GIẢI PHÁP HOÀN THIỆN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN GIAO THÔNG TRÊN NÚT Ở ĐÔ THỊ VIỆT NAM SOLUTIONS FOR THE IMPROVEMENT OF THE CONTROL OF SIGNALIZED INTERSECTION IN URBAN AREAS IN VIETNAM PHAN CAO THỌ - PHẠM NGỌC PHƯƠNG Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng TRẦN VĂN TỴ Ban QLDA Công trình GT Đà Nẵng TÓM TẮT Giới thiệu các kết quả nghiên cứu, đề xuất một số giải pháp nhằm hoàn thiện cách thức điều khiển của nút giao thông điều khiển bằng tín hiệu đèn: Hợp lý pha đối với nút, pha đối xứng hoặc không đối xứng (còn gọi là trượt pha, lệch pha, hay điều khiển theo cách “cắt sớm” hoặc “mở muộn” hoặc “mở muộn và cắt sớm”) và các biện pháp khác…Trên cơ sở đó, xác định chu kỳ đèn và phân chia thời gian xanh cho các pha, các hướng trong cùng một pha sao cho hợp lý và hiệu quả nhất. ABSTRACT This report presents research results and suggests some solutions to improve the control of signalized intersections such as reasonable phasing, symmetric or unsymmatric phasing (other call phase slip, dephase or control “early cut” or “late openning” or “late openning and early cut”) and other means. On this basis, we can define the cycle and separate the green time for phases, directions in same phase in the most effective and reasonable way. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Khi thiết kế nút giao thông (NGT) từ việc thiết kế hình học cũng như thiết kế tổ chức và điều khiển giao thông đều nhằm tới mục đích cuối cùng là giảm xung đột để nâng cao khả năng thông hành (KNTH), chống ùn tắc và an toàn giao thông. Nút giao thông điều khiển bằng tín hiệu đèn (ĐKBTHĐ) thì sao? Một hình thức điều khiển rất phổ biến hiện nay trên thế giới và trong đô thị Việt Nam, với dòng xe hỗn hợp nhiều thành phần nó cực kỳ hiệu quả. Tuy nhiên nó cũng đòi hỏi phải có những giải pháp sử dụng như thế nào, điều khiển như thế nào để phù hợp với đặc thù rất riêng như ở đô thị nước ta? Hiện có nhiều cách thức như điều khiển theo kiểu thích nghi, tối ưu hóa cửa vào, cửa ra của nút… nhưng trong đó cách phân chia pha, xác định thời gian xanh hợp lý cho các pha trên cơ sở chu kỳ tối ưu có ảnh hưởng rất lớn đến KNTH đến hiệu quả sử dụng của nút. Thực tế hiện nay đa số các NGT ĐKBTHĐ ở các đô thị nước ta chưa phát huy được tính hiệu quả và tính hợp lý của nó, trong khi lưu lượng xe, tỷ lệ rẽ xe cho các hướng là hoàn toàn khác nhau nhưng chưa có sự hợp lý pha, thời gian xanh cho các pha, các nhánh dẫn trong cùng một pha, dẫn đến đôi lúc hoặc thường xuyên vẫn xảy ra ùn tắc, gây mất an toàn, tạo cảm giác rất khó chịu khi ra vào nút. Điều đó đã gây ra tổn thất vô cùng lớn về thời gian, tiền của, môi trường sống thậm chí cả tính mạng… Vì vậy rất cần thiết phải hợp lý pha khi điều khiển, hợp lý thời gian xanh trong từng pha và một số biện pháp khác… nhằm nâng cao hiệu quả sử dụng cho các NGT ĐKBTHĐ, góp phần hoàn thiện cách thức điều khiển, đảm bảo an toàn giao thông và tạo lập hình ảnh văn minh đô thị. 2. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Dựa trên kết quả thực nghiệm quan trắc lưu lượng xe chạy, các cơ sở lý thuyết tính toán điều khiển, tiếp cận và vận dụng hợp lý các kết quả nghiên cứu về giao thông đô thị, về khả năng thông hành của nút của các tác giả trong và ngoài nước làm cơ sở cho các kết quả nghiên cứu của mình. 2.1. Cơ sở lý thuyết lập pha 2.1.1 Pha điều khiển : Là sự phối hợp các nhịp cơ bản và các nhịp trung gian tiếp theo nhau, là một phần của chu kỳ cho phép một hoặc nhiều luồng xe qua nút trong một thời gian hoặc lặp lại nhiều lần. Việc tách các dòng xung đột theo thời gian gọi là phân pha. Số lượng pha phụ thuộc vào đặc tính của các dòng xung đột và lưu lượng giao thông trên các nhánh dẫn. Số pha càng nhiều các xung đột càng giảm nhưng tổn thất thời gian do các nhịp trung gian càng lớn và thời gian một chu kỳ càng dài, thời gian chờ đợi lâu tác dụng đến tâm lý người tham gia giao thông dẫn đến dễ phá vỡ quá trình điều khiển. Tối thiểu một chu kỳ có 2 pha, tối đa 3 (4) pha nếu thấy cần thiết. Thời gian của chu kỳ đèn có ý nghĩa vô cùng quan trọng, thời gian này phải là tối ưu để đảm bảo lượng xe và người qua nút là cao nhất. Thời gian xanh, vàng và đỏ phụ thuộc vào thời gian chu kỳ, lưu lượng xe trên đường dẫn, thời gian cần thiết dành cho bộ hành qua đường. Kinh nghiệm các nước T CKmin = 35s, T CKmax = 120s. Tùy theo từng điều kiện cụ thể có thể sử dụng phương pháp điều khiển như sau: Điều khiển bằng tay, điều khiển tự động tại nút độc lập với chu kỳ cứng hoặc mềm (điều khiển thích nghi), điều khiển tự động phối hợp trên một tuyến phố, điều khiển tự động phối hợp trên mạng lưới của vùng. 2.1.2 Trượt pha hay lệch pha: Là hình thức điều khiển mà trong đó một pha xanh được “cắt sớm” hoặc “mở muộn” hoặc “mở muộn và cắt sớm”. Hình thức điều khiển này tận dụng được thời gian xanh, giảm đi đáng kể lượng xung đột tại nút, tránh điều khiển theo chu kỳ ba pha (pha rẽ trái). Tuy nhiên, nếu vận dụng cách thức điều khiển không phù hợp sẽ làm cho quá trình điều khiển phức tạp, gây ra ảnh hưởng tâm lý cho người tham gia giao thông khi ra vào nút, dẫn đến việc điều khiển không hiệu quả và không hợp lý… “Trượt pha” (lệch pha) ưu tiên cho “dòng xe rẽ trái”: Pha 1 được chia làm hai giai đoạn. Ở giai đoạn đoạn 1, đèn xanh ở hướng Nam (N) bật mở để cho hướng này thoát hết dòng xe rẽ trái, sau đó mở đèn xanh tiếp: “mở muộn” cho hướng Bắc (B) ở giai đoạn 2. Ưu điểm của phương án một pha xanh “mở muộn” là ít cần chỗ cho