Luận văn thạc sĩ Khoa học máy tính: Xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe sử dụng dữ liệu GPS

Những khuyết điểm này xảy ra do thiết bị có thể có độ tin cậy kém, thời tiết tại nơi nhận tín hiệu không quang đãng, luồng xe di chuyển với tốc độ không đều nhau, … Khi ghi nhận được đầy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS Phạm Trần Vũ

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS Nguyễn Anh Tuấn

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Cán bộ chấm nhận xét 2 :TS Lê Thanh Vân

(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký) Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp HCM ngày 22 tháng 07 năm 2013

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 TS Huỳnh Tường Nguyên

2 TS Võ Thị Ngọc Châu 3 TS Phạm Trần Vũ 4 TS Nguyễn Anh Tuấn 5 TS Lê Thanh Vân Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Ngày, tháng, năm sinh: 20-10-1984 Nơi sinh: Tiền Giang

Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số : 604801

I TÊN ĐỀ TÀI: Xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe sử dụng dữ liệu GPS

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Trình bày các cơ sở xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe dựa trên dữ liệu GPS thu thập được từ các xe buýt đang lưu thông trên đường Xây dựng kiến trúc của một hệ thống thu nhận thông tin vận tốc, xử lý thông tin dựa vào bản đồ nền, và lưu trữ kết quả tính toán Luận văn đề xuất các hàm tính toán vận tốc đại diện Cuối cùng, luận văn cũng nêu ra kết quả chạy thử nghiệm trên một tập dữ liệu mẫu và so sánh, đánh giá các kết quả chạy thử này

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21-01-2013 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20-06-2013 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên):

LỜI CẢM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn tận tình của nhiều thầy cô, những lời góp ý, nhận xét của các bạn, và những lời động viên từ người thân, gia đình

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Phạm Trần Vũ vì đã hướng dẫn toàn bộ luận văn này, thầy đã đưa ra những gợi ý ban đầu, hướng dẫn quá trình xây dựng và đánh giá, nhận xét, chỉnh sửa từng phần trong luận văn này

Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô khoa Khoa học và kỹ thuật máy tính trường ĐH Bách Khoa, đã cung cấp cho tôi những kiến thức nền tảng, những khơi gợi về ý tưởng và phương pháp khoa học để có thể hoàn thành được luận văn này

Tôi xin cảm ơn các bạn, các đồng nghiệp của tôi đã quan tâm, trao đổi ý kiến, động viên tôi hoàn thành được luận văn này

TP Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 06 năm 2013 Trần Trung Tín

TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ

Luận văn này trình bày các cơ sở xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe dựa trên dữ liệu GPS thu thập được từ các xe buýt đang lưu thông trên đường Sau đó, luận văn đề xuất kiến trúc của một hệ thống thu nhận thông tin vận tốc, xử lý thông tin dựa vào bản đồ nền, và lưu trữ kết quả tính toán Luận văn đề xuất các hàm tính toán vận tốc đại diện Cuối cùng, luận văn cũng nêu ra kết quả chạy thử nghiệm trên một tập dữ liệu mẫu và so sánh, đánh giá các kết quả chạy thử này

This thesis presents the basis for developing solutions to the flow velocity of the vehicle based on GPS data collected from the bus on the road Then, the thesis proposed a architecture of system which can collect information of speed, information processing with database of map, and store, show the results The thesis proposes some functions representing the way of calculation Finally, the thesis also describes the test results run on a sample data set and compare the test results

LỜI CAM ĐOAN

Tôi cam đoan rằng ngoại trừ các kết quả tham khảo từ các công trình khác như đã ghi rõ trong luận văn, các công việc trình bày trong luận văn này là do chính tôi thực hiện và chưa có phần nội dung nào của luận văn này được nộp để lấy một bằng cấp ở trường đại học nào khác

