Xây dựng hệ thống thu thập dữ liệu và cảnh báo giao thông sử dụng điện thoại di động thông minh dựa trên mô hình crowdsourcing

ỦY BAN NHÂN DÂN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA SỞ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ CẢNH BÁO GIAO THÔNG SỬ DỤNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG THÔNG MINH DỰA TRÊN MƠ HÌNH CROWDSOURCING Cơ quan chủ trì nhiệm vụ: Trường Đại học Bách Khoa Chủ nhiệm nhiệm vụ: PGS.TS Phạm Trần Vũ Thành phố Hồ Chí Minh, Tháng 5/2018 ỦY BAN NHÂN DÂN ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA SỞ KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CHƯƠNG TRÌNH KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ CẤP THÀNH PHỐ BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ XÂY DỰNG HỆ THỐNG THU THẬP DỮ LIỆU VÀ CẢNH BÁO GIAO THÔNG SỬ DỤNG ĐIỆN THOẠI DI ĐỘNG THÔNG MINH DỰA TRÊN MÔ HÌNH CROWDSOURCING Chủ nhiệm nhiệm vụ: PGS.TS Phạm Trần Vũ Cơ quan chủ trì nhiệm vụ BÁO CÁO TỔNG HỢP KẾT QUẢ NHIỆM VỤ NGHIÊN CỨU KH&CN MỤC LỤC MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ CHƯƠNG – MỞ ĐẦU 1.1 Hiện trạng lý thực 7 1.2 Vai trò liệu tốn giao thơng 1.3 Các phương pháp thu thập liệu giao thông phổ biến 1.4 Vấn đề thu thập liệu giao thông TP.HCM 1.5 Tiềm nguồn liệu GPS từ thiết bị di động thông minh 10 1.6 Ý nghĩa lý luận thực tiễn 12 1.7 Mục tiêu đề tài 13 1.8 Các nội dung triển khai cấu trúc báo cáo 13 CHƯƠNG – DỮ LIỆU GPS TỪ DI ĐỘNG 16 2.1 Dữ liệu đồ số 16 2.1.1 Tổ chức liệu OSM 17 2.2 Đặc điểm liệu GPS từ thiết bị di động 19 2.2.1 Dữ liệu nhiễu 20 2.2.2 Tài nguyên thiết bị thu liệu 21 2.3 Thu thập liệu thử nghiệm 22 2.4 Tiền xử lý liệu 24 2.4.1 Xác vị trí thiết bị tuyến đường phù hợp cho giao thông 25 2.4.2 Xác định trạng thái tham gia giao thông 27 2.4.3 Lọc tín hiệu có giá trị vận tốc không 32 CHƯƠNG – TÍNH VẬN TỐC DI CHUYỂN CỦA DỊNG GIAO THƠNG 34 3.1 Các phương pháp ước lượng vận tốc dịng giao thơng 34 3.1.1 Phương pháp tính trung bình 34 3.1.2 Phương pháp dựa mơ hình tốn học 35 3.1.3 Sử dụng phương pháp thống kê 36 3.1.4 Mạng Nơ-ron nhân tạo (Artificial Neural Network) 36 3.2 Giải pháp tính tốn vận tốc áp dụng 37 3.3 Thử nghiệm đánh giá giải pháp ước lượng vận tốc 39 3.3.1 Phương pháp thử nghiệm đánh giá 39 3.3.2 Thu thập liệu đánh giá 40 3.3.3 Phân tích đánh giá kết tính tốn 42 CHƯƠNG – CẢNH BÁO TÌNH HÌNH GIAO THƠNG 48 4.1 Mục tiêu cảnh báo 48 4.2 Những yếu tố cần cảnh báo tới người dùng 48 4.3 Dự báo lộ trình di chuyển người sử dụng 49 4.3.1 Biểu diễn liệu 49 4.3.2 Dự báo xác suất dựa liệu di chuyển khứ 51 4.3.3 Dữ liệu từ người sử dụng cho việc cảnh báo 53 4.3.4 Đánh giá mức độ xác giải thuật cảnh báo 53 4.4 Cách thức, nội dung xếp hạng cảnh báo 54 4.4.1 Cách thức cảnh báo 54 4.4.2 Xếp hạng điểm ùn tắc 56 4.4.3 Tạo mẫu tin cảnh báo 57 4.4.4 Cập nhập lại trọng số người dùng 58 4.4.5 Thời điểm, tần suất cảnh báo 58 4.5 Cảnh báo khu vực người dùng quan tâm 58 4.6 Cảnh báo