Tài liệu 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 và 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 phỏng giao thông Tôi -Trần Thị Mơ - Cam kết Luận văn là công trình nghiên cứu của bản thân tôi dưới sự hướng dẫn của TS. Phạm Đăng Hải. Các kết quả nêu trong Luận văn là trung thực, không phải là sao chép toàn văn của bất kỳ công trình nào 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 được gửi lời cám ơn chân thành tới các thầy cô giáo thuộc trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, những người đã tận tình chỉ dạy tất cả kiến thức chuyên ngành cho em trong suốt quá trình học tập và nghiên cứu tại trường. Trong quá trình thực hiện Luận văn tốt nghiệp em đã học hỏi được thêm rất nhiều điều kiến thức bổ ích. Đó cũng là cơ hội để em tổng kết những kiến thức đã được học, đồng thời rút ra những kinh nghiệm quý báu cho bản thân mình. Em xin chân thành cảm ơn những hướng dẫn tận tình của TS. Phạm Đăng Hải - bộ môn Khoa học máy tính – Viện Công Nghệ Thông Tin và Truyền Thông - Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội. Luận văn được hoàn thành ở một mức độ nhất định. Bên cạnh những kết quả đã đạt được, chắc chắn em sẽ không tránh khỏi những thiếu sót và hạn chế. Sự phê bình, nhận xét của thầy cô là những bài học quý báu cho công việc và nghiên cứu của em sau này. Em cũng xin được gửi lời cảm ơn sâu sắc đến gia đình, bạn bè đã luôn ở bên, ủng hộ, động viên tinh thần cho em trong suốt quá trình thực hiện đồ án. Xin kính chúc quý thầy cô mạnh khỏe, hạnh phúc, tiếp tục đạt được nhiều thành công trong nghiên cứu khoa học cũng như trong sự nghiệp trồng người. Hà Nội, ngày 10 tháng 09 năm 2015 Học viên thực hiện Trần Thị Mơ ii TÓM TẮT NỘI DUNG LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP Hiện nay, với tốc độ đô thị hóa nhanh chóng ở nước ta, người dân đổ dồn về các thành phố lớn như Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh… để làm việc, học tập làm hệ thống giao thông ở các thành phố này rơi vào tình trạng quá tải. Tình trạng ùn tắc giao thông vào giờ cao điểm trở thành một vấn đề hết sức nan giải. Để giải quyết vấn đề này, các cấp chính quyền đề xuất mở rộng, nâng cấp hay tạo ra các con đường mới nhằm mục đích giảm tải gánh nặng giao thông. Câu hỏi đặt ra cho các cơ quan này là cần phải mở rộng hay cải tạo những con đường nào? Và sau khi thực hiện, tình trạng ùn tắc giao thông có được giải quyết triệt để không? Để trả lời những câu hỏi này, một trong những phương pháp hiệu quả, cần thiết và tiết kiệm ngân sách nhất là thực hiện trước quá trình mô phỏng giao thông trên máy tính. Luận văn “Xây dựng phần mềm hỗ trợ mô phỏng giao thông” là kết quả nghiên cứu và phát triển một công cụ hỗ trợ mô hình hóa và mô phỏng hệ thống giao thông trong thực tế. Luận văn xây dựng dựa trên lý thuyết mô phỏng, yêu cầu cơ bản của một phần mềm mô phỏng giao thông cần có và cách mô phỏng dựa trên mô hình đa Agent. Từ khóa: mô phỏng giao thông, mô hình dựa trên 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 ........................................................................................ 1 Chương I: MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG GIAO THÔNG .................................................................................................................. 3 1.1. Bài toán mô phỏng giao thông .................................................................... 3 1.1.1. Giới thiệu chung ..................................................................................... 3 1.1.2. Bài toán mô phỏng giao thông ................................................................ 4 1.2. Một số mô hình phổ biến đang được sử dụng. ........................................... 4 1.2.1. Mô phỏng sự kiện rời rạc và phương pháp Monte Carlo ......................... 