Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển tự động đèn tín hiệu giao thông

Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển tự động đèn tín hiệu giao thông

MỞ ĐẦU

Ở nước ta ứng dụng và phát triển công nghệ thông tin nhằm góp phầngiải phóng sức mạnh vật chất, trí tuệ và tinh thần, thúc đẩy công cuộc đổimới, phát triển nhanh và hiện đại hóa các ngành kinh tế, tăng cường nănglực cạnh tranh của các doanh nghiệp, hỗ trợ có hiệu quả cho quá trình chủđộng hội nhập kinh tế quốc tế, nâng cao chất lượng cuộc sống của nhân dân,đảm bảo an ninh quốc phòng và tạo khả năng đi tắt đón đầu để thực hiệnthắng lợi sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá

Có thể nói, CNTT đi vào vào thực tế sản xuất thông qua 3 con đườngchính:

+ Xây dựng các phần mềm ứng dụng (kế toán, thiết kế, điều khiển…)+ Chế tạo các thiết bị phần cứng như các vi mạch, các chip điện tử,…+ Chế tạo các thiết bị, máy móc sử dụng cả phần cứng và phần mềm.Hiện nay có nhiều suy nghĩ giản đơn thường đồng nhất CNTT với cácsản phẩm phần mềm, sở dĩ như vậy là vì nền tảng công nghệ phần cứngtrong nước ta còn yếu Tuy nhiên trong tương lai, điều này không còn đúngnữa khi một loạt các doanh nghiệp lớn nước ngoài đã và đang đầu tư vào VNnhư Intel, Compal… Điều này sẽ làm tăng ý nghĩa phương thức ứng dụngCNTT thứ ba, đó là tạo ra các sản phẩm công nghiệp chứa đựng cả phầncứng và phần mềm Chính những sản phẩm này sẽ trực tiếp góp phần quantrong cho sự nghiệp công nghiệp hóa - hiện đại hóa, tạo ra hiệu quả sản xuất

và năng lực cạnh tranh trong điều kiện hội nhập

Ngành GTVT có một vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân,

đó là vai trò đi trước một bước, làm nền tảng cho sự phát triển các ngànhkhác Trong điều kiện phát triển và hội nhập hiện nay, ứng dụng CNTTthành công trong GTVT là một điều kiện không thể thiếu được để ngànhGTVT làm tròn trách nhiệm của mình

Là sinh viên của ngành CNTT trong trường đại học GTVT, ngoài việcđảm bảo chương trình học tập em luôn mong muốn tìm hiểu các khả năngứng dụng trực tiếp của ngành học vào thực tế Các hiểu biết này sẽ giúp emhiểu hơn các kiến thức đã học, thấy được giá trị các kiến thức mà thày côtrang bị cho, để tăng thêm niềm đam mê ngành nghề của mình Chính vì vậy

em chọn đề tài NCKH “Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển tự động đèntín hiệu giao thông”

Mục tiêu của để tài là tìm hiểu chức năng điều khiển của máy tính, cụ thể :

 Nghiên cứu tìm hiểu cơ chế, cách thức điều khiển các thiết bịngoại vi bằng máy tính

 Nghiên cứu tìm hiểu cơ sở khoa học của bài toán thiết kế hệthống đèn tín hiệu giao thông

 Nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình hệ thống điều khiển đèn tínhiệu giao thông.

CHƯƠNG IGIỚI THIỆU VỀ HỆ THỐNG ĐÈN TÍN HIỆU GIAO THÔNG

1 Chức năng đèn tín hiệu giao thông

Giao thông là sự chuyển động của các dòng phương tiện Cùng với sựphát triển của kinh tế-xã hội, sự chuyển động này càng phức tạp và với mật

độ, cường độ cao Điều này cũng dẫn đến mức độ mất an toàn cao của hệthống giao thông Bản chất của sự mất an toàn này là khả năng xung độtgiữa các dòng giao thông

Làm sao để tách các dòng giao thông này, giảm thiểu các khả năngxung đột là nhiệm vụ của điều khiển giao thông Về nguyên lý, có haiphương thức điều khiển dòng giao thông: theo không gian và theo thời gian

Ở phương thức điều khiển theo không gian, đó là tách các dòng giao thôngthông qua các biện pháp thiết kế hình học như làm cầu vượt, đường hầm,hay các đảo, v.v… Còn ở phương thức điều khiển theo thời gian, người tachia thời gian thành những khoảng dành riêng cho sự lưu thông của mộtdòng hoặc một nhóm dòng nhất định, trong khi cấm các dòng khác Điềukhiển đèn tín hiệu giao thông thuộc về phương thức này

