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

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 ĐÔ THỊ Chuyên ngành: KHOA HỌC MÁY TÍNH Mã số: 60.48.01.01 LUẬN VĂN THẠC SĨ NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: 1. PGS.TS. Nguyễn Thanh Bình 2. TS. Lê Văn Minh Đà Nẵng – Năm 2019 LỜI CAM ĐOAN 1. Những nội dung trong luận văn này là do tác giả thực hiện dưới sự hướng dẫn trực tiếp của PGS.TS. Nguyễn Thanh Bình và TS. Lê Văn Minh. 2. Mọi tham khảo dùng trong luận văn đều được trích dẫn rõ ràng tên tác giả, tên công trình, thời gian, địa điểm công bố. 3. Mọi sao chép không hợp lệ, vi phạm quy chế đào tạo, hay gian trá, tôi xin chịu hoàn toàn 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 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. 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 1. Lý do chọn đề tài ..................................................................................... 1 2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài ............................................................ 2 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu.......................................................... 2 4. Phương pháp nghiên cứu........................................................................ 2 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài .............................................. 3 6. Cấu trúc luận văn .................................................................................... 3 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÁC TỬ VÀ HỆ THỐNG ĐA TÁC TỬ4 1.1. Giới thiệu về tác tử .................................................................................. 4 1.2. Định nghĩa tác tử ..................................................................................... 5 1.3. Tác tử hợp lý ............................................................................................ 6 1.3.1. Đánh giá hiệu quả hoạt động của tác tử hợp lý........................................ 6 1.3.2. Tính chất của tác tử hợp lý ....................................................................... 7 1.4. Môi trường tác nghiệp ............................................................................ 7 1.4.1. Đặc tả môi trường tác nghiệp ................................................................... 8 1.4.2. Các kiểu môi trường .................................................................................. 9 1.5. Các kiểu tác tử cơ bản .......................................................................... 10 1.5.1. Tác tử phản xạ đơn ................................................................................. 10 1.5.2. Tác tử phản xạ dựa trên mô hình ............................................................ 11 1.5.3. Tác tử dựa trên mục đích ........................................................................ 12 1.5.4. Tác tử dựa trên lợi ích............................................................................. 12 1.5.5. Tác tử có khả năng học ........................................................................... 13 1.6. Một số ứng dụng của tác tử .................................................................. 14 1.6.1. Ứng dụng trong quản lý sản xuất ............................................................ 14 1.6.2. Tác tử quản lý qua trình và luồng công việc (workflow) ........................ 14 1.6.3. Tác tử thu thập và 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 của tác tử ....................................................................... 15 1.8. Tổng quan về hệ thống đa tác tử ......................................................... 16 1.9. Khái niệm hệ thống đa tác tử ............................................................... 