các xe rẽ trái vì luồng xe này được ưu tiên đã qua nút. 2.2. Các kết quả nghiên cứu thực nghiệm 2.2.1 Lưu lượng dòng tới và tỷ lệ rẽ trái - Thành phần dòng xe chủ yếu là xe máy. - Tỷ lệ xe rẽ trái, rẽ phải, đi thẳng là rất Giai đoạn 2 N Pha 1 Giai đoạn 1 B Đ Đ X Đ T Đ T B X Đ X Đ N Hình 1. Sơ đồ điều khiển hai pha, phương án một pha xanh “mở muộn” Đ (83,0-91,30)% (5,06-14,08)% (0,62-3,09)% Xe máy Xe đạp Xe con Hình 2. Thành phần dòng xe ở các NGT ĐKBTHĐ ở đô thị Đà Nẵng khác nhau, nhiều nút có tỷ lệ xe rẽ trái lớn từ 20% đến 54,72 % trong tổng dòng đến trên nhánh dẫn - Lưu lượng xe chạy ở hai nhánh dẫn đối diện nhau là khác nhau. (Hình 2 và bảng 1) Bảng 1. Phân tích tỉ lệ xe rẽ cho các nhánh dẫn ở một số nút giao thông Các nhánh dẫn % xe đi thẳng % xe rẽ phải % xe rẽ trái 1. Nút Hải Phòng - Ông Ích Khiêm Hải Phòng - Lê Lợi 35,27 10,01 54,72 Ông Ích Khiêm - Trần Cao Vân 81,05 13,50 5,45 Hải Phòng - Siêu thị 40,00 35,47 24,53 Ông Ích Khiêm - Lê Duẩn 53,64 37,27 9,10 2. Nút Lê Duẩn- Ông Ích Khiêm Lê Duẩn - Siêu thị 81,02 12,74 6,23 Ông Ích Khiêm - Hải Phòng 73,10 13,80 13,10 Lê Duẩn - Sơn Trà 74,71 12,47 12,82 Ông Ích Khiêm - Hùng Vương 62,95 23,90 13,15 3. Nút Phan Châu Trinh - Hùng Vương Hùng Vương - Sông Hàn 77,06 16,30 6,64 Lê Lợi - Phan Chu Trinh 82,97 10,44 6,59 Hùng Vương - Hòa Khánh 56,41 41,58 2,01 Phan Chu Trinh - Lê Lợi 81,16 1,52 17,33 4. Nút Quang Trung - Lê Lợi Lê Lợi - Lê Duẩn 76,67 8,99 14,33 Trần Cao Vân - Quang Trung 61,00 21,24 17,77 Lê Lợi - Lý Tự Trọng 69,95 14,72 15,34 Quang Trung - Trần Cao Vân 73,73 16,04 10,23 5. Nút Hùng Vương - Ngô Gia Tự Hùng Vương - Siêu thị 67,58 17,70 14,72 Ngô Gia Tự - Núi Thành 71,66 10,17 18,17 Hùng Vương - Sông Hàn 64,82 14,49 20,69 Ngô Gia Tự - Lê Duẩn 71,62 10,74 17,65 6. Nút Hùng Vương - Lý Thái Tổ Lý Thái Tổ - Sông Hàn 47,00 22,39 30,61 Hàm Nghi - ra ga 72,42 17,55 10,03 Hùng Vương - Hải vân 77,12 7,17 15,70 Hoàng Hoa Thám - Hàm Nghi 76,99 12,23 10,79 7. Nút Phan Chu Trinh - Lê Đình Dương Lê Đình Dương - Sông Hàn 62,63 13,81 23,55 PCT. Lê Hồng Phong - Trưng Nữ Vương 77,23 14,10 8,67 Lê Đình Dương - Hải vân 70,55 16,93 12,52 PCT. Trưng Nữ Vương - Lê Hồng Phong 78,29 7,29 14,42 8. Nút Hoàn Diệu - Lê Đình Dương Nguyễn Văn Linh - Hoàn Diệu 75,86 23,49 0,65 Lê Đình Dương - Hải Vân 55,58 10,34 34,08 Hoàn Diệu - Nguyễn Văn Linh 85,15 11,37 3,47 Lê Đình Dương - sông Hàn 74,85 1,80 23,36 9. Nút Lê Duẩn - Hoàng Hoa Thám Hòa Khánh - Sông Hàn 69,29 12,65 18,06 Hoàng Hoa Thám (từ ga Đà Nẵng) 65,35 0,08 10,64 Lê Duẩn - Hòa Khánh 83,08 6,28 34,57 Hoàng Hoa Thám đến ga Đà Nẵng 60,95 33,31 5,74 10. Nút Hùng Vương - Ông Ích Khiêm Ông Ích Khiêm đối diện chợ Cồn 63,87 21,15 14,98 Sông Hàn - Hải vân 71,32 16,44 12,24 Ông Ích Khiêm