Mô hình mô phỏng đa tác tử dự báo sự phát triển đô thị

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:8

Thêm vào BST

Báo xấu

37
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài viết đề xuất xây dựng mô hình mô phỏng đa tác tử nhằm hỗ trợ các nhà quản lý thực hiện các quy hoạch thành phố Cần Thơ. Mô hình mô phỏng dựa trên các yếu tố: Mật độ di chuyển của người, các tòa nhà thường tập trung xây dựng ở những vùng có mật độ xây dựng cao, ở những vùng gần với trung tâm thương mại, nơi làm việc, trường học, gần với đường giao thông (sông, đường bộ, sân bay) và độ ưu tiên trong xây dựng căn cứ bộ luật xây dựng năm 2014 của Việt Nam.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Mô hình mô phỏng đa tác tử dự báo sự phát triển đô thị

Kỷ yếu Hội nghị KHCN Quốc gia lần thứ XIV về Nghiên cứu cơ bản và ứng dụng Công nghệ thông tin (FAIR), TP. HCM, ngày 23-24/12/2021 DOI: 10.15625/vap.2021.0071 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐA TÁC TỬ DỰ BÁO SỰ PHÁT TRIỂN ĐÔ THỊ Trần Nguyễn Minh Thư, Đỗ Thanh Nghị Khoa CNTT-TT, Trường Đại học Cần Thơ {tnmthu,dtnghi}@cit.ctu.edu.vn TÓM TẮT: Các đô thị Việt Nam đang trong quá trình hình thành và phát triển. Tuy nhiên, đô thị là một hệ thống phức hợp được kết hợp từ rất nhiều yếu tố. Để có được những chính sách phát triển bền vững thì các nhà hoạch định cần phải đưa ra được những kế hoạch mở rộng hợp lý cả về không gian lẫn thời gian. Trong bài viết này, chúng tôi đề xuất xây dựng mô hình mô phỏng đa tác tử nhằm hỗ trợ các nhà quản lý thực hiện các quy hoạch thành phố Cần Thơ. Mô hình mô phỏng dựa trên các yếu tố: mật độ di chuyển của người, các tòa nhà thường tập trung xây dựng ở những vùng có mật độ xây dựng cao, ở những vùng gần với trung tâm thương mại, nơi làm việc, trường học, gần với đường giao thông (sông, đường bộ, sân bay) và độ ưu tiên trong xây dựng căn cứ bộ luật xây dựng năm 2014 của Việt Nam. Mô hình được thực nghiệm trên dữ liệu của phường Tân Phú, quận Cái Răng và phường An Bình, quận Ninh Kiều, thành phố Cần Thơ. Thực nghiệm cho thấy mô hình dự báo sự phát triển đô thị có kết quả khớp với sự phát triển trong thực tế năm 2010. Từ khóa: Mô phỏng, mô hình đa tác tử, đô thị. I. GIỚI THIỆU Trong những năm qua, đô thị Việt Nam phát triển một cách mạnh mẽ trải đều trên khắp các vùng miền, trở thành động lực cho sự phát triển kinh tế đất nước. Cả nước hiện có 772 đô thị, trong đó có 2 đô thị đặc biệt, 15 đô thị loại I, 14 đô thị loại II [Tạp chí Quy hoạch xây dựng, 2014]. Hạ tầng xã hội đô thị như: các công trình công cộng như bệnh viện, trường học, công viên, công trình văn hoá đã được quan tâm đầu tư, nâng cao chất lượng sống của người dân đô thị. Đô thị phát triển cả về quy mô dân số, diện tích đất đai và đầu tư xây dựng công trình hạ tầng đô thị đạt các quy định theo phân loại đô thị. Xây dựng và phát triển bền vững đô thị Việt Nam trong thời kỳ hội nhập là một nhiệm vụ trọng tâm. Các địa phương đã ban hành quy hoạch xây dựng vùng tỉnh là căn cứ để phát triển hệ thống đô thị trên địa bàn tỉnh, thành. Tuy nhiên, chúng ta đang đứng trước những thử thách lớn để có được một quy hoạch đô thị khoa học và hiệu quả: • Giao thông thường xuyên bị ách tắc gây thiệt hại lớn về kinh tế - xã hội. • Dịch vụ phục vụ đời sống như giáo dục, y tế và không gian công cộng vừa thừa vừa thiếu. Trẻ em thiếu trường học, bệnh viện quá tải cũng là chuyện thường xuyên xảy ra. Thống kê của Quỹ dân số Liên Hiệp Quốc (UNFPA - United Nations Population Fund) cho thấy, hiện 25% cư dân đô thị Việt Nam không đủ điều kiện sở hữu một căn nhà, 20% số căn nhà ở các đô thị được xếp vào loại không đạt chuẩn [Dương Trọng Dật, 2014]. Tỷ lệ dân đô thị được cung cấp nước sử dụng, tỷ lệ thoát nước đô thị còn thấp, tình trạng ngập úng cục bộ trong mùa mưa, ô nhiễm môi trường chậm khắc phục. Hiện nay, với sự phát triển của công nghệ thông tin, việc xây dựng mô hình mô phỏng trên máy tính là một trong những phương