2.4.1 Khái niệm
- Mơ phỏng giao thơng (GT) là việc mơ hình tốn học, hiển thịđộng của thế giới thực. Dựa trên máy tính mơ tả hoạt động giao thơng theo thời gian hoặc các tình huống giao thơng phức tạp trong phịng thí nghiệm.
- Hệ thống GT là một hệ thống động, trong đĩ cĩ sự tương tác của các thành phần đối tượng với nhau. Mơ phỏng GT sẽ tích hợp sự tương tác hay hành vi của các đối tượng. Tổng hợp lại các yếu tốđĩ, phần mềm sẽ phân tích cả một mạng lưới
đĩ như thế nào, hoạt động ra sao … mơ hình mơ phỏng được ứng dụng:
+ Đánh giá các giải pháp xử lý khác nhau: đánh giá các chiến lược điều khiển tín hiệu giao thơng. Nĩ cịn được dùng để tối ưu hĩa việc điều khiển đèn.
+ Kiểm tra thiết kế khả năng thơng hành của một tuyến đường, nút giao thơng. Giúp hiệu chỉnh các chi tiết thiết kếđể cĩ được thiết kế tối ưu nhất.
+ Mơ phỏng giao thơng để kiểm chứng lại các cơng thức, giả định về giao thơng; thơng qua mơ hình sẽ hiệu chỉnh các cơng thức về giao thơng phù hợp trong các điều kiện thực tế.
+ Tái hiện các trường hợp tai nạn, giúp người thiết kế hồn thiện tuyến
đường và phương tiện.
- Mơ hình mơ phỏng giao thơng cĩ thể phân loại như sau:
+ Mơ phỏng giao thơng vi mơ: mơ phỏng sự di chuyển của từng xe cá nhân trong dịng giao thơng dựa trên lý thuyết về xe theo xe và sự chuyển làn.
+ Mơ phỏng vĩ mơ: mơ phỏng các đại lượng cơ bản của hệ thống giao thơng hơn là mối quan hệ của từng xe riêng lẻ. Mơ hình mơ phỏng vĩ mơ dựa trên mối quan hệ giữa các đại lượng là lưu lượng, vận tốc, và mật độ dịng xe.
+ Mơ phỏng trung gian: kết hợp các đặc điểm của mơ phỏng vĩ mơ và vi mơ. Trong đĩ từng xe cá nhân di chuyển bị kiểm sốt bởi mối quan hệ vĩ mơ. Ví dụ như
khoảng cách an tồn của xe sau và xe trước phụ thuộc vào hành vi của người lái và bịảnh hưởng bởi vận tốc trung bình trên dịng xe.
- Các phần mềm mơ phỏng giao thơng được sử dụng trong mơ phỏng vi mơ: Vissim, Paramics, Corsim … ; mơ phỏng vĩ mơ: Strada, Contram, Netcell …
2.4.2 Mơ hình mơ phỏng giao thơng
- Xây dựng mơ hình mơ phỏng giao thơng địi hỏi qua 5 bước cơ bản: + Xác định vấn đề và các mục tiêu
+ Định nghĩa hệ thống sẽ nghiên cứu + Xây dựng mơ hình
+ Xác định các tham số của mơ hình + Chạy và kiểm chứng mơ hình.
Việc xây dựng mơ hình là các vịng lặp của các bước trên. Khi kết quả cuối cùng khơng như mong đợi, ta sẽ quay lại xem xét các yếu tố của thơng sốđầu vào và hiệu chỉnh cho đến khi phù hợp.
- Trong một mơ hình mơ phỏng giao thơng vi mơ yêu cầu phải cĩ đủ 7 module: + Mơ hình kểđến thuộc tính của xe và người lái xe: xác định các thơng số cơ
bản của xe (kích thước, nhân tốc động lực, gia tốc tăng-giảm tốc độ …) và hành vi của người lái trong hệ thống (quyết định vượt xe, lấn làn, tăng-giảm tốc …).
+ Mơ hình phát sinh số ngẫu nhiên: phát sinh các tình huống ngẫu nhiên khi áp dụng.
+ Mơ hình phát sinh xe: xác định địa điểm và thời gian phương tiện tham gia vào hệ thống.
+ Mơ hình xe theo xe: xác định cách thức một xe và nối đuơi theo xe khác thơng qua việc tăng tốc-giảm tốc và giữ khoảng cách an tồn.
+ Mơ hình chuyển làn xe: xác định cách thức và khi nào xe sẽ chuyển làn. Phương tiện chuyển làn theo kiểu bắt buộc hoặc tự do.
+ Mơ hình kiểm sốt của đèn tín hiệu giao thơng: đề cập đến sự hoạt động của đèn tín hiệu trong hệ thống. Đèn hoạt động theo chu kỳ cố định, hoặc điều khiển theo các chếđộ thiết lập khác nhau.
+ Mơ hình hoạt cảnh: diễn tả mơ hình hoạt cảnh xe trong hệ thống.
- Trong phạm vi đề tài và phần mềm mơ phỏng, mơ hình chuyển động của xe
được sử dụng là mơ hình xe theo xe (Car Following Model), xét sự di chuyển của xe theo phương dọc; và ảnh hưởng của hành vi tinh thần-thể trạng của người lái xe.
