Thay đổi tín hiệu đèn giao thông đô thị dựa trên mức độ ưu tiên của các hướng qua giao lộ

KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆNguyễn Tấn Đạt THAY ĐỔI TÍN HIỆU ĐÈN GIAO THÔNG ĐÔ THỊ DỰA TRÊN MỨC ĐỘ ƯU TIÊN CỦA CÁC HƯỚNG QUA GIAO LỘ Chuyên ngành : Hệ Thống Th

KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ VN HỌC VIỆN KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ

Nguyễn Tấn Đạt

THAY ĐỔI TÍN HIỆU ĐÈN GIAO THÔNG ĐÔ

THỊ DỰA TRÊN MỨC ĐỘ ƯU TIÊN CỦA CÁC

HƯỚNG QUA GIAO LỘ

Chuyên ngành : Hệ Thống Thông Tin.

Mã số : 8480104

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH MÁY TÍNH

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN VĨNH PHƯỚC

Thành phố Hồ Chí Minh – 2021

LỜI CAM KẾT

Tôi cam kết các số liệu, kết quả trong luận văn “Thay đổi tín hiệu đèngiao thông đô thị dựa trên mức độ ưu tiên của các hướng qua giao lộ” là trungthực, xuất phát từ nhu cầu thực tế trong quá trình học tập, cũng như tình hìnhthực tế tìm giải pháp hạn chế ùn tắc giao thông trong đô thị hiện nay

Trong quá trình nghiên cứu có tham khảo tài liệu từ các nghiên cứu liênquan đều được dẫn nguồn cụ thể, nội dung trích dẫn trong luận văn Tất cả nộidung trình bày, kết quả luận văn là sự học hỏi, thực hiện nghiêm túc của bảnthân và chưa từng công bố trong các công trình nghiên cứu khoa học, bài báoliên quan khác

Học viên thực hiện

Nguyễn Tấn Đạt

LỜI CẢM ƠN

Trong quá trình thực hiện luận văn “Thay đổi tín hiệu đèn giao thông đôthị dựa trên mức độ ưu tiên của các hướng qua giao lộ”, Tôi đã nhận đượcnhiều sự hỗ trợ, hướng dẫn từ phía quý Thầy Cô, các cá nhân và tổ chức sau:

Tôi xin trân trọng gởi lời cảm ơn sâu sắc đến Thầy hướng dẫn khoa họcPGS.TS Trần Vĩnh Phước đã nhiệt tình hướng dẫn, chỉnh sửa, chỉ dạy cáckiến thức trực quan trong giao thông, khai phá dữ liệu, hệ thống thông tin đểtôi hoàn thành luận văn này

Trân trọng cảm ơn TS Trương Nguyên Vũ – Viện trưởng viện Cơ học

và Tin học ứng dụng thuộc Viện Hàn Lâm Khoa Học đã tạo điều kiện cho lớphọc tốt nhất, mời nhiều nhà giáo ưu tú nhất để lớp học thành công tốt đẹp

Cảm ơn Ban Giám đốc Học viện, phòng đào tạo, quý thầy cô Khoa HệThống Thông Tin và Viễn Thông, cũng như các Thầy Cô của Học Viện Khoahọc và Công Nghệ, quý thầy cô tham gia giảng dạy và truyền đạt kiến thứccho bản thân tôi trong suốt khóa học 2018 – 2021

Tôi cũng xin gởi lời cảm ơn đến gia đình, quý đồng nghiệp Trường Caođẳng Giao Thông Vận Tải III, bạn bè đã giúp đỡ cũng như đóng góp ý kiến,động viên tinh thần cho tôi có thêm nghị lực hoàn thành luận văn này

Trân trọng cảm ơn

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT

STT

1.2

3

4

5

6.7.8.9.10.11

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1: Xe cứu thương bị ùn tắc trước đèn đỏ 8

Hình 2.2: Mật độ lưu lượng các hướng không đều nhau 9

Hình 3.1: Cấu trúc mô đun phân bổ hướng đi dựa trên thứ tự ưu tiên 13

Hình 3.2 Một ngã tư mô hình 15 hướng qua ngã tư 19

Hình 4.1: Sơ đồ thuật toán 31

Hình 4.2: Giao diện chương trình mô phỏng bằng html + Javascript 32

Hình 4.3: Giao diện nhận dữ liệu đầu vào 33

Hình 4.4: Ngã tư mô phỏng với các đèn xanh, đỏ và mũi tên hướng được đi 34 Hình 4.5: Ngã tư mô phỏng với các đèn vàng cảnh báo theo luật định 34

Hình 4.6: Tập dữ liệu "arrDs" để chương trình mô phỏng tự động 37

Hình 4.7: Khu vực cho kết quả đầu ra “Output” 38

Hình 4.8: Kết quả sau bước chạy thứ 1 từ tập dữ liệu "arrDs" 38

Hình 4.9: Kết quả sau bước chạy thứ 2 từ tập dữ liệu "arrDs" 39

Hình 4.10: Ảnh Google Map giao lộ đường 3/2 và đường Lý Thường Kiệt 40

Hình 4.11: Giao lộ đường 3/ 2 và đường Lý thường kiệt mô phỏng hóa 41

Hình 4.12: Giao diện chương trình mô phỏng ngã tư thực nghiệm 45

Hình 4.13: Giao diện chương trình thể hiện tập dữ liệu đầu vào 46

Hình 4.14: Tập dữ liệu "arrDs" cho ngã tư thực nghiệm 48

Hình 4.15: Khu vực tra kết quả đầu ra của chương trình mô phỏng 49

Hình 4.16: Ngã tư thực nghiệm sau bước chạy thứ 1 từ tập "arrDs" 49

Hình 4.17: Ngã tư thực nghiệm sau bước chạy thứ 2 từ tập "arrDs" 50

Hình 4.18: Ngã tư thực nghiệm cho kết quả đèn vàng cảnh báo 51

MỤC LỤC

LỜI CAM KẾT i

LỜI CẢM ƠN ii

DANH MỤC CHỮ VIẾT TẮT iii

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU iv

DANH SÁCH CÁC HÌNH v

MỤC LỤC vi

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU 1

1.1 Tính cấp thiết của đề tài 1

1.1.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài 1

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước 3

1.2 Đặt vấn đề 4

1.3 Mục tiêu nghiên cứu 5

1.4 Phạm vi nghiên cứu 5

1.5 Phương pháp nghiên cứu 5

1.6 Bố cục của luận văn 5

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN 7

2.1 Tổng quan tình hình giao thông đường bộ ở thành phố Hồ Chí Minh 7 2.2 Mạng lưới ngã tư đường đô thị tại thành phố Hồ Chí Minh 9

