Nghiên cứu hệ thống phát hiện và xử lý điểm kẹt xe tại các nút giao thông

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH CƠNG TRÌNH NGHIÊN CỨU KHOA HỌC GIẢNG VIÊN TRẺ NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHÁT HIỆN VÀ XỬ LÝ ĐIỂM KẸT XE TẠI CÁC NÚT GIAO THÔNG MÃ SỐ: T2020-05GVT S K C0 7 Tp Hồ Chí Minh, tháng 8/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN DÀNH CHO GIẢNG VIÊN TRẺ NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHÁT HIỆN VÀ XỬ LÝ ĐIỂM KẸT XE TẠI CÁC NÚT GIAO THÔNG Mã số: T2020-05GVT Chủ nhiệm đề tài: ThS Huỳnh Hoàng Hà TP HCM, 08/2021 BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KH&CN DÀNH CHO GIẢNG VIÊN TRẺ NGHIÊN CỨU HỆ THỐNG PHÁT HIỆN VÀ XỬ LÝ ĐIỂM KẸT XE TẠI CÁC NÚT GIAO THÔNG Mã số: T2020-05GVT Chủ nhiệm đề tài: ThS Huỳnh Hoàng Hà TP HCM, 08/2021 MỤC LỤC Trang tựa Trang DANH SÁCH THÀNH VIÊN THAM GIA NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI i MỤC LỤC ii DANH SÁCH HÌNH VẼ iv DANH SÁCH BẢNG BIỂU v THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU vi Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan đề tài nước 1.2 Tính cấp thiết đề tài 1.3 Mục tiêu 1.4 Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 1.5 Đối tượng phạm vi nghiên cứu 1.6 Nội dung nghiên cứu Chương CƠ SỞ LÝ THUYẾT 2.1 Mơ tả quy trình hoạt động mơ hình 2.2 Tổng quan Internet of Things (IoT) 2.3 Công nghệ Wifi 2.4 Google Firebase 11 2.5 Android 13 2.6 Java 15 2.7 XML 15 2.8 GPS 17 CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 20 3.1 Giới thiệu 20 3.2 Tính tốn thiết kế hệ thống 21 3.2.1 Thiết kế sơ đồ khối hệ thống 21 3.2.2 Lựa chọn thiết kế hệ thống 22 3.2.2.1 Khối máy chủ 22 3.2.2.2 Khối phần mềm ứng dụng 26 3.3 Cấu hình máy chủ Firebase 28 3.4 Thuật toán xác định mật độ xe hướng ngã tư 29 3.5 Phát triển giải thuật toàn hệ thống 30 Chương KẾT QUẢ_NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ 33 ii 4.1 Ứng dụng Android phát triển 33 4.2 Kết thực nghiệm 35 4.3 Nhận xét – đánh giá hệ thống 38 4.3.1 Ưu điểm hệ thống 38 4.3.2 Nhược điểm hệ thống 38 Chương KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 39 5.1 Kết luận 39 5.2 Hướng phát triển 39 TÀI LIỆU THAM KHẢO 40 iii DANH SÁCH HÌNH VẼ HÌNH TRANG Hình 2.1: Ứng dụng IoT Hình 2.2: Ứng dụng nhà thơng minh Hình 2.3: Ứng dụng IoT giao thơng vận tải Hình 2.4: Ứng dụng IoT y tế Hình 2.5: IoT nông nghiệp Hình 2.6: Cấu trúc liên kết ngang hàng 10 Hình 2.7: Cấu trúc liên kết dựa AP 10 Hình 2.8: Cách thức giao tiếp mạng Wifi 11 Hình 2.9: Biểu tượng Firebase 11 Hình 2.10: Biểu tượng Android 14 Hình 2.11: Biểu tượng Android 17 Hình 3.1: Quy trình xử lý phần mềm ứng dụng 20 Hình 3.2: Sơ đồ khối hệ thống 21 Hình 3.3: Website quản lý ThingSpeak 23 Hình 3.4: Ứng dụng Blynk 23 Hình 3.5: Giao diện Website tối ưu theo hướng IoT 24 Hình 3.6: Quá trình khởi tạo, truyền liệu giữ kết nối Websocket 25 Hình 3.7: Mơ hình giao tiếp thiết bị với Firebase 25 Hình 3.8: Giao diện hệ điều hành iOS phiên 15 27 Hình 3.9: Giao diện hệ điều hành Android phiên 12 27 Hình 3.10: Tính Realtime Database 28 Hình 3.11: Cấu trúc liệu ngã tư cần theo dõi 28 Hình 3.12: Tính tốn vị trí