Đề tài Nghiên cứu điều khiển thích ứng đèn tín hiệu giao thông tại các nút giao độc lập

nh. Nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng ùn tắc kéo dài vào giờ cao điểm tại các nút giao thông có điều khiển bằng đèn tín hiệu là do thời gian đèn được thiết kế cố định theo cung giờ dựa trên dữ liệu giao thông được khảo sát từ trước, không có khả năng thích nghi với những thay đổi liên tục của dòng giao thông. Trên cơ sở phân tích các giải pháp điều khiển đèn tín hiệu giao thông thích ứng đã được áp dụng trên thế giới, đề tài đã lựa chọn giải pháp phù hợp với điều kiện giao thông ở Việt Nam và ứng dụng tính toán thiết kế cho nút giao Dương Đình Nghệ - Trung Kính tại Hà Nội. Kết quả đánh giá cho thấy hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông thích ứng đã cải thiện rõ rệt thời gian chờ, vận tốc dòng xe và năng lực thông hành tại nút. Từ khóa: Điều khiển thích ứng, đèn tín hiệu giao thông, nút giao độc lập. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Ùn tắc giao thông là một vấn đề nghiêm trọng ở nhiều thành phố hiện đại trên thế giới. Ùn tắc giao thông đã và đang gây ra nhiều vấn đề và thách thức nghiêm trọng tại các thành phố lớn và đông dân nhất. Việc di chuyển đến các địa điểm khác nhau trong thành phố ngày càng trở nên khó khăn hơn đối với những du khách tham gia giao thông. Do những vấn đề tắc nghẽn này, mọi người mất thời gian, trễ giờ làm. Ùn tắc giao thông ảnh hưởng trực tiếp đến các công ty. Do tắc nghẽn giao thông, người lao động bị giảm năng suất, mất cơ hội giao thương, việc giao hàng bị đình trệ, và do đó chi phí ngày càng tăng. Số lượng phương tiện ngày càng gia tăng gây ra những vấn đề lớn đang gia tăng theo cấp số nhân ở các thành phố đô thị trên khắp thế giới. Các vấn đề gây ra tắc nghẽn giao thông là ô nhiễm, lãng phí thời gian làm việc, căng thẳng do tắc đường và chi phí nhiên liệu. Tất cả những vấn đề này có mối liên hệ với nhau và làm tăng lượng khí thải xe cộ. Do đó, cần liên tục quản TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 2 lý và kiểm soát ùn tắc. Yếu tố chính liên quan đến việc kiểm soát ùn tắc bao gồm tăng cường cơ sở hạ tầng đường bộ hoặc giảm số lượng phương tiện. Tuy nhiên, trong thế giới toàn cầu hóa ngày nay, không gian có sẵn cho cơ sở hạ tầng rất khó tìm và việc giảm số lượng phương tiện ngày càng tăng là điều không thể. Do đó, quản lý nhu cầu có thể tối đa hóa lượng xe thông qua các điều kiện tắc nghẽn. Trong số nhiều định nghĩa về tắc nghẽn, định nghĩa trong số đó được nêu là, thời gian di chuyển hoặc độ trễ vượt quá thời gian phát sinh thông thường trong điều kiện di chuyển nhẹ hoặc lưu thông tự do. Phương pháp điều khiển giao thông bằng đèn tín hiệu truyền thống với thời gian đèn cố định vẫn đang được áp dụng phổ biến ở Việt Nam và nhiều nước khác trên thế giới. Tuy nhiên do nhu cầu đi lại của người dân tại các thành phố lớn tăng cao, việc điều khiển bằng đèn tín hiệu giao thông truyền thống đã dần để lộ ra những bất cập. Điều khiển giao thông bằng đèn tín hiệu cố định phụ thuộc nhiều vào điều tra quá khứ (ví dụ: đếm xe, điều tra lưu lượng để thiết kế pha đèn hợp lý) tuy nhiên bất kể một thay đổi nào đó (ví dụ: thời tiết, ngày lễ tết,) sẽ làm thay đổi rất nhiều lưu lượng giao thông qua nút so với số liệu đã điều tra trước đó. Vì thế pha đèn cố định không phải lúc nào cũng phù hợp với tình trạng giao thông tại nút. Từ những bất cập trên, nhiều trường đại học, viện khoa học ở các quốc gia trên thế giới đã nghiên cứu và đưa ra những công nghệ điều khiển tín hiệu thích ứng nhằm cải thiện tình trạng ùn tắc giao thông một cách hiệu quả. Đề tài giới thiệu và phân tích các công nghệ điều khiển đèn tín hiệu giao thông thích ứng đã được áp dụng trên thế giới, từ đó lựa chọn giải