2.3 Hệ thống đèn giao thông thông minh 10

2.4 Các tài liệu nghiên cứu ứng dụng trong luận văn 11

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THÔNG ĐÔ THỊ DỰA TRÊN MỨC ĐỘ ƯU TIÊN CỦA CÁC HƯỚNG QUA GIAO LỘ 12

3.1 Nội dung nghiên cứu 12

3.2 Mô tả bài toán 13

3.2.1 Khái niệm hệ thống đèn giao thông dựa trên thứ tự ưu tiên 13

3.2.2 Đầu vào bài toán 14

3.2.3 Đầu ra bài toán 15

3.2.4 Thuật toán 15

3.2.5 Thuộc tính của bài toán 17

3.3 Giải bài toán 17

3.4 Đánh giá, Nhận xét 21

3.5 Kết luận 22

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG THỰC NGHIỆM THAY ĐỔI TÍN HIỆU ĐÈN GIAO THÔNG ĐÔ THỊ DỰA TRÊN MỨC ĐỘ ƯU TIÊN CỦA CÁC HƯỚNG QUA GIAO LỘ 23

4.1 Giới thiệu 23

4.2 Giải thuật 24

4.2.1 Mã giả 24

4.2.2 Sơ đồ thuật toán 30

4.2.3 Chương trình html mô phỏng bài toán 32

4.3 Giao lộ thực nghiệm 40

4.3.1 Mô tả giao lộ thực nghiệm 40

4.3.2 Áp dụng thuật toán tìm hướng đi tiếp theo theo thứ tự ưu tiên: 42

4.4 Chương trình html + Javascript mô phỏng giao lộ thực nghiệm 44

4.5 Kết luận 51

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 53

5.1 Kết quả nghiên cứu đạt được 53

5.2 Hướng phát triển 53

TÀI LIỆU THAM KHẢO 54

PHỤ LỤC 57

CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU

Trong chương giới thiệu này, luận văn sẽ trình bày tổng quan về tìnhhình nghiên cứu trong và ngoài nước về vấn đề điều khiển giao thông tại cácngã tư đô thị Từ đó, đưa ra mục tiêu, phạm vi, phương pháp nghiên cứu vàcấu trúc của luận văn

1.1 Tính cấp thiết của đề tài.

1.1.1 Tình hình nghiên cứu nước ngoài

Trong các thành phố lớn trên thế giới vấn đề điều khiển hệ thống giaothông là một bài toán lớn trong quản lý và vận hành hệ thống giao thông thànhphố Hệ thống giao thông hiện đại là một hệ thống mà tích hợp những thànhtựu về công nghệ truyền thông, công nghệ máy tính và công nghệ điện tử vàotrong cơ sở hạ tầng giao thông, nhằm giải quyết các vấn đề giao thông nhưđáp ứng nhu cầu giao thông trong điều kiện gia tăng số lượng phương tiệngiao thông gây ra tắc nghẽn giao thông, giảm ô nhiễm môi trường, làm tăngkhả năng lưu thông của dòng phương tiện giao thông, tăng tính an toàn tronglưu thông của phương tiện giao thông

Trong vấn đề giám sát và điều khiển hệ thống giao thông thì vấn đề đầu tiên

là thu thập dữ liệu thời gian thực về các phương tiện đang lưu thông Việc quantrắc xác định thông số dòng phương tiện giao thông có thể dùng những phươngpháp khác nhau như: vòng từ (look detector), radar, sóng siêu âm, hồng ngoại vàdùng camera quan trắc, … Phương pháp dùng sóng rada, sóng siêu

âm và hồng ngoại để quan trắc phương tiện giao thông có ưu điểm không phụthuộc điều kiện môi trường xung quanh Phương pháp quan trắc dòng phươngtiện giao thông sử dụng camera có nhiều ưu điểm nhưng đưa ra được nhiềuthông tin về dòng phương tiện giao thông, có giá thành rẻ hơn so với cácphương pháp trên, nhược điểm của phương pháp này là phụ thuộc nhiều vàođiều kiện ngoại cảnh (thời điểm trong ngày, cường độ ánh sáng và chế độ thờitiết, …)

Một cấu thành quan trọng trong hệ thống giao thông thông minh là hệthống điều khiển tín hiệu giao thông Việc điều khiển tín hiệu đèn giao thôngmột cách hợp lý góp phần rất lớn đến sự thông suốt của dòng phương tiện trên

hệ thống giao thông và giảm thời gian chờ đợi tại các điểm giao cắt Điềukhiển hệ thống đèn giao thông cơ bản có: điều khiển với chu kì tín hiệu lậptrình sẵn; điều khiển động và điều khiển phối hợp [1]

Điều khiển lập trình sẵn là khi thời gian hoạt động của đèn giao thôngđược tính toán trước phù hợp với từng điểm giao cắt và là một giá trị cố định.Kiểu điều khiển này có ưu thế là hệ thống điều khiển đơn giản và chỉ phù hợpkhi lưu lượng giao thông ít biến đổi Nhưng nhược điểm là chu kỳ cố định, màlưu lượng giao thông tại các điểm giao cắt là một biến số luôn thay đổi

Điều khiển đèn giao thông động là một phương pháp điều khiển đèn giaothông khi mà chu kỳ bật tắt tín hiệu giao thông thay đổi theo những yếu tố nhưlưu lượng, thời điểm trong ngày Phương pháp điều khiển giao thông này giúp tối

