giải quyết được hai bài toán, một là điều khiển đèn giao thông một cách hợp lý khi có tàu hoả chạy qua sao cho vừa đảm bảo an toàn cho người tham gia giao thông, vừa điều tiết giao thông một cách hợp lí. Hai là điều khiển barrier tự động để tiết kiệm được công sức, giảm tải chi phí nhân lực, vật lực đầu tư cho đường sắt. giải quyết được thực trạng các phương tiện giao thông đứng chờ trước barrier khi có tàu hỏa sắp đến bằng cách điều khiển tín hiệu đèn giao thông cho phù hợp. Ngoài ra còn điều khiển barrier tự động để giảm thiểu nhân công gác chắn đường tàu. Kì vọng của nhóm là nhờ phần mềm mô phỏng UPPAAL có thể xây dựng được mô hình bài toán và mô hình bộ điều khiển để có thể hạn chế thực trạng trên.
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN ĐIỆN * - BÀI TẬP LỚN MÔ HỌC HỆ SỰ KIỆN RỜI RẠC ĐỀ TÀI ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THƠNG VÀ BARRIER TẠI NGÃ TƯ CĨ GIAO CẮT VỚI ĐƯỜNG SẮT Hà Nội, 6/2020 Lời nói đầu Tình trạng giao thông thành phố lớn có mật độ cao, đặc biệt vào cao điểm Có thức trạng xảy ngã tư có giao cắt với đường sắt có tàu hỏa chạy ngang qua, đèn giao thông trục đường giao cắt với đường sắt chuyển xanh, phương tiện giao thơng trục đường di chuyển tràn đường để đứng chờ trước barrier, gây ảnh hưởng đến việc di chuyển trục đường lại Kết quả, ngã tư bị ùn ứ đặc biệt cao điểm gây lãng phí thời gian, tiền bạc gây ô nhiễm môi trường Đồng thời, điểm đường giao cắt với đường sắt thường phải có đội ngũ gác chắn barrier làm việc vất vả, nguy hiểm gây tốn nhân lực, vật lực để quản lí điều hành đường sắt Yêu cầu đặt cần phải giải hai toán, điều khiển đèn giao thơng cách hợp lý có tàu hoả chạy qua cho vừa đảm bảo an toàn cho người tham gia giao thông, vừa điều tiết giao thơng cách hợp lí Hai điều khiển barrier tự động để tiết kiệm công sức, giảm tải chi phí nhân lực, vật lực đầu tư cho đường sắt Với mong muốn vậy, nhóm em đề ý tưởng xây dựng toán “Điều khiển đèn giao thơng barrier ngã tư có giao cắt với đường sắt” Nhóm sử dụng phần mềm mơ UPPAAL để mô phỏng, kiểm tra giải pháp Bản báo cáo gồm chương: Chương 1: Tổng quan đề tài Chương 2: Giải vấn đề Chương 3: Mô phần mềm UPPAAL Chương 4: Kết luận Trong q trình làm tập lớn, nhóm em cố gắng vận dụng kiến thức môn “Hệ kiện rời rạc” Do kiến thức hạn chế nên tập lớn có thiếu sót Vì nhóm em mong góp ý từ Qua nhóm em gửi lời cảm ơn đến ThS Đinh Thị Lan Anh hướng dẫn giúp đỡ nhóm em hồn thành tập lớn mơn “Hệ kiện rời rạc” Mục lục DANH MỤC HÌNH VẼ Chương 1: Tổng quan đề tài 1.1 Thực trạng giao thơng ngã tư có giao cắt với đường sắt 1.2 Mục tiêu Chương 2: Giải vấn đề 2.1 Cách thức giải 2.2 Xây dựng sơ đồ chuyển tiếp