4 1.2.2. Mô phỏng trong thời gian liên tục ........................................................... 5 1.2.3. Mô hình Cellular Automata .................................................................... 5 1.2.4. Mô hình car-following ............................................................................ 6 1.3. Phân loại và xu hướng mô phỏng giao thông. ............................................ 6 1.3.1. Phân loại ứng dụng mô phỏng giao thông. .............................................. 6 1.3.2. Xu hướng phát triển trong mô phỏng giao thông. .................................... 7 1.4. Ứng dụng của mô phỏng giao thông trong thực tế. ................................... 8 1.5. Chức năng và yêu cầu đối với phần mềm mô phỏng giao thông. ............ 11 1.5.1. Các chức năng cơ bản của một phần mềm mô phỏng giao thông........... 11 1.5.2. Yêu cầu cơ bản đối với hệ thống mô phỏng giao thông. ........................ 12 1.6. Các hành vi được mô phỏng của phương tiện giao thông. ...................... 13 v 1.7. Một số nghiên cứu về giao thông ở nước ta.............................................. 14 1.7.1. Mô phỏng giao thông sử dụng hệ thống đa tác tử .................................. 14 1.7.2. Xây dựng và đánh giá một hệ thống mô phỏng giao thông Việt Nam.... 14 1.7.3. Đề xuất xây dựng phần mềm mô phỏng giao thông hợp lý .................... 15 1.8. Một số phần mềm mô phỏng 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 và 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 trên Agent ..................................................................... 24 2.2.1. Khái niệm về mô hình dựa trên Agent – ABM ...................................... 24 2.2.2. Sự khác nhau giữa Agent và đối tượng ................................................. 25 2.2.3. Một số ứng dụng của ABM................................................................... 26 2.2.4. Cách xây dựng một ABM ..................................................................... 26 2.3. Một số ý tưởng mô phỏng giao thông dựa trên mô hình Agent............... 27 2.3.1. Một số đặc điểm của giao thông ở 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 và công cụ phát triển. ............................................... 32 3.2. Tổ chức dữ 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 của hệ thống. ............................................................. 35 3.4.1.Xây dựng mô hình mạng lưới giao thông. .............................................. 37 3.4.1. Thiết kế làn 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 và sử dụng mạng lưới giao thông đã thiết kế. ........................... 41 3.5. Mô phỏng giao thông ................................................................................ 42 3.5.1. Giao diện mô phỏng ............................................................................. 42 3.5.2. Mô phỏng phương tiện tham gia giao thông. ......................................... 43 3.6. Một số thuật toán sử dụng trong chương trình. ...................................... 44 3.6.1. Xác định điểm cách 1 điểm cho trước 1 đoạn h theo hướng vector u..... 44 3.6.2. Tìm giao điểm của hai đường thẳng AB và CD..................................... 45 3.6.3. Xác định tọa độ các đỉnh của 1 phương tiện giao thông. ....................... 47 3.6.4. Kiểm tra va chạm giữa hai xe. .............................................................. 48 3.6.5. Xác định lề đường ................................................................................ 50 3.6.6. Xác định đường đi trong bản 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 và một 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 phỏng 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 của Agent so với đối tượng. .................................................. 25 Hình 3.3.1: Cấu trúc tổng quan hệ thống mô phỏng giao thông. ........................ 