bên hông chợ Cồn 60,29 20,34 19,37 Hải Vân - Sông Hàn 61,91 20,66 17,43 11. Nút Lê Duẩn - Lê Lợi Lê Duẩn - Sông Hàn 86,82 10,12 3,06 Lê Lợi đến trường Phan Chu Trinh 64,43 16,26 19,31 Sông Hàn - Hải Vân 82,34 11,17 6,48 Lê Lợi (trường Phan Chu Trinh) 65,65 10,80 23,56 12. Nút Hùng Vương - Trần Phú Hùng Vương - Sông Hàn 66,70 31,40 1,90 Trần Phú - Cầu NV Trỗi 85,69 8,01 6,30 Hùng Vương - Siêu thị 67,95 4,27 27,79 13. Nút Ông Ích Đường - Cách Mạng Tháng 8 Cách mạng tháng 8 - Hòa Cầm 46,61 6,58 46,81 Trường học - Ông Ích Đường 55,13 27,40 17,46 Hòa Cầm - Cách mạng Tháng 8 71,34 25,99 2,67 Ông Ích Đường - Trường học 15,42 70,84 13,74 14. Nút Điện Biên Phủ - Hà Huy Tập Điện Biên Phủ - Hòa Khánh 84,22 7,72 8,06 Hà Huy Tập đi sân bay 19,07 51,66 29,27 Điện Biên Phủ - Siêu thị 78,14 5,31 16,55 Hà Huy Tập đi Trần Cao Vân 65,64 21,85 12,51 2.1.2. Tính toán “Trượt pha” và xây dựng miền thiết kế trượt pha Các nút giao thông điều khiển bằng tín hiệu đèn ở Thành phố Đà Nẵng được thiết kế theo kiểu 2 pha đối xứng với thời gian chu kỳ và thời gian các tín hiệu trong 1 pha trung bình như sau: t x = 25-35 (s), t v = 23-35 (s), T CK = 54-68 (s) Với điều kiện giao thông đô thị ở Đà Nẵng thông qua các đặc trưng dòng xe như trên, thực hiện “cắt sớm” hay “mở muộn” từ 5-15 (s) là hợp lý. Tính toán với thời gian “cắt sớm” hay “mở muộn” 5s, 10s, 15s ở các NGT có tín hiệu đèn, chu kỳ điều khiển T CK = 54-68 (s), chúng ta có: Nhận thấy rằng, với thời gian “cắt sớm” hay “mở muộn” khoảng từ 5-15 (s) ở các NGT ĐKBTHĐ thì chênh lệch hệ số mức độ phục vụ khoảng Z = 0,2 là hợp lý. Điều này có nghĩa là phải có một nhánh dẫn có ít nhất có hệ số Z = 0,2 và giá trị lớn nhất không thể vượt quá Z = 0,4. Ứng với giá Ứng với chu kỳ min T CKmin = 54s, có: t xanh = 5s, Z = 0,077 t xanh = 10s, Z = 0,154 t xanh = 15s, Z = 0,232 Ứng với chu kỳ max T CKmax = 68s, có: t xanh = 5s, Z = 0,064 t xanh = 10s, Z = 0,128 t xanh = 15s, Z = 0,192 trị ở cả hai nhánh dẫn đều có Z lớn, chênh lệch Z nên lấy bằng 0,07. Ở các NGT ĐKBTHĐ ở đô thị Đà Nẵng, kiến nghị lấy mức chênh lệch Z = 0,15, Z max = 0,45. Kết quả tính toán được thể hiện trên các hình 3,4,5,6 2.3. Ví dụ kiểm chứng Với các số liệu về điều kiện đường và điều kiện giao thông tại NGT ngã tư Ông Ích Đường - Cách Mạng Tháng 8, kiến nghị hình thức điều khiển như sau: I II III IV Tương quan lưu lượng và tỷ lệ xe rẽ Bật đèn xanh ở hướng sông Hàn cho các xe rẽ trái ở hướng này thoát ra khỏi nút trước với thời gian 13s và tại thời điểm này, ở hướng đối diện (hướng Hòa Cầm) đèn vẫn còn đỏ. Sau 13s, khi xe rẽ trái ở hướng sông Hàn thoát gần hết, bắt đầu bật đèn xanh ở hướng Hòa Cầm. Hình 7. Một pha trong cách điều khiển theo chu kỳ hai pha, phương án một pha xanh “mở muộn” ở