xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát mạng lưới tín hiệu đèn giao thông áp dụng phân luồng mạng lưới giao thông

ĐỀ TÀI: XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MẠNG LƯỚI TÍN HIỆU ĐÈN GIAO THÔNG: ÁP DỤNG PHÂN LUỒNG MẠNG LƯỚI GIAO THÔNG Người hướng dẫn: ThS... ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PH

ĐỀ TÀI:

XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MẠNG LƯỚI TÍN HIỆU ĐÈN GIAO THÔNG: ÁP DỤNG

PHÂN LUỒNG MẠNG LƯỚI GIAO THÔNG

Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Tấn Hoà Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Thịnh Mã sinh viên: 2050551200242

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

ĐẠI HỌC NGÀNH: CÔNG NGHỆ KỸ THUẬT ĐIỀU KHIỂN VÀ TỰ ĐỘNG HÓA

ĐỀ TÀI:

XÂY DỰNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MẠNG LƯỚI TÍN HIỆU ĐÈN GIAO THÔNG: ÁP DỤNG

PHÂN LUỒNG MẠNG LƯỚI GIAO THÔNG

Người hướng dẫn: ThS Nguyễn Tấn Hoà Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Thịnh Mã sinh viên: 2050551200242

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN

TÓM TẮT

Tên đề tài: Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát mạng lưới tín hiệu đèn giao thông:

Áp dụng phân luồng mạng lưới giao thông

Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Thịnh Mã SV: 2050551200242 Lớp: 20TDH2 Đề tài tập trung phát triển, xây dựng Hệ thống điều khiển và giao diện giám sát mạng

lưới tín hiệu đèn giao thông: Áp dụng phân luồng mạng lưới giao thông

Trong dề tài này có các phương pháp được đưa vào sử dụng để điều khiển mô hình như: Phương pháp tính toán thời gian cho các pha tín hiệu đèn giao thông Có 1 chuẩn kết nối được đưa vào sử dụng để truyền nhận dữ liệu giữa các khối, các thành phần với nhau trong hệ thống: Gửi dữ liệu từ python đến PLC S7-1200

Chương 1: Tổng quan về mạng lưới tín hiệu đèn giao thông ở Việt Nam và quốc tế Tìm hiểu về tầm quan trọng của tín hiệu đèn giao thông, phân tích các hạn chế của các hệ thông tín hiệu đèn giao thông hiện nay Đưa ra giải pháp đề xuất cho việc xây dựng hệ thống mạng lưới tín hiệu đèn giao thông tối ưu

Chương 2: Xây dựng mô hình, các thành phần chính, các linh kiện và chuẩn kết nối được sử dụng cho mô hình

Chương 3: Thuật toán điều khiển mạng lưới đèn giao thông, bảng phân công đầu vào ra, giản đồ thời gian và lưu đồ thuật toán của hệ thống

Chương 4: Thiết kế giao diện giám sát cho mạng lưới tín hiệu đèn giao thông ngã tư Chương 5: Đánh giá hiệu quả của giải pháp đề xuất

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT

KHOA: ĐIỆN - ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HÔI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Giảng viên hướng dẫn: Th S Nguyễn Tấn Hòa Sinh viên thực hiện: Nguyễn Đức Thịnh Mã SV: 2050551200242 1 Tên đề tài: Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát mạng lưới tín hiệu

2 Các số liệu, tài liệu ban đầu:

- Nhóm tiến hành nghiên cứu các hệ thống mạng lưới giao thông ngã 4, thông qua các tài liệu và mô hình thực tế qua đó tích lũy kinh nghiệm

- Tìm hiểu các kỹ các hệ thống thực tế và phương pháp nguyên lý để có thể lựa chọn ra các giải pháp tối ưu, phù hợp để xây dựng mô hình

- Các tài liệu: + Th S Phạm Phú Thọ, “Giáo trình PLC”, TT Cơ điện tử _Trường TCN KTCN

Hùng Vương 2010 + SIEMENS, Data sheet SIMATIC S7-1200, CPU 1214C DC/DC/DC 6ES7214-1AG40-0XB0

Hoàng Minh Sơn " Mạng truyền thông công nghiệp "

3 Nội dung chính của đồ án:

❖ Nội dung 1: Tìm hiểu về PLC S7 – 1200 và phần mềm tia TIA Portal V17 ❖ Nội dung 2: Tìm hiểu về mô hình mạng dưới đèn giao thông ngã tư

❖ Nội dung 3: Tìm hiểu về điều khiển và lập trình mô hình mạng lưới giao thông hoạt động

❖ Nội dung 4: Thiết kế hệ thống giám sát và điều khiển hệ thống ❖ Nội dung 5: Thi công mô hình hệ thống

❖ Nội dung 6: Viết chương trình điều khiển cho hệ thống ❖ Nội dung 7: Đánh giá kết quả thực hiện và giải pháp

4 Các sản phẩm dự kiến

- Mô hình mạng lưới đèn giao thông ngã tư sử dụng PLC S7-1200 , Arduino - Thuật toán điều khiển và giao diện giám sát và phân luồng cho mạng lưới đèn giao thông

- Báo cáo tốt nghiệp

LỜI NÓI ĐẦU

Lời nói đầu tiên, em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc và chân thành nhất đến quý thầy, cô Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật, Đại học Đà Nẵng Trong suốt thời gian học tập tại trường dưới sự dìu dắt tận tình truyền đạt và chỉ dạy những kiến thức vô cùng quý báu cho em của quý thầy