pháp nhanh và hiệu quả để xác định tính khả thi của một đề án. Nhiều nghiên cứu, dự án trên thế giới cũng như tại Việt Nam cũng bắt đầu ứng dụng mô phỏng trong những nghiên cứu về xã hội như mô phỏng hoạt động giao thông của thành phố [Walid Chaker, 2009], hoạt động du lịch [Richard Beckman et al., 1996], mô hình phát triển dân số [Johan Barthelemy & Philippe Toint, 2013], mô phỏng mô hình thuỷ văn, mô phỏng sự ngập lụt trong thành phố [Ngọc Long, 2013; Nguyễn Đăng Tính & Nguyễn Quốc Thái, 2014]. Chương trình Nâng cấp đô thị Quốc gia từ năm 2009-2020 của Thủ tướng chính phủ (Quyết định số 758/QĐ- TTg/2009) đã cho thấy sự quan tâm đến việc phát triển đô thị của nhà nước. Chương trình Nâng cấp đô thị có mục tiêu “trực tiếp hỗ trợ việc thực hiện định hướng quy hoạch tổng thể phát triển đô thị Việt Nam; nâng cao điều kiện sống của người dân đô thị thông qua việc đầu tư cải thiện các dịch vụ hạ tầng kỹ thuật, hạ tầng xã hội và môi trường đô thị; xây dựng hệ thống tiêu chí đánh giá, phân loại cơ sở hạ tầng kỹ thuật và hạ tầng xã hội của khu dân cư thu nhập thấp trong đô thị, tiêu chí phát triển và cải thiện mức sống cho từng đô thị.” Xuất phát từ thực tiễn thành phố Cần Thơ rất cần có những quy hoạch hiệu quả để phát triển đồng bộ và bền vững khi mở rộng không gian đô thị, chúng tôi tiến hành nghiên cứu mô hình mô phỏng để dự báo sự phát triển đô thị của thành phố Cần Thơ. Mô hình xây dựng dựa dựa trên các yếu tố: mật độ di chuyển của người, các tòa nhà thường tập trung xây dựng ở những vùng có mật độ xây dựng cao, ở những vùng gần với trung tâm thương mại, nơi làm việc, trường học, gần với đường giao thông (sông, đường bộ, sân bay) và độ ưu tiên trong xây dựng căn cứ bộ luật xây dựng năm 2014 của Việt Nam. Thực nghiệm trên bản đồ sử dụng đất của phường Tân Phú, quận Cái Răng và phường An Bình, quận Ninh Kiều, thành phố Cần Thơ, cho thấy kết quả mô phỏng khớp với sự phát triển đô thị trong thực tế. Kết quả này có thể hỗ trợ cho các quản lý trong công tác thực hiện quy hoạch phát triển thành phố Cần Thơ. Trong Phần II, chúng tôi sẽ trình bày tổng quan về ứng dụng của mô phỏng đối với quá trình phát triển đô thị, mô phỏng đa tác tử, đô thị và mô phỏng đô thị. Các thông tin về đô thị thành phố Cần Thơ, mô phỏng đa tác tử cho sự
292 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐA TÁC TỬ DỰ BÁO SỰ PHÁT TRIỂN ĐÔ THỊ phát triển các toà nhà ở, toà nhà hành chính, trung tâm thương mại trong khoảng thời gian 2005 - 2010 được trình bày chi tiết trong Phần III. Bài báo kết thúc bởi phần kết luận và hướng phát triển trong tương lai. II. NỘI DUNG NGHIÊN CỨU A. Nghiên cứu mô phỏng trong dự báo quá trình phát triển đô thị Quá trình phát triển đô thị là một quá trình phức tạp, đã có nhiều nghiên cứu trên thế giới cũng như trong nước ứng dụng mô phỏng để tiếp cận giải quyết một hoặc một số vấn đề của sự phát triển đô thị. Một số nghiên cứu trên thế giới có thể kể đến như: nghiên cứu của [Walid Chaker, 2009] đề xuất mô hình hóa môi trường đô thị ảo với tiếp cận mô phỏng đa tác tử và dữ liệu không gian, để từ đó mô phỏng hoạt động giao thông của thành phố. Kết quả nghiên cứu hỗ trợ rất tốt cho quy hoạch phát triển đô thị của Canada. Nghiên cứu của nhóm [Johan Barthelemy & Philippe L. Toint, 2013] đề xuất lớp mô hình sinh dữ liệu phát triển dân số phát không cần lấy mẫu. Giải thuật được tiến hành ba bước kế tiếp chính: sinh dữ liệu cá thể, kiểu hộ gia đình, hộ gia đình. Phương pháp được áp dụng để tạo mẫu dân số khoảng 10.000.000 cá nhân và 4.350.000 hộ gia đình trên 589 đô thị của Bỉ, đạt được kết quả rất tốt. Nghiên cứu của nhóm [Richard J. Beckman et al., 1996] đề xuất phát triển mô hình hoạt động du lịch sử dụng mô phỏng vi mô (microsimulation) có khảo sát du khách cá nhân và hộ gia đình. Nhóm tác giả đề xuất các phương pháp tạo quần thể của các hộ gia đình dựa trên dữ liệu điều tra dân số năm 1990 tại Hoa Kỳ. Raimbault và cộng sự đã mô tả một mô hình kết hợp