Phát triển thuật toán giám sát và cảnh báo mật độ xe tại các hướng của ngã tư dùng GPS trên điện thoại android

Bài báo phát triển giải thuật theo dõi mật độ xe lưu thông theo các hướng tại các điểm ngã tư và cảnh báo tài xế khi có điểm kẹt xe phía trước. Chúng tôi sử dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS (global positioning system) trên các thiết bị chạy Android. Các thiết bị này được gắn lên xe lưu thông hoặc mang theo bên người của tài xế (điện thoại Android), từ đó tính toán và đồng bộ số lượng phương tiện tại các hướng của ngã tư lên Firebase. Mời các bạn cùng tham khảo!

Tạp chí Khoa học Cơng nghệ Thực phẩm 21 (4) (2021) 165-175 PHÁT TRIỂN THUẬT TOÁN GIÁM SÁT VÀ CẢNH BÁO MẬT ĐỘ XE TẠI CÁC HƯỚNG CỦA NGÃ TƯ DÙNG GPS TRÊN ĐIỆN THOẠI ANDROID Huỳnh Hoàng Hà Trường Đại học Sư phạm Kỹ thuật TP.HCM Email: hahh@hcmute.edu.vn Ngày nhận bài: 11/5/2021; Ngày chấp nhận đăng: 21/7/2021 TÓM TẮT Hiện nay, tình trạng kẹt xe xảy nghiêm trọng cao điểm giao lộ, khu công nghiệp, đoạn đường sửa chữa hay va chạm lưu thơng, v.v Vì vậy, báo này, phát triển giải thuật theo dõi mật độ xe lưu thông theo hướng điểm ngã tư cảnh báo tài xế có điểm kẹt xe phía trước Chúng tơi sử dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS (global positioning system) thiết bị chạy Android Các thiết bị gắn lên xe lưu thông mang theo bên người tài xế (điện thoại Android), từ tính tốn đồng số lượng phương tiện hướng ngã tư lên Firebase Chương trình ứng dụng cài đặt thuật tốn xử lý, ứng dụng có khả thêm bớt giao lộ cần theo dõi, xác định số lượng xe hướng ngã tư, tính tốn khoảng cách xe với ngã tư gửi cảnh báo cho cho tài xế có điểm đơng đúc Mật độ xe xác định xác mà khơng phụ thuộc yếu tố môi trường trời tối, trời mưa, v.v Từ khóa: GPS, Android, Firebase, kẹt xe, giao thơng GIỚI THIỆU VỀ ĐỀ TÀI Vấn đề giao thông, kẹt xe vấn đề quan trọng ngày nay, đặc biệt thành phố lớn Hồ Chí Minh, Hà Nội Dân số tăng nhanh, cộng thêm việc tập trung khu công nghiệp nhiều trung tâm thành phố, việc ùn tắc giao thơng điều khơng thể tránh khỏi Nhà nước có nhiều phương án áp dụng để hạn chế việc tắc nghẽn giao thông khu vực đông đúc, cao điểm như: mở rộng đường, mở thêm đường nhánh khác để giao thơng chia thành nhiều hướng di chuyển, đóng phí đường bộ, khuyến khích sử dụng nhiều phương tiện cơng cộng hơn, v.v Song song đó, nhà nghiên cứu, tác giả khắp nơi giới chung sức nghiên cứu đề xuất giải pháp để giảm bớt tình trạng kẹt xe Sun Ye từ trường đại học Shandong Jiaotong, Trung Quốc đề xuất giải pháp đóng phí tham gia giao thơng để lượng xe lưu thông giảm, dẫn đến việc ùn tắc kẹt xe giảm Mức phí áp dụng cho đoạn đường phụ thuộc vào đặc điểm đoạn đường mục tiêu, chi phí, phạm vi, phương pháp tình trạng đơng đúc phương tiện lưu thơng