CHƢƠNG 2 : MÔ PHỎNG GIAO THÔNG
3.2. Lợi ích của việc mô phỏng mạng xe buýt
Mô phỏng mạng xe buýt có 3 lợi ích chính: ta có thể quan sát, xác minh lại những hạn chế và đƣa ra những đánh giá xác đáng [5].
Đầu tiên, liên quan đến việc quan sát mạng lƣới, với góc nhìn của ngƣời xem, nó cho phép những nhà thiết kế, nhà vận hành và chính quyền có một cái nhìn toàn cục về mạng lƣới và động lực của nó. Nói cách khác, mô phỏng cho phép quan sát hoạt động mạng và thảo luận về thiết kế của nó.
Lợi ích thứ hai dựa trên khả năng kiểm tra những hạn chế của thiết kế cục bộ cũng nhƣ toàn cục chẳng hạn nhƣ sự kết nối giữa các xe, đồng bộ hóa thời gian biểu. Hơn nữa nó cho phép đánh giá, kiểm soát qui trình động, cái mà rất khó có thể quan sát dƣới góc nhìn tĩnh.
Cuối cùng, lợi thế thứ ba là đánh giá hiệu quả mạng, xem xét các tiêu chí động và tĩnh khác nhau thông qua kịch bản. Đánh giá này đƣợc chia theo ba góc
nhìn: Góc nhìn của hành khách, của nhà điều hành xe buýt và của các nhà chức trách. Đối với hành khách, hiệu quả của một mạng lƣới giao thông công cộng phụ thuộc vào khả năng tiếp cận mạng lƣới, thời gian chuyến đi và chi phí dành cho nó. Sự quan tâm của các nhà điều hành mạng lƣới xe buýt là lợi nhuận và chi phí hoạt động. Cuối cùng, sự quan tâm của các nhà chức trách là cân đối giữa lợi nhuận của nhà điều hành và dịch vụ giao thông vận tải. Vì vậy công cụ mô phỏng trong cung cấp các biện pháp khác nhau cho phép đánh giá mạng theo các quan điểm này.
Luận văn đã sử dụng input là hệ thống các bản đồ dạng shapefile: Bao gồm bản đồ đƣờng Hà Nội và bản đồ các trạm xe buýt ở Hà Nội. Sau đó dùng phần mềm Qgis (là một phần mềm hệ thống thông tin địa lý có mã nguồn mở và miễn phí) đểvẽ các trạm và tuyến xe buýt số 16.Từ những dữ liệu ban đầu này, mô phỏng mô tả sự phát triển của một mạng lƣới xe buýt. Hoạt động của mạng lƣới xe buýt là kết quả từ hành vi của các thực thể và sự tƣơng tác giữa chúng. Ba yếu tố chính đƣợc xác định là những thành phần thiết yếu của mạng lƣới xe buýt là: xe buýt, hành khách và lƣu lƣợng giao thông. Hình 3.1 trình bày các thành phần chính của đề xuất mô phỏng. Để biểu diễn sự phân bố và sự tƣơng tác giữa các thực thể, tôi sử dụng cách tiếp cận đa tác tử để mô phỏng mạng lƣới xe buýt.
Hình 3.1. Các thành phần của mô phỏng 3.3. Các ý tƣởng xây dựng hệ thống 3.3. Các ý tƣởng xây dựng hệ thống
Mô hình đa tác tử đòi hỏi phải có các thực thể có liên quan đến hệ thống và sự tƣơng tác giữa chúng. Trong hệ thống giao thông, thành phầnchính là con ngƣời và phƣơng tiện. Giả sử đƣờng đi là lý tƣởng (không tính tắc đƣờng, chƣớng ngại vật (ổ gà, hố ga), không xét việc qua ngã 3, ngã tƣ…), luận văn chỉ chọn mô hình tác tử gồm xe buýt và hành khách, các thực thể khác không đƣợc
mô tả nhƣ trong hình 3.2. Do hệ thống áp dụng mô hình dựa trên tác tử trong việc mô phỏng nên việc đầu tiên cần làm là xác định các yếu tố môi trƣờng, xác định các tác tửtrong hệ thống giao thông. Ba loại tác tử di chuyển trong môi trƣờng này đƣợc biểu diễn là tác tử xe buýt (Bus agent), tác tử ngƣời tham gia giao thông (Traveler agent) và tác tử đại diện cho các phƣơng tiện khác lƣu thông trên đƣờng, ở đây chỉ mô tả ô tô (Car agent). Tác tử ô tô đƣợc xây dựng tƣơng tự nhƣ tác tử traveler, chỉ khác là tốc độ đi ô tô nhanh hơn. Vì vậy luận văn sẽ không mô tả tác tử ô tô trong phần này.