nút giao thông ng ã t ư Ông Ích Đư ờng - Cách M ạng Tháng 8 Cầu Cẩm Lệ Đi trường học Đi Hòa Cầm Sông Hàn 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35 35 45 55 65 75 85 95 105 115 5s 10s 15s T CK (s) Thời gian “cắt sớm” hoặc “mở muộn” Z Hình 5. Tương quan chênh lệch hệ số mức độ phục vụ Z, chu kỳ điều khiển và thời gian “cắt sớm” hoặc “mở muộn” Hình 4. Mối quan hệ chênh lệch hệ số mức độ phục vụ và chênh lệch thời gian xanh ở hai nhánh dẫn đối diện nhau ở một số nút có THĐ ở TP Đà Nẵng. 0.0 2.0 4.0 6.0 8.0 10.0 12.0 14.0 16.0 18.0 0.000 0.050 0.100 0.150 0.200 0.250 0.300 Z ( ) t s Z min Z max 0,15 Z 1 = Z 2 0,45 Miền xem xét tính toán “trượt pha” 0,38 0,07 ( ) x CK i Z t T L Y Hình 6. Miền kiến nghị xem xét tính toán, điều khiển “trượt pha” cho NGT ĐKBTHĐ khi tỷ lệ xe rẽ trái nhỏ hơn 25% Từ đó xem xét đưa ra miền tính toán trượt pha NGT ĐKBTHĐ ở đô thị Đà Nẵng (khi p tr < 25%): Hình 3. Tương quan hệ số mức độ phục vụ hai nhánh dẫn đối diện nhau ở một số NGT ĐKBTHĐ ở Thành phố Đà Nẵng. 0 0.05 0.1 0.15 0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.00 0.20 0.40 0.60 Z nhỏ Z lớn 2.4. Các biện pháp khác góp phần nâng cao hiệu quả sử dụng cho các NGT ĐKBTHĐ ở Thành phố Đà Nẵng hiện nay Cần nâng cấp hệ thống tín hiệu, xem xét mở rộng làn rẽ phải, cho phép rẽ phải khi đèn đỏ bằng cách đưa vạch bộ hành ra cuối hàng chờ, dịch chuyển dải phân cách cứng để tăng bề rộng nhánh dẫn, gắn công tác thiết kế qui hoạch giao thông với các biện pháp tổ chức và điều khiển giao thông. Vấn đề này ngày nay phải trở thành tiêu chí hàng đầu trong công tác tổ chức qui hoạch, thiết kế, tổ chức và điều khiển giao thông… (Hình 8) Hình 8. Tối ưu hóa cửa vào là một giải pháp đơn giản mà hiệu quả cao 3. KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 3.1. Kết luận 1. Dòng xe lưu hành trên các nhánh dẫn ở các NGT trong các đô thị Việt Nam nói chung, Thành phố Đà Nẵng nói riêng là dòng xe hỗn hợp với nhiều loại phương tiện giao thông tham gia khác nhau. Tương ứng với mỗi nút, mỗi nhánh dẫn, lưu lượng xe, tỷ lệ rẽ xe là rất khác nhau. Do đó cần hợp lý pha, thời gian xanh cho các pha. 2. Đã nghiên cứu, lựa chọn và áp dụng hình thức điều khiển trượt pha (lệch pha), ba pha cho các NGT ĐKBTHĐ. Kiến nghị áp dụng cho từng trường hợp cụ thể. “Trượt pha” ưu tiên cho dòng xe rẽ trái tránh điều khiển ba pha, khi lưu lượng các nhánh dẫn đối diện nhau là không giống nhau 3. Sử dụng biểu đồ hình 5 và hình 6 để xem xét điều khiển trượt pha cho từng nút giao cụ thể với các hệ số mức độ phục vụ của mỗi nhánh dẫn. 4. Đã xem xét, đề xuất một số giải pháp góp phần hoàn thiện cách thức điều khiển cho các NGT ĐKBTHĐ ở Thành phố Đà Nẵng. 3.2. Kiến nghị 1. Đưa các kết quả nghiên cứu vào áp dụng