Đặc biệt em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến giảng viên hướng dẫn của em là ThS Nguyễn Tấn Hoà, người đã theo sát tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong toàn bộ quá trình thực hiện hiện luận văn tốt nghiệp Thầy đã không ngần ngại dành thời gian quý báu của mình để truyền đạt, chỉ bảo và chỉnh sửa giúp em có thể hoàn thành bài luận văn của mình Bên cạnh đó em cũng xin gửi lời cảm ơn đến nhà trường và thư viện trường đã tạo mọi điều kiện thuận lợi, giúp em có những tài liệu tham khảo hay để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp Em cũng xin gửi lời cảm ơn đến tất cả những người bạn đã gắn bó với em trong suốt thời gian qua cũng như trong suốt quá trình thực hiện luận văn

Cuối cùng em xin gửi lời chúc chân thành và tốt đẹp nhất đến quý thầy, cô Khoa Điện – Điện Tử Trường Đại Học Sư Phạm Kỹ Thuật, Đại học Đà Nẵng Dù đã cố gắng hoàn thành luận văn một cách tốt nhất nhưng sai sót là điều không thể tránh khỏi Em kính mong sự góp ý, chia sẻ và chỉ bảo của quý thầy, cô cho bài luận văn tốt nghiệp của em Em xin kính chúc quý thầy, cô thật nhiều sức khoẻ đạt được nhiều thành công trong công việc và thành công trên con đường tiếp nối sứ vụ “trồng người”

Em xin chân thành cảm ơn!

TP Đà Nẵng, ngày tháng năm

LỜI CAM ĐOAN

Em xin cam đoan đây là báo cáo tốt nghiệp của em được thực hiện trong thời gian qua và được sự hướng dẫn bởi ThS Nguyễn Tấn Hoà Các thông tin, số liệu và kết quả nghiên cứu của em sử dụng trong báo cáo đồ án tốt nghiệp là trung thực Các dữ liệu và luận điểm được trích dẫn nguồn và chú thích rõ ràng Nhóm em xin chịu hoàn toàn trách nhiệm trước Nhà trường, Khoa và Bộ môn về sự cam đoan này

TP Đà Nẵng, ngày tháng năm

Sinh viên

Nguyễn Đức Thịnh

MỤC LỤC

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI HƯỚNG DẪN

NHẬN XÉT CỦA NGƯỜI PHẢN BIỆN

TÓM TẮT i

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP ii

LỜI NÓI ĐẦU iv

LỜI CAM ĐOAN v

2 Mục tiêu của đề tài 2

3 Các phương pháp thực hiện đề tài 2

3.1 Phương án điều khiển đèn giao thông bằng vi điều khiển: 2

3.2 Phương án điều khiển đèn giao thông với vi mạch dùng kĩ thuật vi xử lý: 2

3.3 Phương án điều khiển đèn giao thông với PLC: 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG LƯỚI ĐÈN GIAO THÔNG Ở VIỆT NAM VÀ QUỐC TẾ 4

1.1 HỆ THỐNG MẠNG LƯỚI GIAO THÔNG ĐƯỢC SỬ DỤNG PHỔ BIẾN Ở VIỆT NAM VÀ THẾ GIỚI 4

1.3 TÌM HIỂU SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG XE 8

1.3.1 Phương pháp thu thập dữ liệu từ cảm biến 8

1.4.2 So sánh ưu nhược điểm của các ngã tư thực tế 12

1.5 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI 13

1.6 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI 13

1.7 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI 14

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIAO THÔNG NGÃ TƯ 15

2.2.3 Mạch hiển thị LED 07 đoạn 74HC595 2LED 33

2.2.4 Sơ đồ đấu nối 36

2.3 Thi công mô hình hệ thống 37

CHƯƠNG 3: THUẬT TOÁN ĐIỀU KHIỂN MẠNG LƯỚI ĐÈN GIAO THÔNG 38

3.1 NGUYÊN LÍ HOẠT ĐỘNG CỦA MÔ HÌNH HỆ THỐNG 38

3.1.1 Phương pháp đặt thời gian cho các pha tín hiệu đèn giao thông 38

3.1.2 Phương pháp tính toán lắp đặt camera và tính toán giám sát lưu lượng xe: 41

3.1.3 Điều khiển tính hiệu đèn giao thông khi có dấu hiệu kẹt xe 42

3.1.4 Nguyên lí hoạt động 44

3.2 BẢNG PHÂN CÔNG ĐẦU VÀO ĐẦU RA CỦA MÔ HÌNH 45

3.2.1 Bảng phân công đầu vào đầu ra khối PLC 45

3.3 LƯU ĐỒ THUẬT TOÁN 45

CHƯƠNG 5: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ CỦA GIẢI PHÁP ĐỀ XUẤT 56

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1 Tổ chức phân luồng ngã tư Châu Văn Liêm - Lê Quang Đạo – Mễ Trì 1

Hình 1.1 Đèn giao thông qua các thời kì 5

Hình 1.2 Hệ thống đèn tín hiệu giao thông ở thành phố Philadelphia, Mĩ 6

Hình 1.3 Hệ thống đèn giao thông ở Trung Quốc 6

Hình 1.4 Hệ thống giao thông thông minh tại một ngã tư [1] 7

Hình 2.1 Sơ đồ khối 16

Hình 2.2 PLC S7-1200 CPU 1214c DC/DC/DC 17

Hình 2.3 Sơ đồ đấu nối PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC 18

