Sáng chế mô hình Hệ thống Giao thông thông minh ITS

Sáng chế mô hình Hệ thống Giao thông thông minh ITSSáng chế mô hình Hệ thống Giao thông thông minh ITSSáng chế mô hình Hệ thống Giao thông thông minh ITSSáng chế mô hình Hệ thống Giao thông thông minh ITSSáng chế mô hình Hệ thống Giao thông thông minh ITSSáng chế mô hình Hệ thống Giao thông thông minh ITSSáng chế mô hình Hệ thống Giao thông thông minh ITSSáng chế mô hình Hệ thống Giao thông thông minh ITSSáng chế mô hình Hệ thống Giao thông thông minh ITSSáng chế mô hình Hệ thống Giao thông thông minh ITS

CHƯƠNG TRÌNH "TRI THỨC TRẺ VÌ GIÁO DỤC"

Hạng mục: Sáng chế dụng cụ

thông minh (ITS) trên đường cao tốc phục vụ công tác đào tạo

và nghiên cứu khoa học

Nhóm tác giả: 1 ThS Nguyễn Văn Tuấn

Đơn vị: Trường Đại học Công nghệ GTVT

Địa chỉ: Số 54 Triều Khúc – Thanh Xuân – Hà Nội

Hà nội 10/2016

TOÀN VĂN GIẢI PHÁP

Nghiên cứu chế tạo mô hình hệ thống giao thông thông minh (ITS) trên

đường cao tốc phục vụ công tác đào tạo và nghiên cứu khoa học

Với tốc độ phát triển kinh tế của nước ta trong những năm gần đây, nhu cầu

đi lại và vận chuyển hàng hóa, giao lưu quốc tế ngày càng tăng, mật độ phương tiện tham gia giao thông ngày càng nhiều Điều này đã đặt ra một áp lực lớn lên

cơ sở hạ tầng giao thông Để đáp ứng được nhu cầu đi lại ngày càng tăng, đòi hỏi chúng ta cần phải củng cố hơn nữa hệ thống giao thông hiện có và đặc biệt

là cần xây dựng thêm các tuyến đường cao tốc đúng tiêu chuẩn quốc tế Theo kế hoạch phát triển đường cao tốc của nước ta thì đến năm 2020 sẽ xây dựng được một mạng lưới đường cao tốc hoàn chỉnh với tổng chiều dài hơn 5.800 km Để

hệ thống đường cao tốc này có thể vận hành một cách hiệu quả, đòi hỏi cần phải

có một hệ thống điều khiển hiện đại, thông minh Hệ thống giao thông thông minh (Intelligent Transport System - ITS) là một giải pháp tổng thể, ứng dụng nhiều công nghệ hiện đại, đồng bộ đã được phát triển và ứng dụng để hỗ trợ điều hành, quản lý giao thông Việc áp dụng hệ thống giao thông thông minh vào các tuyến đường bộ cao tốc sẽ mang lại hiệu quả rất lớn, nó giúp cho việc thu thập các dữ liệu về tốc độ, lưu lượng xe tham gia giao thông được đầy đủ và chính xác, giúp cảnh báo và xử lý các nguy hiểm trên đường khi lái xe không làm chủ được tốc độ và chạy lệch làn đường, hay việc thu phí đường bộ một cách tự động mà không cần phải dừng lại Hệ thống giao thông thông minh đã được áp dụng ở nhiều quốc gia tiên tiến như Mỹ, Singapore, Nhật, tại Việt Nam đang trong quá trình nghiên cứu, thử nghiệm, áp dụng vào thực tế Để có thể áp dụng hệ thống giao thông thông minh vào thực tế thì cần một đội ngũ kỹ

sư có trình độ chuyên môn cao, nắm rõ các tính năng và cách thức vận hành của

hệ thống, do đó ngay trong quá trình học tập cần phải có mô hình làm giáo cụ trực quan để việc đào tạo đem lại kết quả cao hơn Vì vậy nhóm nghiên cứu lựa

chọn giải pháp thiết kế và chế tạo mô hình hệ thống giao thông thông minh ITS phục vụ công tác giảng dạy và nghiên cứu khoa học