trạng thái Chương 3: Mô phần mềm UPPAAL 14 3.1 Giới thiệu phần mềm UPPAAL 14 3.2 Mô toán 14 3.3 Kết mô 16 3.4 Verifier 16 Chương 4: Kết luận 19 Tài liệu tham khảo 20 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình Các phương tiện tràn ngã tư chờ tàu chạy qua Hình Các cơng nhân gác chắn đường tàu tàu hoả đến Hình Mơ hình ngã tư nơi có giao cắt với đường sắt Hình Trạng thái đèn giao thơng sáng bình thường Hình Sơ đồ chuyển tiếp trạng thái mơ hình đối tượng đèn giao thơng Hình Sơ đồ chuyển tiếp trạng thái barrier 10 Hình Sơ đồ chuyển tiếp trạng thái cảm biến 11 Hình Sơ đồ chuyển tiếp trạng thái điều khiển 12 Hình Sơ đồ chuyển tiếp trạng thái đèn giao thơng UPPAAL 14 Hình 10 Sơ đồ chuyển tiếp trạng thái barrier UPPAAL 15 Hình 11 Sơ đồ chuyển tiếp trạng thái cảm biến UPPAAL 15 Hình 12 Sơ đồ chuyển tiếp trạng thái điều khiển UPPAAL 15 Hình 13 Chạy mô công cụ Simulator Uppaal 16 Hình 14 Kết kiểm chứng phần mềm UPPAAL 16 DANH MỤC CÁC BẢNG Bảng Các trạng thái đối tượng đèn giao thông 10 Bảng Các điều khiện chuyển tiếp trạng thái đối tượng đèn giao thông 10 Bảng Các trạng thái đối tượng barrier 10 Bảng Điều kiện chuyển tiếp trạng thái đối tượng barrier 11 Bảng Các trạng thái đối tượng sensor 11 Bảng Điều kiện chuyển tiếp trạng thái đối tượng sensor 11 Bảng Các trạng thái điều khiển 12 Bảng Điều kiện chuyển tiếp trạng thái điều khiển 13 Bảng Kiểm chứng kết mô 18 Chương 1: Tổng quan đề tài 1.1 Thực trạng giao thơng ngã tư có giao cắt với đường sắt Tại ngã tư có giao cắt với đường sắt thường xuyên xảy ùn tắc Việc ùn tắc nguyên nhân như: lượng phương tiện tham gia giao thông nhiều, mặt đường hẹp, tàu hỏa chạy ngang qua khiến người đứng chờ sát đường tàu gây ảnh hưởng đến di chuyển trục đường cịn lại Có nhược điểm ngã tư có giao cắt với đường sắt cần có nhân cơng để đóng barrier có tàu đến Hình Các phương tiện tràn ngã tư chờ tàu chạy qua Hình Các công nhân gác chắn đường tàu tàu hoả đến Tại ngã tư này, có tàu hỏa chạy qua, phương tiện tham gia giao thông phải chờ tới – phút Trong đó, tín hiệu đèn giao thơng diễn bình thường khiến cho có lượng lớn phương tiện giao thông đứng chờ trước barrier gây cản trở cho hướng lại Việc phương tiện đứng chờ trước barrier khiến giao thơng trở nên khó khăn tàu hỏa qua 1.2 Mục tiêu Mục tiêu tập lớn giải thực trạng phương tiện giao thông đứng chờ trước barrier có tàu hỏa đến cách điều khiển tín hiệu đèn giao thơng cho phù hợp Ngồi điều khiển barrier tự động để giảm thiểu nhân cơng gác chắn đường tàu Kì vọng nhóm nhờ phần mềm mơ UPPAAL xây dựng mơ hình tốn mơ hình điều khiển để hạn chế thực trạng Chương 2: Giải vấn đề 2.1 Cách thức giải Ta xây dựng mơ hình ngã