TP Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 06 năm 2013

Trần Trung Tín

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 11

NỘI DUNG 16

Chương 1 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI 16

1.1 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 16

1.2 Sản phẩm 17

Chương 2 CƠ SỞ CỦA ĐỀ TÀI 19

2.1 Tính khả dụng của thông tin tốc độ thu được từ GPS 19

2.2 Giám sát thời gian thực người sử dụng điện thoại tại đô thị 21

2.3 Lý thuyết dòng xe lưu thông 23

Chương 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 28

3.1 Kiến trúc hệ thống 28

3.2 Bản đồ nền 31

3.3 Phân đoạn đường 31

3.4 Điểm thông tin tốc độ 32

5.2 Mục tiêu không đạt được 60

5.3 Đề xuất hướng phát triển đề tài 60

DANH MỤC HÌNH

Hình 1 Đoạn đường Cách Mạng Tháng 8 13

Hình 2 Đoạn đường Lý Thường Kiệt 14

Hình 3 Lược đồ chia đoạn trong thí nghiệm 20

Hình 4 Thống kê từ dữ liệu GPS 20

Hình 5 Thống kê từ dữ liệu đo vòng tua bánh xe 21

Hình 6 Thuật toán định vị DFL(màu đỏ)và bộ lộc theo dõi (màu xanh) 22

Hình 7 Mô phỏng mật độ máy điện thoại trên bản đồ thành phố Rome 22

Hình 8 Quan hệ vận tốc xe – Lưu lượng xe 24

Hình 9.: Quan hệ số lượng xe – Lưu lượng xe 25

Hình 10 Quan hệ vận tốc xe – Số lượng xe 26

Hình 11 Thiết kế kiến trúc của hệ thống 30

Hình 12 Mô tả một phân đoạn đường 31

Hình 13 Con đường 2 chiều được phân đoạn đường 32

Hình 14 Điểm thông tin tốc độ nằm ngoài phân đoạn đường 33

Hình 15 Điểm thông tin tốc độ thuộc về phân đoạn đường 33

Hình 16 Điểm thông tin tốc độ nằm ngoài phân đoạn đường 33

Hình 17 Lưu đồ quá trình duyệt các phân đoạn đường và xác định điểm tốc độ 34

Hình 18 Quy trình xử lý thông tin tốc độ nếu không có phân hoạch bản đồ 36

Hình 19 Quy trình xử lý thông tin tốc độ với phân hoạch bản đồ 37

Hình 20 Phân hoạch bản đồ nền 38

Hình 21 Các phân đoạn đường liền kề theo các khung thời gian 39

Hình 22 Lưu đồ phương pháp tính vận tốc đại diện dựa vào thông tin tham khảo các phân đoạn đường liền kề 41

Hình 23 Mô tả khái niệm “Node” và “Phân đoạn đường” trên bản đồ nền 44

Hình 24 Đánh số định danh phân hoạch bản đồ 49

Hình 25 Các phân đoạn đường thuộc đường Cách Mạng Tháng 8 49

Hình 26 Đường Cách Mạng Tháng 8 vào lúc 7 giờ 15 ngày 09-11-2012 50

Hình 28 Đường Cách Mạng Tháng 8 vào lúc 7 giờ 15 ngày 09-11-2012 53

Hình 30 Đường Cách Mạng Tháng 8 vào lúc 7 giờ 15 ngày 09-11-2012 56

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1 Tính toán vận tốc đại diện bằng thông tin các phân đoạn đường liền kề 40

Bảng 2 Tính toán vận đốc đại diện bằng khung thời gian trong quá khứ 40

Bảng 3 Bảng Q trong phương pháp loại biên Q-Test của Dixon 42

Bảng 4 Thành phần thông tin của một node 45

Bảng 5 Thành phần thông tin của một con đường 45

Bảng 6 Độ rộng quy ước của các con đường trong bản đồ nền 46

Bảng 7 Bảng “Street” trong CSDL của hệ thống 46

Bảng 8 Bảng “Segment” trong CSDL của hệ thống 47

Bảng 9 Bảng “Node” trong CSDL của hệ thống 47

Bảng 10 Các thành phần dữ liệu trong tập tin giám sát hành trình xe buýt 48

Bảng 11 Bảng “SegmentDetails” trong CSDL của hệ thống 48

DANH MỤC BIỂU ĐỒ

Biểu đồ 1 PP Trung bình cộng - Phân đoạn đường 2290, 2291, 2292 51 Biểu đồ 2 PP Trung bình cộng – Diễn biến vận tốc đường CMT8 qua thời gian 7 giờ 30 đến 8 giờ 15 52 Biểu đồ 3 PP Hàm điều hoà - Phân đoạn đường 2261, 2263 2264 54 Biểu đồ 4 PP Hàm điều hoà – Diễn biến vận tốc đường CMT8 qua thời gian 7 giờ 30 đến 8 giờ 15 55 Biểu đồ 5 PP Số trung vị - Phân đoạn đường 2268, 2269, 2271 57 Biểu đồ 6 PP Số trung vị – Diễn biến vận tốc đường CMT8 qua thời gian 8 giờ 30 đến 9 giờ 00 58 Biểu đồ 7 So sánh 3 phương pháp vào lúc 7 giờ 30 59 Biểu đồ 8 So sánh 3 phương pháp vào lúc 12 giờ 00 59

MỞ ĐẦU Giới thiệu bài toán

Đánh giá tình trạng giao thông của một khu vực hay một mạng lưới đường xá là bài toán quan trọng của giao thông Việt Nam Trong các phương pháp ghi nhận dữ liệu, các hệ thống GPS kết hợp mạng dữ liệu GPRS/3G chiếm ưu thế do cơ sở hạ tầng GPRS/3G sẵn có, độ phủ gần như toàn bộ lãnh thổ Việt Nam, thiết bị GPS không mất phí thuê bao và hoạt động trên mọi địa hình, vị trí Mặt khác, tại các đô thị của Việt Nam, số lượng điện thoại tích hợp GPS đang gia tăng số lượng bán ra với tốc độ rất cao Người sử dụng điện thoại không những ghi nhận được vị trí của họ và gửi về trung tâm, mà còn có thể nhận dữ liệu cảnh báo từ trung tâm, qua đó sẽ biết được các khu vực ùn tắc, hoặc lộ trình đi nhanh nhất