III Mục tiêu của sáng chế

- Xây dựng sa bàn mô hình mô phỏng một số tính năng của hệ thống giao thông thông minh trên đường cao tốc phục vụ công tác đào tạo

- Xây dựng các bài học mô phỏng trực quan một số tính năng của hệ thống giao thông thông minh phục vụ công tác giảng dạy và nghiên cứu khoa học

IV Nội dung nghiên cứu của sáng chế

4.1 Giới thiệu chung về hệ thống giao thông thông minh ITS

ITS (Intelligent Transport System) là khái niệm xuất phát từ Nhật Bản, bắt đầu từ những năm 1980 ITS được xúc tiến như một dự án quốc gia tại Nhật Bản

Từ năm 1993, Hội nghị ITS quốc tế được tổ chức hàng năm với sự tham gia của các chuyên gia về lĩnh vực giao thông vận tải đại diện cho các quốc gia

và các hãng danh tiếng trên thế giới sản xuất vật liệu mới, thiết bị thông tin hiện đại, ô tô, tầu hỏa và các loại phương tiện giao thông khác

Hệ thống ITS của một số nước được nghiên cứu và ứng dụng rất đa dạng, hiệu quả với các mức độ khác nhau Tùy theo đặc điểm của mỗi quốc gia mà tập trung vào các lĩnh vực chính sau đây: Hoàn thiện kết cấu hạ tầng đường bộ, xử lý khẩn cấp các sự cố giao thông; Hiện đại hóa các trạm thu phí tự động, trạm cân điện tử; Quản lý các đường trục giao thông chính; Hệ thống thông tin cho người tham gia giao thông; Phổ cập giao thông tiếp cận; Khai thác, điều hành hệ thống giao thông công cộng tiên tiến (xe buýt, đường sắt đô thị, trung tâm đèn đường tín hiệu); Cải thiện các vấn đề về thể chế, nguyên tắc giao thông tại các nút giao cắt; Nghiên cứu sản xuất phương tiện giao thông thông minh; ứng dụng công nghệ tin học, điện tử trong đào tạo, sát hạch và quản lý lái xe

Ở Việt Nam chúng ta cũng đã từng bước tiếp cận, nghiên cứu, vận dụng ITS vào các lĩnh vực: Thu phí đường bộ; Kiểm soát tải trọng ô tô tải nặng; Sát hạch lái xe Một loạt đề tài nghiên cứu khoa học đã được triển khai và thu được

kết quả khả quan Điển hình là hệ thống thiết bị thu phí đường bộ đã lắp đặt, thử nghiệm trên xa lộ An Sương- An Lạc; Thiết bị sát hạch lái xe tự động (chương trình KT-KT) đã thành công tại Phú Thọ, Bắc Ninh, Đà Nẵng và nhiều tỉnh thành trong cả nước

Việc phát triển hệ thống giao thông tốt là nhu cầu bức thiết của mỗi quốc gia nhằm tạo cơ sở thuận lợi cho quá trình phát triển kinh tế xã hội Xây dựng được một hệ thống giao thông tốt là một bài toán khó với các nhà quy hoạch giao thông Ngoài việc phân tích, đánh giá mang tính lý thuyết, họ cần có một cái nhìn trực quan về các giải pháp mà họ lựa chọn Tuy nhiên, không phải lúc nào cũng

có thể áp dụng các giải pháp phát triển hệ thống giao thông vào thực tế chỉ để kiểm tra tính hiệu quả do nhiều nguyên nhân như tốn kém, mất nhiều thời gian, hoặc gặp rủi ro không lường trước được Chính vì vậy, họ cần một công cụ giúp

họ mô phỏng các giải pháp phát triển hệ thống giao thông để đánh giá và đưa ra lựa chọn hợp lý nhất