tư nơi có giao cắt với đường sắt với kí hiệu sau: Hình Mơ hình ngã tư nơi có giao cắt với đường sắt Thực điều khiển đèn giao thơng chế độ khơng có tàu có tàu Khi khơng có tàu tín hiệu đèn giao thơng trục đường diễn bình thường Thời gian tín hiệu đèn trục đường có đường sắt (đèn 1) là: - Đèn xanh: 40s Đèn vàng: 5s Đèn đỏ: 45s Thời gian tín hiệu đèn trục đường khơng có đường sắt (đèn 2) là: Đèn đỏ: 45s Đèn xanh: 40s Đèn vàng: 5s Cách thức hoạt động đèn giao thông là: Bước 1: Bắt đầu việc tín hiệu đèn đèn đỏ xanh - Bước 2: Tín hiệu xanh đèn hết thời gian 40s chuyển sang đèn vàng đếm 5s tín hiệu đỏ đèn tiếp tục đếm đến Bước 3: Sau tín hiệu vàng đèn tín hiệu đỏ đèn đếm đến tín hiệu đèn chuyển sang đỏ, tín hiệu đèn chuyển sang xanh Bước 4: Tín hiệu đỏ đèn đếm hết thời gian 40s chuyển sang đèn vàng đếm 5s tín hiệu đỏ đèn tiếp tục đếm đến Bước 5: Lặp lại từ bước đến bước tạo thành vịng tuần hồn Hình Trạng thái đèn giao thơng sáng bình thường Khi có tàu, tín hiệu đèn giao thơng điều khiển khác để khiến người tham gia giao thơng trục đường có đường tàu dừng lại, trục đường lại di chuyển đồng thời barrier tự động đóng lại Sau tàu qua, barrier tự động mở tín hiệu đèn giao thơng trở lại lúc khơng có tàu Các trường hợp xảy có tàu đến là: - - Nếu đèn trục đường có đường tàu (đèn 1) đèn xanh thì: + Bước 1: Tín hiệu xanh đèn đếm thêm 10s, tín hiệu đỏ đèn đếm cịn 15s +Bước 2: Sau tín hiệu xanh đèn đếm hết 10s chuyển sang đèn vàng đếm 5s + Bước 3: Sau tín hiệu vàng đèn đếm hết 5s tín hiệu đèn đèn chuyển sang đỏ, tín hiệu đèn chuyển sang xanh vòng 10s sau điều khiển đóng barrier + Bước 4: Đèn trì trạng thái đỏ đèn trì trạng thái xanh có tín hiệu báo tàu rời khỏi khu vực quan sát + Bước 5: Sau tàu rời khỏi khu vực quan sát, thực mở barrier vòng 10s + Bước 6: Sau đèn chuyển sang tín hiệu vàng 5s, đèn chuyển sang tín hiệu đỏ 5s, sau điều khiển tín hiệu đèn bình thường Nếu đèn trục đường có đường tàu (đèn 1) đèn vàng thì: + Bước 1: Tín hiệu vàng đèn trì thêm 5s để người chuẩn bị dừng lại, đèn hiển thị đèn đỏ đếm 5s + Bước 2: Sau hết tín hiệu vàng đèn 1, đèn 1/ đèn chuyển sang trạng thái đỏ/xanh vòng 10s - + Bước 3: Thực đóng barrier + Bước 4: Đèn trì trạng thái đỏ, đèn trì trạng thái xanh có tín hiệu báo tàu rời khỏi khu vực quan sát + Bước 5: Sau tàu rời khỏi khu vực quan sát, thực mở barrier vòng 10s + Bước 6: Sau đèn 1/ đèn chuyển sang trạng thái đỏ/vàng vịng 5s, sau điều khiển tín hiệu đèn bình thường Nếu đèn trục đường có đường tàu (đèn 1) đèn đỏ thì: + Bước 1: Đèn tiếp tục trì tín hiệu đỏ thêm 10s, đèn chuyển xanh + Bước 2: Sau hết 10s, thực đóng barrier Tín hiệu đèn tín hiệu đỏ, tín hiệu đèn tín hiệu