Hệ thống giao thông nước ta, như đã đề cập, là tương đối phức tạp. Sự phức tạp này đến từ nhiều yếu tố khác nhau. Một mặt, cơ sở hạ tầng giao thông nước ta còn chưa phát triển, trong khi lượng phương tiện tham gia giao thông ngày càng tăng với mức độ chóng mặt. Mặt khác, sự thiếu ý thức của người dân khi tham gia giao thông cũng làm cho hệ thống giao thông trở nên hỗn độn.
Hệ thống giao thông trước hết gồm các hệ thống đường xá, hệ thống đèn giao thông, và các biển báo. Hầu hết các đường xá ở nước ta nhỏ hẹp, đặc biệt là trong các thành thị. Nhiều ngã ba, ngã tư không có đèn giao thông, hay có đèn giao thông nhưng thời gian bật đèn xanh đèn đỏ chưa hợp lý. Nhiều tuyến đường một chiều, hai chiều có giải phân cách không phù hợp tạo ra những hành vi rẽ trái, rẽ phải hoặc quay đầu không đúng của người tham gia giao thông.
Ở nước ta hiện nay có nhiều loại phương tiện giao thông khác như gồm xe đạp, xe máy, ô tô, xe buýt, thậm chí cả các phương tiện không đạt tiêu chuẩn an toàn như xe ba gác, xích lô. Lượng phương tiện tham gia giao thông là rất lớn, trong khi hệ thống đường xá nhỏ hẹp nên thường xảy ra nhiều ách tách, đặc biệt là trong các giờ cao điểm.
Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng tới giao thông của nước ta chính là yếu tố con người. Do ý thức chưa cao, cộng thêm sự thiếu hiểu biết về các tín hiệu, biển báo, nên sự di chuyển của người tham gia giao thông là rất tùy tiện. Điều đó càng làm tăng tính hỗn độn của giao thông Việt Nam.
Từ những đánh giá trên về thực trạng giao thông của nước ta, chúng tôi đã đưa ra những ý tưởng xây hệ thống mô phỏng sao cho dựng phù hợp. Do hệ thống áp dụng mô hình dựa trên agent trong việc mô phỏng nên việc đầu tiên cần làm là xác định các yếu tố môi trường, xác định các agent trong một hệ thống giao thông. Ở phần tiếp theo, chúng tôi xin trình bầy về các ý tưởng về 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.
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 trường trong hệ thống giao thông. Tiếp theo sẽ là mô tả chi tiết các ý tưởng về xây dựng agent đóng vai trò người tham gia giao thông. Các ý tưởng xây dựng agent sẽ bao gồm xây dựng các hành vi, các thuộc tính và mục tiêu của agent. Ở cuối phần này, chúng tôi xin đưa ra một số ví dụ minh họa về sự ảnh hưởng của các thuộc tính ảnh lên hành vi của agent trong quá trình di chuyển trong hệ thống giao thông.
3.2.1. 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 phần quan trọng 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 phức tạp trong thực tế.
Với một hệ thống giao thông phức tạp gồm nhiều tuyến đường, ta có thể chia chúng thành các vùng, các đoạn đường nhỏ hơn. Hình 3-1 minh họa việc chia một ngã tư gồm nhiều tuyến đường giao nhau thành các vùng đơn giản hơn. Với các vùng này, ta thấy tám vùng xung quanh chỉ gồm một tuyến đường duy nhất, chỉ có duy nhất vùng ở giữa là chứa nhiều tuyến đường khác nhau từ các hướng đến tới các hướng đi khác nhau.
Dựa vào ý tưởng này, chúng tôi đã xây dựng hệ thống đường xá từ các các thành phần đơn giản là vùng đường và các đoạn đường trong mỗi vùng. Đây có thể coi là thành phân cơ bản nhất của hệ thống đường xá cũng như hệ thống mô phỏng giao thông.