giữa mô hình hoá và mô phỏng dựa trên tác tử và mô phỏng hình thái đô thị. Mô hình của các tác giả thực nghiệm dựa trên dữ liệu thực tế của vùng Massy Atlantis thuộc khu vực ngoại ô thủ đô Paris vào năm 2012. Mục tiêu là quan sát sự phát triển của các toà nhà hành chính và khu dân cư. Dự án Mô hình thủy văn và Mô phỏng sự phát triển đô thị là dự án đầu tiên được triển khai tại Đà Nẵng và cũng là dự án đầu tiên được triển khai tại Việt Nam. Và đây cũng là một trong 5 dự án ISET (The Institute for Social and Environmental Transition) đã nhận được tài trợ của Quỹ Rockefeller nằm trong khuôn khổ Chương trình Mạng lưới các thành phố châu Á chống chịu với biến đổi khí hậu được thực hiện tại 10 thành phố trong 4 nước châu Á. Dự án khởi động từ tháng 03/2011, đến nay dự án đã hoàn thành và đưa vào sử dụng. Dự án có tổng vốn đầu tư 224.884 USD. Sở Xây dựng thành phố Đà Nẵng cho biết, kết quả nghiên cứu của đề án “Thiết lập mô hình thủy văn, thủy lực và mô hình phát triển đô thị” đã được ứng dụng vào thực tế, tác động hiệu quả về công tác quy hoạch và quản lý quy hoạch, tạo ra cơ sở dữ liệu cập nhật và mở rộng về nguồn nước, nâng cao năng lực giải quyết các vấn đề phát triển và biến đổi khí hậu. Việc hoàn thành dự án đã tạo ra một bước phát triển trong công tác quản lý đô thị tại Đà Nẵng góp phần nâng cao hiệu quả quản lý nhà nước về lập, thẩm định, phê duyệt và quản lý quy hoạch, dự án đầu tư xây dựng phát triển đô thị [Ngọc Long, 2013]. Theo quy hoạch tổng thể của TP. Hồ Chí Minh đến năm 2020 thì thành phố sẽ tiếp tục được mở rộng diện tích ra phạm vi xung quanh và trở thành một đô thị tập trung hạng lớn. Tác giả Lương Văn Kiệt và Vũ Thanh Ca đã sử dụng mô phỏng để nghiên cứu dự đoán những hạn chế khi phát triển đô thị gây tác động xấu đến môi trường không khí mà nhất là đối với sự gia tăng cường độ của hiệu ứng đảo nhiệt đô thị. Kết quả đạt được cho thấy nhiệt độ của thành phố tiếp tục gia tăng trong những thập niên tới. Sự gia tăng nhiệt độ xảy ra không những ở các khu vực sẽ phát triển thành đô thị mà còn thể hiện ở khu vực đô thị cũ. Kết quả giúp cho các nhà quy hoạch đô thị có thêm thông tin trong việc cân nhắc, phát triển đô thị [Luong Van Kiet & Vu Thanh Ca, 2010]. Bên cạnh việc mô phỏng tác động của sự phát triển đô thị lên môi trường không khí, thì việc mô phỏng ngập lụt đô thị khu vực trung tâm Thành phố Hồ Chí Minh cũng được quan tâm và nghiên cứu bởi các tác giả Nguyễn Đăng Tính (Đại học Thuỷ Lợi), Nguyễn Quốc Thái (Công ty Thoát nước đô thị Thành phố Hồ Chí Minh). Các tác giả đã nghiên cứu khu vực thoát nước Bắc Nhiêu Lộc và Nam Nhiêu Lộc trong tổng số 10 lưu vực thoát nước của Thành phố Hồ Chí Minh, với tổng diện tích hơn 33 km2. Bộ mô hình Mike Flood của tổ chức DHI Đan Mạch dựa trên mô hình hoá thuỷ lực được các tác giả sử dụng. Đối với mô phỏng ngập lụt, các chỉ số thuỷ lực một chiều (dòng chảy không áp), dòng chảy qua các hệ thống hầm ga và cống (dòng chảy có áp), dòng chảy tràn 2 chiều trên bề mặt địa hình được sử dụng để xây dựng mô hình mô phỏng [Nguyễn Đăng Tính & Nguyễn Quốc Thái, 2014]. B. Mô phỏng đa tác tử Ngày nay, hệ thống đa tác tử hay còn gọi là mô phỏng đa tác tử (Multi-Agent Based System) [Drogoul & Gaudou, 2012] được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau và nó dần thay thế cho các kỹ thuật mô phỏng vi mô, mô phỏng dựa trên hướng đối tượng hay dựa trên từng cá thể đã sử dụng trước đây. Các tác tử có thể cho phép kế thừa các thuộc tính, hành vi của các tác tử khác. Ví dụ: Tác tử tòa nhà được kế thừa từ các thuộc tính của các tác tử đất. Do tính linh hoạt này mà mô phỏng đa tác tử được xem như sự lựa chọn hữu hiệu để mô phỏng cho hệ thống phức tạp trong những năm gần đây. Mô hình đa tác tử gồm 2 thành phần chính là tác tử và môi trường. Tác tử gồm hành vi phản ứng và giao tiếp. “Giao tiếp” của một tác tử là việc gửi thông tin đến các tác tử khác trong hệ thống; “hành động” của một tác tử là hành động thay