Hình 2 4 Biểu tượng phần mềm TIA-Portal V17 19

Hình 2 5 Create new project 19

Hình 2 6 Nhập tên cho dự án mới 20

Hình 2.7 Configure a device 20

Hình 2 8 Add new device 21

Hình 2 9 Chọn loại CPU 21

Hình 2.10 Một project mới hiện ra 22

Hình 2.11 Khởi tạo Wincc 22

Hình 2 12 Chọn Wincc 23

Hình 2 13 Chọn mạng giao tiếp truyền thông 23

Hình 2 14 Kết nối với Wincc với PLC 24

Hình 2 15 Giao diện chính của Wincc 24

Hình 2.16 Arduino Uno R3 25

Hình 2.17 Thông số Arduino Uno R3 26

Hình 2.18 Pycharm 28

Hình 2.19 Giao diện cài đặt pycharm 28

Hình 2.20 Cửa sổ setup pycharm 29

Hình 2.21 Chọn địa chỉ để setup pycharm 29

Hình 2.22 Thư mục start menu 30

Hình 2.23 Tiến hành cài pycharm 30

Hình 2.24 Cài đặt hoàn tất pycharm 31

Hình 2.25 Giao diện pycharm 31

Hình 2.26 Tạo dự án chho pycharm 32

Hình 2.27 Giao diện lập trình 32

Hình 2.28 Cấu tạo LED 07 đoạn [7] 33

Hình 2.29 Led 7 đoạn 74HC595 2 Led [8] 34

Hình 2.30 Sơ đồ đấu nối 36

Hình 2.31 Mô hình hệ thống 37

Hình 3.1 Ngã Tư Điện Biên Phủ giao Hà Huy Tập 38

Hình 3.2 Chu kì đèn hoạt động bình thường 43

Hình 3.3 Chu kì đèn hoạt động khi có dấu hiệu kẹt xe 43

Hình 3.4 Lưu đồ thuật toán chương trình chính 46

Hình 3.5 Lưu đồ thuật toán chế độ ban ngày 47

Hình 3.6 Lưu đồ thuật toán chế độ ban đêm 48

Hình 3.8 Lưu đồ thuật toán chế độ xe nhiều 49

Hình 3.9 Lưu đồ thuật toán chế độ xe ít 51

Hình 4.1 Giao diện giám trên điều khiển các tín hiệu giao thông 54

Hình 5.1 Mô hình sau khi hoàn thiện 56

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1.1 Phương pháp so sánh các lưu lượng xe 9

Bảng 1.2 Phương pháp so sánh nhận diện xe 9

Bảng 1.3 So sánh đề tài nghiên cứu với các đèn giao thông ở thực tế 11

Bảng 1.4 So sánh ưu nhược điểm của các ngã tư thực tế 12

Bảng 2.1 Thời gian sáng của các đèn 15

Bảng 2.2 Thời gian sáng của các đèn 15

Bảng 2.3 Thiết bị sử dụng trong đề tài 35

Bảng 3.1 Thời gian sáng của các đèn 41

Bảng 3.2 Khảo sát số lượng xe rẽ phải 42

Bảng 3.3 Thời gian sáng của các đèn 44

Bảng 3.4 Bảng địa chỉ đầu vào 45

Bảng 3.5 Bảng địa chỉ đầu ra 45

MỞ ĐẦU

1 Lý do chọn đề tài

Nhằm ứng dụng kiến thức đã học ở trường, sự hướng dẫn của giáo viên về thiết kế, lập trình, đấu dây và sự ứng dụng thực tế của chuyên ngành Điện- điện tử qua các môn học ở trường, nhóm em muốn thiết kế được một hệ thống bao hàm tất cả cá điều trên vào một đề tài cụ thể liên quan đến nó

Mô hình điều khiển đèn và giám sát giao thông ngã tư đã xuất hiện nhiều trong lĩnh vực giao thông vận tải và được sử dụng rộng rãi trong giao thông đường bộ, đường sắt, nhưng vẫn còn một số điểm chưa hoàn chỉnh về thời gian, gây ra sự ùn tắc, kẹt xe liên tục trên các tuyến đường vào giờ cao điểm

Và tham khảo 1 số giải pháp về giải pháp giảm ùn tắc giao thông trong đó có 1 giải pháp khá hay về phân luồng của Ông Dương Anh Tuấn người giành được giải nhất tại cuộc thi sáng kiến An toàn giao thông Việt Nam 2022 Đó là không được rẽ trái ở các nút thắt giao thông, chỉ được rẽ phải và đi thẳng

Hình 1 Tổ chức phân luồng ngã tư Châu Văn Liêm - Lê Quang Đạo – Mễ Trì

Với mong muốn giảm thiểu tình trạng trên nhóm em đã đi đến quyết định chọn đề tài:

“Xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát mạng lưới tín hiệu đèn giao thông: Áp

dụng phân luồng mạng lưới giao thông ”

2 Mục tiêu của đề tài

- Thiết kế, xây dựng mô hình giám sát lưu lượng xe và điều khiển đèn giao thông;

- Lập trình PLC điều khiển đèn giao thông ở nhiều chế độ:

• Chế độ bình thường: hệ thống đèn giao thông hoặt động với thời gian được cài

đặt trước

• Chế độ cảnh báo: hệ thống đèn hoạt động ở chế độ cảnh báo, tất cả đèn xanh và

đỏ ở hai tuyến đường ngừng hoạt động, đèn vàng ở cả hai tuyến nháy với tần số 1Hz

• Chế độ ưu tiên dọc: hệ thống đèn giao thông hoạt động cho phép ưu tiên tuyến đường số 1.Chế độ ưu tiên ngang: hệ thống đèn giao thông hoạt động cho phép ưu tiên

tuyến đường số 2

• Chế độ kết hợp với thời gian thực: hệ thống đèn giao thông hoạt động tự động, vào ban ngày (6giờ 00phút→22giờ 59phút) đèn hoạt động ở chế độ bình thường, vào

ban đêm (23giờ 00phút→5giờ 59p) đèn hoạt động ở chế độ cảnh báo

- Lập trình màn hình cho phép điều chỉnh thời gian đèn theo mong muốn - Điều khiền đèn giao thông ở các tuyến đường bộ

- Thiết kế tủ điều khiển hệ thống; - Xây dựng màn hình điều khiển, giám sát hệ thống đèn giao thông trên Wincc;