16 1.10.Lợi ích của việc áp dụng hệ thống đa tác tử để mô phỏng giao thông 17 CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG 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 của GIS ...................................................................... 20 2.4. Hoạt động và nhiệm vụ của GIS .......................................................... 21 2.4.1. Lập bản đồ ở mọi nơi (Mapping where things are) ................................ 21 2.4.2. Lập bản đồ số lượng (Mappingquantities) ............................................. 22 2.4.3. Lập bản đồ mật độ (Mappingdensities) .................................................. 22 2.4.4. Tìm kiếm bên trong (Finding what is inside) .......................................... 23 2.4.5. Tìm kiếm những gì đang ở gần (Finding what is nearby) ...................... 23 2.4.6. Lập bản đồ thay đổi (Mapping change) .................................................. 24 2.5. Dữ liệu và 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 phỏng giao thông ............................................. 27 2.7. Phần mềm mô phỏng giao thông ARCADY, TRANSYT .................. 28 2.8. Mô phỏng giao thông với VISSIM ....................................................... 29 2.9. Nền tảng mô phỏng Gama .................................................................... 30 2.10.Giới thiệu về GAMA ............................................................................. 30 2.11.Tính năng của 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 phỏng inspector .................................................................. 37 CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HẠ TẦNG GIAO THÔNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ ........................................................ 39 3.1. Hiện trạng hạ tầng giao thông đường bộ tỉnh Quảng Ngãi .............. 39 3.2. Đánh giá thực trạng hệ thống hạ tầng giao thông đường bộ tỉnh Quảng Ngãi. ................................................................................................... 39 3.2.1. Khảo sát hiện trạng CSDL ...................................................................... 39 3.2.2. Đánh giá hiện trạng khảo sát .................................................................. 42 3.2.2.1. Đánh giá về hiện trạng hạ tầng CNTT tại Sở ................................. 42 3.2.2.2. Đánh giá về hiện trạng dữ liệu ....................................................... 43 3.3. Xác định và phân tích nhu cầu cụ thể trong công tác quản lý hạ tầng giao thông đường bộ tỉnh Quảng Ngãi ........................................................ 45 3.3.1. Mô 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 nền ......................................................................... 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 về CSDL hạ tầng giao thông vận tải ..................................... 49 3.4.1. Yêu cầu về phạm vi xây dựng dữ liệu...................................................... 49 3.4.2. Yêu cầu về nội dung, cấu trúc dữ liệu ..................................................... 49 3.4.3. Yêu cầu về nguồn dữ liệu ........................................................................ 50 3.5. Cấu trúc hạ tầng giao thông đường bộ tỉnh Quảng Ngãi .................. 53 3.6. Lợi ích của việc mô phỏng hạ tầng giao thông đường bộ .................. 54 3.7. Giải pháp mô phỏng hệ thống giao thông dựa trên tác tử ................ 54 3.8. Xây dựng tác tử đóng vai trò một phần hạ tầng giao thông ............. 55 3.9. Xây dựng tác tử đóng vai trò người tham gia giao thông ................. 57 3.10.Thực nghiệm .......................................................................................... 63 3.11.Giới thiệu về phần mềm mô phỏng ..................................................... 