BÀI GIẢNG PHÂN TÍCH GIAO THÔNG TẠI NÚT GIAO ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐÈN TÍN HIỆU

BÀI GIẢNG PHÂN TÍCH GIAO THÔNG TẠI NÚT GIAO ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐÈN TÍN HIỆU ĐƯỢC BIÊN SOẠN NHẰM PHỤC VỤ CHO CÔNG VIỆC GIẢNG DẠY TẠI ĐẠI HỌC XÂY DỰNG HÀ NỘIBÀI GIẢNG ĐƯỢC CHIA RA THÀNH CÁC PHẦN KHOA HỌC GIÚP SINH VIÊN NẮM BẮT ĐƯỢC MỘT CÁCH DỄ DÀNG VÀ ĐẦY ĐỦ NỘI DUNG MÔN HỌC

Chuyên đề 5.4:

PHÂN TÍCH GIAO THÔNG TẠI NÚT GIAO ĐIỀU KHIỂN BẰNG ĐÈN TÍN HIỆU

 Chưa có tín hiệu vàng, dùng còi hú khi chuyển trạng thái

 1920: có đủ 3 màu: do sĩ quan cảnh sát Williams Posst, sống tại thành phố Detroit (Mỹ) sáng chế ra.

 1922: hệ thống tự động điều khiển thời gian bằng điện

 1928: xuất hiện hệ điều khiển với thời gian tín hiệu định sẵn (pre-timed system)

 Cuối 1920s: hệ thống điều khiển thích nghi (actuated control) ra đời, sử dụng các cảm biến lực (pressure detectors)

 1952: sử dụng hệ thống máy tính tương tự ở Denver, Colorado (Mỹ).

 1963: điều khiển sử dụng hệ thống máy tính số (digital computers) xuất hiện.

Lịch sử đèn giao thông

Các kiểu tín hiệu điều khiển

 Điều khiển với thời gian tín hiệu định sẵn (Pre-timed control): thời gian các pha tín hiệu lặp lại giống nhau sau mỗi chu kỳ đèn.

 Điều khiển với thời gian tín hiệu thích nghi (Actuated control):

 Thay đổi thời gian các pha tín hiệu sau mỗi chu kỳ tùy theo tìnhtrạng giao thông trên đường

 Cần thiết phải kết nối với các cảm biến giao thông (TB dò xe)

- Điều khiển thích nghi một phần (Semi-actuated): chỉ lắp cảmbiến ở các nhánh phụ, giao thông trên nhánh chính chỉ bị giánđoạn khi có lượng giao thông đủ lớn trên nhánh phụ

- Điều khiển thích nghi đầy đủ (Fully actuated): lắp cảm biến ở tất

cả các nhánh Thời gian xanh được phân bổ tùy theo lưu lượnggiao thông trên mỗi nhánh

Điều khiển với thời gian tín hiệu cố định (Pre-timed control)

Điều khiển với thời gian tín hiệu thích nghi (Actuated control)

 Chu kỳ (cycle): là trình tự đầy đủ và khép kín của tất cả các chỉ thị đèn (màu bóng đèn).

 Thời gian chu kỳ (cycle length): thời gian cần thiết

để thực hiện được 1 chu kỳ.

 Nhịp (interval): là khoảng thời gian mà một tín hiệu (chỉ thị đèn) không thay đổi

 Nhịp chuyển (change interval): là chỉ thị ”màu vàng”, để chuyển tiếp từ tín hiệu xanh sang tín hiệu đỏ cho một hướng di chuyển.

 Thời gian chuyển nhịp = thời gian đèn vàng + thời gian

đỏ cùng lúc trên tất cả các hướng)

Một số khái niệm cơ bản

Diện tích hình thang cong là số xe được giải tán trong thời gian xanh

 Thời gian xanh:

 Thời gian xanh thực tế: = khoảng thời gian của chỉ thịmàu xanh

 Thời gian xanh có hiệu: là thời gian thực sự có hiệu quảtrong việc giải tán dòng xe

Một số khái niệm cơ bản

 Quãng cách thời gian dòng bão hòa (Saturation Headway)

 Suất dòng bão hòa

qua nút với quãng cách thời

gian giảm dần Giá trị ổn

định gọi là quãng cách thời

gian dòng bão hòa

 Mối liên hệ giữa các thông số:

Một số khái niệm cơ bản

Thường lấy: l1 = 2s, e = 2s, nên tL = Yi

Thời gian tổn thất được áp dụng mỗi khi có luồng xe bắt đầu chuyển động

 Suất dòng bão hòa (cường độ dòng bão hòa):