3 Các phương pháp thực hiện đề tài

3.1 Phương án điều khiển đèn giao thông bằng vi điều khiển:

Ngoài ưu điểm của phương pháp trên, phương pháp này còn có nhưng ưu điểm sau: + Do trong vi điều khiển có sử dụng các bộ timer, các hệ thống ngắt, câu lệnh đơn giản

nên việc lập trình đơn giản hơn + Trong mạch có thể sử dụng ngay bộ nhớ trong đối với chương trình có quy mô nhỏ rất tiện lợi mà vi xử lý không thực hiện được

3.2 Phương án điều khiển đèn giao thông với vi mạch dùng kĩ thuật vi xử lý:

Với phương pháp này có những ưu điểm sau:

+ Ta có thể thay đổi một cách linh hoạt bằng việc thay đổi phần mềm trong khi đó phần

cứng không thay đổi mà mạch dùng IC số không thể thực hiện được mà nếu có thể thực

hiện được thì cũng cứng nhác mà người công nhân khó tiếp cận, dễ nhầm

+ Số linh kiện sử dụng trong mạch cũng ít hơn Mạch đơn giản hơn mạch dùng IC số

Song do phần cứng của vi xử lý chỉ sử dụng CPU đơn chip mà không có các bộ nhớ RAM, ROM, các bộ timer, hệ thống ngắt Do vậy việc viết chương trình gặp nhiều khó khăn

3.3 Phương án điều khiển đèn giao thông với PLC:

Với phương án sử dụng PLC có nhưng ưu điểm sau: + Lập trình đơn giản, độ tin cậy cao

+ Chức năng điều khiển thay đổi dễ dàng bằng thiết bị lập trình (máy tính, màn hình)

mà không cần thay đổi phần cứng nếu không có yêu cầu thêm bớt các thiết bị nhập xuất

+ Thời gian hoàn thành một chu trình điều khiển rất nhanh

Vì vậy nhóm em sẽ chọn phương án dùng PLC để điều khiển Các bước thực hiện đề tài:

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ MẠNG LƯỚI ĐÈN GIAO THÔNG Ở

VIỆT NAM VÀ QUỐC TẾ

1.1 HỆ THỐNG MẠNG LƯỚI GIAO THÔNG ĐƯỢC SỬ DỤNG PHỔ BIẾN Ở VIỆT NAM VÀ THẾ GIỚI

1.1.1 Lịch sử ra đời và phát triển

Tháng 10 năm 1868, hệ thống đèn giao thông đầu tiên được lặp đặt ở Luân Đôn để báo hiệu cho những đoàn tàu đ ingang qua Trên cây cột hình khuỷu tay có hai chiếc đèn: một màu đỏ và một màu xanh dùng cho ban đêm Đèn đỏ nghĩa là dừng lại còn đèn xanh

là chú ý

Tháng 8 năm 1914, công ty tín hiệu đèn giao thông ra đời tại Mỹ và chịu trách nhiệm

lắp đặt đèn tại các ngã tư bang Ohio, khi đó tín hiệu đèn vẫn chưa có đèn vàng

Đến năm 1921, đèn tín hiệu mới có đủ ba màu: xanh, đỏ, vàng do sĩ quan cảnh sát

Williams Posst, sống tại thành phố Detroit sáng chế ra Sau năm 1923, hệ hống đèn tín hiệu vẫn phải có người vận hành

Năm 1950, đèn xanh đỏ tự động được sử dụng rộng rãi ở Canada và phát triển nhanh chóng trên thế giới Ngày nay, hệ thống đèn tín hiệu hiện đại hơn rất nhiều, tích hợp nhiều tính năng như “biết đếm”, đa chế độ hay tự động chụp hình xe vượt đèn đỏ

Hình 1.1 Đèn giao thông qua các thời kì

1.1.2 Hệ thống đèn tín hiệu giao thông ở Việt Nam

Ở Việt Nam thì đèn tín hiệu điều khiển giao thông đặt ở các ngã ba, ngã tư, ngã năm đường phố đông đúc, phức tạp là dùng để báo hiệu, điều khiển sự đi lại của các loại xe cộ người đi đường, nhằm đảm bảo trật tự giao thông, ngăn ngưa tai nạn, làm cho sự giao lưu trong thành thị được dễ dàng thuận lợi

1.1.3 Một số hình ảnh về đèn giao thông

Thành phố Philadelphia là một thành phố lớn ở Mĩ, ở đây có mạng lưới giao thông khá phức tạp Các kĩ sư ở thành phố này đang cố gắng kết nối tất cả các hệ thống đèn tín hiệu thành một mạng lưới cáp quang đến một trung tâm mà ở đó họ có thể tinh chỉnh được thời gian đèn xanh-đỏ-vàng vô cùng phức tạp từ xa để giữ cho giao thông được lưu thông tốt hơn và người đi bộ đó đủ thời gian qua đường

Hình 1.2 Hệ thống đèn tín hiệu giao thông ở thành phố Philadelphia, Mĩ

Hình 1.3 Hệ thống đèn giao thông ở Trung Quốc

Các hệ thống tín hiệu giao thông dùng nguồn năng lượng mặt trời ngày càng đuọc phổ biến ở Trung quốc Với nhu cầu năng lượng ngày càng cao trong khi đó năng lượng hoá thạch ngày càng trở nên han hiếm không đáp ứng đủ sự phát triển của nền kinh tế nên nước này đang hướng tới sự dụng nguồn năng lương mới và tái tạo là một truong những hướng đi chủ đảo để giải quyết vấn đề năng lượng

1.2 TẦM QUAN TRỌNG CỦA HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VÀ GIÁM SÁT MẠNG LƯỚI TÍN HIỆU ĐÈN GIAO THÔNG NGÃ TƯ

Tính đến thời điểm này Việt Nam đã và đang thực hiện rất nhiều công cuộc quy hoạch ở những đô thị lớn khác nhau, vì vậy có thể nói mô hình giao thông ngã tư đã trở thành mô hình chiếm đa số trong mạng lưới giao thông Việt Nam