ưu hóa việc lưu thông các phương tiện giao thông Tuy nhiên rất khó khăn để đạtđược hệ thống điều khiển động tối ưu bởi vì những đặc tính ảnh hưởng như tínhđộng, tính rời rạc và tính không dự đoán của hệ thống giao thông

Những nghiên cứu về hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông động đượctiến hành rộng rãi Những nghiên cứu này áp dụng những kỹ thuật điều khiểnthông minh như điều khiển mạng thần kinh (neural network); điều khiển mờ(fuzzy control); điều khiển gen di truyền (genetic control); thuật toán học(learning algorithm) [2] Chúng ta sẽ xem xét qua những công trình áp dụng cácthuật toán trên vào điều khiển đèn giao thông Trong điều khiển tín hiệu giaothông động thì kỹ thuật điều khiển mờ được áp dụng rộng rãi nhất Hàng loạt cáccông trình nghiên cứu về điều khiển mờ [3], [4], [5] Một phương pháp tiến hànhchung: xây dựng hàm quan hệ để mờ hóa thông số đầu vào thông số dòngphương tiện giao thông, như số lượng xe đến trên mỗi làn đường, độ dài của dãyphương tiện giao thông, …; định dạng các luật điều khiển mờ Sau đó từ nhữngluật điều khiển mờ để xác định kết quả đầu ra như: chu kì tín hiệu đèn

giao thông; thời gian bật tắt các pha Ứng dụng phương pháp mờ để điềukhiển tín hiệu giao thông có nhiều ưu điểm Một trong các ưu điểm đó là sửdụng ít tài nguyên hệ thống máy tính, thuật toán đơn giản hơn so với các thuậttoán điều khiển thông minh khác Ưu điểm nữa so với phương pháp điềukhiển đèn đường thời gian cố định là giảm thời gian chờ của phương tiện giaothông, tăng khả năng lưu thông của phương tiện giao thông Một khó khăntrong sử dụng phương pháp điều khiển mờ là việc xây dựng các luật điềukhiển mờ và điều này phụ thuộc vào nền tảng kiến thức tổng hợp về điềukhiển và giao thông của người nghiên cứu, vì vậy điều này gây khó khăn lớnkhi đạt được kết quả tối ưu [6] Hơn thế điều khiển mờ áp dụng khó khăn khitrong hệ thống điều khiển nhiều điểm giao cắt.

Trong nhiều nghiên cứu sử dụng mạng neural và thuật toán học để điềukhiển tín hiệu đèn giao thông [7], [8], [9] Ưu điểm thuật toán đem lại nhiều

ưu điểm tận dụng được vốn kinh nghiệm cho các trường hợp giao thông đặcthù các thành phố khác nhau, kết quả đưa lại khả quan Nhược điểm việc điềukhiển tín hiệu giao thông tại các điểm giao cắt cần các thuật toán phức tạp và

sử dụng trong khi điều khiển nhiều nút trong hệ thống tín hiệu giao thông

1.1.2 Tình hình nghiên cứu trong nước.

Về quan trắc dòng phương tiện giao thông, một số hệ thống quan trắcdòng phương tiện giao thông đã được một số nhóm nghiên cứu và thử nghiệm.Chẳng hạn, nhóm nghiên cứu của công ty FPT đã sử dụng dữ liệu từ camera đểđếm xe từ video clip quay dòng xe Kết quả của họ hiện chỉ đếm xe cho trên mộtlàn xe Các kiểm chứng về hiệu quả của việc sử dụng camera trong các thời điểmkhác nhau về cường độ ánh sáng, mật độ dòng xe cao di chuyển với vận tốc thấpcũng chưa được thể hiện rõ ràng Nhóm nghiên cứu tại Trường đại học Quốc tế -Đại học Quốc Gia Thành phố Hồ Chí Minh cũng có những nghiên cứu cơ bản đểđánh giá hệ thống giao thông thông minh, các hệ thống quang báo cảnh báo tìnhtrạng kẹt xe Công ty TNHH Giải pháp Công nghệ FPT (FPT TechnologySolutions – FTS), kênh VOV giao thông (Đài tiếng nói Việt Nam

- VOV) và Sở Giao thông vận tải Thành phố Hồ Chí Minh hợp tác để đưa thôngtin giao thông do kênh VOV giao thông cung cấp lên hệ thống Bảng quang báođiện tử nhằm cung cấp kịp thời thông tin tình trạng kẹt xe trên địa bàn Thành phố

để người tham gia giao thông tự điều tiết thay đổi hướng di chuyển cho phù hợp.Ngoài ra, để đảm bảo an toàn giao thông, tất cả các xe ôtô tham gia dịch vụ giaothông, vận chuyển hàng hóa hay hành khách đều phải gắn các hệ thống giám sáthành trình cảnh báo tình trạng hoạt động của xe

1.2 Đặt vấn đề.

Tình trạng kẹt xe đang là đề tài rất nóng tại Việt Nam, đặc biệt tại haithành phố lớn là thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội Tình trạng kẹt xe gây rarất nhiều thiệt hại về tài sản của nhà nước cũng như của nhân dân như tốn rấtnhiều thời gian để di chuyển, lãng phí về xăng dầu và giảm tuổi thọ của cácphương tiện tham gia giao thông, thiệt hại kinh tế xã hội…Ngoài ra, tình trạngkẹt xe cũng gây ra nhiều ức chế về mặt tâm lý cho tham gia giao thông, gây ônhiễm môi trường, …

Rất nhiều giải pháp của Nhà nước, Bộ Giao thông vận tải, Sở Giao thôngvận tải thành phố Hồ Chí Minh, và các đơn vị tư vấn được đề xuất nhằm giảiquyết tình trạng kẹt xe như thay đổi điều chỉnh giờ làm việc của cá bộ công chức,học sinh sinh viên; thay đổi dải phân cách, quy họach lại các tuyến đường giaothông, và gần đây là xây dựng các cầu vượt tại các giao lộ, chương trình VOVgiao thông, … đã có những tác động tốt làm giảm tình trạng kẹt xe