Dữ liệu GPS nhận được từ một thiết bị bao gồm thông tin địa lý và thời điểm thu nhận thiết bị đó, tần suất nhận dữ liệu này có thể dày hoặc thưa tuỳ và thiết bị cụ thể hoặc cài đặt của người dùng Với dữ liệu nhận từ 2 thời điểm, chúng ta có thể tính ra khoảng cách và vận tốc tức thời của quãng đường giữa 2 thời điểm nói trên Một luồng xe di chuyển được định nghĩa là nhiều phương tiện đang di chuyển và cùng thuộc một giới hạn không gian là một đoạn của một con đường cụ thể Chúng tôi cho rằng, với nhiều nguồn thông tin từ nhiều thiết bị xuất hiện tại cùng môt không gian và thời gian, thì có thể tính toán để biết được vận tốc trung bình chung của luồng đi chuyển này Tuy nhiên, nguồn dữ liệu này có một hoặc nhiều khuyết điểm: độ tin cậy thấp, bị nhiễu, tần suất ghi nhận thông tin khác nhau, dữ liệu ghi không liên tục theo thời gian, … Những khuyết điểm này xảy ra do thiết bị có thể có độ tin cậy kém, thời tiết tại nơi nhận tín hiệu không quang đãng, luồng xe di chuyển với tốc độ không đều nhau, …

Khi ghi nhận được đầy đủ các giá trị vận tốc trung bình của mọi đoạn đường trong một mạng đường giao thông trong một khu vực, chúng ta có thể kết luận về tình trạng giao thông của khu vực đó

Mục tiêu của đề tài là đề ra những phương thức để xử lý từ dữ liệu nhận về đến kết luận một giá trị vận tốc của một đoạn đường nhất định tại một thời điểm nhất định, đồng thời đánh giá độ tin cậy của kết luận này Dữ liệu kết luận được từ quá khứ và một số quy tắc phân xử cũng được sử dụng cùng với dữ liệu thu nhận Mặt khác, với một yêu cầu về độ tin cậy cho trước, đề tài cũng chỉ ra cách thức xác định yêu cầu độ lớn của mẫu và cấu trúc mãu cần phải ghi nhận dữ liệu

Chúng tôi đặt giả thuyết rằng trong một giới hạn về không gian, khi có một số lượng người sử dụng cùng lúc chuyển dữ liệu tốc độ của từng người về trung tâm; thì chúng tôi có thể tính toán để đi đến kết luận về tốc độ trung bình chung của luồng xe đang di chuyển (hoặc đứng yên) trong không gian đã nêu Chúng tôi cũng đặt giả thuyết về một hàm liên quan giữa độ tin cậy của phép tính tốc độ trung bình và số lượng mẫu tín hiệu thu được đã sử dụng để tính toán

Phương pháp chính của đề tài là kiểm chứng thực nghiệm và thống kê toán học Chúng tôi sẽ tiến hành các thí nghiệm thu nhận mẫu từ nhiều thiết bị khác

độ tin cậy của các kết luận Chúng tôi cũng trình bày các phương pháp tiền xử lý dữ liệu và cơ sở lý luận của các quy tắc phân xử

Tính cấp thiết của đề tài

Một trong những vấn đề nổi bật của bài toán giao thông tại các đô thị hiện này là làm sao xác định được vận tốc di chuyển của luồng xe tại nhiều vị trí khác nhau của hệ thống đường giao thông trong cùng một thời điểm Từ đó có thể đưa ra các dự báo ùn tắc; hoặc làm thông tin đầu vào cho các chương trình tính toán lộ trình nhanh nhất theo thời gian Để xác định vận tốc di chuyển của luồng xe, có nhiều phương pháp đã được đề xuất hoặc áp dụng: camera quan sát gắn cố định gửi hình ảnh về trung tâm và người điều hành đưa ra kết luận; nhận thông tin từ người đi đường qua điện thoại và phát cảnh báo qua sóng FM; lắp đặt các trạm cảm biến để ghi nhận tốc độ luồng xe Những phương pháp trên đều đòi hỏi các hệ thống mới phải được lắp đặt cố định, hoặc là thông tin về tốc độ chưa cụ thể mà chỉ bằng cảm quan

Hiện nay, số lượng điện thoại di động tích hợp GPS đang tăng mạnh, cũng như định vị và bản đồ đang trở thành một tiêu chuẩn của các thiết bị cá nhân Với phần cứng GPS có sẵn, các thiết bị này có thể xác định vận tốc với tần suất cao Thông qua mạng GSM/3G, một thiết bị cũng có thể truyền và nhận dữ liệu về tốc độ di chuyển với một trung tâm Ngoài ra, các thiết bị có thể tái hiện lại thông tin vận tốc của tất cả vị trí Từ đó thông tin cho người sử dụng các khu vực nên tránh đi vào

Theo báo cáo của Khu quản lý giao thông đô thị thành phố Hồ Chí Minh, ùn tắc giao thông đã gây ra thiệt hại lên đến 170 tỉ đồng / 1 năm Kéo theo đó là những ảnh hưởng xấu đến môi trường và sức khoẻ của người tham gia giao thông Do vậy, việc xây dựng những hệ thống cảnh báo, không những giúp cho hệ thống giao thông an toàn, hiệu quả hơn mà còn chống những lãng phí, thất thoát từ ùn tắc giao thông gây ra