pháp phù hợp để ứng dụng khắc phục tình trạng ùng tắc giao thông cho nút giao Dương Đình Nghệ - Trung Kính trên địa bàn Hà Nội. Kết quả đánh giá cho thấy hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông thích ứng đã cải thiện rõ rệt thời gian chờ, vận tốc dòng xe và năng lực thông hành tại nút. 2. CÔNG NGHỆ ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU GIAO THÔNG THÍCH ỨNG 2.1. Khái niệm về công nghệ điều khiển tín hiệu giao thông thích ứng Thời gian tín hiệu giao thông bất hợp lý góp phần gây ra tắc nghẽn và chậm trễ giao thông. Các hệ thống tín hiệu thông thường sử dụng lịch trình định thời tín hiệu hàng ngày được lập trình trước. Công nghệ điều khiển tín hiệu thích ứng điều chỉnh thời gian của đèn đỏ, vàng và xanh để phù hợp với các mô hình giao thông đang thay đổi và giảm bớt tắc nghẽn giao thông. Những lợi ích chính của công nghệ điều khiển tín hiệu thích ứng so với các hệ thống tín hiệu thông thường là nó có thể: - Liên tục phân phối thời gian đèn xanh một cách công bằng cho tất cả các chuyển động của giao thông TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 3 - Cải thiện độ tin cậy của thời gian di chuyển bằng cách di chuyển dần các phương tiện qua đèn xanh - Giảm tắc nghẽn bằng cách tạo dòng chảy thông suốt hơn - Kéo dài hiệu quả của thời gian tín hiệu giao thông 2.2. Thuật toán điều khiển hẹn giờ dự đoán lưu lượng thích ứng (APTTCA) ▪ Kiến trúc hệ thống APTTCA Hình 1 trình bày kiến trúc của hệ thống và mối quan hệ giữa các thành phần khác nhau. Hệ thống bao gồm sáu thành phần sau: (1) mạng cảm biến, (2) mô-đun ước tính thời gian xanh, (3) cơ sở dữ liệu, (4) thiết kế kế hoạch pha đèn, (5) bộ điều khiển tín hiệu, và (6) đèn tín hiệu giao thông và bộ hẹn giờ. Hình 1. Kiến trúc hệ thống APTTCA Phần lõi của hệ thống đề xuất sử dụng độ dài hàng đợi được xác định bởi mạng cảm biến. Logic điều khiển tín hiệu thích ứng cố gắng đáp ứng trực tiếp các biến thể lưu lượng thời gian chạy. Thời gian màu xanh lá cây được phân bổ dựa trên độ dài hàng đợi ước tính. Mô-đun thiết kế kế hoạch tín hiệu hoạt động dựa trên các giá trị này để cung cấp một kế hoạch giao thông hiệu quả đảm bảo thời gian trễ trung bình thấp. Bộ điều khiển tín hiệu cuối cùng tạo ra tín hiệu điều khiển cần thiết cho các thiết bị đầu ra. ▪ Thuật toán APTTCA Trung tâm của hệ thống là thuật toán ước lượng độ dài hàng đợi của nó. Thuật toán hoạt động bằng cách đặt ra một điều kiện ban đầu là khi tín hiệu được bật, tất cả các đèn (tức là đèn giao thông ở các hướng khác nhau) đều có màu đỏ. Bộ dò chiều dài hàng đợi được bật theo mỗi hướng. Các bộ dò chiều dài hàng đợi chủ yếu là các dãy cảm biến quang điện. Số lượng cảm biến trong mảng phát hiện độ dài hàng đợi thay đổi theo mỗi hướng. Kích thước của mảng cảm biến (tức là số lượng cảm biến cho một hướng cụ thể) được ước tính bằng cách quan sát tính chất của giao thông ở giao lộ đang xem xét vào mọi thời điểm trong ngày, được phân bổ trong một tuần. TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 4 Tất cả các cảm biến của mảng không được kích hoạt cùng một lúc; chúng chỉ được bật khi cần thiết. Điều này tạo thành cơ sở của quy trình ước tính độ dài hàng đợi thích ứng tiết kiệm năng lượng. Quy trình được giải thích dưới đây: - Ban đầu, chỉ cặp cảm biến đầu tiên và cuối cùng được kích hoạt. Lý do đằng sau việc sử dụng kết quả đầu ra của cặp cảm biến là ngay cả khi một cảm biến không phát hiện được xe do xe dừng ngay trước hoặc ngay sau cảm biến, thì cảm biến còn lại trong cặp chắc chắn sẽ phản hồi. Điều này có thể thực hiện được vì khoảng cách giữa hai cảm biến đã được thiết kế phù hợp. Đầu ra của một cặp là cao nếu một trong các cảm biến trong cặp phát hiện một chiếc xe. Sẽ rất thấp nếu cả hai cảm biến của một cặp