xanh + Bước 3: Đèn trì trạng thái đỏ, đèn trì trạng thái xanh có tín hiệu báo tàu rời khỏi khu vực quan sát + Bước 4: Sau tàu rời khỏi khu vực quan sát, thực mở barrier vịng 10s + Bước 5: Sau đèn 1/ đèn chuyển sang trạng thái đỏ/vàng vòng 5s, sau điều khiển tín hiệu đèn bình thường Ta giả định lắp đặt hệ thống cảm biến đoạn đường đủ xa để kịp điều khiển đèn, barrier đồng thời người đường kịp phản ứng để đảm bảo an toàn Cảm biến báo tín hiệu “active” có tàu đoạn đường quan sát, “deactive” tàu nằm ngồi khu vực 2.2 Xây dựng sơ đồ chuyển tiếp trạng thái - Sơ đồ chuyển tiếp trạng thái đèn giao thơng: Hình Sơ đồ chuyển tiếp trạng thái mơ hình đối tượng đèn giao thơng Trạng thái Ý nghĩa Yellow_Red Đèn vàng đèn đỏ Red_Green Đèn đỏ đèn vàng Green_Red Đèn xanh đèn đỏ Red_Yellow Đèn đỏ đèn vàng Init Trạng thái khởi tạo ban đầu Bảng Các trạng thái đối tượng đèn giao thông Điều kiện chuyển Ý nghĩa tiếp y&r? Khi nhận tín hiệu này, đèn vàng đèn đỏ r&g? Khi nhận tín hiệu này, đèn đỏ đèn xanh r&y? Khi nhận tín hiệu này, đèn đỏ đèn vàng g&r? Khi nhận tín hiệu này, đèn xanh đèn đỏ Bảng Các điều khiện chuyển tiếp trạng thái đối tượng đèn giao thông - Sơ đồ chuyển tiếp trạng thái đối tượng Barrier: Hình Sơ đồ chuyển tiếp trạng thái barrier Trạng thái Ý nghĩa Wait Trạng thái chờ brrier Open Barrier mở Close Barrier đóng Bảng Các trạng thái đối tượng barrier 10 Điều kiện chuyển tiếp Ý nghĩa open? Tín hiệu điều khiển mở barrier close? Tín hiệu điều khiển đóng barrier Bảng Điều kiện chuyển tiếp trạng thái đối tượng barrier - Sơ đồ chuyển tiếp trạng thái cảm biến: Hình Sơ đồ chuyển tiếp trạng thái cảm biến Trạng thái Ý nghĩa Trạng thái ban đầu sensor trạng thái cảm biến nhận biết tàu chạy qua S running Trạng thái cảm biến báo có tàu chạy qua Bảng Các trạng thái đối tượng sensor Điều kiện chuyển tiếp Ý nghĩa Active! Tín hiệu sensor báo điều khiển có tàu chạy qua Deactive! Tín hiệu sensor báo điều khiển tàu chạy khỏi khu vực giám sát Bảng Điều kiện chuyển tiếp trạng thái đối tượng sensor 11 - Sơ đồ chuyển tiếp trạng thái điều khiển: Hình Sơ đồ chuyển tiếp trạng thái điều khiển Trạng thái Ý nghĩa Init Trạng thái ban đầu điều khiển Yellow_Red Điều khiển đèn vàng, đèn đỏ Red_Green Điều khiển đèn đỏ, đèn xanh Green_Red Điều khiển đèn xanh, đèn đỏ Red_Yellow Điều khiển đèn đỏ, đèn xanh Open_Barrier Điều khiển mở barrier Close_Barrier Điều khiển đóng barrier Bảng Các trạng thái điều khiển Điều kiện chuyển tiếp Phân loại y&r! Tín hiệu đồng r&g! Tín hiệu đồng r&y! Tín hiệu đồng g&r! Tín hiệu đồng open! Tín hiệu đồng Ý nghĩa Phát tín hiệu đồng điều khiển đèn vàng đèn đỏ Phát tín hiệu đồng điều khiển đèn đỏ đèn xanh Phát tín