Với những lý do nêu trên, chúng tôi đã chọn đề tài “Đánh giá việc sử dụng dữ liệu GPS từ thiết bị di động

Mục đích nghiên cứu

_ Đề xuất các hàm tính toán, luật phân giải để kết luận giá trị vận tốc trung bình từ dữ liệu thu nhận Do các nguồn dữ liệu nhận được là không có kiểm soát, tức là các thiết bị, điện thoại đều của người dùng, kể cả phần cài đặt, ghi nhận thong tin GPS Các tín hiệu thu về có thể bị đứt đoạn, do không có cơ chế nào đảm bảo rằng người sử dụng sẽ bật máy và gửi dữ liệu về trung tâm trong suốt quá trình di chuyển

_ Xây dựng phần mềm tính ra giá trị vận tốc của luồng xe tại một thời điểm và vị trí cụ thể, dựa vào các hàm đã đề xuất Đồng thời tính toán độ tin cậy của các kết luận đã đưa ra Phần mềm này sẽ ghi nhận tất cả dữ liệu gửi về, thực hiện tiền

_ Xây dựng các hàm đánh giá số lượng tối thiểu các thiết bị cùng gửi dữ liệu tại một đoạn đường trong một thời điểm về trung tâm, khi đã biết một độ tin cậy nhất định

_ Tiến hành thực nghiệm, từ đó so sánh và đánh giá các hàm tính toán đã đề xuất Chúng tôi sẽ sử dụng nhiều phương tiện, thiết bị di chuyển cùng lúc trên đường Đồng thời ghi nhận lại tốc độ của từng phương tiện bởi một cách thức độc lập khác, ví dụ đồng hồ đo tốc độ Dữ liệu tính toán và dữ liệu ghi nhận sẽ được so sánh với nhau

Phạm vi nghiên cứu của đề tài

_ Không gian: các dữ liệu thu nhận và thực nghiệm trên một tuyến đường chính tại một quận nội thành của TP Hồ Chí Minh

• Đường Cách Mạng Tháng 8: đoạn từ ngã tư Bảy Hiền đến vòng xoay Công trường dân chủ Đặc điểm tuyến đường:

_ Là một trục giao thông chính, dài 3.500 mét, lưu thông hai chiều, không có dãy phân cách cứng

_ Có nhiều loại xe thường xuyên lưu thông: xe bus, xe taxi, xe máy, xe hơi

_ Thường xuyên xảy ra ùn tắc giao thông vào các giờ cao điểm _ Độ rộng đường thay đổi, từ 12 mét đến 25 mét tuỳ phân đoạn _ Có trang bị camera quan sát giao thông của VOV, có thể xem trực tuyến

Hình 1 Đoạn đường Cách Mạng Tháng 8

_ Là một trục giao thông chính, dài 4.400 mét, lưu thông hai chiều, có dãy phân cách cứng

_ Có nhiều loại xe thường xuyên lưu thông: xe bus, xe taxi, xe máy, xe hơi

_ Đôi khi ùn tắc giao thông vào các giờ cao điểm _ Độ rộng đường gần như cố định

_ Có trang bị camera quan sát giao thông của VOV, có thể xem trực tuyến

Hình 2 Đoạn đường Lý Thường Kiệt

• Hoặc các tuyến đường khác có các tính chất nên trên _ Thời gian: Thời gian thực nghiệm được chia thành giờ cao điểm và giờ thấp điểm Các luật phân giải có xét đến ngày cuối tuần và ngày làm việc Dữ liệu thống kê từ GPS sẽ tiến hành với khoảng 15 đến 30 thiết bị trong vòng 1 tháng, mỗi ngày 1 lượt đi và về theo các thời gian ngẫu nhiên

Phương pháp nghiên cứu

_ Quan sát mẫu: từ nhiều thiết bị di động khác nhau, chúng tôi sẽ cùng lúc di chuyển trên cùng tuyến đường Từng thiết bị sẽ ghi nhận lại lộ trình, bao gồm thông tin vận tốc của từng chặng Các lộ trình sẽ được thể hiện trên cùng một biểu đồ vận tốc, kể cả vận tốc trung bình chung được tính toán từ các hàm đề nghị Bằng các lý thuyết về thống kê, chúng tôi sẽ đánh giá cấu trúc không gian mẫu thu nhận, cũng như tìm ra các tần suất lấy mẫu, tiêu chuẩn thiết bị, tiêu chuẩn dữ liệu thu nhận được

_ Phương pháp thống kê: với tất cả kết luận về vận tốc của luồng xe, chúng tôi sẽ thống kê và so sánh các kết quả này, để đánh giá độ tin cậy của từng kết luận

_ Phương pháp thực nghiệm: để xác định vận tốc trung bình của một luồng xe, có thể dựa vào đồng hồ báo tốc độ của xe đó Hoặc quan sát từ một vị trí cố định trên đoạn đường và đánh giá tình trạng, vận tốc của dòng xe