xe thuộc hướng di chuyển vào giao lộ 30 Hình 4.1: Giao diện ứng dụng hiển thị mật độ khu vực theo dõi 33 Hình 4.2: Giao diện cấu hình thơng số ngưỡng 33 Hình 4.3: Giao diện tìm kiếm thêm khu vực cần theo dõi 34 Hình 4.4: Dữ liệu khu vực lưu trữ Realtime Database-Firebase 34 Hình 4.5: Điện thoại tự động nhận báo động kèm mật độ xe ngã tư phạm vi cấu hình 35 Hình 4.6: Kết thu tình 36 Hình 4.7: Kết thu tình 36 Hình 4.8: Kết thu tình 37 Hình 4.9: Kết thu tình 37 iv DANH SÁCH BẢNG BIỂU BẢNG TRANG Bảng 3.1: Ưu nhược điểm loại Server 26 Bảng 4.1: Đánh giá kết thực nghiệm với 10 thiết bị 38 v TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH KHOA ĐIỆN – ĐIỆN TỬ BM 08T Thông tin kết nghiên cứu CỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM Độc lập - Tự - Hạnh phúc Tp HCM, ngày 24 tháng 08 năm 2021 THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Thông tin chung: - Tên đề tài: Nghiên cứu hệ thống phát xử lý điểm kẹt xe nút giao thông - Mã số: T2020-05GVT - Chủ nhiệm: ThS.Huỳnh Hồng Hà - Cơ quan chủ trì: Đại học Sư phạm Kỹ thuật Thành phố Hồ Chí Minh - Thời gian thực hiện: từ 05/2019 đến 05/2020 Mục tiêu: Nghiên cứu đưa phương pháp để phát xử lý điểm kẹt xe nút giao thơng Tính sáng tạo: Từ vấn đề cấp thiết việc quản lý, điều phối giao thông Việt Nam, đặc biệt vấn đề kẹt xe cao điểm, nên chủ nhiệm đề tài định chọn hướng nghiên cứu: “Nghiên cứu hệ thống phát xử lý điểm kẹt xe nút giao thông” Với mục tiêu đưa phương pháp để phát hiện, xử lý điểm kẹt xe ứng dụng thiết bị sẵn có tài xế thiết bị di động Kết nghiên cứu: Phát triển ứng dụng theo dõi cảnh báo kẹt xe điểm giao thông Sản phẩm: - Tài liệu hệ thống (cuốn báo cáo) (1 bộ) - báo đăng tạp chí Khoa Học Công Nghệ Thực Phẩm Hiệu quả, phương thức chuyển giao kết nghiên cứu khả áp dụng: Tài liệu, kiến thức phần mềm ứng dụng Trưởng Đơn vị (ký, họ tên) Chủ nhiệm đề tài (ký, họ tên) ThS Huỳnh Hoàng Hà vi vii CHƯƠNG TỔNG QUAN Chương TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan đề tài nước Vấn đề giao thông, kẹt xe vấn đề quan trọng ngày nay, đặc biệt thành phố lớn Hồ Chí Minh, Hà Nội Dân số tăng nhanh, cộng thêm việc tập trung khu công nghiệp nhiều trung tâm thành phố, việc ùn tắc giao thông điều tránh khỏi Nhà nước có nhiều phương án áp dụng để hạn chế việc tắc nghẽn giao thông khu vực đông đúc, cao điểm như: mở rộng đường, mở thêm nhánh đường khác để giao thông chia thành nhiều hướng di chuyển, đóng phí đường bộ, khuyến khích sử dụng nhiều phương tiện cơng cộng hơn, Song song đó, nhà nghiên cứu, tác giả khắp nơi giới chung sức nghiên cứu đề xuất giải pháp để giảm bớt nạn kẹt xe Trong báo [1], tác giả Sun Ye từ trường đại học Shandong Jiaotong, Trung Quốc đề xuất giải pháp đóng phí tham gia giao thơng để lượng xe lưu thơng giảm, dẫn đến việc ùn tắc kẹt xe giảm Mức phí áp dụng cho đoạn đường phụ thuộc vào đặc điểm đoạn đường mục tiêu, chi phí, phạm vi, phương pháp tình trạng đông đúc phương tiện lưu thông đoạn đường Trong báo [2], tác giả Vipin Jain Ashlesh Sharma phân tích tổn thất xảy bị ù tắc giao thơng tốn nhiên liệu, thời gian, tiền tệ, chậm trễ lại người tham gia giao thông Nguyên nhân gây ùn tắc