Đèn tín hiệu giao thông (ĐTHGT) là thiết bị phát sáng để báo hiệuhoặc điều khiển giao thông, được sử dụng trong tất cả các loại hình giaothông: đường bộ, đường sắt, đường sông, đường biển và đường hàng không.Mỗi loại hình giao thông có quy định về sử dụng ĐTHGT khác nhau Tronggiao thông đường bộ, ĐTHGT được dùng chủ yếu để điều khiển giao thông.Các loại đèn tín hiệu điều khiển giao thông đường bộ gồm 3 màu: xanh,vàng, đỏ Tín hiệu xanh: cho phép đi Tín hiệu vàng: chú ý, báo hiệu sự thayđổi của tín hiệu đèn; khi tín hiệu vàng bật sáng, người điều khiển phươngtiện phải cho xe dừng lại trước vạch dừng lại, phương tiện và người đi bộ đãvượt quá vạch dừng phải nhanh chóng ra khỏi nút giao thông; tín hiệu vàngnhấp nháy là được đi nhưng phải chú ý thận trọng Tín hiệu đỏ: cấm đi

2 Sơ lược lịch sử đèn tín hiệu giao thông

Ban đầu, đèn xanh đèn đỏ chỉ dành cho tàu hỏa Lúc đầu, nó thắp sángbằng khí gas Sau 43 năm, chúng mới chạy điện nhưng vẫn cần người điềukhiển cho tới khi hoàn toàn tự động năm 1950 Ban đầu, tín hiệu giao thôngnày chưa có đèn vàng và thay thế nó là chiếc còi hú vang khi cần

Lịch sử đèn tín hiệu có từ tháng 10/1868, khi người ta đặt hệ thốngđèn ngay bên ngoài tòa nhà Quốc hội Anh ở Luân Đôn Chúng được lắp đểbáo hiệu cho những đoàn tàu hỏa đi ngang qua đây Trên cây cột kiểu hìnhkhuỷu tay gắn hai chiếc đèn khí gas, một màu xanh và một màu đỏ để dùngcho ban đêm Đèn đỏ có nghĩa là "dừng lại", còn đèn xanh là "chú ý".

Đèn dùng khí gas để thắp sáng trong những năm cuối thế kỷ XIX Khígas được đưa vào từng đèn theo hệ thống van và khi cần thắp sáng đèn nào,một cảnh sát sẽ vặn to đèn đó và vặn nhỏ đèn kia Sử dụng đèn tín hiệu nàycực kỳ nguy hiểm và ngày 2/1/1869, tức chỉ vài tháng sau khi vận hành, hệthống đèn này phát nổ khiến một cảnh sát bị thương khi đang điều chỉnh Dùvậy, nó vẫn được sử dụng cho tới khi một người Mỹ (Lester Wire) phátminh ra đèn tín hiệu dùng điện năng vào năm 1912

Sau khi ngành công nghiệp ôtô phát triển vượt bậc, một cảnh sát cótên Lester Wire, làm việc tại thành phố Salt Lake thuộc bang Utah của Mỹ,

đã nảy ra ý tưởng đưa đèn tín hiệu đường sắt vào đường bộ năm 1912 Khi

đó, đèn tín hiệu trên đường sắt đã được tự động hóa nhưng do tàu chỉ chạytrên đường thẳng nên lúc đưa sang đường bộ, vốn nhiều đường ngang ngõtắt, chúng hoàn toàn không thích hợp và lại trở về hình thức điều chỉnh thủcông

Tháng 8/1914, Công ty tín hiệu giao thông ra đời ở Mỹ và chịu tráchnhiệm lắp đặt đèn giao thông tại các ngã tư bang Ohio Điều đặc biệt là khi

đó, đèn tín hiệu chưa hề có đèn vàng nên mỗi khi chuẩn bị chuyển trạng thái,cảnh sát giao thông bấm một chiếc còi hú vang để báo cho lái xe biết

Đến năm 1920, hệ thống đèn tín hiệu này mới có đủ 3 màu: xanh,vàng, đỏ và do sĩ quan cảnh sát Williams Potts, sống tại thành phố Detroit,sáng chế.