theo xu hướng di chuyển 59 CHƯƠNG – HỆ THỐNG ỨNG DỰNG 61 5.1 Kiến trúc tổng quan hệ thống 61 5.2 Bộ phận xử lý máy chủ 62 5.2.1 Kiến trúc hệ thống tiếp nhận xử lý thông tin GPS 62 5.2.2 Kiến trúc hệ thống cảnh báo giao thông 63 5.3 Ứng dụng di động 63 5.4 Ứng dụng Web 64 CHƯƠNG – KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 66 6.1 Kết nghiên cứu phát triển 66 6.2 Sản phẩm khoa học 66 6.3 Sản phẩm đào tạo 67 CHƯƠNG – KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 68 7.1 Về nội dung nghiên cứu 68 7.2 Về việc triển khai ứng dụng chuyển giao kết nghiên cứu 68 7.3 Kết luận 69 TÀI LIỆU THAM KHẢO 71 PHỤ LỤC – KHẢO SÁT ĐẶC ĐIỂM DỮ LIỆU VÀ NGƯỜI SỬ DỤNG 72 PHỤ LỤC – HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG ỨNG DỤNG CẢNH BÁO 84 PHỤ LỤC – NỘI DUNG BÀI BÁO KHOA HỌC 90 PHỤ LỤC – XÁC NHẬN HOÀN THÀNH LUẬN VĂN 91 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng 2.4-1: Thử nghiệm xác định trạng thái giao thông 31 Bảng 4.3-1: Độ xác giải thuật dự báo sử dụng liệu ngày khứ 53 Bảng 4.3-2: Độ xác giải thuật dự báo sử dụng liệu 10 ngày khứ 54 Bảng 4.3-3: Độ xác giải thuật dự báo sử dụng liệu 20 ngày khứ 54 DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ Hình 1.2-1: Kiến trúc tổng thể Hệ thống giao thông thông minh Hình 2.1-1: Phân hoạch đồ theo (Cell) 18 Hình 2.2-1: Thống kê tín hiệu gửi hệ thống thử nghiệm từ ngày 04/10/2017-01/11/2017 20 Hình 2.3-1: Ứng dụng thu thập liệu thử nghiệm 23 Hình 2.3-2: Mẫu tín hiệu gửi từ thiết bị di động 23 Hình 2.4-1: Các bước tiền xử lý số liệu 25 Hình 2.4-2: Biểu đồ histogram thể số lần đoạn đường có vận tốc bé 5km/h độ tin cậy suốt trình thu lớn 75% , liệu chia thành bin khoảng thời gian giây 32 Hình 2.4-3: Biểu đồ histogram số lần xảy tình trạng giao thông di chuyển 5km/h hai trường hợp đặt ngưỡng không đặt ngưỡng 33 Hình 3.3-1: Tín hiệu thu lần thu liệu lần 41 Hình 3.3-2: Tín hiệu thu từ lần thu liệu thứ hai 42 Hình 3.3-3: Công cụ để khoanh chọn xe qua vạch 43 Hình 3.3-4: Cơng cụ so sánh tập ảnh vào từ xe 44 Hình 3.3-5: Vận tốc ước lượng vận tốc tính tốn từ video tính theo cách thứ 45 Hình 3.3-6: Vận tốc ước lượng vận tốc tính tốn từ video tính theo cách thứ hai 46 Hình 4.3-1: Quá trình khái quát liệu qua mức 51 Hình 4.3-2: Mơ hình di chuyển người dùng 52 Hình 4.4-1: Cảnh báo ứng dụng Android 56 Hình 4.4-2: Cảnh báo thơng qua chế độ lái xe ứng dụng 57 Hình 4.6-1: Cảnh báo theo xu hướng di chuyển 60 Hình 5.2-1: Hệ thống xử lý liệu máy chủ 62 Hình 5.2-2: Kiến trúc xử lý cảnh báo máy chủ 63 Hình 5.3-1: Giao diện ứng dụng di động 64 Hình 5.4-1: Giao diện Web thông tin giao thông 65 CHƯƠNG – MỞ ĐẦU 1.1 Hiện trạng lý thực TP.HCM thành phố lớn mật độ dân số cao Việt Nam Trong thời gian vừa qua, trình thị hóa diễn q nhanh, với bùng nổ kinh tế Việc phát triển làm gia tăng gánh nặng lên hạ tầng đô thị có, đặc biệt hệ thống giao thơng cơng cộng Hiện TP.HCM tìm kiếm giải pháp cơng nghệ kỹ thuật để giải tốn