đổi các tác tử khác, thay đổi môi trường hoặc thay đổi chính bản thân tác tử. Tác tử (agent), có nhiều định nghĩa tác tử đã được hình thành trong quá trình phát triển. Đối với các nhà mô phỏng, tác tử có thể là một chương trình, mô hình hay một cá nhân [Bonabeau, 2001], một số nhà nghiên cứu khác thì nhấn mạnh khả năng thích ứng của các tác tử [Casti, J., 1997], trong nghiên cứu này chúng tôi sử dụng khái niệm tác tử đinh nghĩa bởi [Drogoul & Gaudou, 2012]. “Tác tử” là hệ thống tính toán hoạt động tự chủ trong một môi trường nào đó. Tác tử có khả năng cảm nhận môi trường và tác động vào môi trường. Bất cứ tác tử nào cũng tồn tại và hoạt động
Trần Nguyễn Minh Thư, Đỗ Thanh Nghị 293 trong một môi trường nhất định. Đối với các tác tử là chương trình phần mềm, môi trường hoạt động thông thường là các máy tính hoặc mạng máy tính. Việc cảm nhận môi trường và tác động được thực hiện thông qua các lời gọi hệ thống. Một tác tử có thể được thiết kế để hoạt động trong nhiều dạng môi trường khác nhau. Một yêu cầu quan trọng đối với tác tử là “tính tự chủ” nghĩa là khả năng các tác tử hành động không cần đến sự can thiệp trực tiếp của người hay các tác tử khác: tác tử hoàn toàn có khả năng kiểm soát trạng thái cũng như hành vi của mình trong một thời gian tương đối dài. Một số các tác giả định nghĩa tính tự chủ rộng hơn, chẳng hạn yêu cầu tác tử phải có khả năng tự học. Môi trường (environment) [Drogoul & Gaudou, 2012] là nơi chứa các tác tử, các tài nguyên, là một phần thiết yếu của hệ đa tác tử. Môi trường trong một đa tác tử có thể phục vụ cho nhiều chức năng như: nhận thức, di chuyển, định vị của các tác tử. Môi trường có thể được định nghĩa như là tập hợp những thông tin mà các tác tử sẽ tác động và biến đổi trong quá trình mô phỏng. Bộ mô phỏng: là một chương trình tin học hay còn gọi là một hệ nền (platform) có khả năng thông dịch những mô hình động và được sử dụng để sinh ra những biến đổi (xáo trộn) mong muốn trên những mô hình này. Hiện nay có rất nhiều bộ mô phỏng khác nhau như Netlogo 1, Repast 2, Manson 3. Trong nghiên cứu này GAMA 1.6.1 (Hệ nền 4 0F 1F 2F 3F GAMA - Gis & Agent-based Modelling Architecture) sẽ được dùng để làm bộ mô phỏng do các ưu điểm: Phần mềm tự do nguồn mở, tích hợp ngôn ngữ mô hình hóa GAML và môi trường phát triển thân thiện dễ sử dụng cho người dùng, hỗ trợ công cụ cho phân tích mô hình, hỗ trợ nhiều các mô hình mô phỏng đa tác tử. C. Đô thị Đô thị là nơi tập trung dân cư đông đúc sinh sống bằng các ngành nghề phi nông nghiệp. Đô thị là tên chung của thành phố, thị xã, thị trấn là trung tâm của một vùng lãnh thổ. Đô thị tại Việt Nam được định nghĩa là khu vực tập trung dân cư sinh sống có mật độ cao và chủ yếu hoạt động trong lĩnh vực kinh tế phi nông nghiệp, là trung tâm chính trị, kinh tế, hành chính, văn hóa, có vai trò thúc đẩy sự phát triển kinh tế - xã hội của quốc gia hoặc một vùng lãnh thổ, một địa phương, bao gồm nội thành, ngoại thành của thành phố [Lê Quang Trí, 2015]. Khi đề cập đến sự phát triển một đô thị, ta cần quan tâm đến các yếu tố như hiện trạng đô thị, mô hình phát triển của đô thị và quy hoạch phát triển đô thị của thành phố. Hiện trạng đô thị có thể đưa vào quá trình mô phỏng thông qua bản đồ sử dụng đất (GIS - Geographic Information System), các lớp đường, sông, nhà ở, hành chính; Mô hình đô thị và quy hoạch đô thị được đưa vào trong mô phỏng dưới dạng các luật từ sự phân tích các quy luật phát triển. Một trong những mô hình đô thị đầu tiên, có thể kể đến mô hình của học giả Von Thunen. Von Thunen vốn là chủ đất ở thế kỉ 19, ông quan sát quy luật trong cách tổ chức giữa đô thị và nông thôn. Vào thời kỳ đó, thành phố được cung cấp thực phẩm từ các vùng nông thôn, ông vạch ra các vòng tròn nông nghiệp đồng tâm vòng quanh thành phố, các vòng tròn nông nghiệp có đặc trưng là chuyển dần từ thâm canh sang quảng canh và ngoài đầu mút ngoại vi là đất không canh tác. Với những quan sát đó, ông cho rằng