Vì mạng lưới giao thông đa phần là kiểu mẫu ngã tư cho nên rất cần một hệ thống giám sát và điều khiển thông minh để điều khiển, giám sát và phân luồng giao thông

Hình 1.4 Hệ thống giao thông thông minh tại một ngã tư [1]

Bên cạnh đó lĩnh vực giao thông ở Việt Nam hiện nay còn rất hạn chế, các tín hiệu giao thông đa số được thiết kế và tính toán rời rạc, độc lập với nhau, không phù hợp với mô hình giao thông với nhiều ngã tư Tín hiệu giao thông được thiết kế độc lập tuy đơn giản và hệ thống hoạt động tương đối ổn định nhưng cũng có rất nhiều hạn chế Hạn chế lớn nhất là việc điều khiển tín hiệu được hoạt động dựa trên những tính toán có sẵn, chu kỳ pha tín hiệu được thiết lập cố định từ đầu làm cho các phương tiện lưu thông tham gia trên các tuyến đường có mật độ lưu thông có sự chênh lệch nhất định trong những thời điểm khác nhau, các phương tiện tham gia giao thông ở những tuyến đường có mật độ lưu thông cao sẽ tích lũy theo thời gian của pha đèn, điều này dẫn đến tình trạng mất kiểm soát và ùn tắt giao thông thường xuyên xảy ra

Trong đề tài này, nhóm xây dựng hệ thống điều khiển và giám sát hệ thống mạng lưới tín điệu đèn giao thông tại ngã tư có thể thay đổi chu kỳ thời gian sáng của tín hiệu phù hợp với từng mật độ phương tiện lưu thông, giám sát hoạt động của các tín hiệu đèn giao thông, phân luồng và liên kết các nút giao thông với nhau

1.3 TÌM HIỂU SO SÁNH CÁC PHƯƠNG PHÁP ĐO LƯU LƯỢNG XE

Hiện nay, dựa vào tiêu chí đánh giá và độ thuận tiện, phương pháp đo lưu lượng thông thường và được sử dụng nhiều nhất là sử dụng cảm biến đo, kết hợp với phương pháp xử lý ảnh từ camera để cung cấp thông tin chi tiết và đa chiều về tình trạng giao thông

1.3.1 Phương pháp thu thập dữ liệu từ cảm biến

Phương pháp thu thập dữ liệu từ cảm biến là phương pháp lắp đặt các cảm biển trên đường đi, các cảm biến này nhận tín hiệu từ các phương tiện lưu thông qua lại rồi thực hiện xử lý, tính toán mật độ các phương tiện để gửi về trạm trung tâm điều khiển Từ các dữ liệu được gửi về từ cảm biến, có thể thiết lập những chương trình điều khiển tự động phù hợp với từng trạng thái

1.3.2 Phương pháp xử lý ảnh từ camera

Phương pháp xử lý ảnh từ camera đã trở thành một công cụ quan trọng trong việc giám sát và quản lý giao thông tại các giao lộ Các hệ thống camera này không chỉ thu thập dữ liệu hình ảnh mà còn ghi lại mật độ lưu thông của các phương tiện Dữ liệu này sau đó được truyền về trung tâm điều khiển, nơi mà các thuật toán và chương trình điều khiển phức tạp được áp dụng để phân tích và đưa ra các quyết định phù hợp nhằm cải thiện luồng giao thông, tăng cường an toàn và hiệu suất hoạt động của hệ thống giao thông

1.3.3 So Sánh

Bảng 1.1 Phương pháp so sánh các lưu lượng xe

Phương pháp thu thập dữ liệu từ cảm biến

- Hoạt động ổn định, chính xác với hiệu suất cao, không bị môi trường ảnh hưởng

- Tiết kiệm được chi phí xây dựng, tiết kiệm được dữ liệu bộ nhớ trong hệ thống lưu trữ

- Tuổi thọ cao

- Phạm vi thu nhận tín hiệu có giới hạn

- Không thể thu nhận sự vật cụ thể làm cho việc giám sát còn nhiều hạn chế

- Chi phí tốn kém - Có khả năng thu nhập hình - Hiệu suất hoạt động bị ảnh Phương pháp xử lý ảnh và thông tin một cách rõ hưởng bởi điều kiện môi ảnh từ camera ràng giúp người điều hành dễ trường

dàng giám sát và điểu khiển

- Cần có hệ thống lưu trữ có dung lượng lớn

Trong phạm vi đề tài này, em dùng phương pháp xử lý ảnh để giám sát lưu lượng xe để được chính xác và ổn định nhất

Trong phạm vi đề tài này, em dùng phương pháp xử lý ảnh để giám sát lưu lượng xe để được chính xác và ổn định nhất:

Về phương pháp xử lý ảnh thì sẽ có 2 phương pháp: dùng AI để nhận diện xe và nhận diện bằng thủ công;

Bảng 1.2 Phương pháp so sánh nhận diện xe

Dùng AI để nhận diện xe (dùng YOLO)

Nhận diện bằng thủ công

Khái niệm Là một thuật toán phổ biến

trong việc phát hiện đối tượng trong ảnh và video bằng trí tuệ nhân tạo

Chuyển dữ liệu hình ảnh thành nền đen trắng để nhận diện xe (nền màu đen, có xe di chuyển là màu trắng)

Ưu điểm Xác định và định vị nhanh

chóng các đối tượng trong hình ảnh và video một các chính xác và hiệu quả

Dễ dàng tiếp cận với nhiều người, phù hợp với các máy có cấu hình thấp

Nhược điểm Đòi hỏi máy tính có cấu

hình cao, thuật toán khó tiếp cận

Mức độ nhận diện không được chuẩn xác (có sai số)