Hình 3.2. Vai trò và sự tƣơng tác giữa các tác tử 3.3.1. Môi trƣờng của hệ thống. 3.3.1. Môi trƣờng của hệ thống.
Môi trƣờng mà xe buýt và ngƣời tham gia giao thông di chuyển bao gồm hệ thống đƣờng đi bộ, đƣờng đi xe buýt và các tòa nhà trên đƣờng (gọi là bản đồ địa điểm) nhƣ trong hình 3.3, hình 3.4 và hình 3.5. Ba yếu tố này liên quan chặt chẽ với nhau. Ví dụ điểm dừng xe buýt liên quan tới đƣờng xe buýt và mạng lƣới ngƣời đi bộ. Môi trƣờng có vai trò đặc biệt trong hệ thống MAS.
Môi trƣờng của các tác tử trong luận văn làhệ thống bản đồ Hà Nội bao gồm 5 layer dạng shapefile. Có thể trình bày tổng thể5 layer trong bảng sau:
Tên layer Kiểu
dữ liệu Ý nghĩa Nguồn lấy
hanoi_bound Polygon
- Là hình chữ nhật bao quanh bản đồ. Gama chỉ hiển thị các bản đồ nằm trong đƣờng bao này.
- Vẽ bằng Qgis
hanoi_lines Line - Tất cả các hệ thống đƣờng ở Hà Nội
- Đƣợc export từ trang openstreetmap.org hanoi_point_all Point Toàn bộ các khu vực
dân cƣ trong Hà Nội.
- Đƣợc export từ trang openstreetmap.org hanoi_busstation point Các điểm dừng xe buýt
của tuyến 16
- Vẽ bằng Qgis dựa trên bản đồ xe buýt Hà Nội. hanoi_busline line Tuyến xe buýt số 16 - Vẽ bằng qgis dựa trên
hanoi_line
Layer Hanoi_lines: Sử dụng thuộc tính highway của bản đồ này.Trong chƣơng trình,trục đƣờng chính (đƣờng quốc lộ) đƣợc hiển thị màu vàng cam, các con đƣờng khác màu xám.
Hình 3.4. Bảng thuộc tính của bản đồ hanoi_lines
Layer Hanoi_point_all là toàn bộ các địa điểm ở Hà Nội bao gồm: công viên,
nhà hàng, rạp chiếu phim, bãi đỗ xe, quán cà phê, bệnh viện, nhà ở…. Chƣơng trình hiển thị các điểm là khu vực nhà ở bằng màu blue, khu vực khác màu xám.
Hình 3.6. Bản đồ khu dân cƣ ở Hà Nội
3.3.2. Xây dựng tác tử đóng vai trò xe buýt (Bus agent)
Phần này sẽ trình bày các hành vi cơ bản và các thuộc tính của xe buýt.
3.3.2.1. Các hành vi cơ bản
Tác tử xe buýt đóng hai vai trò:là phƣơng tiện giao thông và là dịch vụ giao thông.
Với vai trò là phƣơng tiện giao thông, ta phải mô tả di chuyển của xe buýt trong mạng lƣới đƣờng bộ. Vai trò này bị ràng buộc bởi giao thông đƣờng bộ và các tác tử xe buýt khác.
Với vai trò là dịch vụ giao thông, nó biểu diễn sứcchứa của xe buýt.Hành vi của tác tử xe buýt đƣợc mô tả trong hình 3.8 bằng một otomat hữu hạn trạng thái.