mạng lưới giao thông quy hoạch chưa tốt, đường xá xung quanh điểm nóng chưa triển khai tốt Từ đó, nghiên cứu đề xuất giải pháp tận dụng camera gắn sẵn giao lộ để thu thập hình ảnh, nhận dạng xác định số lượng xe điểm nóng nhằm điều hướng xe lưu thơng, giảm bớt tắc nghẽn cục Trong báo [3], tác giả Z.Wadud cộng nghiên cứu hệ thống giao thông thông minh dựa việc phát phương tiện phân loại tuyến đường theo mật độ xe Hệ thống mà báo phát triển nhằm giúp tài xế xác định lộ trình kẹt xe để di chuyển cho phù hợp Các kĩ thuật xử lý ảnh trích liên tục từ camera điểm kẹt xe áp dụng nhằm xác định mật độ xe, tốc độ di chuyển phương tiện Sau ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC CHƯƠNG TÍNH TOÁN VÀ THIẾT KẾ năng, phần cứng cần thiết GPS, Wifi, khả chạy ngầm, báo động, hỗ trợ triển khai ứng dụng Hình 3.8: Giao diện hệ điều hành iOS phiên 15 Hệ điều hành iOS (hình 3.8) đánh giá hệ điều hành có độ ổn định hoạt động tốt so với loại hệ điều hành di động khác Tuy nhiên, việc triển khai lập trình, phát triển ứng dụng thử nghiệm điện thoại iOS, nạp ứng dụng lên điện thoại nhà phát triển cần phải có máy tính chạy MacOS Trong đó, hệ điều hành Android xem hệ điều hành có lượng người sử dụng nhiều nhất, thông dụng nhất, cộng đồng phát triển đông việc phát triển ứng dụng hệ điều hành dễ dàng iOS nhiều (hình 3.9) Hình 3.9: Giao diện hệ điều hành Android phiên 12 Sau phân tích ưu điểm, nhược điểm loại thiết bị hỗ trợ vấn đề giám sát hệ thống IoT, tác giả định lựa chọn phát triển ứng dụng thiết bị di động chạy hệ điều hành Android ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 27 CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ 3.3 Cấu hình máy chủ Firebase Máy chủ Firebase Google phát triển nhiều tính như: Authentication, Realtime Database, Machine Learning, Events, Nhưng đề tài này, tác giả sử dụng tính phù hợp Realtime Database (hình 3.10) , nhằm hướng tới thu thập liệu tọa độ từ thiết bị di động đồng với thiết bị di động lại Hình 3.10: Tính Realtime Database Tại ngã tư, tác giả cần lưu trữ tọa độ điểm: điểm ngã tư, điểm hướng vào ngã tư nhằm xác định mật độ xe hướng đường ngã tư Hình 3.11: Cấu trúc liệu ngã tư cần theo dõi Hình 3.11 cấu trúc liệu ngã tư Thủ Đức, gồm: Tên giao lộ, tổng lượng xe giao lộ, kinh độ vĩ độ điểm trung tâm, cặp kinh độ vĩ độ hướng ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 28 CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ đường, số lượng xe hướng đường 3.4 Thuật toán xác định mật độ xe hướng ngã tư Trong đề tài này, tác giả cần xác định mật độ xe hướng ngã tư cần theo dõi Phương pháp tác giả sử dụng dựa vào công nghệ IoT, hệ thống định vị GPS để thu thập số lượng tài xế tham gia giao thơng thống kê kiểm sốt số lượng xe hướng di chuyển Bước đầu tiên, cần phải xác định vị trí phương tiện có thuộc ngã tư xem xét hay không, tác giả cần sử dụng thuật tốn tính khoảng cách điểm ngã tư vị trí tài xế tọa độ cầu a = sin²(Δφ/2) + cos φ1 * cos φ2 * sin²(Δλ/2) (1) c = * atan2( √𝑎, √(1 − 𝑎) ) (2) d=R*c (3) Bộ công thức (1), (2), (3) [12] sử dụng để tính tốn khoảng cách tọa độ điểm bề mặt Trái Đất Với a bình phương nửa độ dài điểm, c