Trong 2 trường hợp này bọn em chọn làm theo phương án thủ công

1.4 MÔ HÌNH ĐỀ XUẤT

Trong đề tài này nhóm đề xuất “Xây dựng hệ thông điều khiển và giám sát mô hình mạng lưới tín hiệu giao thông áp dụng vào điều khiển mô hình mạng lưới giao thông” Sử dụng các camera để xử lý ảnh giám sát lưu lượng xe, và các phương pháp điều khiển, giám sát tín hiệu đèn giao thông theo hướng thông minh để phần nào giải quyết tình trạng mất kiểm soát, ùn tắc và tai nạn

Mô hình hệ thống khi được xây dựng phải đảm bảo các tiêu chí sau: - Hệ thống hoạt động chính xác, ổn định và lâu dài

- Các tính năng được thiết lập tạo được độ thuận tiện tin cậy cho người điều hành - Tiết kiệm năng lượng và bảo vệ môi trường

Giải pháp kỹ thuật - Thiết lập hệ thống các đèn tín hiệu và camera tại các ngã tư - Xây dựng các chuẩn truyền thông để giao tiếp dữ liệu với nhau từ trung tâm điều khiển đến các nút giao thông trong mạng lưới

- Thiết kế giao diện giám sát để thuận tiện trong việc vận hành và kiểm tra các quá trình hoạt động

1.4.1 So sánh đề tài nghiên cứu với các đèn giao thông ở thực tế

Bảng 1.3 So sánh đề tài nghiên cứu với các đèn giao thông ở thực tế

Ngã tư phân cấp có đường ưu tiên (đang nghiên cứu)

Ngã tư không có phân cấp, có đường ưu tiên

Ngã 4 đường Ngô Quyền giao Phạm Văn Đồng (ngoài thực tế)

Nguyên Tắc hoạt động

Đèn giao thông thường được cài đặt để ưu tiên các phương tiện trên đường chính hoặc đường lớn hơn, trong khi các phương tiện từ các hướng khác phải chờ đợi

Hoạt động ở 2 chế độ: chế độ kẹt xe và chết độ xe bình thường

Cũng có đèn giao thông ưu tiên, nhưng không có sự phân biệt rõ ràng về đường chính hay phụ, mà tất cả các hướng đều có thể được ưu tiên theo lịch trình

Chỉ hoạt động 1 chu kỳ xe bình thường

Đèn giao thông thường được cài đặt để ưu tiên các phương tiện trên đường chính hoặc đường lớn hơn, trong khi các phương tiện từ các hướng khác phải chờ đợi Chỉ hoạt động 1 chu kỳ xe bình thường

Sự ổn định của luồng giao thông

Có thể xảy ra hiện tượng chờ đợi lâu cho các phương tiện từ các hướng không được ưu tiên khi có lượng giao thông lớn từ hướng được ưu tiên

Cũng có đèn giao thông ưu tiên, nhưng không có sự phân biệt rõ ràng về đường chính hay phụ, mà tất cả các hướng đều có thể được ưu tiên theo lịch trình

Có thể xảy ra hiện tượng chờ đợi lâu cho các phương tiện từ các hướng không được ưu tiên khi có lượng giao thông lớn từ hướng được ưu tiên

Tính an toàn giao thông

Có thể tạo ra các điểm đen giao thông do sự chênh lệch về ưu tiên giữa các hướng

Thường ít gây ra các tình huống mâu thuẫn về ưu tiên và do đó, có thể tăng cường an toàn giao thông

Có thể tạo ra các điểm đen giao thông do sự chênh lệch về ưu tiên giữa các hướng

Cơ sở hạ tầng và chi phí

Thường đòi hỏi cơ sở hạ tầng phức tạp hơn, bao gồm việc cài đặt và duy trì hệ thống đèn giao thông

Cần ít cơ sở hạ tầng phức tạp hơn và do đó, chi phí thường ít hơn

Thường đòi hỏi cơ sở hạ tầng phức tạp hơn, bao gồm việc cài đặt và duy trì hệ thống đèn giao thông

Các hướng xe có thể di chuyển

Được đi thằng, rẻ phải, không được rẻ trái

Có thể di chuyển trái, phải, đi thằng

Có thể di chuyển trái, phải, đi thằng

1.4.2 So sánh ưu nhược điểm của các ngã tư thực tế

Bảng 1.4 So sánh ưu nhược điểm của các ngã tư thực tế

Ngã tư phân cấp có đường ưu tiên (đang nghiên cứu)

Ngã tư không có phân cấp, có đường ưu tiên

Ngã 4 đường Ngô Quyền giao Phạm Văn Đồng (ngoài thực tế)

Ưu điểm Giảm ùn tắc giao

thông hiệu quả hơn, đèn giao thông linh hoạt hơn (có 2 chế độ)

Chi phí phù hợp, phù hợp ở các tuyến đường nhỏ

Giảm ùn tắc giao thông ở các tiến đường ưu tiên khá hiệu quả

Nhược điểm Chi phí khá cao, bị

hạn chế ở các tuyến đường nhỏ

Mức độ ùn tắc giao thông rất cao

Không được linh hoạt khi có dấu hiệu kẹt xe, khi kẹt xe thì rất khó để giải quyết nhanh chóng

1.5 TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI

Giảm ùn tắc: Phân luồng giao thông theo hướng trên có thể giúp giảm thiểu ùn tắc giao thông tại ngã tư Hệ thống mạng lưới giao thông được sử dụng phổ biến ở việt nam và thế giới

Tăng cường an toàn: Phân luồng giao thông có thể giúp giảm nguy cơ va chạm và tai nạn giao thông tại ngã tư

Tăng hiệu suất: Phân luồng giao thông có thể cải thiện hiệu suất của hệ thống giao thông bằng cách tối ưu hóa sự di chuyển của các loại phương tiện