 Suất dòng (cường độ) dòng xe lớn nhất có thể thôngqua trên một nhánh dẫn nếu giả thiết rằng toàn bộ thờigian là thời gian xanh có hiệu

Một số khái niệm cơ bản

 Năng lực thông hành của nút có đèn điều khiển:

 Thường đánh giá qua NLTH của các nhánh dẫn HCM sửdụng khái niệm NLTH của một làn hoặc nhóm làn(Capacity of an Intersection Lane or Lane Group)

 NLTH của một nhóm làn là suất dòng (cường độ dòngxe) theo giờ lớn nhất có thể thông qua trong điều kiệnphổ biến về đường, giao thông, và tín hiệu

 Suất dòng bão hòa biểu thị NLTH của một nhóm làn vớigiả thiết đèn xanh mở liên tục trong 1h

 NLTH ci của nhóm làn i được xác định như sau:

Một số khái niệm cơ bản

gi/C = tỷ suất xanh có hiệu;

gi = thời gian xanh có hiệu; C = thời gian chu kỳ

si = suất dòng bão hòa

 Suất dòng bão hòa:

Theo HCM2000:

s: suất dòng bão hòa cho một nhóm làn (xe/h)

so: suất dòng bão hòa cơ bản tính cho một làn xe

Một số khái niệm cơ bản

 Khái niệm về hệ số tương đương xe rẽ trái ELT

 1 xe rẽ trái tiêu tốn nhiều thời gian xanh hơn so với xe

đi thẳng khi vượt qua nút

 Ví dụ: trong cùng 1 khoảng thời gian, làn 1 quan sátđược 5 xe đi thẳng và 2 xe rẽ trái; làn 2 quan sát được

11 xe đi thẳng

 Trên quan điểm tương đương về sử dụng thời gian xanh

ta có: 11 = 5 +2ELT  ELT = 3.0

Một số khái niệm cơ bản

 Khái niệm về hệ số tương đương xe rẽ trái ELT

Ví dụ: Một nhánh dẫn tới 1 nút giao có đèn tín hiệu gồm 2

làn xe; pha rẽ trái cho phép; 10% xe rẽ trái; hệ sốtương đương rẽ trái ELT = 5 Quãng cách thời gian dòngbão hòa cho xe đi thẳng là 2.0 giây Xác định suất dòngbão hòa tương đương và quãng cách trung bình cho tất

Một số khái niệm cơ bản

 Hệ số tương đương do một yếu tố ảnh hưởng bất kỳ

 Suất dòng bão hòa ở điều kiện phổ biến (prevailing conditions), sprev ; được tính thông qua suất dòng bão hòa ở điều kiện lý tường (ideal conditions),

sideal và hệ số hiệu chỉnh kể đến yếu tố ảnh hưởng (ví dụ: fLT)

hprev, hideal : lần lượt là quãng cách thời gian ở điều kiệnphổ biến và điều kiện lý tưởng

Một số khái niệm cơ bản

 Hệ số tương đương do một yếu tố ảnh hưởng bất kỳ

 Tương đương về sử dụng thời gian xanh cho ta quan hệ:

 Từ đó ta có:

 Pha và sự phân pha:

 Pha là một tổ hợp của nhịp xanh và chuyển nhịp mà ở

đó một hay nhiều luồng giao thông được phép chuyểnđộng

* Những chuyển động trong 1 pha cần ít xung độtvới nhau

 Phân pha là việc sắp xếp các hướng chuyển động ítxung đột với nhau vào cùng một pha

 Rẽ trái được bảo hộ (protected left-turn) và rẽ trái cho phép (permitted left-turn):

 Luồng rẽ trái được bảo hộ (vẽ bằng nét liền): khôngxung đột với các dòng xe khác

 Luồng rẽ trái cho phép (vẽ bằng nét đứt): cho phép tồntại xung đột giữa dòng xe rẽ trái và các dòng xe kháctrong nút

Một số khái niệm cơ bản

 Ví dụ về phân pha:

 Số pha tối thiểu: 2 pha

 Dành riêng một pha bảo hộ cho xe rẽ trái theo phươngBắc - Nam

Một số khái niệm cơ bản

 Nhiều pha:

 Giảm được xung đột giữa các dòng xe

 Tăng tổn thất thời gian do điều khiển

 (Tham khảo) sử dụng pha bảo hộ rẽ trái khi:

 Có ít nhất một làn xe rẽ trái

 Làn xe rẽ trái có lưu lượng > 240 xe/giờ

 Tích số của lưu lượng xe rẽ trái và lưu lượng xe hướngđối diện vượt quá 50.000 khi hướng đối diện có 1 làn xe;vượt quá 90.000 khi hướng đối diện có 2 làn xe; và vượtquá 110.000 khi hướng đối diện có 3 làn xe

Một số khái niệm cơ bản

500 xe/h

100 xe/h

Lưu lượng xe giờ cao điểm

 Nhóm làn (Lane Groups) và sự phân nhóm làn:

 Xem xét giao thông trên từng nhánh dẫn và từng nhómlàn trong mỗi nhánh dẫn

 Việc phân chia nhóm làn trong mỗi nhánh dẫn tùy thuộcvào cấu tạo hình học của nút giao và phân bổ giaothông theo các hướng chuyển động (có thể gọi chung làcách thức tổ chức giao thông)

 Một số trường hợp phân chia nhóm làn điển hình

Một số khái niệm cơ bản

 Một số trường hợp phân chia nhóm làn điển hình

Một số khái niệm cơ bản

 Nhóm làn đại diện (Critical Lane Groups):

 Trong một pha có thể có nhiều nhóm làn: tỷ suất v/s làkhác nhau cho mỗi nhóm làn  tồn tại một nhóm làn cónhu cầu về thời gian xanh nhiều nhất gọi là nhóm làn tớihạn hay nhóm làn đại diện

 Khi các pha không chồng lấn: Nhóm làn đại diện lànhóm làn có tỷ suất v/s là lớn nhất

 Khi các pha chồng lấn: cần xác định đường tới hạn(critical path) với nguyên tắc:

(i) trừ thời gian tổn thất, luôn có 1 và chỉ một dòng xethuộc đường tới hạn di chuyển, và

(ii) đường tới hạn có tổng tỷ suất v/s lớn nhất

Một số khái niệm cơ bản

 Xác định nhóm làn đại diện – Ví dụ 1

 Xác định nhóm làn đại diện – Ví dụ 2

Chậm xe tại nút điều khiển bằng đèn tín hiệu

Các tổn thất thời gian tại nút giao có đèn tín hiệu

STOP

 Mô hình đơn giản – Vận dụng lý thuyết xếp hàng:

Chậm xe tại nút điều khiển bằng

đèn tín hiệu

(Suất phục vụ) (Suất tới)

 Mô hình đơn giản: - Các trường hợp

Chậm xe tại nút điều khiển bằng đèn tín hiệu

Dòng ổn định

 Mô hình đơn giản: - Các trường hợp

Chậm xe tại nút điều khiển bằng đèn tín hiệu

Ùn tắc ở một số chu kỳ riêng lẻ, dòng ổn định

trong cả giai đoạn

 Mô hình đơn giản: - Các trường hợp

Chậm xe tại nút điều khiển bằng đèn tín hiệu

Nhu cầu vượt quá năng lực thông hành

Chậm xe tại nút điều khiển bằng

đèn tín hiệu

 Các thành phần của độ chậm xe:

 (d1) Độ chậm xe xác định với giả thiết các xe tới nút saumỗi khoảng thời gian bằng nhau (Uniform Delay)

 (d2) Độ chậm xe tăng thêm do tính ngẫu nhiên của các

xe tới nút (Random Delay)

 Chu kỳ đèn tối ưu theo Webter:

Chu kỳ tối ưu

L s

, 1 1

5 5

, 1 1

5 5

, 1

1 1

g ci

i i

i i

i i

g s

C v c

v

i i

i i

X

C s

v

i i

i

X

C s

Ví dụ: Tín hiệu gồm hai pha, pha phụ 1 và pha chính 2

- Biết X1 (=1) tính được thời gian xanh g1

- Từ g1 tính được g2 và kiểm tra lại X2

 Mức độ bão hòa (tỷ số v/c) của nhóm i:

 Mức độ bão hòa (tỷ số v/c) cho cả nút:

Mức độ bão hòa của nút

i i

i

i i

i i

i i

i

g s

C v C

g s

v c

v c

i

ci ci

k

i

ci c

c

v

C

g s

v X

L C

C s

v C

g

s v X

ci

k

i k

1

/ /

 Ta có:

 Chu kỳ nhỏ nhất khi Xc = 1

 Chu kỳ thực tế (sử dụng) tương ứng với Xc = 0.9

Mức độ bão hòa và thời gian chu kỳ

 C L 

C Y

9 , 0

Ví dụ 5.4.1

Cho một nút giao có đèn điều khiển tín hiệu chu kỳ cố

định được tổ chức giao thông có ma trận quan hệ lưu

lượng (xcqđ/h) như dưới đây Hệ số giờ cao điểm là

0.95 Nút giao được tổ chức điều khiển theo 2 pha (A

và B) Tổn thất thời gian trung bình là 3s/pha.

