Speed): Thay đổi tốc độ tùy thuộc bán kính đường
cong tại khúc cua, số làn đường, mật độ xe…
Phản ứng trước đèn vàng (Reaction to Yellow): Tùy thuộc khoảng cách từ xe
đến vạch cấm trước đèn tín hiệu mà lái xe quyết định giảm tốc, dừng lại hay vượt qua vạch cấm khi gặp đèn vàng.
Thời gian phản ứng của lái xe (Variable Driver Reaction Time): Khoảng thời
gian từ khi xảy ra một sự kiện đến khi lái xe có hành động phản ứng đối với sự kiện đó. Khoảng thời gian này có thể khác nhau tùy thuộc kinh nghiệm, độ tuổi của lái xe.
Chuyển động trong nút (Intersection Box Movements): di chuyển tại các nút
giao cắt.
Tăng giảm tốc độ (Aceleration/Deceleration): Thay đổi tốc độ theo từng tình huống.
Giới hạn vùng quan sát (Sight-Distance Limits): Giới hạn khoảng không gian
phía trước mà lái xe có thể quan sát được.
Phản ứng đối với người đi bộ (Vehicles Interact With Pedestrians): Xe có thể
giảm tốc độ hoặc dừng lại khi có người đi bộ qua đường.
Friendly Merging: Là tình huống xe phía sau (following vehicle) giảm tốc độ
hoặc dừng lại để tạo ra một khoảng trống phía trước cho một xe khác hòa vào dòng xe.
Đỗ xe (Parking Maneuvers)
14
U-Turns: Lái xe phải quay theo hình chữ U để đi xe chiều ngược lại. tình huống
này thường xảy ra tại các điểm quay xe hoặc nút giao thông.
1.7.Một số nghiên cứu về giao thông ở nước ta
Vấn đề mô phỏng nói chung và mô phỏng bài toán giao thông nói riêng không còn là khái niệm mới. Ở nước ta, đã có một số nghiên cứu về mô phỏng giao thông được thực hiện như báo cáo “mô phỏng giao thông sử dụng hệ thống đa tác tử - traffic simulation using the multi-agent system” đăng trong tạp chí khoa học và công nghệ, đại học Đà Nẵng – số 5(40)/2010 của ThS. Nguyễn Thanh Tuấn hay khóa luận tốt nghiệp “xây dựng và đánh giá một hệ thống mô phỏng giao thông Việt Nam” của sinh viên Ngô Đức Hải. Ngoài ra còn rất nhiều các nghiên cứu về bài toán mô phỏng giao thông khác của các học giả trong và ngoài nước nhưng trong phạm vi luận văn này sẽ chỉ dẫn ra hai nghiên cứu này. Các nghiên cứu được thực hiện chủ yếu là các báo cáo khoa học, hay khóa luận, đồ án tốt nghiệp chỉ được thực hiện nhất thời và không được nâng cấp, phát triển hay tạo dựng thành một sản phẩm thương mại hóa.
1.7.1. Mô phỏng giao thông sử dụng hệ thống đa tác tử
Nội dung báo cáo khoa học triển khai xây dựng một phần mềm mô phỏng giao thông sử dụng phần mềm nguồn mở NetLogo. Trong báo cáo này, mục đích tác giả xây dựng một phần mềm mô phỏng giao thông vi có khả năng mô phỏng 2 phương tiện chủ yếu là ô tô và xe máy. Tuy nhiên, phần mềm mô phỏng chủ yếu chỉ mô phỏng các hành vi thay đổi tốc độ của phương tiện, không thấy đề cập đến các hành vi phổ biến khác của phương tiện như vượt xe, bám xe, đổi làn đường, lấp chỗ trống… Báo cáo cũng không đề cập đến khả năng mô phỏng giao thông trên bản đồ đường đi thực tế mà chỉ tập trung mô phỏng các phương tiện đi trên một đoạn đường ngắn có nhiều làn đường. Vậy nên kết quả mô phỏng của phần mềm có thể sẽ không phù hợp với thực tế giao thông ở Việt Nam.