35 Hình 3.4.1: Giao diện thiết kế mạng lưới giao thông. ........................................ 38 Hình 3.4.2: Giao diện thêm làn đường. .............................................................. 38 Hình 3.4.3: Làn đường hiển thị trên màn 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 bản đồ ..................................................................................... 41 Hình 3.5.1: Giao diện mô phỏng giao thông. ..................................................... 42 Hình 3.5.2: Sơ đồ quá trình mô phỏng phương tiện tham gia giao thông. .......... 43 Hình 3.6.1: Thuật toán xác định tọa độ 1 điểm cách 1 điểm cho trước 1 đoạn h theo hướng vector u. .............................................................................................. 45 Hình 3.6.2: Thuật toán xác định giao điểm 2 đường thẳng AB và CD. .............. 47 Hình 3.6.3: Xác định tọa độ các đỉnh của 1 xe. .................................................. 47 Hình 3.6.4: Thuật toán xác định tọa độ các đỉnh của 1 xe. ................................. 48 Hình 3.6.5: Kiểm tra va chạm giữa 2 xe. ........................................................... 49 Hình 3.6.6: Thuật toán kiểm tra va chạm giữa 2 xe............................................ 49 Hình 3.6.7: Thuật toán kiểm tra 1 điểm có nằm trên xe không. .......................... 50 Hình 3.6.8: Mục đích xác định lề đường. ........................................................... 51 Hình 3.6.9: Các điểm quy ước của 1 làn đường. ................................................ 51 ix Hình 3.6.10: Xác định đường biên của các làn đường độc lập với nhau. ............ 51 Hình 3.6.11: Kết quả xác định lề đường. ........................................................... 52 x THUẬT NGỮ VÀ CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt / thuật ngữ Ý nghĩa ABM Agent-Based Modeling, mô hình dựa trên Agent Agent Tác tử CAD Ứng dụng thiết kế bản vẽ kỹ thuật Car-following Mô hình tương tác giữa các phương tiện trong quá trình mô phỏng GDI+ Graphics Device Interface, thư viện đồ họa nền tảng .Net Framework GIS Hệ thống thông tin địa lý GPL GNU General Public License GUI Giao diện đồ họa người dùng Intelligent Driver Model MAS Microscopic Simulation Mô hình điều khiển xe thời gian liên tục sử dụng trong mô hình hóa luồng giao thông do Treiber phát triển Multi-Agent System, hệ thống đa Agent Mô hình mô phỏng vi mô Mesoscopic Simulation Mô hình mô phỏng trung mô Macroscopic Simulation Mô hình 3 pha của Kerner Mô hình mô phỏng vĩ mô Lý thuyết dòng chảy giao thông được Boris Kerner phát triển từ năm 1996 đến năm 2002, chủ yếu hướng vào giải thích khía cạnh vật lý củ sự cố giao thông và kết quả của tắc nghẽn giao thông trên đường. Kerner mô tả xi Từ viết tắt / thuật ngữ Ý nghĩa 3 pha giao thông, trong khi lý thuyết cổ điển lại chỉ dịnh nghĩa hai pha: dòng chảy tự do và tắc nghẽn giao thông. Kerner chia pha tắc nghẽn thành 2 pha riêng biệt: đồng bộ dòng chảy và mắc kẹt di chuyển diện rộng Mô hình Gipps Mô phỏng giao thông Mô hình tương tác phương tiện giao thông do Peter G.Gipps phất triển cuối những năm 1970 dưới sự tài trợ của S.R.C, mô hình này hoạt động dựa vào hành vi người điều khiển và theo dõi các phương tiện khác trong dòng chảy giao thông. Mô phỏng hệ thống giao thông vận tải O/D Matrix Origin/Destination Matrix, Ma trận điểm đầu/điểm đích làm đầu vào sinh nhu cầu giao thông cho ứng dụng. Phương pháp Euler Một thủ tục số học để giải phương trình vi phân thông thường với giá trị khởi tạo cho trước Phương pháp Heun Một thủ tục số học giải phương trình vi phân thông thường với giá trị khởi tạo cho trước, thường dùng để cải tiến hoặc chỉnh sửa phương pháp Euler hoặc phương pháp Runge-Kutta 2 tần Phương pháp Monte Carlo Một lớp rộng các thuật toán tính toán dựa trên việc lấy mẫu ngẫu nhiên để thu được kết quả dạng số PTGT