đều không phát hiện được xe. Khi kiểm tra đầu ra của cặp cảm biến đầu tiên và cuối cùng, bốn trường hợp phát sinh. - Trường hợp đầu tiên như sau: nếu cả hai đều không phát hiện ra xe, thì thời gian màu xanh lá cây được đặt ở giá trị nhỏ nhất, thường là bằng không. Sau một khoảng thời gian nhỏ, "tic", quá trình này được lặp lại. - Trường hợp thứ hai là cực đoan khác: cả hai cặp cảm biến đều phát hiện xe. Trong trường hợp này, thời gian xanh được đặt thành giá trị lớn nhất được tính toán từ dữ liệu thống kê. - Trường hợp thứ ba là khi cặp cảm biến đầu tiên phát hiện một chiếc xe và cặp cảm biến cuối cùng thì không. Tình huống này rõ ràng chỉ ra rằng hàng đợi không hoàn toàn đầy. Ở đây, thuật toán có cách tiếp cận giống như tìm kiếm nhị phân. Giả sử ‘2n’ là số lượng cảm biến trong mảng, cặp cảm biến thứ (n/2) được kích hoạt và lấy đầu ra của nó. Nếu nó cao (tức là nó phát hiện một chiếc xe), thì nửa trên sẽ trở thành khu vực quan tâm với cặp thứ (n/2) giả định vai trò của cặp đầu tiên. Bây giờ cặp cảm biến thứ (3n/4) được bật và quá trình tiếp tục cho đến khi cặp cảm biến đầu tiên và cuối cùng đang được xem xét trở nên giống nhau. Đây là độ dài của hàng đợi. Điều này được sử dụng để tính toán thời gian xanh. - Trường hợp thứ tư, cụ thể là cặp đầu tiên không phát hiện thấy một chiếc xe trong khi cặp cuối cùng phát hiện một chiếc xe, được cho là không thể. Điều này là do xem xét đầu ra của cặp cảm biến, ít nhất về mặt lý thuyết không mắc lỗi như vậy. 3. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN THÍCH ỨNG ĐÈN TÍN HIỆU TẠI NÚT GIAO DƯƠNG ĐÌNH NGHỆ - TRUNG KÍNH Nút giao Dương Đình Nghệ - Trung Kính là điểm giao cắt giữa đường Trung Kính và đường Dương Đình Nghệ, thuộc địa bàn Quận Cầu Giấy, Hà Nội. Đây là giao điểm của các lưu lượng từ đường vành đai 3 với lưu lượng từ đường Trần Duy Hưng và đường Cầu Giấy nên mật độ phương tiện rất cao và thường xuyên xảy ra ùn tắc. Qua kết quả điều tra và khảo TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 5 sát thực tế, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn phương án điều khiển đèn tín hiệu thích ứng sử dụng công nghệ xử lý hình ảnh camera để giải quyết thực trạng ùn tắc giao thông tại nút giao Dương Đình Nghệ - Trung Kính. Hình 2. Mô phỏng nút giao Dương Đình Nghệ-Trung Kính 3.1. Cảm biến sử dụng trong phương án thiết kế Một canera được sử dụng để thu nhận hình ảnh của luồng giao thông. Các hình ảnh được số hóa và lưu trữ trong bộ nhớ. Quá trình phát hiện thiết lập một hoặc nhiều ngưỡng giới hạn và tách biệt dữ liệu số hóa được chuyển cho phần còn lại của các thuật toán. Hình 3. Quy trình xử lý dữ liệu của bộ xử lý hình ảnh và video 3.2. Thuật toán điều khiển thích ứng đèn tín hiệu Dữ liệu đầu vào của bộ xử lý là tỉ lệ các dải màu khác (màu của phương tiện giao thông, màu của người tham gia giao thông,) chiếm so với màu của mặt đường từ đó nhận diện mật độ giao thông tại thời điểm đó là dày đặc hay thưa thớt. Dữ liệu đầu vào sẽ được thu thập liên tục và trong chu kì 10 phút sẽ đưa ra một kết quả là trung bình mật độ phương tiện tại nút, từ đó bộ xử lý sẽ tính toán và thay đổi chu kì đèn sao cho phù hợp với tình hình giao thông tại thời điểm đó. TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 6 - Tại các mỗi pha đèn đặt các camera quan sát để xác định mật độ phương tiện tại pha đó, gọi mật độ phương tiện tiện tại pha là Fi. - Với mỗi pha đèn sẽ nhận được một lời dự báo về mật độ phương tiện sẽ đến pha đèn đó thông tin này ở dạng ngôn ngữ. Từ thông tin dự báo dạng ngôn ngữ chúng ta áp dụng đại số gia tử để tính toán ra một giá trị định lượng tương ứng gọi là Vi. - Gọi thời gian đèn đỏ tối đa cho một pha là Tđmax(s) (theo thiết kế của nút). - Gọi thời gian đèn xanh tối thiểu cho