NỘI DUNG Chương 1 MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI

1.1 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

_ Tìm hiểu và đánh giá các phương pháp chuyển thông tin thu nhận từ thiết bị GPS sang dữ liệu giao thông Thông tin thu nhận từ thiết bị GPS có tính đơn lẻ, tức thời và thể hiện dưới dạng toạ độ địa lý, do vậy có 3 yếu tố cần phải xét đến:

+ Thứ nhất: thông tin thu được từ 1 thiết bị GPS có tính đơn lẻ, nhưng hệ thống thu nhận thông tin từ nhiều thiết bị cùng lúc Hệ thống cần phải chuẩn hoá định dạng của dữ liệu (do các thiết bị khác nhau có thể gửi thông tin với định dạng khác nhau), loại bỏ các dữ liệu không phù hợp như là nằm ngoài khu vực quan sát hay đã bị lỗi trong quá trình truyền nhận

+ Thứ hai: thông tin thu được mang tính tức thời, một chu kỳ quan sát kéo dài trong khoảng vài phút đến vài chục phút Ngay khi chu kỳ quan sát kết thúc, hệ thống phải tính toán và đưa ra kết luận về hiện trang giao thông của toàn bộ các phân đoạn đường đã nhận được thông tin Điều này yêu cầu hệ thống phải có khả năng tính toán với khối lượng dữ liệu lớn, cũng như cần phương pháp xác định nhanh một điểm thông tin vận tốc thuộc về phân đoạn đường nào trên bản đồ

+ Thứ ba: Để xác định vị trí của thiết bị GPS từ một toạ độ địa lý, chúng ta cần phải có bản đồ nền và các giải thuật ánh xạ một toạ độ địa lý lên một điểm nằm trên bản đồ

_ Đưa ra các hàm tính toán vận tốc đại diện của một tập hợp quan sát các vận tốc riêng lẻ trong cùng một không gian và thời gian Đánh giá các hàm tính toán này dựa vào kết quá tính toán và quan sát thực tế

_ Đưa ra các phương pháp tính toán cho các phân đoạn đường không nhận dược thông tin vận tốc Do các nguồn dữ liệu nhận được là không có kiểm soát, tức là các thiết bị GPS có thể bị gián đoạn ghi nhận thông tin, hoặc lỗi đường truyền Khi đó, các tín hiệu thu về có thể bị đứt đoạn Mặt khác, có thể một phân đoạn đường nào đó không có thông tin về vận tốc do không có bất cứ xe buýt nào đi qua phân đoạn đường này trong thời gian quan sát

_ Xây dựng các hàm đánh giá số lượng tối thiểu các thiết bị cùng gửi dữ liệu tại một đoạn đường trong một thời điểm về trung tâm, khi đã biết một độ tin cậy nhất định

_ Tiến hành thực nghiệm, từ đó so sánh và đánh giá các hàm tính toán đã đề xuất Chúng tôi sẽ sử dụng nhiều phương tiện, thiết bị di chuyển cùng lúc trên đường Đồng thời ghi nhận lại tốc độ của từng phương tiện bởi một cách thức độc lập khác, ví dụ đồng hồ đo tốc độ Dữ liệu tính toán và dữ liệu ghi nhận sẽ được so sánh với nhau

1.2 Sản phẩm Chức năng

Hệ thống sau khi hoàn thiện có chức năng: _ Thu nhận tất cả mẫu thông tin tốc độ được gửi về từ thiết bị theo dõi hành trình gắn trên các xe buýt Chuẩn hoá định dạng dữ liệu

_ Cho phép định nghĩa, chỉnh sửa bản đồ nền Tức là có thể định nghĩa các phân đoạn đường theo nhu cầu quan sát Việc chỉnh sửa bản đồ nên cũng giúp cho quá trình loại bỏ dữ liệu và tính toán vận tốc đại diện được thực hiện một cách hiệu quả cao hơn

_ Cho phép định nghĩa, chỉnh sửa khung thời gian Tức là có thể định nghĩa một khoảng thời gian là khung thời gian quan sát Đây là chu kỳ mà ngay sau khi hoàn tất thu nhận thông tin vận tốc tại cuối chu kỳ, thì hệ thống lập tức tính toán ra các tốc độ đại diện cho các phân đoạn đường

_ Hệ thống tự động tính toán tốc độ cho các phân đoạn đường không thu nhận được bất kỳ thông tin vận tốc nào, dựa trên các phân đoạn đường liền kề với nó, hoặc dựa trên thông tin vận tốc của chính phân đoạn đường đó mà đã thu nhận từ các khung thời gian trong quá khứ

_ Hệ thống cho phép cả hai cách xem kết quả là trích xuất thông tin đã tính toán cho từng con đường, hoặc xem trên toàn bản đồ

_ Hệ thống cho phép lưu trữ lại các kết quả tính toán để sử dụng tham khảo trong tương lai

_ Hệ thống hoạt động trong thời gian thực Sau mỗi chu kỳ quan sát, hệ thống tính toán và kết luận vận tốc đại diện cho từng phân đoạn đường trong chu kỳ vừa kết thúc, và tiếp tục thu nhận thông tin quan sát cho chu kỳ tiếp theo