Hình 3-3: Các lối vào, lối ra và các đoạn đương trong một vùng
Mỗi vùng sẽ có các lối vào và các lối ra. Giữa mỗi lối vào và một lối ra của một vùng đường sẽ có một đoạn đường nào đó. Hướng của đoạn đường là hướng từ lối vào đến lối ra (Hình 3-3). Khi ghép nhiều vùng đường với nhau, các đoạn đường trên các vùng sẽ tạo với nhau thành các tuyến đường. Hình 3-2 mô tả các tuyến đường khác nhau khi ghép vùng ở giữa ngã tư và các vùng chứa đoạn đường thẳng. Các agent đóng vai trò người lái xe trên đường có thể chọn cho mình một tuyến đường đi gồm nhiều đoạn đường nối tiếp nhau, từ vùng này sang vùng kia để có thể đến nơi mà mình muốn đến.
Trong ngã tư ở hình 3-3, vùng ở giữa sẽ có 4 lối vào và 4 lối ra, vì vậy số đoạn đường ở vùng giữa ngã tư này là 16 đoạn. Còn với các vùng xung quanh, mỗi vùng chỉ có một lối vào và một lối ra nên chỉ có một đoạn đường trên các vùng này. Hình 3-4 mô tả 16 đoạn đường ở vùng giữa của ngã tư. Cần lưu ý dẫy hình cuối cùng, lối đi quay đầu được tạo từ 2 đoạn đường nối tiếp nhau. Như vậy trong mỗi vùng, các đoạn đường giữa một lối vào và một lối ra không nhất thiết là duy nhất một đoạn đường mà nó có thể là một chuỗi các đoạn đường nối tiếp nhau. Điều này là rất hữu ích vì nó có thể giúp tạo ra các vùng đường tùy ý. Chẳng hạn như ta có thể thiết kế một vùng vòng xuyến bằng cách xấp xỉ đoạn đường cong của vòng xuyến thành các đoạn đường thẳng ngắn nối tiếp nhau.
Từ các thành phần cơ bản như vùng đường, các đoạn đường trong mỗi vùng, ta có thể xây dựng đượng nhiều hệ thống giao thông phong phú, đa dạng và phức tạp trong thực tế. Cách thiết kế các thành phần đường xá mà chúng tôi đưa ra không chỉ giúp tạo ra một cách linh động các hệ thống giao thông mà mà còn có tác dụng nâng cao hiệu quả trong việc tính toán cách lái xe của các agent đóng vai trò người tham gia giao thông. Trước khi mô tả tác dụng này ở phần mô tả các thuật toán, chúng tôi xin đưa ra các ý tưởng về xây dựng các agent đóng vai trò người tham gia giao thông ở phần tiếp theo.
3.2.2. Xây dựng agent đóng vai trò người tham gia giao thông
Phần trước đã đề cập đến cách thức thiết kế đường xá nhằm tạo ra một hệ thống giao thông bất kỳ. Dù hệ thống giao thông này có phực tạp cỡ nào, ta luôn có thể tìm được một tuyến đường từ một lối vào đến một lối ra khỏi toàn bộ hệ thống giao thông. Ở đây, ta giả thiết các agent khi bắt đầu tại một đầu vào sẽ có mục tiêu là sẽ đi đến một đầu ra nào đó của hệ thống và mục tiêu này là không đổi trong suốt quá trình di chuyển của agent. Giả sử trên một hệ thống giao thông được tạo ra chỉ có một agent đang di chuyển, thì việc di chuyển của agent hết sức đơn giản. Agent đó chỉ cần di chuyển theo một tuyến đường định trước, đi hết đoạn đường này sang đoạn đường khác hay từ vùng đường này sang vùng đường khác rồi kết thúc di chuyển khi đến đích. Nhưng khi có nhiều agent trên hệ thống này, ngoài việc tuân thủ các luật lệ của môi trường ở đây là hệ thống đường xá, các agent cần chú ý đến các agent khác khi di chuyển. Tùy từng tình huống, và cũng tùy vào các agent khác nhau mà cách di chuyển của nó sẽ khác nhau. Trong phần này, chúng tôi xin trình bầy về các hành vi và các thuộc tính của mỗi agent.