khoảng cách góc tính radian, d khoảng cách điểm tính đơn vị mét Giả định gọi điểm A,B có tọa độ A(lat1, lon1), B(lat2, lon2), với lat kinh độ, lon vĩ độ Khi đó, thơng số tính tốn sau: - R = 6371.3 Km (bán kính Trái Đất) - φ1 = lat1 * π/180; - φ2 = lat2 * π/180; - Δφ = (lat2-lat1) * π/180; - Δλ = (lon2-lon1) * π/180; Dựa cơng thức (1)(2)(3), tác giả tính tốn khoảng cách vị trí người tham gia giao thông so với tọa độ tâm ngã tư, từ xác định phương tiện tham gia giao thông kẹt điểm giao lộ cần theo dõi Dựa cơng thức tính khoảng cách, tác giả tiến hành phân tích, cấu hình hệ thống để phát triển giải thuật xác định số lượng xe giao lộ hướng ngã tư ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 29 CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ Hình 3.12: Tính tốn vị trí xe thuộc hướng di chuyển vào giao lộ Tại điểm ngã tư, tác giả lấy tọa độ điểm: điểm trung tâm điểm hướng đường (Hình 3.11) Dựa cơng thức tính khoảng cách (1), (2), (3), tác giả đưa giải thuật xác định xe thuộc hướng di chuyển nào, sau: B1: Nếu xe vào bán kính R(100m) giao lộ: - Tính khoảng cách vị trí xe với điểm hướng (kí hiệu: ) - Dựa khoảng cách nhỏ tính được, tác giả xác định xe di chuyển hướng - Từ đó, tăng/giảm số lượng xe hướng tương ứng Firebase - Tổng số xe hướng, cộng dồn vào điểm trung tâm B2: Nếu xe khỏi bán kính R, giảm số lượng xe hướng điểm trung tâm 3.5 Phát triển giải thuật toàn hệ thống Trong báo này, tác giả viết giải thuật xử lý đếm số lượng xe hoàn toàn thiết bị Android Ứng dụng Android có nhiệm vụ: cập nhật vị trí lên Firebase; tìm kiếm, thêm/bớt điểm giao lộ cần kiểm soát; theo dõi số lượng xe hướng giao lộ; bật chế độ chạy ngầm (tức người dùng tắt ứng dụng, khóa máy, ứng dụng trì hoạt động); cảnh báo liên tục cho tài xế xe gần điểm có lượng xe đơng q ngưỡng cài đặt ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 30 CHƯƠNG TÍNH TỐN VÀ THIẾT KẾ Thuật toán xử lý xây dựng theo giải thuật sau: B1: Khởi tạo biến, liệu B2: Kết nối lấy liệu từ Firebase B3: Sử dụng API google map để hiển thị đồ lên ứng dụng B4: Duyệt danh sách khu vực, giao lộ cần theo dõi (Có thể tìm kiếm giao diện đồ thêm mới) B5: Ứng dụng Android tiến hành đọc vị trí mình, tính khoảng cách từ đến tọa độ giao lộ (cơng thức (1), (2), (3) ), với chu kì xử lý 7s/lần - Nếu vị trí xe vào hay khỏi bán kính R giao lộ, ứng dụng xác định xe thuộc hướng di chuyển (theo giải thuật mục 3.4) Và tiến hành cập nhật lại số lượng xe hướng lên Firebase (công thức (4)) - Khi xe vào giao lộ chuyển từ hướng sang hướng khác, hệ thống cập nhật lại số lượng xe hướng (như giải thuật mục 3.4) - Nếu vị trí xe ngồi bán kính R giao lộ, hệ thống khơng cập nhật lại số lượng xe giao lộ B6: Khi người dùng bật chế độ chạy ngầm, hệ thống gửi báo động có giao lộ gần vị trí xe (R=8 - : Mật độ xe >=5 - : Mật độ xe < Hình 4.2: Giao diện cấu hình thơng số ngưỡng Hình 4.2 giao diện để cấu hình thơng số ngưỡng báo động (THRESHOLD), bán kính R giao lộ (RADIUS), phạm vi cảnh báo cho tài xế tài xế bắt đầu vào vùng (NOTIRANGE) ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 33 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ Hình 4.3: Giao