Trong giai đoạn xây dựng và thử nghiệm hệ thống, chúng tôi chỉ sử dụng dữ liệu đã ghi nhận của Trung tâm điều hành xe buýt vào ngày 09-11-2012

Vai trò

_ Kết quả tính toán của hệ thống trong thời gian thực được biểu diễn trên bản đồ và có thể đánh giá trực quan các khu vực ùn tắc giao thông Với kết quả này, người sử dụng có thể phát hiện các khu vực ùn tắc giao thông hay thông thoáng một cách trực quan

_ Kết quả tính toán của hệ thống là dữ liệu đầu vào cho các hệ thống cảnh báo kẹt xe, hệ thống tìm lộ trình có khả năng tránh các điểm kẹt xe Vì vậy, kết quả và độ chính xác của hệ thống quyết định cho sự đúng đắn của nhiều hệ thống khác

_ Hệ thống mang tính thống kê, vì vậy có khả năng kết luận bản chất vận tốc của nhiều con đường, sau khi đã quan sát trong một thời gian dài Dữ liệu có thể dùng để tham khảo, tìm ra nguyên nhân của các điểm kẹt xe diễn ra thường xuyên

Chương 2 CƠ SỞ CỦA ĐỀ TÀI 2.1 Tính khả dụng của thông tin tốc độ thu được từ GPS

Với thiết bị GPS tích hợp trong thiết bị di động, tần suất ghi nhận tín hiệu vị trí là từ 2 lần / 1 giây đến 1 lần / vài giây Từ thông tin vị trí và thời điểm ghi nhận tín hiệu, vận tốc tức thời được tính toán theo công thức

=∆x∆tTuy nhiên, đồng hồ báo vận tốc của phương tiện giao thông thể hiện trị số đo được bằng phương pháp đếm vòng tua, có tần suất ghi nhận rất cao và chính xác

Theo nghiên cứu của Wenjuan Zhao (Đại học Washington) [4], tốc độ ghi nhận được từ GPS vẫn có tính khả dụng tương đương và thay thế được với vận tốc ghi nhận từ vòng tua bánh xe Chi tiết của nghiên cứu như sau:

Mô tả thí nghiệm

Con đường từ Renton đến Tacoma dài 33.000 km được chia làm 10 đoạn Nhóm tác giả đã đồng thời ghi nhận vận tốc GPS của từng đoạn và vận tốc đo từ vòng tua bánh xe Tần suất ghi nhận tốc độ GPS là 1lần / 1 giờ đồng hồ, còn ghi nhận vận tốc đo từ vòng tua bánh xe là 5 phút / 1 lần Thống kê các kết quả ghi nhận trong vòng 1 tháng

Hình 3 Lược đồ chia đoạn trong thí nghiệm

Hình 4 Thống kê từ dữ liệu GPS

Hình 5 Thống kê từ dữ liệu đo vòng tua bánh xe

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả sử dụng phương pháp thông kê dữ liệu đo độc lập theo tốc độ lấy từ GPS và tốc độ lấy từ vòng tua bánh xe Sau đó đối chiếu, so sánh và kết luận

_ Loại xe: xe trong thí nghiệm là xe tải, có những đặc điểm di chuyển rất khác với xe máy, xe hơi, xe bus

_ Loại đường: đường trong thí nghiệm là xa lộ, khác với trục đường chính trong nội thị

2.2 Giám sát thời gian thực người sử dụng điện thoại tại đô thị Mô tả thí nghiệm

Nhóm tác giả Francesco Calabrese, Massimo Colonna, Piero Lovisolo, Dario Parata, Carlo Ratti [1] đã so sánh 2 nguồn dữ liệu biểu diễn mật độ người trong thành phố Rome Nguồn dữ liệu có sẵn thu nhận từ các nguồn: Mạng LosHNESSs, các máy di động đang thực hiện cuộc gói hoặc truyền nhận dữ liệu, vị trí các xe buýt của hãng Atac (Rome, Ý), ví trí các xe taxi của hãng Samarcanda (Rome, Ý), dữ liệu âm thanh từ mạng “Tiếng ồn giao thông” lắp đặt tại Rome Nguồn dữ liệu thứ hai thu được từ vị trí các máy điện thoại di động Mỗi máy điện thoại có một vị trí (kinh độ, vĩ độ) được tính từ GPS tích hợp hoặc bằng trạm BTS

Hình 6 Thuật toán định vị DFL(màu đỏ)và bộ lộc theo dõi (màu xanh)

Hình 7 Mô phỏng mật độ máy điện thoại trên bản đồ thành phố Rome

Phương pháp nghiên cứu

Công trình nêu trên đã được nhóm tác giả sử dụng phương pháp thống kê từ dữ liệu thu nhập và sử dụng các phần mềm mô phỏng để thể hiện kết quả