64 KẾT LUẬN .................................................................................................... 67 Tài liệu tham khảo......................................................................................... 69 DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT TT Viết tắt Viết đầy đủ 1 CNTT Công nghệ thông tin 2 MAS Multi-Agent System 3 GIS Geographic Information System 4 AOI area of interest 5 SHP Shapefile 6 SDC Smart Data Compression 7 GDB Geodatabase 8 DEM Digital Elevation Model 9 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 mô tả tác tử phản xạ đơn 11 Hình 1.2 Lược đồ mô tả tác tử phản xạ dựa trên mô hình 11 Hình 1.3 Lược đồ mô tả tác tử dựa trên đích 12 Hình 1.4 Lược đồ mô tả tác tử dựa trên lợi ích 13 Hình 2.1 Các thành phần của GIS 21 Hình 2.2 Bản đồ vùng nông 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 khi khởi động GAMA v1.8 31 Hình 2.8 Các thành phần chính của GAMA 32 Hình 2.9 Cách xem thông tin agent 38 Hình 3.1 Xây dựng tác tử là một phần hạ tầng giao thông 56 Hình 3.2 Xây dựng tác tử là khu dân cư 57 Hình 3.3 Xây dựng tác tử đóng vai trò người tham gia giao thông 58 Hình 3.4 Xây dựng cách di chuyển của tác tử 58 Hình 3.5 Thiết lập số lượng phương tiện tham gia giao thông 59 Hình 3.6 Mô phỏng giao thông lúc chưa ùn tắt tại 01 vị trí nhất định 59 Hình 3.7 Mô phỏng hiện trạng giao thông tại thời điểm ùn tắc 60 Hình 3.8 Giải pháp xây dựng mới 01 cây cầu 60 Hình 3.9 Giao thông tại cầu Trà Khúc tại thời điểm bình thường 61 Hình 3.10 Giao thông tại cầu Trà Khúc tại thời điểm tan giờ làm việc 61 Hình 3.11 Xây dựng hoàn thiện hệ thống mô phỏng 63 Hình 3.12 Xây dựng bản đồ thu từ openstreetmap 65 Hình 3.13 Xây dựng hệ thống mô phỏng hạ tầng giao thông 65 Hình 3.14 Xây dựng viết code cho chương trình mô phỏng 66 Hình 3.15 Thực thi chương trình mô phỏng 66 Trang 1 MỞ ĐẦU 1. Lý do chọn đề tài Cùng với sự phát triển của xã hội thì hệ thống giao thông công cộng đòi hỏi phải đáp ứng nhu cầu nâng cao chất lượng dịch vụ và kinh tế. Tuy nhiên, do điều kiện về mặt pháp lý, tài chính, thời gian... nên rất khó, thậm chí là không thể làm các thí nghiệm trực tiếp để đưa ra giải pháp phát triển hệ thống giao thông công cộng. Hơn nữa, với kích thước và sự phức tạp của hệ thống giao thông nên chúng ta không thể thiết lập mô hình lý thuyết cho hệ thống. Vì vậy, để có thể quy hoạch hệ thống giao thông, chúng ta cần một hệ thống mô phỏng. Hệ thống mô phỏng này là một giải pháp để phân tích và lập kế hoạch cho hệ thống giao thông một mặt có thể dự đoán được sự phát triển của đô thị, mặt khác cũng có thể đánh giá định lượng các giải pháp giao thông khi cần. Vì việc mô phỏng hạ tầng giao thông vốn rất phức tạp, chúng ta cần nhìn nhận hệ thống giao thông dưới nhiều góc độ khác nhau: Xét trên góc độ địa lý: Các thành phần giao thông như đường xá, cầu cống ... đều được bố trí trên một không gian tương đối phẳng. Các đối tượng này có thể được chia thành nhiều lớp (layer) dựa trên vị trí của chúng trong thực tế. Vì bản chất của hệ thống giao thông mang tính chất địa lý nên hệ thống thông tin địa lý là một giải pháp hiệu quả nhất hiện nay cho bài toán quản lý hệ thống giao thông. Xét trên góc độ thành phần: Các thành phần giao thông vừa độc lập lẫn nhau, vừa liên kết lẫn nhau. Một cách độc lập, các đối tượng này có thuộc tính riêng (bao gồm các thông tin kỹ thuât và các thông tin về quá trình xây dựng). Một cách liên kết thì công trình này sẽ nối liền với công trình khác về mặt không gian. Ví dụ: các đoạn đường nối với nhau, đoạn đường và cống ngầm cũng có liên kết với nhau. Để xây dựng một hệ thống phức tạp như thế này, hướng tiếp cận hướng tác tử là một giải pháp được nhiều nhà nghiên cứu lựa chọn hiện nay. Đã có một