Phương tiện giao thông Phương pháp RungeKutta Một họ các phương pháp lặp quan trọng được sử dụng để rời rạc hóa thời gian nhằm tìm lời giải xấp xỉ cho phương trình vi phân thông thường TRACI Traffic Control Interface, giao diện điều khiển giao thông, có khả năng truy cập mô phỏng giao thông đang chạy, lấy thông tin của các đối tượng được mô phỏng xii Từ viết tắt / thuật ngữ Ý nghĩa rồi điều khiển hoạt động đối tượng đó trực tuyến qua kết nối TCP client/server TRANSIMS SUMO TRansportation ANalysis SIMulation System Simulation Urban of Mobility xiii GIỚI THIỆU CHUNG Quá trình đô thị hóa nhanh chóng dẫn đến việc một lượng lớn lao động đổ dồn về các thành phố lớn. Việc ùn tắc giao thông vào giờ cao điểm trở thành một vấn đề hết sức nhức nhối dư luận. Để giải quyết vấn đề này, các cấp chính quyền tại các thành phố lớn đề xuất giải pháp là phải mở rộng, nâng cấp hay tạo ra các con đường mới nhằm mục đích giảm tải gánh nặng giao thông. Nhưng trước khi thực hiện việc nên mở rộng, nâng cấp hay xây dựng một con đường mới cần phải có sự tính toán kỹ lưỡng, hợp lý và hiệu quả. Một trong những giải pháp hiệu quả, cần thiết và tiết kiệm là thực hiện quá trình mô phỏng giao thông trước trên máy tính. Từ kết quả mô phỏng, việc đánh giá một giải pháp sẽ tối ưu hơn. Trên thế giới đã có nhiều phần mềm cho phép mô phỏng giao thông trên máy tính. Nhưng đa số các phần mềm này chỉ phù hợp với từng khu vực, từng quốc gia. Còn đối với giao thông ở Việt nam với tình trạng đường xá chằng chịt, tình trạng thiếu ý thức của người tham gia giao thông cũng như đặc trưng của “đất nước nhiều xe máy” làm cho các phần mềm này không thực sự phù hợp với điều kiện thực tế ở nước ta. Mặt khác, hầu như các phần mềm mô phỏng giao thông đều không có khả năng mô phỏng người đi bộ tham gia giao thông. Vậy nên yêu cầu cấp thiết đặt ra là cần một phần mềm mô phỏng giao thông “sát sườn” với tình trạng giao thông ở nước ta, phù hợp với các đặc trưng và tình trạng văn hóa giao thông hiện nay. Luận văn “Xây dựng phần mềm hỗ trợ mô phỏng giao thông” là nghiên cứu mong muốn phát triển một công cụ hỗ trợ mô hình hóa và mô phỏng hệ thống giao thông trong thực tế. Luận văn xây dựng dựa trên lý thuyết mô phỏng, yêu cầu cơ bản của một phần mềm mô phỏng giao thông cần có và cách mô phỏng dựa trên mô hình đa Agent. Bố cục tổ chức luận văn trình bày với 4 chương như sau:  Chương 1: Một số nghiên cứu về mô hình mô phỏng giao thông giới thiệu bài toán mô phỏng giao thông, phân loại, xu hướng và ứng dụng mô phỏng giao thông trong thực tế, các chức năng một phần mềm mô phỏng giao thông cần phải có và một số phần mềm mô phỏng giao thông hiện nay.  Chương 2: Mô phỏng hệ thống giao thông dựa trên mô hình đa Agent cung cấp lý thuyết về Agent và đa Agent, quá trình mô hình hóa dựa trên Agent như thế nào và một số ý tưởng mô phỏng giao thông sử dụng mô hình Agent. 1  Chương 3: Xây dựng phần mềm mô phỏng hệ thống giao thông giới thiệu về ngôn ngữ lập trình, cách thức tổ chức dữ liệu, cấu trúc tổng quát của hệ thống và quá trình xây dựng mạng lưới giao thông cho đến quá trình tiến hành mô phỏng.  Chương 4: Kết luận và hướng phát triển trình bày kết quả đạt được của luận văn, hướng phát triển và một số đề xuất. 2 Chương I: MỘT SỐ NGHIÊN CỨU VỀ MÔ HÌNH MÔ PHỎNG GIAO THÔNG 1.1. Bài toán mô phỏng giao thông 1.1.1. Giới thiệu chung Mô phỏng được định nghĩa là một cách trình diễn động một phần thế giới thực bằng cách xây dựng một mô hình máy tính và cho nó hoạt động trong một khoảng thời gian [1]. Mô phỏng hệ thống giao thông vận tải (Simulation of Traffic and Transportation) là một lĩnh vực trong mô phỏng máy tính. Trong đó, phần mềm được xây dựng để mô phỏng các cấu trúc giao thông, bao gồm cơ sở hạ tầng, các phương tiện, các tình huống giao thông… Các phần mềm này sẽ mô tả việc lưu thông của các phương tiện trên các mạng lưới giao thông