Hình 3.8: Hành vi của tác tử xe buýt
Nhƣ vậy hoạt động di chuyển của xe buýt nhƣ sau:Đầu tiên xe buýt chờ tới chuyến khởi hành tiếp theo. Khi tới điểm dừng xe buýt, xe thông báo cho khách trên xe biết thông tin lên xuống phục vụ đón, trả khách.Sau đó xe di chuyển tới điểm đỗ tiếp theo. Quá trình này tiếp tục cho tới khi xe về tới điểm cuối của tuyến xe.
3.3.2.2. Các thuộc tính đặc trưng
Tác tử xe buýt thể hiện ba trạng thái : di chuyển (running), phục vụ tại điểm dừng xe buýt (in-bus-stop), đợi cho chuyến tiếp theo (wait-for-next- journey). Tác tử xe buýt đƣợc xây dựng với các thuộc tính, hành động và phản xạ nhƣ sau:
Thuộc tính:
STT Tên thuộc tính Kiểu dữ liệu Ý nghĩa
1 line_id int Số hiệu tuyến
2 speed int Tốc độ xe buýt
3 bus_line busline Đƣờng đi của xe buýt 4 curent_station busstation
- Trạm đang đỗ hoặc đã đỗ gần nhất. - Khi khởi tạo đây là trạm xuất phát của xe buýt, đƣợc khởi tạo random theo danh sách các trạm xe buýt
5 capacity int Sức chứa của xe buýt 6 next_station busstation Trạm tiếp theo
7 passenger_list List Danh sách hành khách
Hành động:
1. Đi đến trạm tiếp theo.
Chức năng: Xác định trạm xe buýt tiếp theo Trả lại: Không trả lại
2. Vào bến
Chức năng: Trả khách và đón khách tại bến Trả lại: Không trả lại
Phản xạ:
1. Đích tiếp theo
Điều kiện phản xạ: Trạm tiếp theo là rỗng. Nội dung: Xác định trạm tiếp theo là gì. Kết quả: Trạm tiếp theo đƣợc xác định.
2. Di chuyển
Điều kiện phản xạ: Trạm tiếp theo không rỗng Nội dung:
- Di chuyển tới trạm tiếp theo
- Khi đã tới trạm tiếp theo thì thực hiện hành động vào bến. Kết quả: Trạm kế tiếp rỗng.
3.3.3. Xây dựng tác tử đóng vai trò ngƣời tham gia giao thông (Traveler agent) agent)
Phần này sẽ trình bày các hành vi cơ bản và các thuộc tính của tác tử Traveler.
3.3.3.1. Các hành vi cơ bản
Tác tử ngƣời tham gia giao thông đóng hai vai trò là ngƣời đi bộ và là hành khách. Ngƣời tham gia giao thông sẽ chọn ngẫu nhiên phƣơng tiện đi (ô tô, đi bộ hay xe buýt). Nếu đi ô tô, đi xe với tốc độ xe ô tô trên bản đồ. Nếu đi xe buýt, hành vi của tác tử traveler đƣợc chỉ ra trong hình 3.9.
Hình 3.9: Hành vi của tác tử Traveler
Nhƣ vậy việc di chuyển bằng xe buýt của ngƣời tham gia giao thông nhƣ sau:
- Chờ xe bus; Lên xe bus; Tới điểm chuyển xe , quay lại bƣớc 1. - Đi bộ tới đích.
3.3.3.2. Xây dựng các thuộc tính đặc trưng
- Tác tử Traveler khi đi xe buýt có bốn trạng thái : đi bộ tới bến xe(walking), đợi xe (waiting), trên xe buýt (in-vehicle) và đi bộ tới đích. Trong chƣơng trình, tác tử traveler có các thuộc tính, hành động và phản xạ nhƣ sau:
Thuộc tính:
STT Tên thuộc tính Kiểu thuộc tính Ý nghĩa
1 Vehicle String Phƣơng tiện di chuyển của tác tử (đi bộ, ô tô, xe buýt)
2 Moving_status String Trạng thái di chuyển (đi bộ, đợi xe, lên xe, ko di chuyển)
3 Living_place building
Vị trí bắt đầu đi của tác tử. Lấy ngẫu nhiên là một trong các tòa nhà.