Đông Tây Nam Bắc Đông x 464 222 464

Nhóm làn 3

Nhóm làn 4

Nhóm làn 5

Nhóm làn 6

Nhóm làn 7

Nhóm làn 8

Ma trận lưu lượng

Suất dòng bão hòa

va 222

928 (464+464) 128

642 (321+321)

184 (75+109) 25 352

306 (100+206)

Lời giải (tiếp)

 Chu kỳ tối ưu:

L

) 229 ,

0 418 ,

0 ( 1

5 6 5 , 1 1

5 5

, 0 418 ,

0

34 418

, 0 418 ,

0

34 229

,





Bài tập 5.4a

Cho một nút giao có đèn điều khiển tín hiệu chu kỳ cố

định được tổ chức giao thông có ma trận quan hệ lưu

lượng (xcqđ/h) như dưới đây Hệ số giờ cao điểm là

0.95 Nút giao được tổ chức điều khiển theo 3 pha (A,

B, và C) Tổn thất thời gian trung bình là 3s/pha.

Đông Tây Nam Bắc Đông x 464 222 464

Nhóm làn 3

Nhóm làn 4

Nhóm làn 5

Nhóm làn 6

Nhóm làn 7

Nhóm làn 8

Ma trận lưu lượng

Suất dòng bão hòa

Bài tập 5.4a (tiếp)

 Theo HCM2000

s: suất dòng bão hòa cho một nhóm làn (xe/h)

so: suất dòng bão hòa cơ bản tính cho một làn xe

CÁC HỆ SỐ HiỆU CHỈNH SUẤT DÒNG BÃO HÒA

CÁC HỆ SỐ HiỆU CHỈNH SUẤT DÒNG BÃO HÒA (tiếp theo)

 Rẽ trái cho phép (permitted left-turns)

 Rẽ trái được thực hiện nhờ các quãng cách (gap)

đủ lớn giữa các xe trên luồng đi thẳng đối diện (ở trạng thái chưa bão hòa).

 Thời gian xanh g cho pha rẽ trái có thể chia thành:

 gq: khoảng thời gian xanh trung bình để giải tán hàng xechờ hướng (đi thẳng) đối diện

 gf: khoảng thời gian xanh trung bình đến khi xe rẽ tráiđầu tiên đến vạch dừng xe

 gu: khoảng thời gian xanh sau khi xe rẽ trái đầu tiên vào nút

và không bị dừng do việc giải tán hàng chờ hướng đối diện

 Khoảng 1: gf

 Trước khi xe rẽ trái đến nút (vị trí vạch dừng xe), luồng

rẽ trái không ảnh hưởng gì đến hoạt động của nhóm lànđang xét

==> Hệ số hiệu chỉnh rẽ trái cho giai đoạn này: fLT = 1

 Khoảng 2: (gq - gf): Nếu xe rẽ trái đầu tiên trên lànđang xét đến nút (vị trí vạch dừng xe) trong thời gian hàng

xe chờ hướng đối điện đang giải tán (ở mức bão hòa), lúcnày xe rẽ trái phải chờ và toàn bộ làn xe đang xét sẽ bịđóng

 Nếu nhóm làn đối diện có 1 làn xe, xe rẽ trái trên lànnày có thể tạo quãng cách để xe rẽ trái trên làn đangxét di chuyển

==> Hệ số hiệu chỉnh rẽ trái cho giai đoạn này: 0< fLT=F2< 1

 Khoảng 3: gu

 Trong giai đoạn này xe rẽ trái sử dụng các quãng cách

đủ lớn trong dòng xe đi thẳng hướng đối diện (dòng xechưa bão hòa) để qua nút

==> Hệ số hiệu chỉnh rẽ trái cho giai đoạn này:

0< fLT = F1< 1

Hệ số hiệu chỉnh rẽ trái f LT khi rẽ trái

 Công thức chung xác định hệ số hiệu chỉnh rẽ trái

fm(áp dụng cho 1 làn có các xe rẽ trái):