Giảm ô nhiễm môi trường: Bằng cách giảm thiểu ùn tắc và tối ưu hóa di chuyển của các phương tiện, việc phân luồng giao thông có thể giảm lượng khí thải và tiếng ồn gây ra từ phương tiện giao thông, từ đó giúp cải thiện chất lượng môi trường sống xung quanh ngã tư

1.6 MỤC TIÊU NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI

Đánh giá tình hình hiện tại: Phân tích và đánh giá tình hình giao thông tại ngã tư Điện Biên Phủ, Hà Huy Tập để hiểu rõ các vấn đề và thách thức đang tồn tại, bao gồm mức độ ùn tắc, tần suất xảy ra tai nạn, tác động của lưu lượng giao thông vào các thời điểm khác nhau trong ngày

Xác định các yếu tố ảnh hưởng: Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình phân luồng giao thông tại ngã tư, bao gồm đặc điểm địa hình, mật độ dân cư, cấu trúc hạ tầng giao thông, quy định pháp lý và các yếu tố khác

Phát triển mô hình phân luồng: Xây dựng một mô hình hoặc giải pháp công nghệ để phân luồng giao thông theo hướng trên tại ngã tư Mô hình này có thể bao gồm sự kết hợp giữa các biện pháp cơ sở hạ tầng, như cải thiện đường đi, bố trí biển báo, hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông, và sự ứng dụng của công nghệ thông tin và trí tuệ nhân tạo

Đánh giá và so sánh: Đánh giá hiệu quả của mô hình phân luồng giao thông phát triển thông qua các chỉ số như tăng cường hiệu suất giao thông, giảm thiểu ùn tắc và tai nạn giao thông, cũng như đánh giá tính khả thi và hiệu quả kinh tế của việc triển khai mô hình này so với các phương án khác

Đề xuất các biện pháp cải thiện: Dựa trên kết quả nghiên cứu, đề xuất các biện pháp cải thiện và điều chỉnh hạ tầng giao thông để tối ưu hóa phân luồng giao thông tại ngã tư Điện Biên Phủ, Hà Huy Tập nhằm cải thiện hiệu suất và an toàn giao thông

1.7 ĐỐI TƯỢNG NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

Ngã tư Điện Biên Phủ, Hà Huy Tập: Đây là đối tượng trực tiếp của nghiên cứu, nơi mà các phương tiện giao thông gặp nhau và tạo thành điểm nút giao thông Các biến thể về mật độ xe cộ, lưu lượng giao thông và cấu trúc địa hình của ngã tư này sẽ được nghiên cứu để hiểu rõ hơn về các thách thức và cơ hội trong việc phân luồng giao thông Người tham gia giao thông: Bao gồm người lái xe, người đi bộ và người sử dụng phương tiện công cộng Nghiên cứu sẽ phải xem xét cách mà các biện pháp phân luồng giao thông ảnh hưởng đến hành vi và trải nghiệm của người tham gia giao thông, bao gồm thời gian di chuyển, sự an toàn và sự thoải mái

CHƯƠNG 2: XÂY DỰNG MÔ HÌNH GIAO THÔNG NGÃ TƯ

2.1 TỔNG QUAN VỀ HỆ THỐNG

2.1.1 Quy trình Công nghệ của hệ thống

Hệ thống đèn giao thông tại ngã tư làm việc với chế độ thời gian thực Từ 6 giờ 00 phút – 21 giờ 59 phút: Hệ thống làm việc với thời gian ở chế độ ban ngày và thời gian sáng của tín hiệu đèn của chế độ ban ngày hoạt động theo bảng sau:

Bảng 2.1 Thời gian sáng của các đèn

Xanh 1 Vàng 1 Đỏ 1 Xanh 2 Vàng 2 Đỏ 2 50 giây 3 giây 40 giây 37 giây 3 giây 53giây Từ 22 giờ 00phút – 5 giờ59phút: Đèn giao thông hoạt động ở chế độ cảnh báo, đèn xanh và đỏ ở các tuyến tắt, đèn vàng ở tuyến 1 và tuyến 2 nháy với tần số 1Hz

Ngoài ra hệ thống đèn tín hiệu sẽ có thêm 2 chế độ hoạt động trong: Hệ thống ở chế độ ban ngày là: chế độ kẹt xe và chế độ xê bình thường:

Sau đây là bảng so sánh chế độ kẹt xe ở đèn giao thông có phân luồng thông minh và phân luồng bằng thủ công:

Bảng 2.2 Thời gian sáng của các đèn

Chế độ kẹt xe ở đèn giao thông có phân luồng thông minh

Chế độ kẹt xe ở đèn giao thông có phân luồng thủ công

giao thông được điều khiển tự động dựa trên dữ liệu thời gian thực về lưu lượng giao thông hoặc các thông tin từ dữ liệu ở camera gửi về Hệ thốngsử dụng các thuật toán và công nghệ thông

Là hệ thống đèn giao thông có phân luồng thủ công, chế độ kẹt xe thường được xác định và xử lý bằng cách thủ công từ các nhân viên điều khiển giao thông hoặc qua các hệ thống

tin để điều chỉnh thời gian và phân luồng của các đèn giao thông

quản lý giao thông tập trung

với việc không cho cái phương tiện rẽ trái thì mức độ kẹt xe cũng được giải quyết nhanh hơn,

Hiện đại hơn, tối ưu hơn

Có thể linh động giải quyết nhanh chóng vấn đề kẹt xe, tăng sự ân toàn ở các luồng giao thông, linh động hỗ trợ các phương tiện cản trở gây kẹt xe

Nhược diểm Có các yếu tố khách

quan làm kẹt xe thì không thể giải quyết nhanh chóng, chi phí lắp đặt khá tốn kém

Tốn kiếm Chi phí nhân công, yếu tố con người,

− Khối điều khiển: Bộ điều khiển PLC S7 1200 DC/DC/DC, màn hình WinCC cài đặt thời gian