4 The_target building Vị trí đến của tác tử. Lấy ngẫu nhiên là 1 trong các tòa nhà 5 Start_bus_station busstation Trạm xe buýt gần tác tử nhất 6 End_bus_station busstation Trạm xe buýt gần đích nhất
Hành động:
1. Lên xe buýt
- Chức năng: Cho hành khách lên xe. Đặt trạng thái di chuyển của ngƣời là “on_bus”
- Trả lại: Thời gian chờ xe buýt của hành khách 2. Xuống xe buýt
- Chức năng: Cho hành khách xuống xe. Đặt trạng thái di chuyển là đi bộ tới đích.
- Trả lại: Không trả lại 3. Di chuyển tới đích
- Chức năng: Đi bộ tới đích trên hệ thống bản đồ - Trả lại: Không trả lại
1. Chọn phƣơng tiện
- Điều kiện phản xạ: Chƣa tới đích và chƣa có phƣơng tiện - Nội dung: Chọn ngẫu nhiên phƣơng tiện (foot, car, bus). Tỉ lệ
chọn mỗi phƣơng tiện là 1/3. Nếu chọn phƣơng tiện là xe buýt thì trạm bắt đầu sẽ là trạm gần nó nhất, trạm kết thúc là trạm gần đích nhất.
- Kết quả: Một phƣơng tiện đƣợc chọn 3. Đi bộ
- Điều kiện phản xạ:Chƣa tới đích và phƣơng tiện là “foot” - Nội dung: Di chuyển tới vị trí tiếp theo trên bản đồ với tốc độ
dành cho ngƣời đi bộ
- Kết quả: Tác tử di chuyển trên bản đồ. 4. Đi bằng ô tô
- Điều kiện phản xạ: chƣa tới đích và phƣơng tiện là “car” - Nội dung: Di chuyển tới đích với tốc độ dành cho ô tô - Kết quả: Di chuyển trên bản đồ
5. Đi bằng xe buýt
- Điều kiện phản xạ: Chƣa tới đích và phƣơng tiện là xe “bus” - Nội dung:
+ Nếu trạng thái di chuyển là 0 thì đặt trạng thái di chuyển là „walking to bus‟
+ Nếu trạng thái di chuyển là „walking to bus‟ thì di chuyển tới trạm xe buýt gần nhất và đặt trạng thái di chuyển là „waiting_bus‟, bắt đầu tính thời gian đợi.
+ Nếu trạng thái di chuyển là “on_bus” thì không hiển thị ngƣời nữa.
+ Nếu trạng thái di chuyển là “walking_out_target” thì di chuyển tới đích. Khi tới đích thì thiết lập trạng thái di chuyển, đích, phƣơng tiện bằng 0.
- Kết quả: Trạng thái di chuyển của ngƣời
3.4. Thực nghiệm
3.4.1. Giới thiệu về phần mềm mô phỏng
Chƣơng trình đƣợc lập trình để chạy trên hệ điều hành Windows 7, 32 bít. Để chạy chƣơng trình cần phải cài đặt các phần mềm sau:
GAMA v1.5.1 là nền tảng mô phỏng.
Quantum GIS là phần mềm về hệ thống thông tin địa lý. Nó cho phép thao tác trên các lớp bản đồ dạng vecto. Trong chƣơng trình Quantum GIS dùng để vẽ các trạm xe buýt, tuyến xe buýt.
Chƣơng trình có hai chế độ:
Chế độ thiết kế và chế độ mô phỏng. Chế độ thiết kế cho phép ngƣời sử dụng thay đổi các tham số về ngƣời, giao thông, xe buýt. Hình 3.8 mô tả giao diện chƣơng trình trong chế độ thiết kế. Đây là một bảng chứa một số tùy chọn cho việc thay đổi các tham số theo từng mục people, gis, traffic
Hình 3.10. Giao diện chƣơng trình trong chế độ thiết kế
Khi chƣơng trình chạy ở chế độ mô phỏng, ngƣời sử dụng có thể quan sát sự di chuyển của xe buýt và ngƣời tham gia giao thông trên hệ thống đƣờng.