hiệu đồng điều khiển đèn đỏ đèn vàng Phát tín hiệu đồng điều khiển đèn xanh đèn đỏ Phát tín hiệu đồng điều khiển mở barrier 12 Phát tín hiệu đồng điều khiển đóng barrier Nhận tín hiệu đồng nhận biết có tàu active? Tín hiệu đồng hoả Nhận tín hiệu đồng nhận biết deactive? Tín hiệu đồng khơng có tàu hoả t Tín hiệu đồng hồ Xác định thời gian Bảng Điều kiện chuyển tiếp trạng thái điều khiển close! Tín hiệu đồng 13 Chương 3: Mô phần mềm UPPAAL 3.1 Giới thiệu phần mềm UPPAAL UPPAAL phần mềm để kiểm tra hệ thống thời gian thực phát triển trường Đại học Uppsala đại học Aalborg Phần mềm ứng dụng thành công nghiên cứu nhiều lĩnh vực giao thức truyền thông hay ứng dụng multimedial Công cụ dùng để kiểm chứng hệ thống mơ hình hóa thành hệ thống automat định thời với biến số nguyên, cấu trúc liệu, hàm người dùng đồng kênh Phiên Uppaal đời vào năm 1995 Kể từ phần mềm phát triển không ngừng để theo kịp với tiến cấu trưc liệu, giẩm bậc hệ thống, hỗ trợ tính tối thiểu hóa chi phí, hỗ trợ UML,… Phần mềm UPPAAL hỗ trợ Java có phần kiểm chứng viết ngôn ngữ C++ 3.2 Mơ tốn Bài tốn đặt giả thiết: đèn giao thơng trục đường có đường sắt có thời gian đèn xanh, đèn vàng, đèn đỏ tương ứng 40s, 5s, 45s Cịn đèn trục đường khơng có tàu hỏa thời gian đèn đỏ, đèn xanh, đèn vàng tương ứng 45s, 40s, 5s Các sơ đồ chuyển tiếp trạng thái đèn giao thông, barrier, cảm biến, điều khiển: Hình Sơ đồ chuyển tiếp trạng thái đèn giao thông UPPAAL 14 Hình 10 Sơ đồ chuyển tiếp trạng thái barrier UPPAAL Hình 11 Sơ đồ chuyển tiếp trạng thái cảm biến UPPAAL Hình 12 Sơ đồ chuyển tiếp trạng thái điều khiển UPPAAL 15 3.3 Kết mơ Hình 13 Chạy mơ công cụ Simulator Uppaal Thực mô với trường hợp tàu hỏa chạy qua cách ngẫu nhiên Ta thấy kết thu với yêu cầu đưa 3.4 Verifier Kiểm tra khả đạt trạng thái kiểm tra trạng thái deaklock, ta thu kết sau: Hình 14 Kết kiểm chứng phần mềm UPPAAL 16 Câu lệnh A[] not deadlock E Controller.Green_red E Controller.Yellow_red E Controller.Red_green E Controller.Red_yellow E Controller.Green_red1 E Controller.Yellow_red1 E Controller.Red_yellow1 E Controller.Red_Green11 E Controller.Close_Barrier E Controller.Open_Barrier Ý nghĩa Kiểm tra xem có trạng thái bị deadlock (khơng chuyển trạng thái nữa) khơng Kiểm tra có tồn trạng thái điều khiển điều khiển đèn sáng xanh, đèn sáng đỏ Kiểm tra có tồn trạng thái điều khiển điều khiển đèn sáng vàng, đèn sáng đỏ Kiểm tra có tồn trạng thái điều khiển điều khiển đèn sáng đỏ, đèn sáng xanh Kiểm tra có tồn trạng thái điều khiển điều khiển đèn sáng đỏ, đèn sáng vàng Kiểm tra có tồn trạng thái điều khiển điều khiển đèn sáng xanh, đèn sáng đỏ có tàu hỏa chạy qua Kiểm tra có tồn trạng