một pha là Txmin(s) (theo thiết kế của nút). - Mỗi một pha đèn sau khi bật đèn xanh Tmin giây thì sau đó cứ sau khoảng thời gian λ giây thì lại tính toán và xác định lại pha đèn nào sẽ được bật đèn xanh theo thuật toán sau: Bước 1. Kiểm tra xem pha nào có thời gian đèn đỏ vượt quá thời gian Tđmax, và có giá trị lớn nhất thì ưu tiên pha đó sẽ được bật đèn xanh. Nếu không có pha đèn nào có thời gian đèn đỏ vượt quá Tđmax thì thực hiện tính toán các giá trị sau tương ứng cho mỗi pha: Pi = k*Fi + (1-k)*Vi i = 1..n , k∈[0, 1] Trong đó: k là hệ số ảnh hưởng của yếu tố mật độ phương tiện hiện tại của pha đến khả năng ưu tiên bật đèn xanh của pha đó. Nếu k càng lớn thì mức độ ảnh hưởng của mật độ phương tiện hiện tại của pha càng lớn đến khả năng được bật đèn xanh của pha đó; Pi là giá trị thể hiện mức độ ưu tiên được bật đèn xanh của các pha, Pi càng lớn thì mức độ ưu tiên càng cao. Bước 2. Thực hiện so sánh các Pi để tìm ra giá trị lớn nhất, giả sử pha n có Pn có giá trị lớn nhất thì pha n sẽ được bật đèn xanh trong khoảng thời gian là Txmin sau đó quay lại bước 1. Hình 4. Sơ đồ thuật toán điều khiển thích ứng đèn tín hiệu giao thông TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 7 3.3. Đánh giá hiệu quả điều khiển thích ứng đèn tín hiệu Sau khi xây dựng phương án điều khiển thích ứng đèn tín hiệu tại nút giao Dương Đình Nghệ - Trung Kính, sử dụng phương pháp HCM để tính toán hiệu quả tại một thời điểm nhất định. Kết quả thu được biểu diễn trên Hình 5 cho thấy thời gian di chuyển qua nút và thời gian chờ tại nút khi áp dụng điều khiển thích ứng đèn tín hiệu giảm đáng kể so với trường hợp pha đèn cố định hiện có, nhờ đó tăng được vận tốc di chuyển qua nút, tăng năng lực thông hành và giảm ùn tắc giao thông tại nút. Hình 5. Hiệu quả của điều khiển thích ứng đèn tín hiệu tại nút giao Dương Đình Nghệ - Trung Kính 0 10 20 30 40 50 Trước Sau Thời gian chờ tại nút trước và sau khi áp dụng phương pháp (s) 40 42 44 46 48 50 52 54 Trước Sau Thời gian di chuyển qua nút trước và sau khi áp dụng phương pháp (s) TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021 8 4. KẾT LUẬN Ùn tắc giao thông đô thị đang ảnh hưởng tiêu cực đến nhiều mặt của đời sống kinh tế, xã hội, đòi hỏi cần phải có giải pháp khắc phục kịp thời và hiệu quả. Điều khiển thích ứng đèn tín hiệu giao thông là một trong những ứng dụng quan trọng của hệ thống giao thông minh trong việc tối ưu hiệu quả khai thác cơ sở hạ tầng giao thông hiện có. Trên cơ sở phân tích một số công nghệ điều khiển thích ứng đèn tín hiệu, nhóm nghiên cứu đã ứng dụng xây dựng thuật toán điều khiển thích ứng đèn tín hiệu cho nút giao Dương Đình Nghệ - Trung Kính. Kết quả tính toán cho thấy hiệu quả rõ rệt của phương pháp đề xuất trong việc giảm thời gian di chuyển qua nút và thời gian chờ tại nút, do đó có thể khắc phục được tình trạng ùn tắc giao thông đang diễn ra tại đây. Tài liệu tham khảo [1] Dữ liệu thống kê của Ủy ban An toàn giao thông quốc gia [2] Manual Traffic Signal Design (James H. Kell JHK & Associates, President Iris J. Fullerton Transportation Consultant) [3] Traffic Detector Handbook (U.S. Department of Transportation) [4] Nghiên cứu thiết kế hệ thống đèn giao thông thông minh (Tạp chí khoa học 2010:15b 56-63) [5] Automatic Traffic Light Control System (California State University) [6] Adaptive Predictive Traffic Timer Control Algorithm (Department of Computer Science and Engineering) [7] Techniques for Smart Traffic Control (International Journal of Computer Applications Technology and Research) [8] Design and simulation of a fuzzy logic traffic signal controller for a signalized intersection (Department of Electrical and Electronic Engineering, Jomo Kenyatta University of Agriculture and Technology)