1.7.2. Xây dựng và đánh giá một hệ thống mô phỏng giao thông Việt Nam
Khóa luận “xây dựng và đánh giá một hệ thống mô phỏng giao thông Việt Nam”
được thực hiện bởi sinh viên Ngô Đức Hải, khóa luận tốt nghiệp ngành Công nghệ Thông tin, đại học Công Nghệ - đại học Quốc Gia Hà Nội. Bài khóa luận trình bày
15
khá chi tiết về mô hình Agent, đa Agent và ứng dụng trong việc xây dựng mô hình mô phỏng giao thông ở Việt Nam. Theo như nội dung bài khóa luận này, mục đích tác giả muốn xây dựng một phần mềm mô phỏng giao thông chủ yếu mô phỏng hành vi của người điều khiển phương tiện giao thông; sự ảnh hưởng của tuổi tác, giới tính, tính cách, kinh nghiệm… đến cách lái xe của mỗi đối tượng tham gia giao thông mà ít chú trọng vào các loại phương tiện giao thông. Phần mềm đã mô phỏng được hành vi thay đổi tốc độ, bám xe và vượt xe của các đối tượng tham gia giao thông. Tuy nhiên, phần mềm chỉ có thể mô phỏng giao thông trên các đoạn đường đơn giản và tự thiết kế sẵn, không có khả năng mô phỏng giao thông trên bản đô thực tế.
1.7.3. Đề xuất xây dựng phần mềm mô phỏng giao thông hợp lý
Như đã đề cập ở trên, các nghiên cứu trước đây, mỗi nghiên cứu đều có những ưu, nhược điểm khác nhau. Vì vậy, mục đích của luận văn này là xây dựng một phần mềm mô phỏng giao thông hợp lý bằng cách kết hợp ưu điểm, loại bỏ hoặc làm hạn chế các nhược điểm trong các nghiên cứu. Ngoài ra có thể mở rộng thêm các tính năng của phần mềm để phần mềm có thể mô phỏng sát với thực tế giao thông và phù hợp với điều kiện giao thông của nước ta hiện tại và trong tương lai không xa.
Kết hợp các nghiên cứu trên, luận văn đã xây dựng được phần mềm mô phỏng giao thông có khả năng:
Mô phỏng nhiều loại phương tiện cùng tham gia giao thông.
Xây dựng ứng dụng mô phỏng mới, không bị ảnh hưởng bởi các giấy phép của phần mềm nguồn mở, có khả năng thương mại hóa sản phẩm.
Mô phỏng đầy đủ các hành vi cơ bản của các phương tiện khi tham gia giao thông: thay đổi tốc độ, bám xe, vượt xe…
Mô phỏng giao thông trên bản đồ thực tế phức tạp.
16
1.8. Một số phần mềm mô phỏng giao thông. 1.8.1. TRANSIMS 1.8.1. TRANSIMS
Hình 1.8.1: Giao diện phần mềm TRANSIMS
TRANSIMS (TRansportation ANalysis SIMulation System) là bộ công cụ tích hợp được phát triển nhằm quản lý việc phân tích hệ thống giao thông vận tải trong một vùng. 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 hoạt động theo mô hình mô phỏng Cellular Automata là một mô hình mô phỏng giao thông mới. So với các mô hình tổng hợp giao thông vận tải khác, TRANSIMS biểu diễn thời gian một cách nhất quán và liên tục. Dự án đã được ngừng hỗ trợ từ năm 2013.
17
1.8.2. AIMSUM
Hình 1.8.2: Giao diện mô phỏng giao thông phần mềm Aimsum.
Aimsum là một trong những phần mềm hàng đầu trong lớp những phần mềm mô phỏng giao thông hiện nay được phất triển và thương mại hóa bởi công ty TSS (Transport Simulation Systems). TSS có trụ sở chính ở Barcelona (Tây Ban Nha), ngoài ra còn có các văn phòng tại New York (Mỹ), Sydney (Australia) và Paris (Pháp). Vào cuối những năm 1980, công ty đã giới thiệu một sản phẩm mô phỏng giao thông vi mô trên những máy tính tiêu chuẩn và sau đó đã tiến tới phát triển thành Airsum.
Airsum rất nổi bật với tính năng hỗ trợ việc tạo ra các mạng lưới giao thông một cách thuận tiện. Ngoài việc tự tạo ra mạng các trục đường theo mong muốn, Aimsum còn hỗ trợ người dùng nhập các file bản đồ của một số phần mềm khác, các file cấu hình mạng lưới như XML hoặc file xuất từ OpenStreetMap nên rất thuận tiện cho người dùng mô hình hóa mạng lưới giao thông trong thực tế. Khả năng hỗ trợ việc tạo ra bản đồ phục vụ cho mô phỏng của Aimsum khá tốt.
Aimsum cũng cung cấp rất tốt những thông tin thống kê về tình trạng giao thông ngay khi đang tiến hành mô phỏng.