Do đó việc thiết kế một mô hình hệ thống giao thông thông minh ITS trên đường cao tốc để làm giáo cụ trực quan trong công tác giảng dạy ITS trong các trường đại học có giảng dạy về lĩnh vực giao thông thông minh là cần thiết và phù hợp với xu thế chung của thế giới nói chung, của Việt Nam nói riêng

4.2 Nguyên lý hoạt động chung của hệ thống ITS

Hệ thống bao gồm các thiết bị điện tử, công nghệ thông tin, cơ điện tử… liên kết với nhau thông qua hệ thống điều khiển trung tâm Từ những tín hiệu mà các thiết bị gắn ở trên đường (camera, các loại cảm biến, ) được đưa về bộ điều khiển trung tâm Tại đây tín hiệu được xử lý tự động hoặc do con người tác động

để điều khiển, giám sát giao thông thông qua các thiết bị chấp hành trên đường (biển báo điện tử VMS, đèn tín hiệu…) nhằm giảm ùn tắc, giảm tai nạn giao thông, xử lý các sự cố Dựa trên nguyên lý của một hệ thống giao thông thông minh ngoài thực tế, nhóm tác giả xây dựng một mô hình mô phỏng một số các tính năng của giao thông thông minh nhằm giúp sinh viên có một cái nhìn trực quan hơn về hệ thống giao thông thông minh ngoài thực tế Mô hình phục vụ giảng dạy các ngành Công nghệ thông tin, Điện tử, Cơ điện tử và Giao thông

Hình 1 Mô hình hệ thống giao thông thông minh điển hình

Sau khi nghiên cứu các tính năng của hệ thống giao thông thông minh ngoài thực tế, nhóm tác giả đã xây dựng sơ đồ khối nguyên lý mô hình giao thông thông minh được xây dựng ở đề tài có những thành phần chính như: Mạch điều khiển trung tâm, màn hình theo dõi giám sát, trạm soát vé tự động, bảng tín hiệu, các loại cảm biến, ô tô mô hình,…

Hình 2 Sơ đồ khối nguyên lý hoạt động của mô hình hệ thống ITS

Từ đó nhóm nghiên cứu lựa chọn phương án thiết kế mô hình hệ thống giao thông thông minh ITS với các chức năng chính như: Thống kê chi tiết các thông

số như lưu lượng xe đi trên đường, vận tốc trung bình các xe, theo dõi giám sát hoạt động của các phương tiện qua camera; cảnh báo; điều chỉnh tốc độ cho phép; thu phí tự động; nhận biết thông tin về phương tiện di chuyển như tốc độ, kích thước, biển số xe,…

4.3 Nghiên cứu thiết kế chế tạo mô hình ITS

4.3.1 Mô hình đường cao tốc

Đường cao tốc là đường dành cho xe cơ giới, có dải phân cách chia đường cho xe chạy hai chiều riêng biệt; không giao nhau cùng mức với một hoặc các đường khác; được bố trí đầy đủ trang thiết bị phục vụ, bảo đảm giao thông liên tục, an toàn, rút ngắn thời gian hành trình và chỉ cho xe ra, vào ở những điểm nhất định

Trong thực tế đường cao tốc được thiết kế theo các tiêu chuẩn theo quy định của Bộ GTVT

 Số làn xe cần thiết của mỗi chiều đường cao tốc được xác định tùy thuộc lưu lượng xe tính toán mỗi chiều xe chạy Nk ở giờ cao điểm thứ k của năm tính toán (xe/h) và năng lực thông hành thiết kế Ntk của một làn xe (xe/h.làn), theo công thức sau:

chuẩn (đường trên đoạn thẳng, đường bằng, xcqđ/h/làn); đối với đường cao

tốc, áp dụng Ntt max = 2000 xcqđ

Cả Nk, Ntk đều được tính bằng số xe con quy đổi Số làn xe cần thiết cho mỗi chiều xe chạy của đường cao tốc là một số nguyên không nhỏ hơn 2