diện tìm kiếm thêm khu vực cần theo dõi Hình 4.3 giao diện giúp người dùng tìm kiếm ngã tư mong muốn kiểm sốt, tự động lấy kinh độ, vĩ độ tâm giao lộ đó, cấu hình tọa độ hướng ngã tư Hình 4.4: Dữ liệu khu vực lưu trữ Realtime Database-Firebase Các liệu toàn hệ thống lưu trữ máy chủ Firebase (hình 4.4), liệu thống kê tập trung đây, từ ứng dụng Android dễ dàng cập nhật mật độ xe cộ giao lộ ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 34 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ Hình 4.5: Điện thoại tự động nhận báo động kèm mật độ xe ngã tư phạm vi cấu hình Hình 4.5 thơng báo điện thoại Android xe cách ngã tư Thủ Đức 443m, với tổng số lượng xe 130 xe, cách ngã tư Bình Thái 1.725Km, với tổng số lượng xe 110 xe Khi mở ứng dụng người dùng xem chi tiết số lượng xe hướng cụ thể ngã tư, trình bày phần thực nghiệm 4.2 Kết thực nghiệm Dữ liệu thực nghiệm Để thực nghiệm giải thuật, ứng dụng phát triển được, tác giả tiến hành cài đặt ứng dụng lên 10 điện thoại Android có phần cứng bản, có hệ điều hành từ 6.0 trở lên, có sóng 3G/4G, GPS sinh viên nhờ bạn cầm điện thoại khu vực ngã tư Trong thực nghiệm này, tác giả chọn ngã tư Thủ Đức Bán kính giao lộ cấu hình RADIUS(R) = 100m Độ đo thực nghiệm Mọi số liệu thử nghiệm trực tiếp 10 điện thoại thực tế Kết tương ứng tình thực nghiệm Tình 1: 10 bạn sinh viên chia thành nhóm bạn Tất đứng ngồi vịng bán kính R (hình 4.6) ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 35 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ Hình 4.6: Kết thu tình Màu sắc Marker quy ước hình Bốn Marker hướng 0, chưa có thiết bị vào giao lộ Marker hiển thị tên giao lộ tổng số xe có giao lộ Tình 2: 10 bạn vào bán kính R ngã tư Thủ Đức Chia làm nhóm hướng (hình 4.7) Hình 4.7: Kết thu tình Tình 3: bạn vào bán kính R bạn ngồi bán kính (hình 4.8) ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 36 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ Hình 4.8: Kết thu tình Tình 4: bạn vào bán kính R bạn ngồi bán kính (hình 4.9) Hình 4.9: Kết thu tình Tình khác: Phương tiện kẹt tâm ngã tư Khi bạn vào gần tâm ngã tư, tùy thuộc vào khoảng cách vị trí thiết bị với Marker xung quanh, xe thuộc hướng Tác giả chưa phân loại thêm trường hợp Tuy nhiên, tổng số xe giao lộ (ở Marker giữa) hiển thị số lượng xe giao lộ Và xe gần hướng cập nhật vào hướng *Đánh giá giá độ xác Ở tình 1,2,3,4, số lượng xe hướng đi, tổng số xe hiển ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC 37 CHƯƠNG KẾT QUẢ_NHẬN XÉT ĐÁNH GIÁ thị Marker tự động cập nhật (cài đặt 5s/lần) xác bạn sinh viên di chuyển vào khu vực giao lộ Và số lượng xe hướng cập nhật xác bạn di chuyển từ hướng sang hướng khác cách tự động Kết thực nghiệm tổng kết Bảng Số lượng xe, màu báo động Marker hướng hiển thị ứng dụng đạt độ xác 100% Ứng dụng báo động xác 100% số lượng xe đạt ngưỡng cấu hình Và độ trễ hiển thị ứng dụng tính có khác nhau, phụ thuộc vào tốc độ internet điện thoại cài đặt ứng dụng Bảng 4.1: Đánh giá kết thực nghiệm với 10 thiết bị Tình Tình Tình Tình Số thiết bị Android 10 10 10 10 Độ xác hiển thị 100% 100% 100% 100% Độ xác báo động đông xe 100% 100% 100% 100% Độ trễ(*)