cho các NGTĐKBTHĐ ở Đà Nẵng. 2. Mở rộng nghiên cứu với các NGT ĐKBTHĐ khác, đặc biệt đối với nút ở các đô thị lớn như Hà Nội, Thành Phố Hồ Chí Minh, nơi có mật độ giao thông cao, tình trạng ùn tắc thường xuyên hơn để xác định hình thức điều khiển cho phù hợp. 3. Ứng dụng cách tính toán, hình thức điều khiển trượt pha (lệch pha), ba pha vào trong cách điều khiển thích nghi, với các bài toán điều khiển giao thông phối hợp như điều khiển đồng thời, điều khiển “làn sóng xanh”… Dịch chuyển dải phân cách cứng, tăng bề rộng nhánh dẫn Tỷ lệ xe rẽ trái và phải nhỏ Vạch bộ hành ở cuối hàng chờ Đèn đỏ được phép rẽ phải 4. Xây dựng hoàn thiện chương trình: “Tính toán và phân pha tín hiệu” cho NGT bất kỳ có THĐ, điều khiển theo chu kỳ ba pha, bốn pha… TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Bộ giao thông vận tải (2001), Tiêu chuẩn thiết kế đường ô tô 22TCN273-01, NXB GTVT, Hà Nội. [2] Đỗ Bá Chương (1996), Kỹ thuật giao thông, Tủ sách sau đại học, Đại học Xây Dựng, Hà Nội. [3] Phan Cao Thọ (2004), Nghiên cứu về khả năng thông hành và vấn đề sử dụng nút giao thông điều khiển bằng tín hiệu đèn trong các đô thị Việt Nam, Luận án tiến sĩ kỹ thuật. [4] Bùi Xuân Cậy, Trần Văn Thuần (2004), “Ảnh hưởng của tốc độ xe thông qua của NGT điều khiển bằng tín hiệu đèn”. Tạp chí cầu đường Việt Nam (8), tr.30-31. [5] Nguyễn Xuân Trục, Nguyễn Quang Đạo (2003), Sổ tay thiết kế đường tập 3, Nhà xuất bản Xây dựng, Hà Nội. [6] Nguyễn Xuân Vinh (2006), Thiết kế nút giao thông, Nhà Xuất bản GTVT, Hà Nội. [7] Phan Cao Thọ (2004), Nghiên cứu về khả năng thông hành và vấn đề sử dụng nút giao thông điều khiển bằng đèn trong các đô thị Việt Nam, Luận án tiến sĩ kỹ thuật. [8] Nguyen Xuan Dao, Pham Truong Thang, Nguyen Huu Duc (2004), “Moocycle Traffic in Vietnam – Impacts and Solution”, International Conference of Traffic. [9] Transportation Research Board - National Research Concil, Highway Capacity Manual 2000 (HCM 2000), Washington D.C. [10] Nagui Rouphail, A.Tarko, Jing Ly (1998). Traffic Flow at signalized intersection. Civil Engineering Departement, North Carolina State University. (From website: http://www.nas.edu./trb/index.htlm). . GIẢI PHÁP HOÀN THIỆN PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN GIAO THÔNG TRÊN NÚT Ở ĐÔ THỊ VIỆT NAM SOLUTIONS FOR THE IMPROVEMENT OF THE CONTROL OF SIGNALIZED. theo từng điều kiện cụ thể có thể sử dụng phương pháp điều khiển như sau: Điều khiển bằng tay, điều khiển tự động tại nút độc lập với chu kỳ cứng hoặc mềm (điều khiển thích nghi), điều khiển tự. Thiết kế nút giao thông, Nhà Xuất bản GTVT, Hà Nội. [7] Phan Cao Thọ (2004), Nghiên cứu về khả năng thông hành và vấn đề sử dụng nút giao thông điều khiển bằng đèn trong các đô thị Việt Nam,