Tuy nhiên, một thực tế nhận thấy rõ là các giải pháp đề xuất trên chỉ là cácgiải pháp giải quyết cục bộ tạm thời Tình trạng ùn tắc giao thông tại thành phố

Hồ Chí Minh và Hà Nội vẫn tiếp tục xảy ra Một trong các nguyên nhân gây nêntình trạng kẹt xe là do hệ thống đèn điều khiển giao thông tại các giao lộ, một số

hệ thống đèn này đang hoạt động một cách độc lập với các chu kỳ đèn xanh, đèn

đỏ cố định và chưa có tín hiệu đèn phù hợp cho các hướng lưu thông có các

phương tiện ưu tiên Vì vậy, đề tài nghiên cứu “Thay đổi tín hiệu

đèn giao thông đô thị dựa trên mức độ ưu tiên của các hướng qua giao lộ’’

được chọn làm luận văn tốt nghiệp

1.3 Mục tiêu nghiên cứu.

Cung cấp một giải pháp điều khiển đèn giao thông tại một ngã tư đô thịvới tín hiệu đèn thay đổi theo mức độ ưu tiên của các hướng qua giao lộ Gópphần xây dựng một hệ thống đèn điều khiển giao thông linh hoạt, giúp cho cácphương tiện di chuyển hợp lý hơn, giảm ùn tắc giao thông và hạn chế thời gianchờ tại các ngã tư đô thị

1.4 Phạm vi nghiên cứu.

Áp dụng thử nghiệm mô phỏng với một ngã tư ở Thành phố Hồ Chí Minh:thiết kế, lập trình phần mềm mô phỏng tình trạng giao thông tại một ngã tư đôthị được điều khiển bằng đèn giao thông dựa trên mức độ ưu tiên của các hướng

1.5 Phương pháp nghiên cứu.

Phương pháp toán được áp dụng để triển khai thuật toán điều khiển đèngiao thông dựa trên độ ưu tiên các hướng qua giao lộ

Phương pháp mô phỏng được áp dụng để mô phỏng tình trạng giaothông tại một ngã tư có đèn giao thông điều khiển theo độ ưu tiên các hướngqua giao lộ

1.6 Bố cục của luận văn.

Cấu trúc của luận văn “Thay đổi tín hiệu đèn giao thông đô thị dựa trên mức độ ưu tiên của các hướng qua giao lộ’’ được trình bày trong 5 chương

với bố cục cụ thể như sau :

Chương 1: Giới thiệu

Chương này trình bày đặt vấn đề, nêu lý do chọn đề tài, mục tiêu, phạm

vi nghiên cứu, phương pháp nghiên cứu và bố cục của luận văn

Chương 2: Tổng quan về tình hình giao thông và hệ thống đèn giao

thông tại các Thành phố lớn của Việt nam

Chương 3: Hệ thống đèn tín hiệu giao thông đô thị dựa trên mức độ ưu

tiên của các hướng qua giao lộ

Chương 4: Mô phỏng thực nghiệm thay đổi tín hiệu đèn giao thông tại

một ngã tư đô thị

Chương 5: Kết luận.

CHƯƠNG 2: TỔNG QUAN

Trong chương này, luận văn sẽ trình bày tổng quan về tình hình giao thôngđường bộ ở Thành phố Hồ Chí Minh, Mạng lưới giao thông và các hệ thốngđèn giao thông tại Thành phố Hồ Chí Minh

2.1 Tổng quan tình hình giao thông đường bộ ở thành phố Hồ Chí

Minh

Thành phố Hồ Chí Minh đã được xây dựng trong hơn ba trăm năm Tổng diện

là 7.125.494 người, dân số nông thôn chiếm 1.867.589 người Tuy nhiên, nếu

khác cho giáo dục, kinh doanh hoặc công việc của họ và một số khách dulịch…) thì dân số thực tế của Thành phố Hồ Chí Minh khoảng hơn 14 triệu

nhân, không bao gồm một số phương tiện giao thông công cộng và phươngtiện đi theo người đến từ các tỉnh khác

Mạng lưới đường đô thị ở thành phố Hồ Chí Minh có thể là được mô hình hóanhư một mạng hình học với nhiều ngã tư, các ngã tư này là một điểm giao

nhau của nhiều tuyến đường, từ 3 đến 7 đường, được gọi là ngã tư n nhánh (n

= 3,4,5,6,7) Mạng lưới bao gồm các con đường với chiều rộng và hình học

khác nhau đa hình đa dạng Độ dài của các đoạn đường giữa hai ngã tư không

bằng nhau, nhiều đoạn quá ngắn hoặc quá dài Một số ngã tư có đường vòng ởtrung tâm (vòng xuyến), một số khác có đảo nhỏ tại các góc để hình thànhđường phụ nhằm để rẽ phải để tạo thành các luồng tự do

Hình 2.1: Xe cứu thương bị ùn tắc trước đèn đỏ

(Nguồn: http://vietbao.vn/ )

Theo quy định của luật giao thông Việt Nam, tất cả các phương tiện di chuyểnbên phải làn đường Trong tổ chức đường bộ, một số đoạn đường được sửdụng làm đường hai chiều, đường một chiều Các phần đường của đường haichiều được phân cách bằng các dải phân cách bằng các đường sơn kẻ đơnhoặc kép, đảo, rào chắn Một số làn đường được chia riêng biệt dành cho xebốn bánh hoặc xe hai bánh, trong đó xe bốn bánh gồm xe hơi, xe buýt, xe tải

và xe hai bánh xe đạp, xe máy, xe ba bánh, xe tay ga và xe đạp Các làn đườngdành riêng được phân tách bằng dải phân cách như vạch kẻ, rào chắn hoặcđảo Đường lớn dành cho xe bốn bánh có thể được phân chia bằng các vạch kẻnét đứt (vạch sơn không liên tục)

Đèn điều khiển giao thông được lắp đặt ở cuối đường, nơi các phương tiệntham gia giao thông giao nhau tại ngã tư Mỗi bộ bao gồm ba màu sắc thườngđược bố trí hàng dọc hoặc ngang, trong đó đèn tín hiệu xanh lục cho phépphương tiện trên làn đường đó được di chuyển, đèn tín hiệu màu vàng nhằm