đoạn đường [1] Năm 2012, Vipin Jain Ashlesh Sharma phân tích tổn thất xảy bị ù tắc giao thông tốn nhiên liệu, thời gian, tiền tệ, chậm trễ lại người tham gia giao thông Nguyên nhân gây ùn tắc mạng lưới giao thông quy hoạch chưa tốt, đường xá xung quanh điểm nóng chưa triển khai tốt Từ đó, nghiên cứu đề xuất giải pháp tận dụng camera gắn sẵn giao lộ để thu thập hình ảnh, nhận dạng xác định số 165 Huỳnh Hoàng Hà lượng xe điểm nóng nhằm điều hướng xe lưu thơng, giảm bớt tắc nghẽn cục [2] Trong báo Wadud cộng sự, nghiên cứu hệ thống giao thông thông minh nghiên cứu dựa việc phát phương tiện phân loại tuyến đường theo mật độ xe Hệ thống mà báo phát triển nhằm giúp tài xế xác định lộ trình kẹt xe để di chuyển cho phù hợp Các kĩ thuật xử lý ảnh trích liên tục từ camera điểm kẹt xe áp ssdụng nhằm xác định mật độ xe, tốc độ di chuyển phương tiện Sau đó, kết xử lý cập nhật lên ứng dụng Android giúp tài xế dễ dàng lựa chọn tuyến đường kẹt xe [3] Năm 2017, Chandana & cộng ứng dụng công nghệ hệ thống Internet of Things (IoT) vào việc xác định số lượng xe lưu thông qua khu vực cần theo dõi Bộ phát sóng RF gắn phương tiện tham gia giao thông nhằm phát xe chạy qua thu thập sóng RF, từ đếm số lượng xe di chuyển sang khu vực cần theo dõi [4] Nghiên cứu nhóm tác giả Ayesha Atta cộng ứng dụng công nghệ RFID vào nhận dạng phương tiện tham gia giao thông Bằng cách gắn thẻ từ RFID phương tiện, phương tiện tới giao lộ, nơi đặt máy quét RFID, máy trung tâm nhận dạng phương tiện qua, từ tổng kết mật độ xe khu vực cần theo dõi [5] Trong cơng trình nghiên cứu tác giả Sandor Dornbush, Anupam Joshi ứng dụng hệ thống định vị toàn cầu GPS vào việc xác định phương tiện giao thông điểm lắp đặt Phương tiện giao thông gắn thiết bị phát GPS Khi phương tiện chạy vào giao lộ cần đo lường thiết bị GPS tiến hành kết nối với phát wifi gửi tọa độ máy tính trung tâm để xử lý xác định mật độ xe ước tính tốc độ xe di chuyển qua khu vực cần phân tích [6] Các cơng trình nghiên cứu [2, 3] sử dụng Camera giao lộ để nhận diện số lượng xe, nhiên phương pháp khó thực mơi trường có nhiễu: trời mưa, trời tối, v.v cần phải có máy tính chủ cấu hình mạnh xử lý liệu hình ảnh Các cơng trình số [4, 5] sử dụng cơng nghệ sóng khơng dây RF, RFID tránh tình trạng ảnh hưởng mơi trường, việc xây dựng trụ thu thập sóng tất tuyến đường tốn nhiều chi phí Cơng trình [6] tận dụng GPS có sẵn thiết bị di động chạy Android, module có sẵn xe hơi, nên vừa định vị xác số lượng xe trụ thu sóng cơng trình dừng lại nghiên cứu thuật tốn định vị chưa phát triển ứng dụng hỗ trợ tài xế Vì vậy, sau phân tích nhiều báo, định nghiên cứu xây dựng hệ thống tận dụng ưu điểm phương pháp trước đây, xây dựng nên ứng dụng chạy thiết bị Android mang theo bên người tài xế Hệ thống không sử