Năm 1923, Gerrette Morgan đã được nhận bằng phát minh thiết bịđiều khiển tín hiệu giao thông Nguyên nhân dẫn tới phát minh của Morgan

là do tình trạng tai nạn xảy ra nhiều trên đường phố Mỹ trong những năm

đó Ông thấy cần phải có một tiêu chuẩn thống nhất để hệ thống tín hiệu sẵn

có hoạt động thật hiệu quả Sau khi nghiên cứu, Morgan thiết kế cột tín hiệuhình chữ T, trong đó có các tín hiệu như "dừng lại", "đi" và "dừng lại ở tất cảcác hướng" Khi đèn báo "dừng lại ở tất cả các hướng", người đi bộ mớiđược phép đi qua đường

Sau năm 1923, hệ thống đèn tín hiệu vẫn phải có người vận hành.Tính riêng tại thành phố New York, hơn 100 cảnh sát phải làm việc 16 giờmột ngày và tổng tiền lương ở mức 250.000 USD mỗi năm Do những khókhăn nói trên, các kỹ sư được lệnh thiết lập và phát triển hệ thống đèn tínhiệu điều khiển tự động

Năm 1950, đèn tín hiệu xanh - đỏ tự động được sử dụng rộng rãi ởCanada và phát triển nhanh chóng trên thế giới Ngày nay, hệ thống đèn tínhiệu hiện đại hơn rất nhiều, tích hợp nhiều tính năng như tự động chụp hình

xe vượt đèn đỏ Bên cạnh đó, nhiều nước có phát minh hết sức thú vị nhưđèn 4 chế độ ở Anh, New Zealand, Phần Lan Đèn sẽ chuyển từ "đỏ" sang

"đỏ và vàng" rồi mới đến "xanh" và về lại "vàng" Trạng thái đỏ và vàngnhằm báo cho tài xế biết đèn xanh sẽ sáng trong một thời gian ngắn nữa

Tại các nước trên thế giới, kể cả Việt Nam, có đèn tín hiệu giao thông

ba màu đơn giản, ý nghĩa từng màu được quy định như sau: Tín hiệu xanh làđược đi; Tín hiệu đỏ là cấm đi; Tín hiệu vàng là báo hiệu sự thay đổi tínhiệu Khi đèn vàng bật sáng, người điều khiển phương tiện phải cho xe dừnglại trước vạch dừng, trừ trường hợp đã đi quá vạch dừng thì được đi tiếp Tínhiệu vàng nhấp nháy là được đi nhưng cần chú ý

3 Các phương pháp điều khiển đèn tín hiệu giao thông

Thông thường có 2 góc độ phân loại hệ thống điều khiển đèn tín hiệu:theo nguyên lý hoạt động và theo loại bộ điều khiển

3.1 Theo nguyên lý điều khiển:

Dựa theo cách thức đưa ra các giá trị tham số thời gian các đèn trong chu

kỳ ta có các phương pháp sau

a) Điều khiển định thời (chu kỳ cưỡng bức)

Đây là phương pháp kinh điển và thông dụng ở nước ta hiệnnay Theo phương pháp này, chu kỳ đèn được tính toán từ trước (off-

line) dựa trên các số liệu thống kê về lưu lượng, tốc độ các dòng xevào nút Sau đó các thời gian cố định này được đưa vào điều khiển cácđèn, không phụ thuộc vào lưu lượng hiện tại của dòng xe.

Ưu điểm: đơn giản.

Nhược điểm: không hiệu quả khi dòng xe có biến động lớn theo thời

gian

b) Điều khiển động (chu kỳ thích nghi)

Để khắc phục nhược điểm của phương pháp điều khiển địnhthời trên, cần phải phát hiện kịp thời các lưư lượng tức thời của dòng

xe, rồi từ đó tính toán các chu kỳ đèn hợp lý Điều quan trọng nhất ởđây là làm sao đo được lưu lượng xe tới nút Phương pháp đo lưulượng (số lượng xe, tốc độ xe) thông dụng nhất hiện nay là sử dụngcác vòng từ chôn dưới đất Tuy nhiên phương pháp này chỉ có hiệuquả ở các nước phát triển khi dòng xe là đồng nhất, xe chạy theo làn

và có dãn cách hợp lý Ở Việt nam, trong điều kiện dòng xe đaphương tiện, không theo làn và dãn cách quy định, các thiết bị nàykhông phát huy được tác dụng

Ưu điểm: hiệu quả cao.