để cảnh báo các phương tiện trên làn đó chạy chậm lại và dừng hẳn lại trướcvạch khi đèn tín hiệu chuyển sang màu đỏ

Hình 2.2: Mật độ lưu lượng các hướng không đều nhau

(Ghi vào lúc 7:30 ngày 1 tháng 9 năm 2015 tại ngã tư đường HMG và HH,

Thành phố Hồ Chí Minh )

Nói đến tình trạng giao thông, thành phố Hồ Chí Minh hiện được biết đến làthành phố có quá nhiều xe máy và một số trong số những người điều khiểnphương tiện này di chuyển không đảm bảo tuân thủ luật Giao thông đường bộ

Họ cố vượt qua xe phía trước hoặc chen lấn qua những khoảng trống, chạy lên

lề đường để có thể để vượt qua đám đông các xe đang lưu thông phía trước,bất kể những chiếc xe phía trước là xe hai bánh hay xe bốn bánh Trong nhữnggiờ cao điểm, tình trạng ùn tắc, tắc nghẽn giao thông xảy ra thường xuyên tạimột số ngã tư Dẫn đến tình trạng giao thông hiện nay là do của cơ sở hạ tầnggiao thông kém chưa đáp ứng đủ nhu cầu đi lại của người dân, tình trạngchiếm dụng đường bộ bởi những người bán hàng rong, đậu xe hơi ở lòng lềđường, bên cạnh đó còn do sự bất hợp lý của hệ thống điều khiển đèn giaothông với chu kỳ đơn giản, được lập trình cố định

2.2 Mạng lưới ngã tư đường đô thị tại thành phố Hồ Chí Minh

Sự phát triển của thành phố Hồ Chí Minh qua nhiều giai đoạn lịch sử dẫn đến

sự đa dạng của mạng lưới đường đô thị, dạng hình học và phần đường sửdụng Làn đường kết nối đến ngã tư có thể có chiều rộng khác nhau và được

sử dụng làm đường một chiều, đường hai chiều vào và ra ngã tư Mỗi hướng

di chuyển vào ngã tư hoặc rời khỏi ngã tư của các phương tiên tham gia giaothông có thể xem như một dòng chảy hỗn hợp hoặc hai dòng chảy tách biệtcho xe hai bánh và xe bốn bánh

Các phương tiện khi đến ngã ba hoặc ngã tư giao lộ có thể đi thẳng, rẽ phảihoặc rẽ trái; đến ngã năm, sáu, hoặc ngã bảy, một chiếc xe có thể đi thẳng, rẽphải ngay lối thứ 1, thứ 2 hoặc thứ 3…, rẽ trái ở lối thứ 1 hoặc các lối thứ 2,thứ 3… Nói cách khác, một luồng giao thông đến một ngã tư được chia thànhnhiều hướng Hầu hết các hướng cần phải được phối hợp với đèn điều khiểntín hiệu giao thông một cách hợp lý cho các phương tiện đi ra khỏi giao lộ;

2.3 Hệ thống đèn giao thông thông minh

Hệ thống đèn tín hiệu điều khiển giao thông (còn được gọi tên khác là đèntín hiệu giao thông, đèn điều khiển giao thông, hay đèn xanh đèn đỏ) là mộtthiết bị được dùng để điều khiển giao thông ở những giao lộ có lượng phươngtiện lưu thông lớn (thường là ngã ba, ngã tư đông xe qua lại) Đây là một thiết

bị quan trọng không những an toàn cho các phương tiện mà còn giúp giảm ùntắc giao thông vào giờ cao điểm Nó được lắp ở tâm giao lộ hoặc trên vỉa hè.Đèn tín hiệu giao thông có thể hoạt động tự động hay cảnh sát giao thông điềukhiển

Nhằm mục đích giảm thời gian chờ đợi của xe trước đèn giao thông, hoạt độngđựa trên hệ điều khiển đèn giao thông thông minh [3,4] của một số tác giả đã tiếpcận hệ thống điều khiển thích ứng cho nhiều ngã tư gần dựa trên logic mờ

[7] hoặc hệ chuyên gia với if-then quy tắc cho một ngã tư bị cô lập [6], [5].Những cách tiếp cận này phân tích dữ liệu lưu lượng trên luồng tỷ lệ, mật độ

và vận tốc của ô tô trên các đoạn đường nối với ngã tư [2], [3] Số lượng ô tô

đi vào một đoạn đường được tính theo thời gian thực theo cảm ứng các vònglặp, hệ thống định vị toàn cầu (GPS), RFID hoặc máy quay video [2-5], [8-10] Phân tích dữ liệu của những chiếc xe đi vào một đoạn đường, cách tiếpcận dự đoán số lượng xe và thời gian khi chúng xuất hiện ở ngã tư tiếp theo đểchuyển đèn giao thông

Các cách tiếp cận trên khó triển khai tại Thành phố Hồ Chí Minh do ngoài sự đadạng của phương tiện, sự khác biệt giữa ngã tư và sự phức tạp trong hành vi

của người tham gia giao thông trên đường Ngã tư ở thành phố Hồ Chí Minhđược xây dựng với nhiều nhánh có chiều rộng khác nhau và cách tổ chức đường

bộ cũng không đều nhau Trên nhiều con đường, xe 4 bánh và 2 bánh đi lại trongmột khoảng cách rất gần (đi chung trong 1 làn đường) Ngoài ra, các phương tiện

từ trường học, bến tàu và ngõ hẻm kết nối với đường tại bất kỳ vị trí nào giữa haingã tư đều làm thay đổi số lượng xe đếm bằng cảm biến Hơn nữa, các cách tiếpcận trên chưa xem xét đến các quy định phương tiện ưu tiên trên các luồngphương tiện hướng đến ngã tư như đoàn xe, xe cứu hỏa, xe cứu thương, …vv.Trong khi đó, hệ thống điều khiển đèn giao thông [11, 12] tập trung vào việc xóađường cho sự di chuyển của các phương tiện khẩn cấp và không giải quyết vấn