loạt các công cụ từ các nghiên cứu khoa học để ứng dụng trong đào tạo, lập kế hoạch và mô phỏng. Tuy nhiên các công cụ này thường tập trung vào vấn đề dự toán nhu cầu, rất ít các mô hình mô phỏng đưa ra hành vi của người tham gia giao thông và hoạt động cụ thể của các phương tiện. Việc áp dụng cách tiếp cận đa tác Trang 2 tử để mô phỏng giao thông là một cách tiếp cận linh hoạt để định nghĩa các hành vi tự trị. Không có những ràng buộc trên mức độ mô hình, tức là một tác tử có thể mô tả một thực thể đơn giản như là một tập hợp các thực thể được liên kết. Hơn nữa, hiện nay đã tồn tại một số kỹ thuật và nền tảng mô phỏng hướng tác tử như NetLogo, Repast, Gama... Đề tài sử dụng Gama làm nền tảng mô phỏng cho chương trình của mình vì so với NetLogo, Gama là chương trình mã nguồn mở; so với Repast, Gama hỗ trợ hoàn toàn về mặt soạn thảo. Chính vì vậy, đề tài “Xây dựng hệ thống mô phỏng hạ tầng giao thông bằng hệ thống đa tác tử (multi-agent system) và hệ thống thông tin địa lý (GIS)” là rất cần thiết. 2. Mục tiêu và nhiệm vụ của đề tài Bài toán cần đặt ra ở đây là sự kết hợp cả 2 hướng tiếp cận để xây dựng hệ thống mô phỏng hạ tầng giao thông. Với hướng tiếp cận "Hệ thống thông tin địa lý", đề tài này hướng tới việc xây dựng bản đồ tương đối chi tiết các thành phần trong hệ thống giao thông. Các thành phần này sẽ được phân thành các lớp (gọi là layer) khác nhau. Với hướng tiếp cận "Hệ thống đa tác tử", đề tài này hướng tới việc mô phỏng sự liên kết các thành phần trong hệ thống giao thông như sự liên kết giữa các con đường với nhau, sự liên kết giữa phương tiện tham gia giao thông với hạ tầng có sẵn để đưa ra dự báo và giải pháp phát triển hạ tầng giao thông phù hợp hơn. 3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Hệ thống đa tác tử, hệ thống mô phỏng GAMA, hệ thống thông tin địa lý GIS và hạ tầng giao thông đường bộ. Phạm vi nghiên cứu: Nghiên cứu hệ thống thông tin địa lý (GIS), hệ thống mô phỏng GAMA để xây dựng mô hình ứng dụng quản lý hạ tầng giao thông đường bộ tỉnh Quảng Ngãi. 4. Phương pháp nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu lý thuyết. Phương pháp nghiên cứu thực tiễn. Trang 3 Phương pháp thực nghiệm. Phương pháp thống kê. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài Ý nghĩa khoa học: Xây dựng cơ sở khoa học về khả năng quản lý hạ tầng giao thông đường bộ. Kết quả nghiên cứu được dùng để định hướng cho việc mở rộng các hệ thống mô phỏng giao thông đến từng chi tiết. Ý nghĩa thực tiễn: Kết quả nghiên cứu là mô hình giải quyết được những tồn tại, thiếu sót trong quá trình quản lý hạ tầng giao thông đường bộ hiện nay. Dựa trên kết quả mô phỏng để tính toán đưa ra giải pháp hợp lý trong việc quy hoạch, xây dựng phát triển hạ tầng giao thông tại Quảng Ngãi. 6. Cấu trúc luận văn Luận văn gồm có phần mở đầu, kết luận và 3 chương CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÁC TỬ VÀ HỆ THỐNG ĐA TÁC TỬ CHƯƠNG 2: HỆ THỐNG THÔNG TIN ĐỊA LÝ GIS VÀ NỀN TẢNG MÔ PHỎNG GAMA CHƯƠNG 3: XÂY DỰNG MÔ HÌNH MÔ PHỎNG HẠ TẦNG GIAO THÔNG VÀ PHÂN TÍCH KẾT QUẢ KẾT LUẬN Trang 4 CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ TÁC TỬ VÀ HỆ THỐNG ĐA TÁC TỬ 1.1. Giới thiệu về tác tử Ngay từ đầu những năm 80, tác tử và hệ đa tác tử (Agent và MultiAgent System) đã được biết đến với hàng loạt công trình nghiên cứu như là một hướng nghiên cứu mới. Tuy nhiên, chỉ bắt đầu từ khoảng giữa thập niên 90, tác tử và hệ đa tác tử mới được thừa nhận rộng rãi và ngay lập tức đã thu hút sự quan tâm ngày càng lớn của giới nghiên cứu cũng như giới công nghiệp trong lĩnh vực Công Nghệ Thông Tin. Sự phát triển của kỹ thuật tính toán trong vài thập kỷ cuối đã dẫn tới những thay đổi tích cực trong các lĩnh vực sử dụng thông tin đồng thời dẫn đến sự ra đời của nhiều công nghệ và