giao thông cách hiệu Đặc điểm bật hệ thống giao thông TP.HCM, thành phố khác Việt Nam, phương tiện giao thông hai bánh chủ yếu Dữ liệu giao thông thành phố bước thu thập lưu trữ Tuy nhiên, liệu thiếu số lượng, mức độ chi tiết xác 1.2 Vai trị liệu tốn giao thơng Kiến trúc tổng thể hệ thống giao thông thông minh thể Hình 1.2-1 Theo kiến trúc này, hệ thống gồm nhóm chức chính, gồm có: • Bộ phận lưu trữ tổng hợp liệu (I) • Bộ phận thu thập liệu giao thông (II) • Bộ phận trực quan hóa liệu giao thơng (III) • Bộ phận phân tích liệu giao thơng (IV) • Các ứng dụng giao thơng điều kiện hệ thống đèn giao thông, mô giao thơng, ứng dụng tìm đường, v.v (V) • Các chuẩn liệu giao tiếp với hệ thống khác (VI) Từ kiến trúc tổng thể hệ thống cho thấy liệu giao thông đầu vào tất phận khác hệ thống giao thông thông minh Nếu thiếu liệu, phận khác vận hành cách ổn định Hình 1.2-1: Kiến trúc tổng thể Hệ thống giao thông thông minh 1.3 Các phương pháp thu thập liệu giao thông phổ biến Với phát triển khoa học công nghệ năm gần đây, đặc biệt lĩnh vực công nghệ thông tin, nhiều phương pháp thu thập liệu giao thơng hình thành phát triển [1], chẳng hạn như: - Sử dụng camera quan sát để thu thập hình ảnh giao thơng, từ đó, sử dụng công nghệ xử lý ảnh để phân tích, chiết tách thơng tin hình ảnh để lấy liệu giao thông Hiện nay, TP.HCM Hà Nội, Đài Tiếng nói Việt Nam triển khai nhiều camera quan sát giao lộ hay ùn tắc giao thơng để giám sát tình hình giao thơng Tuy nhiên, chưa có phương pháp hiệu để chiết tách liệu giao thơng từ hình anh video cách hiệu - Sử dụng thiết bị GPS chuyên dụng gắn thiết bị vận tải xe buýt, taxi, hay hộp đen xe khách đường dài để lấy Đồ thị cộng dồn khoảng thời gian đoạn đường có thay đổi tình trạng giao Nhìn từ đồ thị thấy 90% đoạn đường có chuyển dịch tình trạng giaothơng (từ ùn tắc chuyển thành hết ùn tắc ngược lại) 12 phút Khảo sát về độ tin cậy về vận tốc của các đoạn đường Dữ liệu: Chuần bị tương tự với khảo sát ùn tắc Cách tiến hành: Việc chia bin tương tự với khảo sát ùn tắc Giải thuật ghi lại độ tin cậy bin Từ vẽ đồ thị cộng dồn độ tin cậy đoạn đường Thấy rằng, khoảng 81% đoạn đường có độ tin cậy 60% Vì vậy, chúng tơi sử dụng ngưỡng độ tin cậy đoạn đường 60% tất giải thuật có liên quan phạm vi đề tài 77 Đồ thị cộng dồn độ tin cậy đoạn đường Khảo sát thời gian để qua điểm ùn tắc Cách tiến hành: Cứ phút giải thuật tiến hành gom cụm điểm ùn tắc khu vực TP.HCM để tính khoảng thời gian ước tính qua đoạn ùn tắc Sau ghi lại tất thời gian ước tính vào file Chúng tơi tiến hành chạy giải thuật ngày, từ vẽ đồ thị cộng dồn bên Khảo sát thời gian để qua điểm ùn tắc 78 Nhìn từ đồ thị, chúng tơi suy 95% đoạn đường ùn tắc cần thời gian nhỏ 10 phút để qua Khảo sát số trường từ liệu đầu vào toán xác định người dùng có tham gia giao thơng hay không Qua khảo sát ta thấy trường đầu vào lấy từ API Activity Recognition Google dùng tốn xác định người có tham gia giao thơng hay