đề ùn tắc trước đèn giao thông cũng như kẹt xe ở ngã tư

2.4 Các tài liệu nghiên cứu ứng dụng trong luận văn.

Bài báo khoa học nghiên cứu [13] đã trình bày cách tiếp cận thuật toán thayđổi tín hiệu điều khiển đèn giao thông đô thị dựa trên mức độ ưu tiên của cáchướng qua giao lộ bằng phương pháp toán học Kết quả bài báo khoa học này

đã chứng minh được tính tối ưu của thuật toán và đề xuất giải pháp tiếp cận,đưa thuật toán vào xây dựng hệ thống đèn giao thông thông minh hơn gópphần giảm thiểu ùn tắc giao thông tại các giao lộ của Thành phố lớn nhưThành phố Hồ Chí Minh

Bài báo khoa học [14] đã trình bày phần nghiên cứu mô hình phânluồng giao thông một cách vĩ mô Nghiên cứu đã đề xuất mô hình thống kêgiao thông theo không gian-thời gian để ước tính tỷ lệ đám đông phương tiệnphía sau đèn tín hiệu giao thông từ đó xác định mức độ ưu tiên của các hướng

đi qua giao lộ [15, 16, 17] Mô hình phân tích khu vực có phương tiện giaothông như một biến lưu lượng tùy thuộc vào không gian và thời gian, áp dụngkhái niệm thống kê không gian trong GIS để thể hiện khu vực có xe cộ dướidạng biểu đồ không gian ở các trường hợp khác nhau

CHƯƠNG 3: HỆ THỐNG ĐÈN GIAO THÔNG ĐÔ THỊ DỰA TRÊN MỨC ĐỘ ƯU TIÊN CỦA CÁC HƯỚNG QUA

GIAO LỘ

Trong chương quan trọng này, luận văn sẽ trình bày chi tiết nội dungthuật toán và phương pháp xác định các hướng được đi qua ngã tư theo thứ tự

ưu tiên

3.1 Nội dung nghiên cứu.

Trong nghiên cứu này, chúng ta sẽ tiếp cận hệ thống và giải bài toánđiều khiển đèn giao thông ở đô thị dựa trên thứ tự ưu tiên của các hướngphương tiện giao thông đi vào giao lộ Hành trình di chuyển của các phươngtiện giao thông vào giao lộ được phân tích ra thành từng hướng, các hướng cóthứ tự ưu tiên được gán theo mức độ khác nhau tùy trường hợp Các hướng dichuyển vào giao lộ được kết hợp với bộ đèn điều khiển giao thông đặt ở cuốiluồng phương tiện tham gia giao thông đó

Một hệ thống đèn điều khiển giao thông dựa trên mức độ ưu tiên của cáchướng vào giao lộ bao gồm 02 mô đun chính, mô đun phát hiện mức độ ưu tiêncủa từng hướng đi và mô đun dành quyền ưu tiên di chuyển dựa trên mức độ ưutiên đó Mô đun phát hiện mức độ ưu tiên của từng hướng đi sẽ phân tích dữ liệucủa các luồng giao thông trước hệ thống đèn để xác định mức độ ưu tiên và gánchúng theo thứ tự ưu tiên giảm dần Trong hệ thống, một trong những tiêu chí đểxác định mức độ ưu tiên cao hơn của các hướng đi có thể kể đến như: hướng cóphương tiện tham gia giao thông khẩn cấp theo quy định hiện hành; hướng cóthời gian chờ tham gia giao thông vượt quá thời gian cấm hoặc hướng có lưulượng phương tiện tham gia giao thông lớn… Mức độ ưu tiên của các hướngtham gia giao thông tại một giao lộ sẽ được thay đổi theo thời gian

Trong chương này, luận văn trình bày các khái niệm như: tập hợp cáchướng đi, các biến về thời gian chờ, thời gian cấm tối đa, thời gian di chuyển củacác phương tiện giao thông trong hệ thống đèn điều khiển giao thông dựa trênthứ tự ưu tiên Tiếp theo, luận văn sẽ xác định dữ liệu đầu vào của bài toán,

xác định kết quả đầu ra của bài toán và đưa ra thuật toán cho bài toán này Saucùng, luận văn sẽ giải bài toán và đánh giá, nhận xét bài toán, cho ra kết luận.

3.2 Mô tả bài toán.

3.2.1 Khái niệm hệ thống đèn giao thông dựa trên thứ tự ưu tiên

Hệ thống điều khiển đèn giao thông dựa trên thứ tự ưu tiên tại ngã tư.

Đèn tín hiệu giao thông được đặt ở cuối hướng di chuyển của các phươngtiện giao thông vào ngã tư giao lộ Một hệ thống điều khiển đèn giao thôngdựa trên thứ tự ưu tiên tại ngã tư bao gồm hai mô đun chính, mô đun phát hiệnmức độ ưu tiên lưu lượng di chuyển và mô đun phân bổ quyền ưu tiên dựatrên thứ tự

Mô đun phân bổ hướng đi dựa trên thứ tự ưu tiên của các hướng.

Là một phần của hệ thống đèn điều khiển giao thông được lắp đặt tại ngã

tư dựa trên thứ tự ưu tiên Mô đun phân bổ quyền ưu tiên dựa trên thứ tự baogồm bộ quy trình cho phép cấu thành quyền được di chuyển và một ma trậnchuyển đổi đèn giao thông

Hình 3.1: Cấu trúc mô đun phân bổ hướng đi dựa trên thứ tự ưu tiên.