giá trị của đất phụ thuộc vào khoảng cách từ mảnh đất đó đến thị trường đầu ra chứ không phải phụ thuộc vào độ màu mỡ của đất [Đỗ Hoài Nam & Stéphane Largrée, 2015]. Hình 1. Mô hình đô thị của Christalle Mô hình đô thị của Walter Christaller [Christaller, 1966], một trong những mô hình phù hợp với đô thị hiện nay dựa trên mô hình cơ bản của Von Thunen. Christaller đề ra trật tự đô thị (Hình 1), khi bạn ở trong một đô thị nhỏ, bạn sẽ mua các sản phẩm thông thường hằng ngày nếu sản phẩm càng hiếm thì quy mô đô thị càng lớn. Người tiêu dùng sẽ giảm được chi phí đi lại và ưu tiên các đô thị gần hơn, các nhà sản xuất sẽ có xu hướng phân bổ một cách đều đặn. Không gian mang tính đồng bộ, người tiêu dùng có cùng chung hành vi là mua hàng với giá rẻ nhất, cạnh tranh mang tính hoàn hảo, ông cho rằng chi phí vận chuyển hàng hóa do người tiêu dùng chi trả thường là người tiêu dùng sống ngoài phạm vi đô thị. Chi phí vận chuyển được tính trong chi phí bán sản phẩm [Đỗ Hoài Nam & Stéphane Largrée, 2015]. 1 https://ccl.northwestern.edu/netlogo/ 2 https://repast.github.io/ 3 http://cs.gmu.edu/~eclab/projects/mason/ 4 http://gama-platform.org/
294 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐA TÁC TỬ DỰ BÁO SỰ PHÁT TRIỂN ĐÔ THỊ D. Mô hình đa tác tử cho mô phỏng sự phát triển thành phố Cần Thơ Chúng tôi đề xây dựng mô hình mô phỏng sự phát triển đô thị tại thành phố Cần Thơ, dựa trên nghiên cứu của các tác giả [Raimbault et al., 2014]. Mô hình mô phỏng sự phát triển của đô thị cần tuân theo các quy tắc để tạo sự tăng trưởng đô thị khớp với sự tăng trưởng trong thực tế. Quy tắc cơ bản này chính là cách sử dụng đất có tác động sớm đến khả năng di chuyển của tác tử “con người” và việc “di chuyển” này lại tác động dài hạn đến việc sử dụng đất. Ví dụ như, nếu xoá bỏ các toà nhà ra khỏi hệ thống thì khả năng “di chuyển” của tác tử “con người” bị ảnh hưởng ngay lập tức, nhưng các cá nhân có thể phải gặp khó khăn trong di chuyển một thời gian dài thì mới đưa ra quyết định chuyển đến nơi ở mới. Từ những phân tích này, chúng ta có thể thấy rằng có 3 quy luật vận động của các khu nhà ở như sau: Xu hướng xây dựng thêm các khu dân cư có mật độ dân cư đông đúc. Xu hướng không quá xa các “dịch vụ”. Xu hướng kết nối với những khu dân cư khác (gần đường giao thông, sông). Ngoài 3 quy luật trên, chúng ta cũng cần kết hợp với việc nghiên cứu Bộ luật Xây dựng năm 2014 của Việt Nam để phù hợp với tình hình thực tiễn của Việt Nam. Dựa vào khoản 3, Điều 12 “các hành vi nghiêm cấm” của Bộ luật Xây dựng 2014 của nước Cộng hòa Xã hội chủ nghĩa Việt Nam: “Xây dựng công trình trong khu vực cấm xây dựng; xây dựng công trình lấn chiếm hành lang bảo vệ công trình quốc phòng, an ninh, giao thông, thủy lợi, đê điều, năng lượng, khu di tích lịch sử- văn hóa và khu vực bảo vệ công trình khác theo quy định của pháp luật; xây dựng công trình ở khu vực đã cảnh báo về nguy cơ lở đất, lũ quét lũ ống, trừ công trình xây dựng để khắc phục những hiện tượng này” để xác định thứ tự ưu tiên trong quá trình xây dựng. Với điều khoản này, hệ thống mô phỏng tuân theo 4 mức độ ưu tiên xây dựng như sau: Mức 1: Công trình quốc phòng, an ninh. Mức 2: Khu di tích lịch sử - văn hóa. Mức 3: Trường học, khu thương mại. Mức 4: Khu dân cư. Kết hợp lý thuyết mô phỏng sự phát triển đô thị và Điều 12 của Luật Xây dựng năm 2014, mức độ ưu tiên xây dựng của các công trình, tạo thêm một quy luật là thứ tự ưu tiên trong xây dựng. Dựa trên 4 quy luật trên, chúng ta có thể định nghĩa hàm xây dựng của các tác tử theo công thức sau: Constructability = (w1 x C1 + w2 x C2 + w3 x C3 + w4 x C4)/ (w1 + w2 + w3 + w4) (1) trong đó: C1: mật độ dân cư. C2: khoảng cách đến các dịch vụ. C3: khoảng cách đến đường/sông. C4: thứ tự ưu tiên xây dựng. w1, w2, w3, w4 là các trọng số. Mô hình đa tác tử mô phỏng sự phát triển đô thị được chia làm hai nhóm tác tử: một số tác tử được tạo ngay từ đầu trong dữ liệu bản đồ; tác tử được tính toán