Nhược điểm: phức tạp, đòi hỏi có các điều kiện cần thiết về cơ sở hạ

tầng

c) Điều khiển phối hợp:

Mục đích của phương pháp điều khiển này là đưa ra chu kỳ đènhợp lý cho một chuỗi các nút liên tiếp tạo nên hiệu quả “làn sóngxanh”, để xe chuyển động trong chuỗi nút này hầu như không phảidừng ở các nút (luôn gặp đèn xanh)

Ưu điểm: mạng lại hiệu quả cho các xe di chuyển theo hướng chính Nhược điểm: các xe chuyển động trong các dòng phụ có thể phải chịu

tác động chu kỳ đèn bất hợp lý

d) Điều khiển tích cực:

Ở các phương pháp trên, người tham gia giao thông không đượctác động trực tiếp vào thay đổi chu kỳ đèn Nhưng trong thực tế, cónhững trường hợp cần đến sự thay đổi này kịp thời phục vụ nhu cầuđặc biệt, chẳng hạn cho người đi bộ qua đường, xe cứu thương, xebuýt, … Để đạt được mục đích này, người ta bố trí các nút bấm chongười đi bộ qua đường ở các nút hoặc lắp đặt các thiết bị cảm ứngđiện tử trên các xe đặc biệt

3.2 Theo nguyên lý bộ điều khiển:

Với bộ điều khiển có thể sử dụng các loại thiết bị sau: vi điềukhiển, bộ điều khiển logic lập trình PLC (programmable logiccontroller), máy tính (công nghiệp), …

Hình 1.1 sau là hình ảnh minh họa một tủ điều khiển đèn tínhiệu giao thông sử dụng máy tính

H.1.1 Tủ điều khiển đèn tín hiệu giao thông sử dụng máy tính

Trong khuôn khổ đề tài, em sẽ xem xét phương pháp điều khiểnđèn tín hiệu bằng máy tính và tính toán chu kỳ đèn cưỡng bức

CHƯƠNG II

CƠ SỞ THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐÈN TÍN HIỆU

[1]

1 Một số khái niệm cơ bản:

 Chu kì: Một chu ki tín hiệu là một vòng biểu diễn tất cả các hiển thị

có thể Nói chung, dòng xe chỉ nhận được tín hiệu xanh một lầntrong chu kì (mặc dù có thể xảy ra ngoại lệ trong một số trường hợpđặc biệt)

 Độ dài chu kì: là thời gian (tính theo giây) để tín hiệu biểu diễn hếtđược các hiển thị trong một chu kì

 Khoảng: là quãng thời gian mà trong đó không xảy ra sự thay đổi tínhiệu ánh sáng ở nút Trong một chu kì tín hiệu có nhiều loại khoảngthời gian đặc biệt:

 Thời gian chuyển (thời gian vàng): đó là khi hiển thị tín hiệu

“vàng” Đây là khoảng thời gian sau đèn xanh có tác dụng cảnhbáo người tham gia giao thông đang vào nút về việc chuyểnquyền sử dụng đường đang diễn ra Thời gian vàng thôngthường có giá trị từ 3 đến 6 giây Nói chung, tốc độ xe vào nútcàng lớn thì thời gian này càng lớn

 Thời gian làm sạch: do trong thời gian đèn vàng xe vẫn có thểvào nút nên cần có một khoảng thời gian cấm tất cả các xe vàonút từ các hướng để giải phóng hết số xe đã có này trong nút.Thời gian đó gọi là thời gian làm sạch hay đỏ tất cả

 Thời gian xanh: thời gian đèn xanh đối với hướng cho trước

 Thời gian đỏ: thời gian đỏ đối với hướng cho trước

 Pha: là tập các khoảng thời gian cho phép một dòng giao thông hoặcmột tập các dòng giao thông đi qua nút và kết thúc an toàn trước khicho phép tập các dòng khác Nó là tổng thời gian xanh, thời gian làmsạch và thời gian chuyển của dòng đang xét

Tín hiệu giao thông có thể hoạt động ở các chế độ khác nhau như miêu

thông trên đường chính sẽ luôn xanh cho đến khi phát hiện có xechờ qua nút ở ít nhất một lối vào của đường phụ.

 Chế độ tích cực (Full-Actuated Operation): thiết bị phát hiện xeđược đặt ở tất cả các lối vào nút Trong chế độ tích cực các chu kìđèn đều khác nhau, thứ tự và độ dài các khoảng thời gian và phathay đổi tùy theo yêu cầu được phát hiện

 Chế độ điều khiển bằng máy tính (Computer Controlled): thuật ngữnày được sử dụng để miêu tả việc điều khiển tín hiệu đèn không chỉđược tính toán và thực hiện cho một nút mà cho cả một mạng cácnút, trong đó sự liên lạc, phối hợp giữa các nút được máy tính đảmnhiệm