 Xác định trị số Nk:

Nk có ý nghĩa là trong năm tính toán (xem Điểm 4.4) chỉ có K giờ lưu lượng

xe bằng và lớn hơn Nk; k được quy định là 30 h hoặc 50 h (thường lấy là giờ cao điểm thứ 30 trong năm)

Trường hợp chưa có cơ sở dự báo được Nk thì cho phép người thiết kế áp dụng các mối tương quan sau để xác định Nk:

Nk = K Ntb năm

Trong đó:

K = 0,13 ÷ 0,15;

năm tính toán (xcqđ/ngày đêm) Đối với mỗi chiều xe chạy của một tuyến đường cao tốc có thể có trị số Ntb năm khác nhau

Z là hệ số mức độ phục vụ được xác định như sau:

Đường cao tốc vùng đồng bằng và vùng đồi áp dụng Z = 0,55; vùng núi được áp dụng đến Z = 0,77

Dựa vào những tiêu chuẩn nhóm nghiên cứu thiết kế mô hình đường giao thông thông minh ITS với tỷ lệ 1:80

Hình 3 Mô hình đường cao tốc

4.3.2 Mô hình trạm thu phí tự động sử dụng công nghệ RFID

Mạng lưới thu phí giao thông của Việt Nam bao gồm 54 trạm trên 26 tuyến quốc lộ Phần lớn số trạm vẫn áp dụng phương pháp thu phí thủ công, nhiều trạm còn sử dụng thiết bị barie điện, đèn tín hiệu giao thông và một số trạm

có camera giám sát thông thường Chỉ có 9/54 trạm sử dụng phương pháp thu phí bán tự động, chủ yếu ở khâu kiểm soát với quy trình thu hai dừng: một dừng mua

vé và một dừng soát vé Nhóm tác giả xây dựng mô hình trạm thu phí một dừng, việc đọc dữ liệu thông qua công nghệ RFID để đọc mã các xe lưu thông

Hình 4 Mô hình trạm thu phí tự động

Hệ thống camera đặt tại trạm thu phí dùng để giám sát, ghi nhận toàn bộ hoạt động của trạm thu phí, hình ảnh và biển số được đưa về trung tâm hỗ trợ công tác quản lý và xử phạt Một hệ thống camera khác được lắp đặt trên đường, nhằm ghi nhận hình ảnh các phương tiện vi phạm giao thông

4.3.3 Mô hình ô tô có gắn cảm biến và thẻ RFID

Ô tô mô hình được lập trình tự động chạy trên đường đi Và được gắn cảm biến siêu âm và bộ nhận dạng RFID

- Sóng siêu âm được truyền đi trong không khí với vận tốc khoảng 343m/s Nếu một cảm biến phát ra sóng siêu âm và thu về sóng phản xạ đồng thời, đo được khoảng thời gian từ lúc đi tới lúc thu về, thì máy tính có thể xác định được quãng đường mà sóng đã di chuyển trong không gian Quãng đường di chuyển của sóng sẽ bằng 2 lần khoảng cách từ cảm biến tới chướng ngại vật sẽ được tính theo nguyên lý TOF:

d = v* t/2

Cảm biến siêu âm có thể được mô hình hóa thành một hình quạt, trong đó các điểm ở giữa dường như không có chướng ngại vật, còn các điểm trên biên thì dường như có chướng ngại vật nằm ở đâu đó

Cảm biến siêu âm được gắn trên xe ô tô mô hình để có thể nhận biết vật cản, va trạm Khi gặp xe phía trước thì tự động giảm tốc độ