 Khi nhóm làn (nhánh dẫn) chỉ có một làn: fLT = fm

 Khi nhóm làn (nhánh dẫn) có nhiều làn (N làn): ảnh hưởng

do rẽ trái được tính trung bình cho tất cả các làn trong nhómlàn (nhánh dẫn)

 Khi nhánh dẫn đối diện có

nhiều làn xe (đi thẳng), F2 = 0

Hệ số hiệu chỉnh rẽ trái f LT khi rẽ trái

 Các trường hợp xác định fm

Trường hợp Số làn trên nhánh dẫn

đang xét

Số làn nhánh đối diện

Hệ số hiệu chỉnh rẽ trái f LT khi rẽ trái

 Các trường hợp nhánh dẫn đối diện có nhiều làn

và các trường hợp gq<gf (trường hợp 1,2,3,5,6,7):

 Các trường hợp nhánh dẫn đối diện chỉ có 1 làn và thỏa mãn gq<gf (trường hợp 4,8):

Hệ số hiệu chỉnh rẽ trái f LT khi rẽ trái

 Khi gu=g và gf=0 => fm=0 Thực tế ít nhất có 1 đến 2 xe rẽ trái vẫn có thể qua nút (thời gian đèn vàng, đỏ) Hệ số fm nhỏ nhất:

PL = tỷ lệ xe rẽ trái

g = thời gian xanh có hiệu

2 = quãng cách thời gian (headway) của các xe rẽ trái

Giải thích công thức: tổng thời gian xanh có hiệu = 2s x [1

xe rẽ trái đầu tiên + PL (xác suất có xe thứ 2 ngay sau xe 1)]

Hệ số hiệu chỉnh rẽ trái f LT khi rẽ trái

 Ước lượng gf, gq, gu bằng phương pháp hồi quy.

Biết gf, gq > gu

 Mô hình ước lượng gf:

G = thời gian xanh thực tế

tL = tổn thất thời gian cho 1 pha

LTC = số xe rẽ trái trong 1 chu kỳ (xe/chu kỳ): [vLTxC/3600]

> Đối với các làn rẽ riêng >Nhóm làn dùng chung có ≥ 2 làn >Nhóm làn dùng chung chỉ có 1 làn

Hệ số hiệu chỉnh rẽ trái f LT khi rẽ trái

 Mô hình ước lượng gq:

volc = suất dòng của dòng xe trên nhánh đối diện tính cho 1chu kỳ (xe/làn/chu kỳ) [voxC/(3600xNo] No = số làn xe trênnhánh đối diện (không kể làn rẽ riêng)

qro = tỷ lệ hàng chờ cho dòng trên nhánh đối diện

[1-Rpo(go/C)]; Rpo = tỷ số xe đi theo cụm trên nhánh đối diện(tùy thuộc vào kiểu dòng đến)

go = thời gian xanh hữu hiệu của nhánh đối diện tL = tổn thấtthời gian tính cho 1 pha của nhánh đối diện

>Nhánh đối diện có nhiềulàn (≥ 2 làn)

>Nhánh đối diện chỉ có 1 làn

Hệ số hiệu chỉnh rẽ trái f LT khi rẽ trái

Hệ số hiệu chỉnh rẽ trái f LT khi rẽ trái

Hệ số hiệu chỉnh rẽ trái f LT khi rẽ trái

Hệ số hiệu chỉnh rẽ trái f LT khi rẽ trái

 Ước lượng PL: tỷ lệ xe rẽ trái trong làn đang xét.

- Khi có làn rẽ trái dành riêng: PL = 1

- Khi nhánh dẫn chỉ có 1 làn xe: PL = PLT

- Trường hợp nhánh dẫn có nhiều làn xe; làn rẽ trái dùngchung:

Ví dụ 5.4.2

 Hãy xác định hệ số fLT cho một nhóm làn rẽ trái dùng chung có các thông số sau:

Lời giải:

 Các bước tính toán

Bài tập 5.4b

Một nhóm làn dùng chung có xe rẽ trái tại một nút giao

có đèn tín hiệu điều khiển với các thông số như trong

ví dụ 5.3.2.

Yêu cầu vẽ biểu đồ thay đổi hệ số fm và fLT trong các trường hợp sau:

a Tỷ lệ xe rẽ trái trong nhóm làn đang xét thay đổi

từ 2% đến 20% Các thông số khác không thay đổi so với ví dụ 5.3.2.

b Suất dòng nhánh đối diện thay đổi từ 900 xe/h đến 2500 xe/h Các thông số khác không thay đổi so với ví dụ 5.3.2.