− Khối thiết bị chấp hành (Khối thực thi): Gồm các đèn xanh, đỏ, vàng của các làn được điều khiển bởi bộ PLC

Program/data memory 100 KB (6ES7214-1AG40-0XB0) Em đã lựa chọn PLC này vì nó đáp ứng tất cả các yêu cầu công nghệ đã đặt ra và số lượng đầu vào/ra phù hợp, có khả năng truyền dữ liệu lên Webserver

Tích hợp cổng truyền thông Profinet (Ethernet) tạo sự dễ dàng trong kết nối Tích hợp sẵn các đầu vào ra, cùng với các board tín hiệu, khi cần mở rộng ứng dụng với số lượng đầu vào ra ít sẽ tiết kiệm được chi phí, không gian và phần cứng

Máy tính trung tâm có truy nhập đến từng modul

Hình 2.2 PLC S7-1200 CPU 1214c DC/DC/DC

Các chức năng nổi bật của CPU 1214C DC/DC/DC

Có 6 bộ đếm tốc độ cao HSC dùng cho các ứng dụng đếm và đo lường Có 2 ngõ ra PTO 100kHz để điều khiển tốc độ, động cơ bước hay servo Có ngõ ra PWM điều chế độ rộng xung cho các ứng dụng điều khiển tốc độ động cơ, valve, nhiệt độ

Có 16 bộ điều khiển PID với tính năng tự động xác định thông số cho bộ điều khiển (Autotuning)

Sơ đồ đấu dây PLC CPU 1214C DC/DC/DC

Hình 2.3 Sơ đồ đấu nối PLC S7-1200 CPU 1214C DC/DC/DC

2.2.2.2 Phần mềm TIA-Portal V17

a Giới thiệu SIMATIC 7 Basic

Step 7 Basic là một hệ thống kỹ thuật đồng bộ đảm bảo hoạt động liên tục hoàn hảo Thông minh và trực quan cấu hình phần cứng kỹ thuật và cấu hình mạng, chuẩn

đoán, lập trình và nhiều hơn nữa Trực quan dễ dàng để tìm hiểu và dễ dàng để hoạt động [6]

b Các bước tạo một project

Bước 1: Từ màn hình desktop nhấp đúp chọn biểu tượng TIA Portal V17

Hình 2 4 Biểu tượng phần mềm TIA-Portal V17

Bước 2: Click chuột vào “Create new project” để tạo dự án

Hình 2 5 Create new project

Bước 3: Nhập tên dự án vào “Project name” sau đó nhấn “Creat

Hình 2 6 Nhập tên cho dự án mới

Bước 4: Chọn “configure a device”

Hình 2.7 Configure a device

Bước 5: Chọn “add new device”

Hình 2 8 Add new device

Bước 6: Chọn loại CPU PLC sau đó chọn “add”

Hình 2 9 Chọn loại CPU

Bước 7: Project mới được hiện ra

Hình 2.10 Một project mới hiện ra

2.2.2.3 WinCC

a Tổng quan về Wincc

WinCC (Windows Control Center) đây là chương trình ứng dụng dùng để giám sát, thu thập dữ liệu và điều khiển tự động quá trình sản xuất Theo nghĩa hẹp, WinCC là một chương trình HMI (Human Machine Interface) chuyên dụng, được thiết kế để hỗ trợ việc tạo giao diện người – máy WinCC cho phép người sử dụng dễ dàng tạo ra các giao diện điều khiển, giúp quan sát mọi hoạt động của quá trình tự động hóa Phần mềm WinCC được tích hợp trong TIA Portal giúp ta dễ dàng trao đổi dữ liệu trực tiếp với PLC

b Làm việc với Wincc

Trong màn hình giao diện của TIA Portal ta nhấn “Add new device”

Hình 2.11 Khởi tạo Wincc

Xuất hiện cửa sổ, ta chọn “PC systerms” “SIMATIC HMI application” “WinCC RT Professional”

Hình 2 12 Chọn Wincc

Kết nối WinCC với PLC: Sau khi tạo project sẽ xuất hiện giao diện thiết bị

(Devica view), chúng ta cần chọn mạng giao tiếp truyền thông của thiết bị: Nhấn “Comunications module” “PROFINET/Ethernet” “IE general”

Hình 2 13 Chọn mạng giao tiếp truyền thông

Tiếp theo, nhấn “Network view” “Connections”, và Kéo thả chuột từ module PLC sang module WinCC để kết nối

Hình 2 14 Kết nối với Wincc với PLC

Tạo giao diện giám sát, điều khiển trên WinCC: Nhấn “PC-System_1” và “HMI_RT_1” và “Add new creen” Màn hình giao diện chính xuất hiện

Hình 2 15 Giao diện chính của Wincc

2.2.2.4 ARDUINO

Arduino là một bo mạch vi điều khiển được sử dụng để cảm nhận và điều khiển các đối tượng khác nhau Nó có thể thực hiện nhiều nhiệm vụ lấy tín hiệu từ cảm biến đến điều khiển đèn, động cơ và nhiều đối tượng khác Mạch còn có khả năng liên kết với người Module khác nhau như module đọc thẻ từ, ethernet shield, sim900A để tăng khả năng ứng dụng của mạch

Phần cứng bao gồm một board mạch nguồn mở được thiết kế trên nền tảng vi xử lý AVR Atmel 8bit hoặc ARM, Atmel 32bit.… Hiện phần cứng của Arduino có tất cả 6 phiên bản , Phiên bản được sử dụng nhất là Arduino Uno R3 và Arduino Mega Trong mô hình này , nhóm sử dụng phiên bản Arduino Uno

Arduino Uno là Nhắc tới dòng mạch Arduino dùng để lập trình, cái đầu tiên mà người ta thường nói tới chính là dòng Arduino UNO Hiện dòng mạch này đã phát triển tới thế hệ thứ 3 (R3)

Hình 2.16 Arduino Uno R3