Với đề tài này, không nhthông tin về vận tốc cũng tin theo thời gian thực có th

Mật độ k trong đođảo của trung bình khoảng cách gi

_ Mức độ dòng xe q là sthời gian, đơn vị tính: xe / gi

_ Tốc độ của luồng xe

trong đó q(x,t,S) là tgian S và k(x,t,S) là tổng thnêu trên

Nếu xét vị trí S1, thì công th

Các quan sát trong nghiên c

tài này, không những vị trí của thiết bị di động là cầ

ũng được thu nhận Vì vậy, quá trình ghi nhận và xc có thể bị trở ngại

Nghịch đảo của mật độ là khoảng cách trung bình s ginh nhau

k trong đoạn L của con đường tại thời điểm t1 tương

ó q(x,t,S) là tổng quảng đường mà các phương tiện đã

ng thời gian mà các phương tiện đã mất để đtrí S1, thì công thức trên trở thành

,  = 1 




Các quan sát trong nghiên cứu

ần thiết, mà còn n và xử lý thông

đưa ra một số khái

đơn vị diện tích của t là mật độ trong t xe, tai nạn), và mật độ ng cách trung bình s giữa 2

ương đương nghịch

nh trong một khoảng

ã đi trong không đi quảng đường

do trong tốc độ giới hạn cho phép Khi lượng xe tăng quá một mức giới hạn, thì dòng xe không còn tính chất đồng nhất nữa

Hình 8 Quan hệ vận tốc xe – Lưu lượng xe

_ Quan hệ lưu lượng xe giao thông trong một giờ và mật độ xe trên đường Thống kê cho thấy rằng trong một khoảng giới hạn mật độ xe có trên đường thì lưu lượng xe đi qua đoạn đường đó tăng tuyến tính Tuy nhiên khi lượng xe tăng qua giới hạn thì lưu lượng xe không còn hội tụ ở một vùng giá trị nào nữa

Hình 9.: Quan hệ số lượng xe – Lưu lượng xe

_ Quan hệ tốc độ luồng xe và mật độ xe trên đường Thống kê cho thấy tốc độ luồng xe giảm tuyến tính khi số lượng xe có trên đoạn đường đó tăng

Hình 10 Quan hệ vận tốc xe – Số lượng xe

Các kiểu đường giao thông không đồng nhất

_ Đèn tín hiệu giao thông: tại các điểm có lắp đặt đèn tín hiệu giao thông, dòng xe sẽ bị dừng lại, hoặc tăng tốc, tại những nơi này, gia tốc dòng xe biến thiên rất lớn

_ Ùn tắc giao thông: tại một số điểm do đường bị giảm chiều rộng đột ngột, hoặc do tính chất giao thông nên xảy ra ùn tắc vào một số thời gian nhất định trong ngày

_ Tai nạn: khi xảy ra tai nạn, khu vực đó cũng bị giảm tốc độ luồng xe _ Thời tiết: thời tiết cũng có thể ảnh hưởng đến vận tốc di chuyển của luồng xe

Kết luận

Lý thuyết dòng xe lưu thông đã nêu ra những lý luận, khái niệm và công thức về giao thông; cũng như tóm tắt những khảo sát thực tế Với kết quả nghiên cứu đó, chúng tôi cho rằng có thể dựa trên nền tảng này để kiểm chứng tình trạng giao thông của một luồng xe trong đề tài này, cũng như đưa ra những lý luận để tiền xử lý dữ liệu, loại bỏ những dữ liệu được cho là “không đúng đắn” trước khi tiến hành bước xử lý tiếp theo

Tuy nhiên, nghiên cứu trên được thực hiện trong điều kiện giao thông lý

ở ven hai bên đường Tốc độ dòng xe không đồng nhất do điều kiện khách quan, hoặc do điều kiện chủ quan của người tham gia giao thông

Đề tài này cũng sẽ sử dụng những kết quả khảo sát thực tế trên đường phố tại thành phố Hồ Chí Minh để kiểm chứng lại các lý thuyết nêu trên

Chương 3 THIẾT KẾ HỆ THỐNG 3.1 Kiến trúc hệ thống

_ Hiện nay, các xe buýt hoạt động trên địa bàn TP Hồ Chí Minh đều được trang bị hệ thống giám sát hành trình theo thời gian thực Mỗi xe buýt, sau mỗi khoảng thời gian từ vài giây đến vài phút, đều gửi một mẫu tin ghi nhận vị trí và tốc độ của chiếc xe đó về trung tâm điều hành

_ Xét một phân đoạn đường có chiều dài từ 50 đến 200 mét, trong một khoảng thời gian T nhất định, sẽ có thể thu nhận được một tập hợp các thông tin vận tốc

_ Từ mỗi tập hợp thông tin vận tốc đã thu được, bằng một trong các phương pháp tính toán được đề xuất, chúng ta có thể kết luận vận tốc đại diện của phân đoạn đường đó trong khoảng thời gian T đang quan sát

Hệ thống có 5 thành phần chính 3.1.a Cơ sở dữ liệu bản đồ nền

Các con đường cần quan sát sẽ được số hoá, chia một các thích hợp thành các phân đoạn đường có mang chỉ số định danh và các thông tin giúp xác định vị trí của phân đoạn đường đó