thái điều khiển điều khiển đèn sáng vàng, đèn sáng đỏ có tàu hỏa chạy qua Kiểm tra có tồn trạng thái điều khiển điều khiển đèn sáng đỏ, đèn sáng vàng có tàu hỏa chạy qua Kiểm tra có tồn trạng thái điều khiển điều khiển đèn sáng đỏ, đèn sáng xanh (không đếm thời gian để chờ tàu hỏa qua) có tàu hỏa chạy qua Kiểm tra có tồn trạng thái điều khiển điều khiển đóng barrier Kiểm tra có tồn trạng thái điều khiển điều khiển mở barrier Khả đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt 17 Kiểm tra có tồn trạng thái điều khiển điều khiển đèn sáng đỏ, E Controller.Red_yellow11 đèn sáng vàng có tàu hỏa chạy qua chuẩn bị cho giao thơng trở lại bình thường Kiểm tra có tồn trạng thái đèn E Lights.Green_Red giao thông (đèn màu xanh, đèn màu đỏ) Kiểm tra có tồn trạng thái đèn E Lights.Red_Yellow giao thông (đèn màu đỏ, đèn màu vàng) Kiểm tra có tồn trạng thái đèn E Lights.Red_Green giao thông (đèn màu đỏ, đèn màu xanh) Kiểm tra có tồn trạng thái đèn E Lights.Yellow_Red giao thông (đèn màu vàng, đèn màu đỏ) Bảng Kiểm chứng kết mô Đạt Đạt Đạt Đạt Đạt Như vậy, trạng thái template đạt không xảy deadlock 18 Chương 4: Kết luận Với mục tiêu đề ra, nhóm xây dựng được mơ hình mơ chạy theo yêu cầu Qua tập lớn lần với kiến thức học tập lớp chúng em tích luỹ thêm kiến thức cho thân như: Nắm kiến thức chung hệ kiện rời rạc vấn đề Biết cách mơ hình hố hệ kiện rời rạc đơn giản Automat mạng petri Biết cách xây dựng mơ hình hệ kiện rời rạc, sử dụng phần mềm UPPAAL để mô kiểm chứng mơ hình theo u cầu mong muốn Phương hướng phát triển đề tài: Quan sát, tính tốn điều khiển tín hiệu đèn giao thơng barrier hợp lý thực tế Xây dựng mơ hình trường hợp trục đường lớn, giao cắt phức tạp, nhiều ngã rẽ hơn… 19 Tài liệu tham khảo Christos G.Cassandras and Stéphane Lafortune (2008) Introduction to Discrete Event Systems, Springer, New York Đinh Thị Lan Anh Bài giảng Hệ kiện rời rạc, môn Điều khiển tự động, viện Điện, Đại học Bách khoa Hà Nội Gerd Behrmann et al (2006) A Tutorial on UPPAAL 4.0, Department of Computer Science, Aalborg University, Denmark 20 ... trạng giao thơng thành phố lớn có mật độ cao, đặc biệt vào cao điểm Có thức trạng xảy ngã tư có giao cắt với đường sắt có tàu hỏa chạy ngang qua, đèn giao thông trục đường giao cắt với đường sắt. .. đầu điều khiển Yellow_Red Điều khiển đèn vàng, đèn đỏ Red_Green Điều khiển đèn đỏ, đèn xanh Green_Red Điều khiển đèn xanh, đèn đỏ Red_Yellow Điều khiển đèn đỏ, đèn xanh Open _Barrier Điều khiển. .. trạng thái điều khiển 13 Bảng Kiểm chứng kết mô 18 Chương 1: Tổng quan đề tài 1.1 Thực trạng giao thông ngã tư có giao cắt với đường sắt Tại ngã tư có giao cắt với đường sắt thường