2 Mô hình trễ Webster:

2.1 Khái niệm trễ:

Các nút giao thông có tầm quan trọng lớn trong mạng lưới cácđường giao thông Vì vậy rất cần có các chỉ tiêu đánh giá năng lực vàhiệu quả các nút Chỉ tiêu thông dụng nhất là thời gian chậm trễ(Delay) khi qua nút Thời gian này có nhiều dạng như các định nghĩadưới đây:

a Trễ do dừng (Stopped Time Delay): là thời gian xe dừng đểđợi qua nút

b Thời gian tới nút (Approach Delay): bao gồm thời gian giảmtốc độ từ khi chạy vào nút tới khi dừng, thời gian dừng, thờigian tăng tốc từ khi dừng tới tốc độ qua nút bình thường

c Thời gian trễ qua nút (Travel Time Delay): là hiệu giữa tổngthời gian qua nút lý tưởng với tổng thời gian qua nút thực tế

d Thời gian trễ trong hàng (Time-in-Queue Delay): là tổng thờigian từ khi xe bắt đầu tham gia vào hàng chờ cho đến khi xevượt qua vạch dừng

2.2 Mô hình trễ Webster:

Trong nghiên cứu về kĩ thuật giao thông các mô hình trễ của nút cóđiều khiển đều xuất phát từ mô hình trễ của Webster Mô hình trễ ởđây liên quan đến thời gian trễ qua nút

Khi độ dài chu kì quá ngắn so với yêu cầu, các chu kì đều quá tải

và thời gian trễ tăng rất nhanh Ngược lại khi độ dài chu kì lớn quá, cónhiều thời gian xanh không sử dụng, các xe phải chờ không cần thiết

và cũng làm tăng thời gian trễ Webster đã đưa ra công thức tính độdài chu kì tối ưu để tối thiểu hóa thời gian trễ với dạng đơn giản sau:

L Co

) / ( 1

5 5 1

(1)

Trong đó: C0 – chu kì tối ưu đển tối thiểu hóa trễ (s)

L – thời gian mất mát trong chu kì (s) (v/s)c – tổng các tỉ lệ lưu lượng trên lưu lượng bão hòa

2.3 Phương pháp tính toán chu kì tối ưu đèn tín hiệu giao thông:

Mục tiêu của phương pháp là tìm ra thời gian xanh, vàng, đỏ củađèn nhằm tối thiểu hóa thời gian trễ theo công thức Webster

Giả sử sử dụng phương án điều khiển 2 pha như hình vẽ:

 Vận tốc trung bình của xe: vi (km/h)

 Lưu lượng xe lớn nhất trên 1 làn: mi (xe/h)

 Thời gian làm sạch: tzi (s)

Thời gian làm sạch được tính theo công thức sau:

tv v

te te tk tr

tz    '  6

.

Trong đó:

(H.2.2)

tr - chiều rộng mặt đường (m)

5 ) 2 1 ( 5 1

m m

tz tz Co

1

m

tx m

2 1 1

tz tz Co tx tx m

tx m

tx

(6)

Vậy thời gian đỏ của mỗi pha là:

Ví dụ: Ngã tư Đê La Thành – Nguyễn Chí Thanh

Qua khảo sát thực tế ngã tư Đê La Thành – Nguyễn Chí Thanh ta giảthiết ngã tư được lắp đèn có phương án sau:

 Mỗi đầu vào có 2 làn xe

Xe hướng Nam Bắc (rẽ trái): 168 xe/h

 Pha 2:

Xe hướng Đông Tây (thẳng + rẽ phải): (286+194) xe/h

Xe hướng Đông Tây (rẽ trái): 220 xe/h

Các tham số khác:

 Thời gian đèn vàng tv = 3s

 Vận tốc xe trung bình (nam – bắc): 30 km/h

 Vận tốc xe trung bình (đông – tây): 25 km/h

 Chiều dài trung bình xe: 4.5m

Ta tính toán chu kì thời gian tối ưu và các tham số điều khiển kháctheo phương pháp Webster

Số liệu:

 Chiều dài xe tk = 4.5m

 Thời gian đèn vàng tv = 3s

 Chiều rộng mặt đường hướng 1 (nam - bắc) tr1 = 20.4m

 Chiều rộng mặt đường hướng 2 (đông – tây) tr2 = 10m

 Chiều rộng lề đường hướng 1 (nam – bắc) te1 = 7m

 Chiều rộng lề đường hướng 2 (đông – tây) te2 = 5m

 Lưu lượng xe lớn nhất pha 1 (hướng NB thẳng, rẽ phải) = 580xe/h

 Lưu lượng xe lớn nhất pha 2 (hướng ĐT thẳng, rẽ phải) = 480xe/h

 Vận tốc xe hướng 1 v1 = 30 km/h

 Vận tốc xe hướng 2 v2 = 25 km/h

Tính toán theo các công thức (2) – (7) ta được:

 Thời gian xanh pha 1: 22s

 Thời gian xanh pha 2: 27s

 Thời gian đỏ pha 1: 39s

 Thời gian đỏ pha 2: 34s