lĩnh vực nghiên cứu mới. Một mặt các hệ thống máy tính ngày càng tiên tiến cho phép xử lý thông tin nhanh hơn, đa dạng hơn đã tác động tích cực đến đời sống, văn hóa, kinh tế. Mặt khác bản thân sự phát triển và phổ cập máy tính đặt ra những yêu cầu mới về mặt công nghệ, về cách thức xây dựng, ứng dụng và nghiên cứu các hệ thống thông tin. Các hệ thống máy tính hiện đại có một số đặc điểm sau: Việc sử dụng máy tính và thiết bị tính toán ngày càng phổ dụng. Do giá thành liên tục hạ, các hệ thống xử lý thông tin ngày càng được sử dụng nhiều trong các ứng dụng, trong các thiết bị trước đây không thể sử dụng thiết bị tính toán vì lý do kinh tế. Máy tính ngày nay không còn là các hệ thống hoạt động riêng lẻ. Ngày càng nhiều máy tính được nối mạng cho phép liên kết, trao đổi, chia sẻ thông tin và công việc tính toán với nhau. Hệ thống thông tin dần dần có dạng các hệ thống làm việc phân tán và song song. Việc tính toán và xử lý thông tin khi đó có thể xem xét như quá trình tương tác (giữa các hệ thống tính toán). Xu hướng kết nối và xử lý phân tán được coi là đặc điểm quan trọng nhất của máy tính hiện đại. Số lượng ứng dụng đa dạng với độ phức tạp không ngừng tăng. Máy tính ngày càng đảm nhiệm công việc phức tạp hơn, không gần với khái niệm tính toán truyền thống. Đây là những công việc trước đây vốn chỉ có con người có khả năng thực hiện. Nói cách khác, máy tính ngày càng trở nên “thông minh” hơn, “trí tuệ” hơn. Máy tính ngày càng có thêm tính tự chủ. Để tăng năng xuất, hiệu quả, giải phóng con người khỏi nhiều công việc truyền thống, chúng ta có xu hướng trao cho máy tính nhiều quyền hơn trong hành động và ra quyết định, đồng thời giảm Trang 5 bớt sự can thiệp trực tiếp của con người vào hoạt động của máy tính. Nhiều hệ thống tính toán và điều khiển có khả năng tự động hóa cao, ra quyết định độc lập làm tăng tính hiệu quả, ổn định và độ an toàn. Các hệ thống tính toán hiện đại ngày càng có tính chất hướng người dùng. Ở các thế hệ máy tính đầu tiên, số người có thể sử dụng máy tính rất hạn chế. Họ đều là chuyên gia về máy tính hoặc lập trình viên chuyên nghiệp, được trang bị kiến trúc đặc biệt đểt làm việc với máy tính. Ngược lại, yêu cầu với máy tính ngày nay là phục vụ người dùng càng tốt, thể hiện ở một loạt yêu cầu như giao diện thân thiện và trực giác, khả năng thích nghi với yêu cầu người dùng, cho phép cung cấp thông tin có tính cá nhân hóa với từng đối tượng sử dụng. Để xây dựng các hệ thống tính toán thỏa mãn các đặc điểm và yêu cầu nói trên một số hướng nghiên cứu và ứng dụng mới của máy tính đã ra đời, trong đó có tác tử và hệ đa tác tử đang trở thành công nghệ của tương lai để giải quyết các vấn đề nêu trên. [1] 1.2. Định nghĩa tác tử Theo một định nghĩa thường được sử dụng, tác tử (agent) là hệ thống tính toán hoạt động tự chủ trong một môi trường nào đó, có khả năng cảm nhận môi trường và tác động vào môi trường. [5] Định nghĩa trên có một số đặc điểm cần làm rõ: Trước hết, tác tử là hệ thống tính toán, có thể là phần cứng, phần mềm, hoặc cả phần cứng lẫn phần mềm. Nếu là phần mềm, tác tử có thể là chương trình máy tính, mô đun chương trình hoặc thậm chí các dòng lệnh thực hiện. Khi nói tác tử tồn tại và hoạt động trong một môi trường, định nghĩa trên nhấn mạnh khả năng của tác tử cảm nhận thông tin trực tiếp từ môi trường và có thể tác động trực tiếp làm thay đổi môi trường một cách nào đó (hình 1.1). Tác tử nhận thông tin từ môi trường qua các cơ quan cảm nhận và tác động vào môi trường bằng các cơ quan tác động. Đối với tác tử phần cứng, cơ quan cảm nhận có thể là các cảm biến, camera, cơ quan tác động có thể là các bộ phận cơ học, quang học hoặc âm thanh. Đối với các tác tử là chương trình phần mềm, môi trường hoạt động thông thường là các máy tính Trang 6 hoặc mạng