Dữ liệu đầu vào của mô đun bao gồm các yếu tố xác định lưu lượng di chuyểncủa các chuyên gia khi thiết kế đường, thiết kế ngã tư và dữ liệu từ mô đunphát hiện mức độ ưu tiên lưu lượng di chuyển

Dữ liệu đầu ra của mô đun là các hướng đi được di chuyển qua ngã tư cóđược từ sự kết hợp đúng hướng cần di chuyển với từng hướng đi theo thứ tự

ưu tiên giảm dần từ mô đun phát hiện mức độ ưu tiên lưu lượng di chuyển

Cuối cùng, ma trận chuyển đổi đèn giao thông sẽ giải mã các hướng đithuận chiều và các hướng gây xung đột giao thông cho ra một tập hợp cáchướng đi tốt nhất giải quyết bài toán điều khiển đèn giao thông dựa trên thứ tự

ưu tiên tại ngã tư

3.2.2 Đầu vào bài toán

Tại một ngã tư cụ thể, dữ liệu đầu vào của bài toán không thay đổi theothời gian và được xác định bởi các chuyên gia giao thông, bao gồm:

- D = {d i , i = 1,2, ,N}: tập hợp các hướng đi vào ngã tư, không

bao gồm hướng di chuyển cho mọi trường hợp

- : thời gian ngắn nhất cần thiết cho một chiếc xe trên hướng d i vượt ra ngoài ngã

tư, = ⁄ , trong đó là chiều dài của hướng di qua ngã tư và là vận tốc quy định tại ngã tư.

- : thời gian dừng (thời gian đèn đỏ) tối đa cho hướng d i

- , : Tập hợp của các hướng đi thuận chiều và tập hợp các

hướng đi xung đột với d i , i = 1,2, ,N ;

Bên cạnh đó, dữ liệu đầu vào của bài toán do mô đun phát hiện mức độ ưutiên lưu lượng cung cấp sẽ được xác định trong một khoảng thời gian đều

nhau T s Nghĩa là, sau T s thời gian, dữ liệu đầu vào của bài toán gồm:

hướng ∈

- : Tập hợp các hướng được di chuyển hiện tại

- : Tập hợp các hướng cấm di chuyển hiện tại.

Như vậy, các điều kiện đầu vào của bài toán được phân tích như sau:

- với i = 1,2, , N, được cấu trúc như một bảng hướng đi không gây xung đột theo từng hướng i

- Điều kiện 2:≤ , ∀i.

- Điều kiện 3: Phương tiện giao thông đi qua ngã tư không xung đột với nhau

3.2.3 Đầu ra bài toán

- : Tập hợp của các hướng được đi mới

- : Tập hợp của các hướng cấm mới

có nguồn gốc từ bảng các hướng đi không xung đột, nếu 1 = ∅, bỏ qua kết quả.

hướng có thứ tự ưu tiên cao nhất của 1

Các quá trình chuyển đổi từ quyền được đi sang lệnh cấm được làm mịn

bằng tín hiệu của đèn vàng để làm chậm phương tiện và dừng lại

3.2.5 Thuộc tính của bài toán.

Sự hội tụ: Thuật toán chọn cho = { 1 , 2 , 3 , … } từ ⋂ ( −1) là hữu hạn Thật vậy, ( ∉ ) ∧ (⋂ = ⋂

An toàn giao thông: Tất cả các hướng đi thuộc đều không xung đột

3.3 Giải bài toán

Ở phần này, luận văn sẽ giải bài toán với một ngã tư được thiết kế cụthể

như sau:

Một giao lộ được thiết kế thành bốn tham gia giao thông, trong đó có năm dòng chảy của các phương tiện giao thông tiến vào ngã tư Các phương tiện giao thông trên các dòng chảy này được chia ra thành mười lăm hướng ( 1 , 2 , … , 15 ) cần đi ra khỏi ngã tư, trong đó có hướng 3

được chỉ định là hướng luôn luôn được đi và không xung đột với các hướng còn lại Các hướng được gọi là không xung đột với một hướng đang được chọn được thiết kế bởi các chuyên gia giao thông (bảng 1).

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14

15 15 { 1 , 2 , 4 , 5 , 6 , 7 , 8 , 9 , 10 , 12 , 13 , 14 }

Bảng 3.1: Hướng không gây xung đột (ngã tư mô hình),

Giả sử, đầu vào của bài toán được cung cấp bởi mô đun phát hiện mức

độ ưu tiên lưu lượng như sau:

= { 5 , 2 , 7 , 15 , 12 , 11 , 1 , 4 , 10 , 9 , 8 , 13 , 6 , 14 }

Hệ thống đèn tín hiệu hiện tại đáp ứng các điều kiện (1) và (2) cho thời gian và

Hình 3.2 Một ngã tư mô hình 15 hướng qua ngã tư

Áp dụng thuật toán trên ta có các hướng được xác định đi tiếp theo nhưsau:

Theo giả thuyết, ta có:

= { 5, 2, 7, 15, 12, 11, 1, 4, 10, 9, 8, 13, 6, 14} là tậpcác hướng đi đầu vào đã được sắp theo thứ tự ưu tiên giảm dần của môđun phát hiện ưu tiên lưu lượng và hệ thống đèn tín hiệu hiện tại đáp ứngcác điều kiện (1) và (2) cho thời gian và Do đó, áp dụng thuật toán trên,

ta có:

Hướng thứ nhất được đi: 1 ← 5 (5 là hướng có thứ tự ưu tiên cao nhất của D).

Hướng thứ ba được đi: 3

Ta có kết quả của bài toán như sau:

Giải pháp thay đổi tín hiệu đèn giao thông tại ngã tư đô thị dựa trên mức

độ ưu tiên của các hướng qua giao lộ giúp khắc phục phần nào chưa hợp lýcủa hệ thống đèn giao thông hiện tại ở các Thành phố lớn Nhằm mục đíchhạn chế ùn tắc giao thông tại một số ngã tư trọng điểm, giải pháp này tận dụngtối đa diện tích đường bộ và loại bỏ các các yếu tố gây ùn tắc từ những hướng

di chuyển gây xung đột giao thông giữa ngã tư Bên cạnh đó, nó cũng phốihợp độ dày xe hợp lý tại chỉ đường đi vào ngã tư và thông xe đang chờ đènxanh phía trước ngã tư đường vắng

Cách tiếp cận xác định độ dày xe để kiểm soát nhiều hơn đèn giao thônglinh hoạt, không chỉ để giảm độ dày của xe trước giao thông đèn mà còn để sửdụng hiệu quả đường giao nhau Cách tiếp cận loại bỏ di chuyển xung đột trongngã tư để tăng tốc độ của phương tiện, và xóa sự nhầm lẫn giao thông do vượt