và sinh ra trong quá trình mô phỏng. Các tác tử trong thực nghiệm này này được mô tả như Hình 2. Các tác tử được hình thành khi khởi tạo mô hình dựa trên bản đồ hiện trạng sử dụng đất của phường Tân Phú và phường An Bình, thành phố Cần Thơ năm 2005 bao gồm: đường, sông, các toà nhà đã hình thành và các khu vực xây dựng dự kiến mở rộng là tất cả các diện tích còn trống trừ sông và đường. Các tác tử xây dựng thêm trong các khu vực xây dựng mới gồm có khu dân cư (màu xanh lá cây), trung tâm thương mại (màu vàng đậm), khu vực tôn giáo (màu tím đậm) và khu vực giáo dục (màu đỏ) (Hình 2). Hình 2. Các tác tử xây dựng trong mô hình mô phỏng III. KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM A. Chuẩn bị dữ liệu Dữ liệu sử dụng để thực nghiệm dựa trên bản đồ hiện trạng sử dụng đất của hai phường Tân Phú và An Bình, thành phố Cần Thơ. Diện tích của phường Tân Phú tương đối nhỏ và không có nhiều dân cư (8,07 km2) với dân số năm
Trần Nguyễn Minh Thư, Đỗ Thanh Nghị 295 2004 là 6383 người. Diện tích của phường An Bình tương đương diện tích phường Tân Phú: 7,53 km² nhưng mật độ dân số cao hơn 1689 người/km² năm 2007. Trên thực tế, phường An Bình là nơi có nhiều biến động và phát triển ở Cần Thơ trong những năm qua, nên chúng tôi phân tích kết quả của mô hình dựa trên thông tin của phường An Bình. Dựa vào thông tin giới thiệu chi tiết trong bản đồ hiện trạng năm 2005 của phường An Bình (Hình 3): các đường màu vàng nhạt và xanh dương biểu diễn cho đường và sông; các khối màu tím đậm thể hiện các khu vực tôn giáo (chùa, nhà thờ); khối màu vàng đậm thể hiện các trung tâm thương mại, chợ; khối màu đỏ thể hiện các khu vực giáo dục; khối màu xanh lá cây và đen nằm dọc các con đường là nhà cửa, khu dân cư. Hình 3. Bản đồ hiện trạng đất phường An Bình năm 2005 B. Chương trình Chúng tôi sử dụng hệ nền GAMA (Gis & Agent-based Modelling Architecture) được phát triển bởi Drogoul và các cộng sự (http://gama-platform.org/) để thực hiện các thực nghiệm mô phỏng sự phát triển của thành phố Cần Thơ. GAMA là một phần mềm tự do nguồn mở, cho phép xây dựng mô hình phức cho phép tích hợp nhiều dữ liệu để lồng ghép các hành vi của các tác tử và quan sát các mô hình thực tế. Việc tích hợp các dữ liệu địa lý và phương pháp phát triển mô hình đa cấp độ ứng với các tác tử và các hành vi. C. Kết quả mô phỏng Hệ thống mô phỏng lấy thông tin từ dữ liệu bản đồ thông qua các tập tin *.shp, khởi tạo tác tử theo thông tin khu dân cư, khu vực thương mại, khu vực quân sự, khu vực giáo dục và các hệ thống giao thông đường bộ và đường thuỷ. Mô hình mô phỏng đa tác tử mô phỏng sự phát triển của các đô thị bao gồm nhiều tác tử tương tác qua lại lẫn nhau. Mỗi tác tử sẽ có những thuộc tính và các “hành động” tác động lên môi trường. Trong nghiên cứu này, tác tử đường và sông là các tác tử chỉ thể hiện và phân biệt bởi màu sắc, hai tác tử này không thay đổi hiện trạng trong suốt quá trình mô phỏng. Tác tử “World” được định nghĩa như tác tử “môi trường” của quá trình mô phỏng, tác tử này chứa tất cả các tác tử còn lại: tác tử đường, sông, khu vực xây dựng, khu dân cư, khu trung tâm thương mại, khu vực tôn giáo, khu vực giáo dục. Tác tử “World” thực hiện gọi và khởi tạo tất cả các tác tử trong hệ thống, các hành động/phản xạ của tác tử này được thực hiện đều đặn ở mỗi bước lặp trong quá trình mô phỏng. Mỗi bước lặp của mô hình được tính là 6 tháng. “Hành động” của tác tử này bao gồm khởi tạo các tác tử, hàm tính giá trị đất xây dựng cho các tác tử, kiểm tra khoảng đất trống và xây dựng trong các khu vực xây dựng, nhằm cung cấp tính động của mô hình. Để tính toán giá trị của một khu vực, theo công thức đã trình bày ở trên, ta cần dựa vào 4 yếu tố cơ bản: mật độ dân cư, khoảng cách đến các dịch vụ, khoảng cách đến đường/sông, thứ tự ưu tiên xây dựng. Tác tử “Khu vực xây dựng” sẽ cho phép xây dựng các loại hình: khu dân cư, khu vực thương mại, khu vực tôn giáo, khu vực giáo dục, khu vực quân sự.