máy tính. Việc cảm nhận môi trường và tác động được thực hiện thông qua các lời gọi hệ thống. Một số ví dụ tác tử. Các đặc điểm nói trên tồn tại trong môi trường và tự chủ có thể tìm thấy trong rất nhiều hệ thống và do vậy những hệ thống này được coi là tác tử theo định nghĩa trên. Dưới đây là hai ví dụ tác tử phần cứng và phần mềm. Các hệ thống điều khiển tự động: Các hệ thống này được đặt trong môi trường làm việc, có khả năng thu nhận trực tiếp thông tin môi trường khi các điều kiện bên ngoài thay đổi. Ví dụ đơn giản cho hệ thống điều khiển tự động là bộ điều nhiệt (của lò sưởi, điều hòa nhiệt độ). Hệ thống này có cảm biến để đo nhiệt độ trực tiếp của môi trường. Nếu nhiệt độ cao hơn hoặc thấp hơn một số ngưỡng nào đó, hệ điều nhiệt sẽ tác động vào môi trường bằng cách bật (tắt) hệ thống làm nóng hoặc làm lạnh. Các ví dụ khác phức tạp hơn của hệ thống điều khiển tự động có thể là hệ thống điều khiển tàu vũ trụ hoặc nhà máy điện hạt nhân. Các service của Windows hoặc các daemon (tiến trình nền trong Unix, Linux): Đây là các tiến trình chạy trong chế độ nền, làm nhiệm vụ theo dõi một số thông số của hệ thống và thực hiện các tác động vào hệ thống. Ví dụ, tiến trình quản lý email có thể theo dõi và nhận email, đồng thời hiển thị icon thông báo trong trường hợp có các email chưa đọc. Môi trường làm việc trong trường hợp này là môi trường phần mềm. Thông tin thu thập nhờ gọi một số hàm nào đó của hệ điều hành để đọc thông tin từ các cổng. Tác động vào môi trường bao gồm việc thay đổi giao diện đồ họa (làm hiện icon) hoặc tạo ra âm thanh gây chú ý[4]. 1.3. Tác tử hợp lý Tác tử hợp lý là tác tử cần phấn đấu để “làm đúng việc cần làm”, dựa trên những gì nó nhận thức (nhận biết) được và dựa trên các hành động mà nó có thể thực hiện. Một hành động đúng (hợp lý) ở đây là hành động giúp cho tác tử đạt được thành công cao nhất đối với mục tiêu đặt ra. 1.3.1. Đánh giá hiệu quả hoạt động của tác tử hợp lý Ta đánh giá hiệu quả hoạt động của tác tử thông qua một độ đo thực hiện: là tiêu chuẩn để đánh giá mức độ thành công trong hoạt động của một tác tử. Khi một tác Trang 7 tử được thả vào một môi trường, nó phải tạo ra một chuỗi tác động phù hợp với các nhận thức mà nó tiếp nhận. Tất nhiên không có một độ đo chung cho mọi tác tử. Tuy nhiên ta cần có độ đo khách quan đặt ra cho người thiết kế mỗi tác tử. Ví dụ tiêu chí đánh giá hiệu quả hoạt động của một tác tử máy hút bụi có thể là: mức độ làm sạch, thời gian hút bụi, mức độ điện năng tiêu tốn, mức độ tiếng ồn gây ra,... Cần thiết kế độ đo phù hợp với môi trường muốn có hơn là phù hợp với tác tử. Lựa chọn độ đo là vấn đề khó. 1.3.2. Tính chất của tác tử hợp lý Để mô tả rõ hơn về tác tử hợp lý, luận văn sẽ trình bày một số tính chất của nó. Tính hợp lý. Tính quán thông, học và tự trị (omniscience, learning và autonomy). Một tác tử quán thông biết được các kết cục hiện thời về tác động của nó và cho được các tác động phù hợp. Tuy vậy thực tế không có. Ví dụ người qua đường. Do đó cần cực đại độ đo kỳ vọng chứ không phải cực đại thực. Một tác tử tự trị là một tác tử mà các hành động của nó được quyết định bởi chính kinh nghiệm của tác tử đó (cùng với khả năng học và thích nghi). Trên đây là một số đặc điểm chung của tác tử nhưng chưa đầy đủ. Để có thể mô tả được đầy đủ các đặc điểm của tác tử, ta phải đặt nó vào môi trường mà trong đó có sự tham gia của nhiều tác tử. Trong mục tiếp theo, luận văn xin giới thiệu về môi trường tác nghiệp mà tác tử hoạt động trong đó. 1.4. Môi trường tác nghiệp Phần này sẽ đặc tả môi trường tác nghiệp (task environment) và trình bày các kiểu môi trường tác nghiệp. Đây là bài toán mà tác tử cần giải. Trang 8 1.4.1. Đặc tả môi trường tác nghiệp Để thiết kế một tác tử thông minh (hợp lý), trước tiên ta cần đặc tả độ đo