Hình 5 Mô hình ô tô thông minh

4.3.4 Mô hình biển báo điện tử VMS

Mô hình biển báo điện tử VMS dử dụng Led ma trận 8x32 và 16x32 dùng

để hiện thị tốc độ cho phép, thông tin trên đường khi có những sự cố xẩy ra hoặc những thông tin mà đơn vị quản lý muốn cung cấp cho người tham gia giao thông biết

Hình 6 Mô hình bảng điện tử VMS

4.3.5 Camera giám sát

Đối với hệ thống mô hình ITS thì cần chọn các camera mini để phù hợp với kích thước của mô hình hệ thống Nhóm tác giả chọn loại camera mini có độ nét cao như hình sau

Hình 7 Camera quan sát tại trạm thu phí

4.3.6 Mô hình trạm thu năng lượng mặt trời để cung cấp cho các biển báo

điện tử VMS

Năng lượng mặt trời là một nguồn năng lượng sẵn có trong tự nhiên, ngày nay nguồn năng lượng này ngày càng được sử dụng nhiều phục vụ trong đời sống, sản xuất nói chung và trong ngành giao thông nói riêng Nguồn năng lượng mặt trời có thể cung cấp năng lượng cho các đèn chiếu sáng trên đường, các biển báo điện tử,…Nhóm cũng chọn các panel pin năng lượng mặt trời loại 6V – 100mmA để làm mô hình

Hình 8 Mô hình trạm thu năng lượng mặt trời

4.3.7 Thiết kế mạch điều khiển hệ thống mô hình ITS

a Sơ đồ khối

Hình 9 Mạch vi điều khiển Atmega 128

Atmega128 là bộ vi điều khiển CMOS 8 bit tiêu thụ điện năng thấp dựa trên kiến trúc RISC Công nghệ này cho phép các lệnh thực thi chỉ trong một chu

kì nhịp xung, vì thế tốc độ xử lý dữ liệu có thể đạt đến 1 triệu lệnh trên giây ở tần

số 1 Mhz Vi điều khiển này cho phép người thiết kế có thể tối ưu hoá mức độ tiêu thụ năng lượng mà vẫn đảm bảo tốc độ xử lí Phần cốt lõi của AVR kết hợp tập lệnh phong phú về số lượng với 32 thanh ghi làm việc đa năng Toàn bộ 32

thanh ghi đều được nối trực tiếp với ALU (Arithmetic Logic Unit), cho phép truy

cập 2 thanh ghi độc lập bằng một chu kì xung nhịp Kiến trúc đạt được có tốc độ

xử lý nhanh gấp 10 lần vi điều khiển dạng CISC thông thường Atmega128 cung cấp những đặc tính sau: 128 K bytes bộ nhớ chương trình, 4K bytes bộ nhớ EEPROM, 4K bytes SRAM, 52 chân với mục đích vào ra thông thường, 32 thanh ghi làm việc với mục đích thông thường, bộ đếm thời gian thực (RTC), 4 bộ Timer/Counter với chế độ so sánh và PWM, 2 USARTs, 8 kênh ADC 10 bit với khả năng lựa chọn đầu vào và lập trình được hệ số khuếch đại, Watchdog timer

có khả năng lập trình nhờ bộ tạo dao động bên trong, giao tiếp SPI, bộ giao tiếp kiểm tra lỗi theo chuẩn IEEE 1149.1, chỉ dùng để debug hệ thống và chương trình trên chip và khả năng lựa chọn 6 chế độ tiết kiệm năng lượng chế độ Idle ngừng hoạt động của CPU trong khi cho phép SRAM, Timer/Counter, cổng SPI,

hệ thống ngắt tiếp tục gọi hàm, chế độ power-down tiết kiệm lượng thanh ghi nhưng ổn định cho xung giao động, ko hoạt động các hàm khác cho đến khi có ngắt tiếp theo hoặc reset phần cứng Ở chế độ power-save, Timer không đồng

thời tiếp tục hoạt động, mà cho phép người sử dụng dùng một Timer cơ sở trong khi các thiết bị đang ở chế độ nghỉ Chế độ giảm nhiễu cho ADC ngừng CPU và các module vào ra ngoại trừ timer và ADC, để giảm nhiễu xuống thấp nhất trong quá trình biến đổi ADC Ở chế độ standby thạch anh dao động đang chạy trong khi các thiết bị khác ở chế độ nghỉ Ở chế độ standby mở rộng bộ dao động chính

và timer không đồng bộ tiếp tục chạy

Các chức năng chính của Atmega 128:

Khả năng thực thi cao, công suất tiêu thụ thấp, bộ vi xử lý 8 bit

Bộ vi xử lý với cấu trúc RISC :

- Có thể tính toán 16 triệu lệnh trên 1s ở tần số 16MHz

- Tạo ra đầy đủ các trạng thái

- 32 thanh ghi với mục đích làm việc và điều khiển thiết bị ngoại vi

- Bộ nhớ chương trình không đổi và bộ nhớ dữ liệu :

- Bộ nhớ dữ liệu chương trình là 128K Bytes với chu kì tẩy xóa cho bộ nhớ là 10000 lần

- Bộ nhớ EEPROM là 4 K bytes với chu kỳ tẩy xóa là 100000 lần

- Có 4 K Bytes bộ nhớ SRAM nội

- Có thể lựa chọn mở rộng không gian bộ nhớ ngoài lên 64 K Bytes

- Có chế độ khóa để bảo mật chương trình

- Giao tiếp SPI trong lập trình trong hệ thống

 Giao tiếp JTAG (theo chuẩn IEEE 1149.1) :

- Có khả năng quét danh giới theo chuẩn JTAG

- Mở rộng khả năng Debug trên chíp

- Bộ nhớ chương trình, EEPROM, các cầu chì, khóa các bit thông qua giao tiếp JTAG

 Các ngoại vi :

- 02 bộ Timer/Counter 8 bit hoạt động riêng rẽ và có chế độ so sánh

- 02 bộ Timer/Counter mở rộng 16 bit hoạt động riêng rẽ, chế độ so sánh

- Khối so sánh đầu ra

- 08 kênh ADC 10 bit

- Hai khối giao tiếp USART có thể lập trình

- Giao tiếp nối tiếp SPI master/slave

- Watchdog và Timer có thể lập trình nhờ xung nhịp trên chip Tự động reset khi treo máy

- Khối so sánh tương tự trên chip

 Các đặc trưng đặc biệt của vi điều khiển :

- Có nguồn ngắt bên trong và mở rộng

- Có khả năng lựa chọn xung clock bằng phần mềm

- Có sáu chế độ nghỉ : Idle, ADC noise Reduction, Power–save, Power–down, Standby, Standby mở rộng

- Có khả năng định cỡ xung dao động thời gian thực bên trong

 Chức năng, nhiệm vụ từng khối

 Khối điều khiển trung tâm: Sử dụng vi điều khiển Atmega128, có nhiệm

vụ giao tiếp với các khối khác và điều khiển toàn bộ hoạt động của hệ thống

 Khối cảm biến: Bao gồm các loại cảm biến cần thiết được trang bị trên

đường Cảm biến mưa dùng để phát hiện trời mưa từ đó tính toán ra giá trị vận tốc tối đa trên đường để thông báo lên biển báo điện tử Cảm biến khoảng cách dùng để phát hiện, đo chiều dài xe và vận tốc xe di chuyển trên đường Cảm biến ánh sáng dùng để phát hiện trời sáng hay tối, từ đó điều khiển việc bật hay tắt điện chiếu sáng một cách tự động, có điều tiết cường độ sang phù hợp

 Khối hiển thị: Sử dụng các mạch LED ma trận 16x32 và 8x32, dùng để

hiển thị các thông số về tốc độ tối đa cho phép, cảnh báo các xe khi trời mưa, cảnh báo khi đường gặp sự cố