dụng camera tài xế cần cài đặt phần mềm chạy ngầm để định vị vị trí tài xế tham gia giao thơng Ứng dụng có đặc điểm sau: - - Sử dụng GPS để định vị phương tiện tham gia giao thông Số lượng phương tiện tổng hợp theo dõi Web Server có tên Firebase Phát triển ứng dụng quản lý điểm, khu vực có giao thông thức tạp Theo dõi cảnh báo cho tài xế có điểm nóng, kẹt xe xảy gần lộ trình di chuyển Từ đó, tài xế xem đồ để lựa chọn tuyến đường khác cho phù hợp Ứng dụng xây dựng hoàn toàn thiết bị di động chạy Android có sẵn, khối phần cứng chạy hệ điều hành Android xe (trong nghiên cứu này, tiến hành chạy thử nghiệm thiết bị di động chạy Android) Quy trình xử lý phần mềm ứng dụng trình bày theo bước Hình 166 Phát triển thuật toán giám sát cảnh báo mật độ xe hướng ngã tư… Hình Sơ đồ khối quy trình xử lý phần mềm ứng dụng Với mục tiêu đặt xây dựng hệ thống thu thập tọa độ từ phương tiện tham gia giao thông, phát triển ứng dụng dựa tảng thiết bị chạy Android, tiến hành phân tích vấn đề chia quy trình nghiên cứu báo thành phần Phần giới thiệu tình hình nghiên cứu trạng giới Việt Nam Phần q trình phân tích, xây dựng thuật tốn xử lý, xây dựng mơ hình hệ thống Phần trình bày giao diện tính phần mềm ứng dụng Phần thử nghiệm thực tế với thiết bị Android qua điểm giao thông cần theo dõi, từ đánh giá độ xác khả báo động hệ thống Cuối cùng, phần kết luận đề xuất hướng phát triển nghiên cứu XÂY DỰNG HỆ THỐNG 2.1 Mơ hình hệ thống Các phương tiện tham gia giao thông trang bị thiết bị chạy hệ điều hành Android Trên thiết bị này, phát triển ứng dụng cập nhật tọa độ GPS xe lên Web Server điện thoại ứng dụng có khả kiểm soát số lượng xe khu vực cần theo dõi, tiến hành báo động cho tài xế phát khu vực có khả kẹt xe Mơ hình hệ thống mơ tả Hình Ứng dụng Android cập nhật liệu với Server thơng qua sóng 3G/4G thiết bị Android Hình Mơ hình hệ thống 2.2 Firebase Dữ liệu tọa độ GPS thu thập từ thiết bị Android cần tổ hợp lại trung tâm để tính tốn số lượng phương tiện xe khu vực theo dõi Bên cạnh Firebase, sử dụng hệ thống thu thập liệu khác như: Web Socket, Website HTTP Mỗi loại hệ thống có ưu điểm nhược điểm riêng, mô tả ngắn gọn Bảng 167 Huỳnh Hoàng Hà Bảng So sánh số loại máy chủ Website HTTP Web Socket Web Server (Firebase) Chi phí thấp Chi phí cao Chi phí theo dung lượng sử dụng Khơng có Real-Time Có Real-Time Có Real-Time* Chi phí xây dựng hệ thống lớn Chi phí xây dựng hệ thống lớn Được Google xây dựng sẵn *Real-Time: Hệ thống có khả gửi thơng báo tức thì, có kiện xảy Dựa Bảng 1, Website HTTP có chi phí thấp nhất, khơng có Real-Time Web Socket giúp cho hệ thống tối ưu tốt tính năng, chi phí xây dựng lớn, tốn nhiều thời gian Vì vậy, nghiên cứu này, sử dụng Firebase, Web Server xây dựng sẵn Google Firebase có chi phí phụ thuộc vào