296 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐA TÁC TỬ DỰ BÁO SỰ PHÁT TRIỂN ĐÔ THỊ Hình 4. Các tham số tuỳ chỉnh trước khi bắt đầu mô phỏng Các tham số trong mô phỏng bao gồm: Trọng số cho mật độ dân cư (weight for the density), trọng số cho khoảng cách đến các dịch vụ (weight for the distance to center), trọng số cho khoảng cách đến đường/sông (weight for the distance to roads). Các trọng số được phép tuỳ chỉnh: thứ tự ưu tiên của các loại hình xây dựng (khu dân cư; khu thương mại và giáo dục; khu vực tôn giáo; khu quốc phòng, an ninh). Để tìm ra mô hình tối ưu, người dùng có thể tuỳ chỉnh tham số và trọng số trước khi thực hiện mô phỏng (Hình 4). Hình 5. Bản đồ mô phỏng phường An Bình năm 2010 Kết quả của quá trình mô phỏng sau 5 năm được thể hiện thông qua bản đồ phường An Bình (Hình 5), nhà cửa, khu dân cư phát triển thêm dọc các con đường và các nhánh sông cũng như phát triển dày đặc hơn ở những trung tâm mua sắm. Sự phát triển của các khu dân cư này cũng gần khớp với bản đồ hiện trạng sử dụng đất thực tế năm 2010 của phường An Bình (Hình 6). Chi tiết về kết quả dự báo, mô hình mô phỏng đã dự báo số toà nhà vào năm 2010 là 9000 trong khi số toà nhà trong thực tế là 9089. Tỷ lệ lỗi tuyệt đối của mô hình dự báo là 89 trên 9089 toà nhà. Từ kết quả nghiên cứu này, các nhà quản lý và quy hoạch đô thị có thể thực hiện các nghiên cứu quy hoạch sự phát triển đô thị, lựa chọn các mô hình phát triển phù hợp dựa vào kết quả dự đoán của mô hình mô phỏng. Nhờ đó, họ có thể tránh được các sai lầm trong quy hoạch. Họ có thể thực hiện các quy hoạch chiến lược cho sự phát triển của đô thị. Các nhà quy hoạch có thể đưa ra kế hoạch phát triển thêm các con đường cũng như những trung tâm giáo dục, văn hoá, tôn giáo phù hợp với mật độ dân cư mà không phải đợi đến khi quá đông dân mới bắt đầu xây dựng các con đường vừa đảm bảo kịp thời vừa đảm bảo không quá tốn kinh phí bồi thường.
Trần Nguyễn Minh Thư, Đỗ Thanh Nghị 297 Hình 6. Bản đồ thực tế phường An Bình năm 2010 IV. KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN Trong bài viết này, chúng tôi đề xuất xây dựng mô hình mô phỏng đa tác tử nhằm hỗ trợ các nhà quản lý thực hiện các quy hoạch thành phố Cần Thơ. Mô hình mô phỏng đa tác tử được sử dụng nhằm mô phỏng quá trình phát triển của phường Tân Phú giai đoạn phát triển từ 2005 đến 2010. Quá trình mô phỏng dựa trên các yếu tố: mật độ dân cư, các tòa nhà thường tập trung xây dựng ở những vùng có mật độ xây dựng cao, ở những vùng gần với trung tâm thương mại, nơi làm việc, trường học, gần với đường giao thông (sông, đường bộ, sân bay) và quy định ưu tiên về xây dựng của bộ luật xây dựng năm 2014. Kết quả thực nghiệm trên dữ liệu của phường Tân Phú, quận Cái Răng và phường An Bình, quận Ninh Kiều, thành phố Cần Thơ cho thấy mô hình dự báo sự phát triển đô thị khớp với sự phát triển trong thực tế năm 2010. Trong tương lai, mô hình mô phỏng cần bổ sung thêm các quy luật khác, ví dụ như sự gia tăng dân số, thông tin sử dụng đất, vào trong quá trình mô phỏng. Nghiên cứu so sánh kết quả của các mô hình mô phỏng khác nhau trên các phần mềm mô phỏng khác như Netlogo, Repast, Manson sẽ được bổ sung. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Christaller, W., Central Places in Southern Germany, Trad. par C. Baskin, Prentice Hall, de : Die zentralen Orte in Süddeutschland. Eine ökonomisch- geographische Untersuchung über die Gesetzmäbigkeit der Verbreitung und Entwicklung der Siedlungen mit städtischen Funktionen, Jena, Fischer Verlag (1933), 1966. [2] Lê Quang Trí, Giáo trình Quy hoạch và phát triển đô thị. Nhà xuất bản Đại học Cần Thơ, 2015. [3] Lê Tấn Hùng, Từ Minh Phương và Huỳnh Quyết Thắng. Tác tử - Công nghệ phần mềm hướng tác tử. Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật, 2006. [4] Bonabeau, E., Agent-based modeling: methods and techniques for simulating human systems. Proceedings of National Academy of Sciences 99(3): 7280-7287, 2001. [5] Casti, J., Would-be worlds: how simulation is changing the world of science, New York: Wiley, 1997. [6] Chaker, W., Proulx, M. J., Moulin, B., Bédard, Y. Modélisation, Modélisation, simulation et Analyse d’Environnements Urbains Peuplés. Approche multi-agent pour l’étude des déplacements multimodaux. Revue Internationale de Géomatique, pp. 413-441, 2009.