Aimsum là một phần mềm có bản quyền. Vậy nên cũng giống hầu hết phần mềm có bản quyền thuộc lớp này, một số tính năng của Aimsum bị hạn chế trong bản demo, như chỉ có phép mô phỏng với số lượng phương tiện không lớn và không hỗ
18
trợ đầy đủ trong việc nhập dữ liệu bản đồ từ các phần mềm và cơ sở dữ liệu bên ngoài. Hiện tại, phiên bản Aimsum 8 đã cho phép cài đặt trên cả 3 hệ điều hành thông dụng nhất là Windows, Linux Ubuntu và Mac OS.
1.8.3. SUMO
Hình 1.8.3: Giao diện phần mềm SUMO.
Sumo (Simulation of Urban Mobility) là một gói mô phỏng giao thông đường bộ vĩ mô, mã nguồn mở, có tính di động cao. Được thiết kế để xử lý những mạng lưới đường bộ lớn. Nó được phát triển chủ yếu bởi các nhân viên của viện hệ thống giao thông vận tải của Trung tâm vũ trụ Đức. SUMO được cấp giấy phép GPL. Mô phỏng cho phép giải quyết một số lượng lớn các vấn đề trong quản lý giao thông. Mỗi chiếc xe được mô phỏng một cách rõ ràng, có một con đường riêng và di chuyển độc lập trong mạng. SUMO có thể tải về từ địa chỉ http://sumo.sourceforge.net.
Sự phát triển của SUMO bắt đầu vào năm 2000. Những người phát triển đã xây dựng dự án này dưới dạng mã nguồn mở theo giấy phép GPL bởi 2 lý do. Thứ nhất là hỗ trợ cộng đồng nghiên cứu giao thông một công cụ với khả năng thực hiện và đánh giá các thuật toán riêng. Công cụ này không bắt buộc phải xây dựng tất cả những thứ cần thiết cần có để mô phỏng giao thông hoàn chỉnh mà những người thực hiện chỉ muốn làm cho các thuật toán được thực hiện dễ so sánh hơn bằng cách sử dụng một kiến thức và cơ sở mô hình chung. Cũng có nhiều công cụ mô phỏng
19
giao thông mã nguồn mở khác nhưng chúng thường là đồ án của sinh viên, những người này sau đó thường không phát triển tiếp nữa. Một nhược điểm chính, đó là bên cạnh việc tái phát minh gì người khác đã làm, hầu như không thể tồn tại một so sánh nào giữa các mô hình hay thuật toán mô phỏng đã được thực thi. Thứ hai là nhận thêm sự giúp đỡ đóng góp từ những người khác.
Trong hơn 1 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, sinh nhu cầu và định tuyến với một lượng lớn nguồn đầu vào (ma trận từ diểm gốc tới điểm đích – O/D Matrix, bộ đếm giao thông…), một ứng dụng mô phỏng hiệu năng cao có thể sử dụng cho một nút giao cắt cũng như toàn bộ thành phố với một giao diện điều khiển từ xa TraCI thích ứng với mô phỏng trực tuyến và một lượng lớn công cụ và kịch bản bổ sung. 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. Các tổ chức bên ngoài hỗ trợ những mở rộng khác nhau cho bộ công cụ mô phỏng.
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.
Ngoài ra, SUMO cũng cho phép xác địnhtrạng thái của hệ thống giao thông tại những thời điểm trong quá trình mô phỏng. Điểm yếu lớn nhất của SUMO so với các phần mềm mô phỏng giao thông khác có lẽ là vấn đề hiển thị giao diện đồ họa.
20
1.8.4. VISSIM
Hình 1.8.4: Giao diện phần mềm VISSIM
VISSIM là một sản phẩm thương mại của công ty PTV AG, Đức. VISSIM thuộc loại microscopic, là một trong những phần mềm mô phỏng giao thông hoàn thiện nhất trên thế giới hiện nay. Có khả năng cung cấp thông tin chi tiết về trạng thái hoạt động của xe, thông tin được cập nhật theo sự kiện. VISSIM có khả năng mô phỏng nhiều hành vi phức tạp của xe, đặc biệt là các hành vi diến ra trong nút như chiếm chỗ trống hoặc đỗ xe trên phố.
Giá bán lẻ một bản đơn của VISSIM là #2,495.00
Ngoài ra, VISSIM là một thành phần trong bộ công cụ phần mềm ứng dụng giao thông vận tải được phát triển bởi PTV. Bộ công cụ này bao gồm các gói phần