được xây dựng sẵn, có áp dụng các quy tắc giao thông tùy thuộc yêu cầu của người dùng. Tùy theo từng phần mềm và cách nhìn của các nhà phát triển mà mỗi phần mềm có những đặc tính riêng, chủ yếu liên quan đến việc xây dựng một mạng lưới giao thông và tiến hành mô phỏng quá trình lưu thông các phương tiện trên đó. Theo Kallberg [2], người đầu tiên đề cập đến việc sử dụng máy tính để mô phỏng là D.L. Gerlough trong luận văn của ông: “Simulation of freeway traffic on a general-purpose dicrete variable computer”, tạm dịch là “Mô phỏng giao thông tự do trên máy tính biến thiên rời rạc đa năng” tại trường đại học California, Los Angenles năm 1955. Trong lịch sử 60 năm phát triển, từ một vài công cụ nghiên cứu phục vụ cho một nhóm nhỏ các chuyên gia, các phần mềm mô phỏng giao thông đã được ứng dụng ngày một rộng rãi trong nghiên cứu, lập kế hoạch, trình diễn cũng như phát triển hệ thống giao thông thực. Cũng giống như hầu hết các loại mô phỏng khác, giao thông được đưa vào mô phỏng do khó khăn khi giải quyết bài toán phân tích bằng tay, nhu cầu kiểm thử, ước lượng, trình diễn một đề án giao thông trước khi nó được thực thi hoặc phát triển nhằm mục đích nghiên cứu và huấn luyện con người. Các hệ thống mô phỏng giao thông được đẩy mạnh phát triển nhờ sự tiến bộ trong lý thuyết giao thông, trong công nghệ phần cứng máy tính và công cụ lập trình, sự phát triển của cơ sở hạ tầng kỹ thuật thông tin và nhu cầu của xã hội trong việc phân tích chi tiết hơn kết quả thu được từ đo đạc và lập kế hoạch giao thông. 3 1.1.2. Bài toán mô phỏng giao thông Bài toán mô phỏng giao thông được phát biểu như sau: Trong giao thông vận tải, hãy tìm cách làm sao cho người tham gia giao thông di chuyển được thuận lợi qua các con đường cũng như toàn mạng lưới. Hệ thống giao thông được đặc trưng bởi một số nét khiến cho nó trở nên khó phân tích, điều khiển và tối ưu. Các hệ thống giao thông thường bao phủ một vùng rộng lớn, số lượng thành phần hoạt động lớn, mục đích và mục tiêu của các thành phần này cũng không cần thiết song song với các thành phần khác và với các mục tiêu tối ưu hệ thống hoặc do người dùng chọn. Có rất hiều đầu vào nằm ngoài kiểm soát của người điều hành cũng như các thành phần tham gia như điều kiện thời tiết, số lượng người tham gia giao thông… Thêm vào đó, hệ thống giao thông biến động một cách tự nhiên, nghĩa là số lượng đơn vị trong hệ thống thay đổi theo thời gian thực một cách ngẫu nhiên. Số phần tử đang hoạt động tại một thời điểm là rất lớn đồng nghĩa với số tương tác đồng thời. Hệ thống vận tải là hệ thống người - máy điển hình. Các hoạt động trong hệ thống bao gồm cả tương tác người - người, tức giữa người điều khiển phương tiện phương tiện - người khác và tương tác người - máy giữa người điều khiển phương tiện và phương tiện, thông tin giao thông, hệ thống điều khiển giao thông và môi trường đường phố. Thêm nữa, luật tương tác được ước lượng một cách tự nhiên. Sự quan sát và phản ứng của người điều khiển phương tiện bị chi phối bởi nhận thức con người chứ không phải là công nghệ dựa trên hệ thống cảm ứng và theo dõi [3]. Nói chung, hệ thống giao thông là một môi trường tuyệt vời cho mô phỏng dựa trên kỹ thuật nghiên cứu và lập kế hoạch, một lĩnh vực ứng dụng mà ở đó ứng dụng của các công cụ phân tích, mặc dù rất quan trọng, nhưng lại bị giới hạn ở mức hệ thống con và các bài toán nhỏ. 1.2. Một số mô hình phổ biến đang được sử dụng. Các phương pháp mô phỏng giao thông vận tải có thể sử dụng một trong số những lý thuyết, xác suất thống kê, phương trình vi phân và phương pháp số [2]. 