Hình 3.11. Giao diện chƣơng trình ở chế độ mô phỏng
Trong menu agent cho phép ta xem các thông tin chi tiết về agent nhƣ hình 3.12 và hình 3.13:
3.4.2. Kết quả thử nghiệm
Sau khi điền các tham số cần thiết và chạy chƣơng trình, chúng ta có thể quan sát tỉ lệ ngƣời đi bộ, ngƣời đi ô tô, đi xe buýt theo thời gian.
Hình 3.14. Một lát cắt quan sát tỉ lệ ngƣời đi bộ, đi ô tô, đi xe buýt
Ngoài ra chúng ta cũng có thể quan sát động tỉ lệ ngƣời đang đợi xe buýt, trên xe buýt, đi bộ tới xe buýt và ngƣời vừa xuống xe theo bảng thống kê nhƣ hình 3.11. Trục tung của bảng là số ngƣời, trục hoành là số bƣớc thời gian.
Hình 3.15. Một lát cắt bảng quan sát trạng thái của ngƣời.
Luận văn thực hiện mô phỏng hoạt động của xe buýt tuyến số 16 trong thành phố Hà Nội nhằm xác định số lƣợng xe buýt cần thiết để giảm thời gian đợi trung bình của hành khách. Giả sử đƣờng đi là lý tƣởng (không tính việc qua ngã tƣ, tắc đƣờng, chƣớng ngại vật (ổ gà, hố ga…)). Thực nghiệm với số lƣợng ngƣời tham gia giao thông là 1000 xuất phát từ những vị trí ngẫu nhiên trong các tòa nhà, sức chứa tối đa của 1 xe buýt là 60 ngƣời, số bƣớc thời gian (số vòng chạy) là 2000. Đồ thị có trục hoành là số bƣớc thời gian, trục tung là thời gian đợi trung bình.
Số xe buýt Đồ thị thể hiện thời gian đợi trung bình
5
7
10
Nhƣ vậy cần ít nhất 10 xe buýt cùng hoạt động để giảm thời gian chờ trung bình của hành khách từ 7,5 đơn vị thời gian (trong Gama) xuống còn 5,0 đơn vị thời gian (giảm 1/3).
Tóm lại, trong chƣơng này luận văn đã trình bày về thực trạng mạng xe buýt và các bƣớc xây dựng chƣơng trình của mình cũng nhƣ một số kết quả đã đạt đƣợc. Phần tiếp theo luận văn sẽ trình bày về các kết luận và hƣớng phát triển.
KẾT LUẬN VÀ HƢỚNG PHÁT TRIỂN
Từ sự tìm hiểu về các hệ thống mô phỏng giao thông đã đƣợc phát triển trƣớc đây và phƣơng pháp mô phỏng dựa trên tác tử, cũng nhƣ sự tìm hiểu về mạng lƣới xe buýt ở Việt Nam,luận văn đã nghiên cứu và xây dựng mộthệ thống mô phỏng mạng xe buýt. Đây là hệ thống mô phỏng mang tính vĩ mô, giúp ta có cái nhìn tổng quan về sự di chuyển của xe buýt và hành khách trong hệ thống.
Mô hình trình bày là sự kết hợp hoạt động của xe buýt, hành khách và một mô hình giao thông đƣờng bộ. Input của hệ thống sử dụng dữ liệu bản đồ Hà Nội dạng shapefile, dùng Qgis để chỉnh sửa bản đồ: vẽ thêm các tuyến xe buýt, trạm xe buýt...Hệ thống cho phép taquan sát sự di chuyển của xe buýt và ngƣời tham gia giao thông. Qua đó đánh giáđƣợc những ƣu nhƣợc điểm về mạng lƣới xe buýt hiện nay để đƣa ra những điều chỉnh hữu ích.
Việc sử dụng nền tảng mô phỏng GAMA giúp dễ dàng hơn trong việc cài