dung lượng sử dụng, thời gian lập trình nhanh nên việc thử nghiệm phù hợp 2.3 Thuật tốn tính khoảng cách tọa độ cầu a = sin²(Δφ/2) + cos φ1 * cos φ2 * sin²(Δλ/2) (1) c = * atan2( √𝑎, √(1 − 𝑎) ) (2) d=R*c (3) Bộ công thức (1), (2), (3) [12] sử dụng để tính tốn khoảng cách tọa độ điểm bề mặt Trái đất Với a bình phương nửa độ dài điểm, c khoảng cách góc tính radian, d khoảng cách điểm tính đơn vị mét Giả định gọi điểm A & B có tọa độ A(lat1, lon1), B(lat2, lon2), với lat kinh độ, lon vĩ độ Khi đó, thơng số tính tốn sau: - R = 6371.3 km (bán kính Trái Đất) - φ1 = lat1 * π/180; - φ2 = lat2 * π/180; - Δφ = (lat2-lat1) * π/180; - Δλ = (lon2-lon1) * π/180; Dựa công thức (1)(2)(3), xác định phương tiện tham gia giao thông kẹt điểm giao lộ cần theo dõi 2.4 Giải thuật xác định mật độ xe hướng ngã tư Hình Tính tốn vị trí xe thuộc hướng di chuyển vào giao lộ 168 Phát triển thuật toán giám sát cảnh báo mật độ xe hướng ngã tư… Tại điểm ngã tư, lấy tọa độ điểm: điểm trung tâm điểm hướng đường (Hình 3) Dựa cơng thức tính khoảng cách (1), (2), (3), đưa giải thuật xác định xe thuộc hướng di chuyển nào, sau: B1: Nếu xe vào bán kính R(100m) giao lộ: - Tính khoảng cách vị trí xe với điểm hướng (ký hiệu: ) Dựa khoảng cách nhỏ tính được, chúng tơi xác định xe di chuyển hướng - Từ đó, tăng/giảm số lượng xe hướng tương ứng Firebase - Tổng số xe hướng, cộng dồn vào điểm trung tâm B2: Nếu xe khỏi bán kính R, giảm số lượng xe hướng điểm trung tâm 2.5 Phát triển giải thuật cho toàn hệ thống Trong báo này, viết giải thuật xử lý đếm số lượng xe hoàn toàn thiết bị Android Ứng dụng Android có nhiệm vụ: cập nhật vị trí lên Firebase; tìm kiếm, thêm/bớt điểm giao lộ cần kiểm soát; theo dõi số lượng xe hướng giao lộ; bật chế độ chạy ngầm (tức người dùng tắt ứng dụng, khóa máy, ứng dụng trì hoạt động); cảnh báo liên tục cho tài xế xe gần điểm có lượng xe đơng q ngưỡng cài đặt Thuật toán xử lý xây dựng theo giải thuật sau: B1: Khởi tạo biến, liệu B2: Kết nối lấy liệu từ Firebase B3: Sử dụng API google map để hiển thị đồ lên ứng dụng B4: Duyệt danh sách khu vực, giao lộ cần theo dõi (Có thể tìm kiếm giao diện đồ thêm mới) B5: Ứng dụng Android tiến hành đọc vị trí mình, tính khoảng cách từ đến tọa độ giao lộ (cơng thức (1), (2), (3)), với chu kỳ xử lý 7s/lần - - Nếu vị trí xe vào hay khỏi bán kính R giao lộ, ứng dụng xác định xe thuộc hướng di chuyển (theo giải thuật mục 2.4); tiến hành cập nhật lại số lượng xe hướng lên Firebase (công thức (4)) Khi xe vào giao lộ chuyển từ hướng sang hướng khác, hệ thống cập nhật lại số lượng xe hướng (như giải thuật mục 2.4) Nếu vị trí xe ngồi bán kính R giao lộ, hệ thống khơng cập nhật lại số lượng xe giao lộ B6: Khi người dùng bật chế độ chạy ngầm, hệ thống gửi báo động có giao lộ gần vị trí xe (R