_ Nếu không gian và thời gian quá nhỏ, số mẫu quan sát sẽ thấp hoặc không tồn tại

_ Nếu không gian và thời gian quá lớn, độ tin cậy và sai số của phép tính toán sẽ tăng Trên thực tế, vận tốc của dòng xe lưu thông biến thiên theo thời gian, và vận tốc đại diện cho một khoảng thời gian dài sẽ không có ý nghĩa

Giai đoạn này cũng xử lý loại bỏ những mẫu dữ liệu nghi vấn: _ Những quan sát vận tốc khác biệt với phần còn lại trong cùng một tập hợp _ Những quan sát vận tốc không thuộc khoảng vận tốc hợp lý Khoảng vận tốc hợp lý này được tính toán dựa vào kinh nghiệm của trung tâm điều hành, quan sát thực tế, hoặc thống kê lịch sử theo dõi vận tốc

3.1.c Bộ phận tính toán và kết luận

Với mỗi tập hợp các mẫu dữ liệu vận tốc, bộ phận này đánh giá và loại trừ những phần tử biên Sau đó bằng các hàm định sẵn, tính toán và kết luận vận tốc đại diện của phân đoạn đường

3.1.d Cơ sở dữ liệu thông tin vận tốc ghi nhận từ xe buýt

Thông tin vận tốc nhận được từ rất nhiều thiết bị gắn trên các xe buýt Sau giai đoạn tiền xử lý và chuẩn hoá, dữ liệu được lưu trữ vào cơ sở dữ liệu này Dữ liệu được lưu trữ là dữ liệu gốc, có thể dùng để tính toán lại vận tốc của một phân đoạn đường khi chúng ta áp dụng một phương pháp tính mới

3.1.e Cơ sở dữ liệu vận tốc các phân đoạn đường

Tất cả các kết quả tính toán vận tốc của các phân đoạn đường được lưu trữ vào cơ sở dữ liệu để tham khảo trong tương lai Cơ sở dữ liệu này cũng có thể sử dụng để đánh giá về diễn biến chất tốc độ của một con đường theo thời gian, hoặc dùng để so sánh đánh giá kết quả tính toán vận tốc tại một thời điểm nào đó

HỆ THỐNG GIÁM SÁT VẬN TỐC XE BUÝTHệ thống cung cấp theo thời gian thực vị trí (toạ độ)

và vận tốc của tất cả xe buýt đang lưu thông trên

đường.

Tập các mẫu tin vận tốc trong một khoảng thời

CSDL toàn bộ dữ liệu vận tốc đã nhận,xác định từng điểm thông tin vận tốc thuộc về

phân đoạn đường nào và khung thời gian,

ngày tháng nào.Với mỗi tập dữ liệu vận tốc thuộc cùng

một phân đoạn đường và trong một khoảng thời gian T, tính toán và kết luận

vận tốc đại diện của phân đoạn đường.

Truy vấn

Tiền xử lý và chuẩn hoá thông tin.

Ghi

Truy vấnTruy vấn

Kết quả hiển thị.

Hình 11 Thiết kế kiến trúc của hệ thống

3.2 Bản đồ nền 3.2.a, Mô tả dữ liệu bản đồ nền

Bản đồ nền là tập hợp các con đường và giao lộ _ Phân đoạn đường: là một hình khu vực hình chữ nhật được xác định bởi 2 điểm đầu và cuối, cùng với độ rộng được xác định từ thuộc tính của con đường chứa nó

_ Con đường: được xác lập từ 01 hoặc nhiều phân đoạn đường liên tiếp với nhau Con đường có tên và thuộc tính về độ rộng, chiều lưu thông

_ Các đầu nút: là điểm phân chia con đường ra làm các phân đoạn đường, hoặc là điểm bắt đầu, kết thúc một con đường

3.2.b, Ảnh hướng của bản đồ nền

Bản đồ nền được lưu trữ trong CSDL và là yếu tố không thay đổi trong quá trình xử lý và tính toán thông tin vận tốc Vì vậy, bản đồ nền nếu được phân hoạch tốt, các phân đoạn đường có độ dài hợp lý

3.3 Phân đoạn đường 3.2.a Định nghĩa

Một phân đoạn đường có chiều dài và chiều rộng cố định Chiều dài này được xác định là khoảng cách giữa 2 điểm đầu và cuối của phân đoạn đường Độ rộng của phân đoạn được xác định từ thuộc tính kiểu của con đường chứa nó Độ rộng này có thể khác với độ rộng trên thực tế của phân đoạn đường

Hình vẽ phía dưới mô tả một phân đoạn đường, với a và b là 02 điểm có toạ độ địa lý cho trước ds là độ rộng của phân đoạn đường được quyết định bởi tính chất con đường mà nó thuộc về

Hình 12 Mô tả một phân đoạn đường

Mỗi phân đoạn có ID định danh, tên đường, và các thông tin phụ khác Chúng tôi cho rằng việc chọn chiều rộng và chiều dài của con đường cũng có ảnh hưởng đến độ tin cậy của kết luận về vận tốc trung bình của luồng xe

ds