1.2.1. Mô phỏng sự kiện rời rạc và phương pháp Monte Carlo Trong hướng tiếp cận mô phỏng giao thông dựa trên mô phỏng sự kiện rời rạc, mô phỏng Monte Carlo là một trong những mô hình ra đời sớm nhất. Phương pháp 4 Monte Carlo được biết đến như là một lớp rộng các thuật toán tính toán dựa trên việc lấy mẫu ngẫu nhiên để thu được kết quả dạng số. Chúng thường được sử dụng trong các bài toán vật lý, toán học và có ích nhất là khi khó hoặc không thể sử dụng các phương pháp toán khác. Phương pháp Monte Carlo chủ yếu được sử dụng trong ba lớp bài toán riêng biệt: tối ưu hóa, tích hợp số học và sinh hình vẽ từ phân phối xác suất [5]. Khi áp dụng phương pháp Monte Carlo vào mô phỏng giao thông, các mô hình mô phỏng sự kiện rời rạc tuân theo một loạt các biến thống kê ngẫu nhiên với các thành phần ngẫu nhiên và biến đổi động theo thời gian. Để mô phỏng và quản lý các sự kiện, một server chứa hàng đợi được xây dựng và đặt tại một điểm duy nhất. 1.2.2. Mô phỏng trong thời gian liên tục Mô phỏng trong thời gian liên tục khác với mô phỏng sự kiện rời rạc. Nó có thể giải quyết những thiếu sót của mô phỏng sự kiện rời rạc nhưng lại yêu cầu phải có đường cong đầu vào, trạng thái và đầu ra trong một khoảng thời gian. Phương pháp này đòi hỏi việc sử dụng các phương trình vi phân, phương pháp tích hợp số đặc biệt. Những phương trình này có thể dao động từ phương pháp đơn giản, chẳng hạn như phương pháp Euler [6], phương pháp chuỗi Taylor bậc cao, phương pháp Heun [7] và Runge-Kutta [8]. 1.2.3. Mô hình Cellular Automata Cellular Automata là một mô hình rời rạc được nghiên cứu trong nhiều lĩnh vực như lý thuyết tính toán, toán học, vật lý, khoa học phức hợp, sinh học lý thuyết và mô hình hóa vi kiến trúc [9]. Mỗi Cellular Automata chứa một số trạng thái hữu hạn. Việc xây dựng mô hình và chuyển trạng thái giữa các Cellular Automata có thể sinh ra mô hình giao thông ngẫu nhiên từ các định luật đơn định. Hệ thống mô phỏng giao thông tiêu biểu nhất sử dụng mô hình này là TRANSIMS của Mỹ. Trong khi nhiều phần mềm định nghĩa chi tiết rất nhiều đối tượng giao thông lớn nhỏ khác nhau, TRANSIMS lại coi mạng lưới giao thông như một tập các thành tố giống nhau. Mỗi thành tố chỉ có thể chứa tối đa một phương tiện trong một đơn vị thời gian. Khi thời gian trôi đi, các phương tiện này sẽ nhảy qua các phần tử sao cho vẫn tuân thủ các định luật di chuyển vật lý. 5 1.2.4. Mô hình car-following Mô hình car-following là một lớp của các mô hình thời gian liên tục dựa trên các phương trình vi phân để mô hình hóa sự tương tác giữa các phương tiện [10]. Mô hình lâu đời nhất và cũng được biết đến nhiều nhất là mô hình General Motors-GM. Các mô hình quan trọng bao gồm mô hình điều khiển giao thông thông minh (Intelligent Driver Model) và mô hình của Gipps. Hành vi của mỗi phương tiện được mô hình hóa và xem xét tác động của nó trên toàn bộ hệ thống giao thông vĩ mô. Sử dụng một phương pháp số với một mô hình car-following như Gipps sử dụng phương pháp Heun có thể tạo ra được các thông tin quan trọng về điều kiện giao thông, chẳng hạn như độ trễ hệ thống và xác định các nút thắt cổ chai. 1.3. Phân loại và xu hướng mô phỏng giao thông. 1.3.1. Phân loại ứng dụng mô phỏng giao thông. Các ứng dụng mô phỏng giao thông có thể được phân loại theo một số cách. Một trong các cách đó là ứng dụng sẽ được phân làm 3 loại: mô phỏng vi mô (microscopic simulation), mô phỏng vĩ mô (macroscopic simulation) và mô phỏng trung mô (mesoscopic simulation). Mô phỏng vi mô (microscopic simulation) Mô phỏng chi tiết hành vi của từng phương tiện trong hệ thống, phạm vi mô phỏng phụ thuộc vào tốc độ xử lý và dung lượng bộ nhớ của máy tính. Ngày nay, công nghệ thông tin có những bước phát triển vượt bậc nên xu hướng là phát triển các phần mềm mô phỏng vi mô có khả năng mô phỏng quá trình giao thông trên phạm vi rộng. Mô phỏng vĩ mô (macroscopic simulation) Mô phỏng quá trình giao thông trên một phạm vi rộng, với sự có mặt của một lượng lớn phương tiện giao thông, do đó khó mà có thể mô phỏng chi tiết hành vi của từng phương tiện trong hệ thống. Độ tin cậy và thông tin thu được trong kết quả mô phỏng vì thế cũng bị hạn chế. 6