Để di chuyển, các agent cần có các hành động hợp lý tùy từng tình huống. Mỗi hành động này các agent sẽ đảm bảo một số yêu cầu là: Hướng đến đích, không va chạm với lề đường và không va chạm với các agent khác. Chúng tôi xin đưa ra các hành động cơ bản nhất của mỗi agent bao gồm:
• Tăng tốc • Giảm tốc
• Đánh lái hay hành động điều chỉnh hướng xe
Các agent sẽ thực hiện tăng tốc khi vận tốc hiện tại đang thấp hoặc đang ở trạng thái dừng và phải đảm bảo ở phía trước không có agent nào. Việc giảm tốc sẽ được thực hiện khi các agent nhận thấy nếu duy trì ở vận tốc hiện tại thì sẽ gây ra va chạm với agent khác hoặc va chạm với lề đường, ... Để điều chính xe theo đúng hướng đi của đường hoặc cần điều chỉnh hướng đi để tránh các agent khác, mỗi agent đều cần phải có hành động là đánh lái.
3.2.2.2. Xây dựng các thuộc tính đăng trưng cho mỗi agent
Tùy từng tình huống khác nhau mà các agent sẽ đưa ra các hành động khác nhau. Tuy nhiên, kể cả khi gặp một cùng tình huống, những agent khác nhau khác nhau cũng sẽ chọn các cách hành động khác nhau. Sự khác nhau này được tạo ra bởi sự khác nhau về thuộc tính của các agent. Đối với những người tham gia giao thông thì tuổi tác, giới tính, tính cách, kinh nghiệm, … sẽ chi phối đến cách lái xe của từng người.
Dựa vào những nhận xét trên, chúng tôi đã xây dựng các thuộc tính mang tính đặc trưng cho mỗi agent. Giá trị của các thuộc tính này sẽ phụ thuộc vào tuổi tác và giới tính của từng người. Theo hệ quả, giá trị của các thuộc tính này sẽ ảnh hưởng đến lựa chọn hành động lái xe của từng agent đóng vai trò người tham gia giao thông. Các thuộc tính đó gồm:
• Tốc độ tối đa • Mức độ tăng tốc • Tốc độ an toàn
• Khoảng thời gian dự tính
Tốc độ tối đa là tốc độ lớn nhất mà agent có thể đạt được cho dù di chuyển trên bất cứ đoạn đường nào, dù có hay không có agent phía trước. Các lứa tuổi và giới tính khác nhau sẽ có tốc độ khác nhau, chẳng hạn như tốc độ tối đa của nam giới thường cao hơn nữ giới.
Mức độ tăng tốc chỉ khả năng tăng tốc của agent. Các agent sẽ thực hiện hành động tăng tốc khi đang ở tốc độ thấp hoặc đang ở trạng thái dừng trong khi phía trước không có xe nào. Cũng như tốc độ tối đa, mức độ tăng tốc của các agent khác nhau là khác nhau. Mức độ tăng tốc của thanh niên thường cao hơn người già, của nam giới thường cao hơn nữ giới. Mức độ tăng tốc của các agent rất có ảnh hưởng đến sự lưu thông trên đường. Chẳng hạn như tại các đoạn ùn tắc, các xe khi thoát khỏi đám đông mà tăng tốc càng nhanh sẽ càng tạo khoảng trống cho các xe phía sau nhanh hơn.
Tốc độ an toàn là giá trị có liên quan mật thiết đến lựa chọn đánh lái của các agent. Khi cần đánh lái, các agent cần giảm tốc độ xuống tốc độ an toàn. Ví dụ, khi một người đang đi xe với một vận tốc nào đó mà nhận thấy sẽ va chạm vào xe khác phía trước nếu duy trì hướng và vận tốc hiện tại. Nếu vận tốc hiện tại lớn hơn vận tốc an toàn thì người này nhất thiết phải giảm tốc độ, nếu không thì người đó có thể xem xét việc đánh lái để tránh xe phía trước. Giá trị của tốc độ an toàn sẽ phụ thuộc vào giới tính và tuổi tác người lái. Ở người già, giá trị này thường thấp, còn ở người trung niên và thanh niên thì giá trị này cao hơn.