thực hiện, môi trường xung quanh, bộ tác động và bộ cảm nhận (PEAS) càng đầy đủ càng tốt. Sau đây là ví dụ đặc tả môi trường tác nghiệp của một số tác tử: Loại tác Độ đo thực hiện tử (P) Tác tử lái An toàn, nhanh, xe taxi đúng luật giao Môi trường xung Các bộ tác động Các bộ cảm nhận (A) quanh (E) (S) Các con đường Bánh lái, chân Máy quay, đồng (phố), các phương ga, phanh, đèn hồ tốc độ, GPS, thông, mức độ hài tiện khác cùng tham tín hiệu, còi xe, đồng hồ đo lòng của khách gia giao thông, hàng, tối ưu lợi những người đi bộ, quãng đường, các nhuận,... các khách hàng, ... bộ cảm biến động ... khoảng cách cơ, ... Tác tử Mức độ sức khỏe Bệnh nhân, bệnh Hiển thị trên chẩn đoán của bệnh nhân, cực viện, nhân viên y tế, màn hình các Y tế Bàn phím để nhập các thông tin về tiểu hóa các chi phí, ... câu hỏi, các xét triệu chứng, các các việc kiện cáo, nghiệm, các ... chuẩn đoán, các nhân đối với các trả lời của bệnh điều trị, các chỉ câu hỏi, . dẫn, . Tác tử Tỷ lệ bao nhiêu % Dây chuyền chuyển Cánh tay và bàn Máy quay, các bộ nhặt đồ các đồ vật được đặt động trên đó có các tay được kết nối. cảm biến các góc vật vào đúng các thùng. đồ vật, các thùng đựng. độ (các hướng). Trang 9 1.4.2. Các kiểu môi trường Phạm vi của môi trường tác nghiệp khá rộng lớn. Tuy nhiên chúng ta có thể phân loại chúng theo một số khía cạnh nhỏ. Sau đây luận văn sẽ trình bày một số khía cạnh của môi trường tác nghiệp. • Quan sát đầy đủ hay từng phần ? Tác tử có thể biết về trạng thái đầy đủ tại mỗi thời điểm hoặc quan sát từng phần do nhiễu, bộ cảm nhận không chính xác. • Tất định hay ngẫu nhiên? Nếu trạng thái tiếp theo của môi trường hoàn toàn được xác định, nếu biết trạng thái và tác động hiện thời thì gọi là môi trường có tính tất định, còn lại là ngẫu nhiên. Môi trường tất định được xác định mà không có tác động của tác tử khác gọi là môi trường chiến lược. • Phân đoạn hay tuần tự? Trong môi trường phân đoạn, các thí nghiệm với tác tử chia thành các đoạn thành phần. Trong mỗi đoạn này tác tử nhận thức và thực hiện tác động riêng lẻ, các đoạn sau không phụ thuộc vào đoạn trước. Trong môi trường tuần tự thì quyết định hiện thời có thể ảnh hưởng tới quyết định tương lai. • Tĩnh hay động? Môi trường biến đổi theo thời gian gọi là động. Ngược lại, môi trường không thay đổi trong khi tác tử cân nhắc (xem nên đưa ra hành động nào) gọi là môi trường tĩnh. Cũng với cách chia này, ta còn có khái niệm môi trường bán động (semidynamic) là môi trường mà khi thời gian trôi qua thì nó không thay đổi, nhưng hiệu quả hoạt động của tác tử thì thay đổi. Ví dụ: các chương trình trò chơi có tính giờ. • Rời rạc hay liên tục? Trạng thái, thời gian tác động và nhận thức rời rạc hay liên tục: ví dụ chơi cờ, lái xe. • Tác tử đơn hay đa tác tử? Trang 10 Một tác tử hoạt động độc lập (không phụ thuộc hay liên hệ với các tác tử khác) trong một môi trường gọi là tác tử đơn. Bảng dưới đây liệt kê một số kiểu môi trường đối với một số tác tử. Chơi cờ tính giờ Chơi cờ không tính giờ Lái xe Quan sát đầy đủ Có Có Không Tất định Chiến lược Chiến lược Không Phân đoạn Không Không Không Tĩnh Bán động Có Không Rời rạc Có Có Không Tác tử đơn Không Không Không Bảng 1.3. Liệt kê đặc tính một số kiểu môi trường Kiểu của môi trường có ảnh hưởng quyết định đối với việc thiết kế tác tử. Môi trường trong thực tế thường có các đặc điểm: Chỉ có thể quan sát được một phần, ngẫu nhiên, liên tiếp, thay đổi (động), liên tục và đa tác tử. 1.5. Các kiểu tác tử cơ bản Phần này sẽ phác họa 5 loại tác tử chính: Tác tử phản xạ đơn, tác tử phản xạ dựa trên mô hình, tác tử dựa trên mục đích, tác tử dựa trên lợi ích và tác tử có khả năng học. 1.5.1. Tác tử phản xạ đơn Loại agent này hành động theo một qui tắc (luật) có điều kiện phù hợp với trạng thái hiện thời (của môi trường).