298 MÔ HÌNH MÔ PHỎNG ĐA TÁC TỬ DỰ BÁO SỰ PHÁT TRIỂN ĐÔ THỊ [7] Charles M. Macal and Michael J. North, Agent-based modeling and simulation: ABMS examples. Proceedings of the 40th Conference on Winter Simulation (WSC '08), Scott Mason, Ray Hill, Lars Mönch, and Oliver Rose (Eds.). Winter Simulation Conference 101-112, 2008. [8] Johan Barthelemy and Philippe L. Toint, Synthetic population generation without a sample. Transportation Science 47, pp. 266-279, 2013. [9] Lương Văn Kiệt, Vũ Thanh Ca, Mô phỏng sự thay đổi nhiệt độ Thành phố Hồ Chi Minh theo quy hoạch đô thị đến năm 2010. Tạp chí Phát triển KH&CN, tập 13, số M1, pp. 5-13, 2010. [10] Nguyễn Đăng Tính và Nguyễn Quốc Thái, Mô phỏng ngập lụt đô thị khu vực trung tâm Thành phố Hồ Chí Minh. Tuyển tập Hội nghị khoa học thường niên, 2014. [11] Richard J. Beckman, K. A. Baggerly, and M. D. McKay, Creating synthetic baseline populations. Transportion Research Part A Policy and Practice, 30(6), pp. 415 429, 1996. [12] Wolfram, Stephen, Statistical Mechanics of Cellular Automata. Reviews of Modern Physics 55 (3), pp. 601-44, 1983. [13] Raimbault and al, A Hybrid Network/Grid Model of Urban Morphogenesis and Optimization, ICCSA 2014, Normandie University, Le Havre, Franc, pp. 51-60, 2014. [14] Đỗ Hoài Nam, Stéphane Largrée, Phát triển đô thị bền vững. Nhà xuất bản Tri thức, 2015. [15] Drogoul, A, et B. Gaudou, Méthodes informatiques de modélisation à base d’agents in LAGREE, S. (ed. scientifique), Collection Conférences et Séminaires, No8, AFD-ÉFEO, 2012. [16] Quốc hội nước Cộng hòa xã hội chủ nghĩa Việt Nam. Luật Xây dựng 2014, Nhà xuất bản Lao động - Xã hội, 2015. [17] Tổng cục Thống kê, Niên giám thống kê 2015. Nhà xuất bản Thống kê, Hà Nội, 2016. [18] Tổng cục Thống kê, Niên giám thống kê 2004. Nhà xuất bản Thống kê, Hà Nội, 2005. [19] Dương Trọng Dật, Phát triển đô thị bền vững. http://www.sggp.org.vn/phattrienbenvung-/2014/2/341669/, 27/02/2014. [20] Ngọc Long, Hoàn thành Dự án Mô hình thủy văn và mô phỏng sự phát triển đô thị. http://www.baoxaydung.com.vn/news/vn/quy-hoach-kien-truc/a-nang-hoan-thanh-du-an-mo-hinh-thuy-van-va- mo-phong-su-phat-trien-do-thi.html, 2013. [21] Tạp chí Quy hoạch xây dựng, “Thực trạng đô thị hóa, phát triển đô thị & những yêu cầu cần đổi mới tại Việt Nam”. Từ “http://www.xaydung.gov.vn/vi/web/guest/thong-tin-tu-lieu/-/tin-chi-tiet/ek4I/86/251139/thuc-trang-do- thi-hoa-phat-trien-do-thi-%26-nhung-yeu-cau-can-doi-moi-tai-viet-nam.html, số 70/2014. MULTI-AGENT SIMULATION MODEL FOR URBAN DEVELOPMENT Minh Thu Tran Nguyen, Thanh Nghi Do ABSTRACT: Vietnam’s urbanization has been formated and developed. However, a city is a complex- system which is a combination of many factors. To obtain the sustainable development policies, urban planners need to have a good plan to expand reasonably both in space and time. In this paper, we propose to build a multi-agent simulation model to support managers in implementing Can Tho City plans. The simulation model is based on the following factors: density of people's movement, buildings are usually built in areas with high construction density, in areas close to commercial centers, workplaces, schools. education, proximity to roads (rivers, roads, airports) and priority in construction based on Vietnam's 2014 construction code. The model is evaluated on data of Tan Phu ward, Cai Rang district and An Binh ward, Ninh Kieu district, Can Tho city. Experiments show that the urban development forecasting model has the same results as the real development in 2010.