Khoảng thời gian dự tính là quãng thời gian sắp tới mà mỗi agent cần xác định cách lái xe tốt nhất cho mình. Giá trị của thuộc tính này thường nhỏ, từ vài trăm miligiây đến vài giây, tùy thuộc từng lứa tuổi, giới tính. Giá trị này có ảnh hưởng đến cách lựa chọn hành động của các agent. Giả sử một agent đang chuyển động với vận tốc 30km/h và giá trị của thuộc tính này là 600 miligiây thì agent này cần xác định được cách lái tốt nhất trong quãng đường 4.98m sắp tới. Giá trị này ở các lứa tuổi khác nhau sẽ khác nhau. Giá trị này ở người trung tuổi và người già sẽ cao hơn thanh niên.
Thuộc tính tốc độ an toàn thể hiện tính cẩn thận của các người lái, trong khi thuộc tính khoảng thời gian dự tính thể hiện sự “nhìn xa trông rộng” của các người lái.
3.2.2.3. Các ví dụ về sự ảnh hưởng của các thuộc tính lên cách lựa chọn hành động của agent
Ví dụ 1: Các giá trị khác nhau của tốc độ an toàn ảnh hưởng đến cách lái xe khác nhau.
Hình 3-5 minh họa hai agent đóng vai trò một thanh niên và một người già tham gia giao thông gặp tình huống giống nhau nhưng sẽ cho quyết định khác nhau. Cả hai agent này đều đang di chuyển với vận tốc là 26km/h và sẽ va chạm với xe trước mặt trong khoảng
1000 miligiây tới nếu tiếp tục đi thẳng và duy trì vận tốc hiện thời. Tuy nhiên, do giá trị vận tốc an toàn của agent giữ vai trò người thanh niên là 30km/h cao hơn vận tốc hiện thời, nên agent này đã xem xét trường hợp đánh lái. Vì xét thấy đánh lái sang trái là an toàn vì không chạm lề đường hay agent nào khác nên agent thanh niên đã chọn quyết định đánh lái sang trái. Còn agent người già do đang di chuyển với vận tốc 26km/h, cao hơn vận tốc an toàn là 20km/h nên đã chọn luôn quyết định giảm tốc độ mà không xem xét các lựa chọn nào khác.
(a) Thanh niên Vận tốc hiện thời: 26km/h Vận tốc an toàn: 30km/h
Thời gian dự tính: 1000ms Lựa chọn: Đánh lái sang trái
(b) Người già Vận tốc hiện thời: 26km/h Vận tốc an toàn: 20km/h
Thời gian dự tính: 1000ms Lựa chọn: Giảm tốc
Mũi tên mầu xám chỉ ra người già không hề xem xét lựa chọn đánh lái sang trái
Hình 3-5: Thuộc tính vận tốc an toàn ảnh hưởng đến cách lái xe của các agent
Ví dụ 2: Các agent có khoảng thời gian dự tính khác nhau sẽ có cách lái xe khác nhau.
Hình 3-6 mô tả hai agent đóng vai trò một người trung tuổi và một thanh niên gặp một tình huống giống hệt nhau khi tham gia giao thông. Cả hai đều đang di chuyển với vận tốc là 26km/h, nhỏ hơn vận tốc an toàn, do đó có thể xem xét các lựa chọn tránh xe nếu xét thấy sẽ va chạm với agent khác phía trước. Tuy nhiên, do khoảng thời gian dự tính của agent người trung tuổi là cao hơn do đó quãng đường phải xem xét va chạm với các xe khác là dài hơn. Trong trường hợp này, agent người trung tuổi đã xem xét cả 3 lựa chọn và
niên, do quãng đường dự tính là ngắn hơn nên đã cho rằng sẽ không xảy ra va chạm với agent phía trước bên phải nên đã chọn cách đánh lái đi về phía bên phải.