khơng? Ví dụ trường on_bicycle in_vehicle hai trường rõ ràng nhất, với trường hợp tham gia giao thơng độ lớn trường nằm rải rác nhiều từ tới 100, cịn khơng tham giao giao thơng độ lớn chủ yếu nhỏ Trường tốc độ (speed) khác rõ hai trường hơp tham gia không tham gia giao thông Trường số lượng vệ tinh khơng thấy có khác biệt nhiều nhóm sử dụng trường Khảo sát tần suất phân bố trường in_vehicle trường hợp tham gia giao thông 79 Khảo sát tần suất phân bố trường tốc độ trường hợp tham gia giao thông không tham gia giao thông Khảo sát tần suất phân bố trường số lượng vệ tính phủ tới trường hợp thamgia giao thông không tham gia giao thông Khảo sát tần suất phân bố trường on_bicycle trường hợp tham gia giao thông không tham gia giao thông 80 Khảo sát tần suất phân bố trường on_ f oot trường hợp tham gia giao thông không tham gia giao thông Khảo sát tần suất phân bố trường running trường hợp tham gia giao thông không tham gia giao thông Khảo sát tần suất phân bố trường still trường hợp tham gia giao thông không tham gia giao thông 81 Khảo sát tần suất phân bố trường tilting trường hợp tham gia giao thông không tham gia giao thông Khảo sát tần suất phân bố trường unknown trường hợp tham gia giao thông không tham gia giao thông Khảo sát tần suất phân bố trường walking trường hợp tham gia giao thông không tham gia giao thông Khảo sát độ dài trung bình segment, big-segment Qua khảo sát ta có bảng so sánh Khu vực Việt Nam TP Hồ Chí Minh Độ dài segment(m) Độ dài big-segment(m) 67.8 373.7 63.5 160.1 Khảo sát độ dài segment big-segment 82 83 PHỤ LỤC – HƯỚNG DẪN SỬ DỤNG ỨNG DỤNG CẢNH BÁO Khi cài đặt ứng dụng, người dùng phải cho phép quyền truy cập tệp thiết bị, quyền truy cập vị trí, quyền truy cập danh bạ, quyền ghi âm, quyền quản lý gọi Ứng dụng yêu cầu xin cấp quyền từ người dùng Sau cài ứng dụng xong, giao diện ứng dụng 84 Màn hình giao diện ứng dụng Ứng dụng cho phép người dùng tìm kiếm chọn địa điểm quan tâm Ngồi dựa vào thói quen người dùng di chuyển, hệ thống dựa vào điểm quan tâm để cảnh báo tình hình giao thơng cho người dùng Ứng dụng ngồi cho phép người dùng tìm kiếm đường đi, ứng dụng cho phép người dùng thêm điểm vừa tìm kiếm vào danh sách điểm quan tâm 85 Điểm tìm kiếm người dùng 86 Danh sách điểm quan tâm người dùng Khi hệ thống phát khu vực ùn tắc quan trọng người dùng, người dùng nhận thơng báo giống thơng báo hình 87 Cảnh báo giao thông thông qua notification ứng dụng Người dùng khơng chọn useful unuseful thấy mẫu tin cảnh báo có ích khơng có ích Tuy nhiên chọn giúp cho hệ thống có cảnh báo người dùng Ngoài chức cảnh báo notification Ứng dụng hỗ trợ chức cảnh báo thông qua chế độ lái xe Ứng dụng cảnh báo giao thông coi quan trọng (thông qua giải thuật xếp hạng) khung di chuyển họ Như hình dưới, chấm cảnh báo lớn thể mức độ quan trọng người dùng 88 Cảnh báo giao thông chế độ lái xe 89 PHỤ LỤC – NỘI DUNG BÀI BÁO KHOA HỌC 90 PHỤ LỤC – XÁC NHẬN HOÀN THÀNH LUẬN VĂN 91