đèn đỏ của các phương tiện khẩn cấp với nhau với sự bám víu của người khác

để giảm sự nhầm lẫn và rủi ro kẹt xe

3.5 Kết luận

Thuật toán thay đổi tín hiệu đèn giao thông tại ngã tư đô thị dựa trên mức

độ ưu tiên của các hướng qua giao lộ giúp khắc phục phần nào chưa hợp lýcủa hệ thống đèn giao thông hiện tại ở các Thành phố lớn như Thành Phó HồChí Minh Phương pháp đề xuất đối với đèn giao thông điều khiển dựa trên ưutiên cung cấp một giải pháp tích hợp để dọn đường cho xe ưu tiên, ngăn chặntắc nghẽn trước đèn giao thông và tránh kẹt xe hướng xung đột qua ngã tư Ưutiên được xác định trong cách tiếp cận là ước tính dựa trên yêu cầu củaphương tiện tình huống khẩn cấp, thời gian dừng xe chờ phía trước đèn đỏ vàgiảm đều mật độ lưu lượng xe tại ở hướng đi vào và trong ngã tư

CHƯƠNG 4: MÔ PHỎNG THỰC NGHIỆM THAY ĐỔI TÍN HIỆU ĐÈN GIAO THÔNG ĐÔ THỊ DỰA TRÊN MỨC ĐỘ ƯU TIÊN CỦA CÁC HƯỚNG QUA GIAO LỘ

Trong chương này, luận văn sẽ áp dụng thuật toán và lập trình môphỏng thay đổi tín hiệu điều khiển đèn giao thông đô thị dựa trên mức độ ưutiên của các hướng qua giao lộ ngã tư bằng ngôn ngữ Java và html

bị cản trở hoặc gây ùn tắc

Mục tiêu của chương này là nâng cao tính trực quan của giải pháp thay đổi tínhiệu điều khiển đèn giao thông đô thị dựa trên mức độ ưu tiên của các hướngqua giao lộ bằng phương pháp lập trình với ngôn ngữ Java và mô phỏng cáchướng được di chuyển qua ngã tư giao lộ bằng html

Nhằm đạt được mục tiêu trên, chương bốn này sẽ trình bày phân tích giảithuật của thuật toán bằng mả giả, sơ đồ thuật toán và lập trình mô phỏng bằngngôn ngữ Java và html Tiếp theo đó, luận văn sẽ áp dụng thuật toán và giảithuật thay đổi tín hiệu điều khiển đèn giao thông đô thị dựa trên mức độ ưutiên của các hướng qua giao lộ vào một ngã tư thực tế tại Thành phố Hồ ChíMinh nhằm làm thực nghiệm Cuối chương, luận văn sẽ tóm tắt các kết quảđạt được tại ngã tư thực nghiệm cho thấy tính hữu dụng của giải pháp trên

2 Kiểm tra các giá trị INPUT

var strD = giá trị Textbox arrD;

var strD_current_row = giá trị Textbox arrD_current_row;

var strD_current_pro = giá trị Textbox arrD_current_pro;

- Kiểm tra arrD khác

- Kiểm tra strD = arrD_current_row + arrD_current_pro

Trường hợp strD, arrD_current_row, arrD_current_pro đã được nhập

Nếu strD = arrD_current_row + arrD_current_pro thì tiếp tụcmục 3

Ngược lại, hiển thị thông báo lỗi : Vui lòng nhập các hướngcòn thiếu vào Textbox arrD_current_row hoặc Textbox arrD_current_pro

3 Hiển thị trạng thái đèn XANH cho các quyền hiện tại

4 Hiển thị trạng thái đèn ĐỎ cho các quyền cấm

5 Xử lý thuật toán

5.1 Gán mảng arrD vào mảng giao arrIntersec

var arrIntersec = arrD;

5.2 Dùng vòng lặp Do While để lặp lại thao tác xử lý cấu thành quyền ưu tiên

5.2.1 Lấy ra hướng có độ ưu tiên cao nhất trong mảng giao arrIntersec (1)

5.2.2 Xác định tập hợp HƯỚNG DI CHUYỂN KHÔNG GÂY XUNG ĐỘT tiếp theo (2)

do {

var arrDnext;

var newd;

switch(arrIntersec[0].name) {case "d1":

arrDnext = arrD_1_cs;

newd = d1;

break;

case "d2":

arrDnext = arrD_2_cs;newd = d2;

break;

case "d3":

arrDnext = arrD_3_cs;newd = d3;

break;

case "d4":

arrDnext = arrD_4_cs;newd = d4;

break;

case "d5":

arrDnext = arrD_5_cs;newd = d5;

break;

case "d6":

arrDnext = arrD_6_cs;newd = d6;

break;

case "d7":

arrDnext = arrD_7_cs;newd = d7;

break;

case "d8":

arrDnext = arrD_8_cs;

newd = d8;

break;

case "d9":

arrDnext = arrD_9_cs;newd = d9;

break;

case "d10":

arrDnext = arrD_10_cs;newd = d10;

break;

case "d11":

arrDnext = arrD_11_cs;newd = d11;

break;

case "d12":

arrDnext = arrD_12_cs;newd = d12;

break;

case "d13":

arrDnext = arrD_13_cs;newd = d13;

break;

case "d14":

arrDnext = arrD_14_cs;newd = d14;

break;

5.2.3 Lấy phần giao giữa tập hợp arrIntersec và (2)

arrIntersec = getIntersec(arrIntersec, arrDnext);

5.2.4 Gán (1) vừa tìm thấy ở trên vào mảng kết hợp mới của các hướng bên phải.

arrD_new_row : sự kết hợp mới của các hướng bên phải

arrD_new_pro : sự kết hợp mới của các hướng cấm

7 Hiển thị trạng thái đèn XANH cho các quyền mới

8 Hiển thị trạng thái đèn ĐỎ cho các quyền cấm mới