2.4.2.1 Mơ hình xe theo xe
- Các nghiên cứu mơ hình xe theo xe bắt đầu vào đầu những năm 1950 bởi Reuschel (1950) và Pipes (1953). Mơ hình xe theo xe sau này đã được mở rộng bởi Kometani & Saski (1958), Forbes (1958), và các nghiên cứu khác nhau bởi Herman, Rothery và các cộng sự (1958-1963). Nghiên cứu tại General Motors từ những năm 1950 đến 1960 thường được gọi là mơ hình xe theo xe của General Motors.
- Mơ hình xe theo xe xác định vị trí và tương tác theo phương dọc đường giữa một xe nối đuơi xe trước di chuyển trên cùng một làn xe. Theo mơ hình này, sự tương tác theo dạng phản ứng (response) lại của người điều khiển với các tác nhân (stimulus) từ mơi trường xung quanh. Sự tương tác theo dạng phản ứng với tác nhân, chính là độ nhạy của người lái đối với một tình huống xảy ra trên đường.
Responsen (t) = sensitivityn (t) ~ stimulus ( t – τn )
- Phản ứng ở thời điểm t quan sát cĩ nguồn gốc từ tác nhân mơi trường gây ra trước đĩ một khoảng τn là thời gian phản ứng của lái xe n. Đây là thời gian nhận biết và thời gian phản ứng tay chân. Mức độ phản ứng nhanh hay chậm tùy thuộc vào độ nhạy trước ảnh hưởng của tác nhân mơi trường của lái xe n.
Hình 2.4.1: Mơ hình xe theo xe Trong đĩ: n: chỉ số xe; t: thời gian
∆t: khoảng thời gian xe chạy Ln (t): chiều dài của xe n
xn (t): vị trí của xe n ở thời điểm t vn (t): vận tốc của xe n ở thời điểm t an (t): gia tốc của xe n ở thời điểm t
- Thời gian phản ứng liên quan đến 4 hành động của người lái:
+ Nhận biết (Perception): là khả năng nhận ra hiện tượng, vật cản nào đĩ cần phải phản ứng.
+ Xác nhận (Identification): xác nhận và nhận diện hiện tượng, vật cản đĩ. + Quyết định (Emotion hay Decision): quyết định hành động nhằm phản ứng lại trước hiện tượng, vật cản đĩ.
+ Hành động (Volition hay Reaction): phản ứng sau khi đã quyết định.
2.4.2.2 Mơ hình tinh thần-thể trạng của Wiedemann (1974)
- Mơ hình diễn tả hành vi tinh thần-thể trạng của người lái xe. Theo Wiedemann, người lái sẽ giảm tốc độ khi nhận thấy xe phía trước quá gần, vì khơng thể xác định
được vận tốc chính xác của xe phía trước nên người lái xe sau sẽ giảm tốc nhanh xuống dưới vận tốc của xe trước, ngay sau đĩ người lái phải tăng tốc nhẹ vận tốc lên gần bằng với xe trước. Điều này dẫn đến quá trình lặp đi lặp lại việc tăng tốc rồi giảm tốc (occilation).
- Theo Wiedemann, người lái xe cĩ thể rơi vào một trong 4 trạng thái sau: + Lái tự do: ở trạng thái này, người lái điều khiển xe với một vận tốc cĩ thể
mà người đĩ muốn mà khơng bịảnh hưởng của xe phía trước.
+ Trạng thái tiếp cận: khi nhận thấy xe phía trước chạy chậm, người lái bắt
đầu giảm tốc độ xe đến mức bằng với vận tốc của xe trước và tạo một khoảng cách an tồn với xe trước nĩ.
+ Nối đuơi: người lái chạy nối đuơi theo xe trước mà khơng cĩ ý định vượt xe hay tăng tốc. Tuy nhiên việc điều khiển gascenti của xe khơng đều nên vận tốc xe cĩ dao động đơi chút.
+ Hãm phanh: khi khoảng cách giữa hai xe nằm dưới ngưỡng an tồn, người lái xe sau sẽ hãm phanh với gia tốc hãm phanh từ mức trung bình đến cao. Tình huống này xảy ra khi xe trước hãm phanh hoặc chuyển làn.
- Trong mỗi tình huống giao thơng, sự thay đổi về vận tốc xe, khoảng cách an tồn giữa xe trước và xe sau hồn tồn tùy thuộc vào đặc điểm của từng người lái xe. Sự kết hợp giữa yếu tố tâm lý và thể trạng của mỗi người sẽ quyết định khả
năng nhận thức của người lái xe, do vậy mơ hình này được gọi là mơ hình tinh thần- thể trạng xe theo xe (psycho-physical car following model).
2.4.2.3 Các ví dụứng dụng mơ phỏng
- Sử dụng mơ phỏng Vissim đểđánh giá hoạt động hiệu quả các đèn tín hiệu trên
đoạn đường dài 8.8 dặm từ : Fairfax County Parkway (phía nam) đến North Kings Highway / Shields (phía bắc) tại Mỹ. Thời gian mơ phỏng kiểm tra là vào giờ cao
điểm của buổi sáng, khi cĩ khoảng 3000 xe quá cảnh và một lượng lớn xe buýt cũng tham gia vào hệ thống từ hướng bắc. Thơng qua mơ phỏng sẽđiều chỉnh chu kỳđèn hợp lý, tăng hiệu quả khai thác trên tuyến đường. Thời điểm nghiên cứu 10/2004.
- Hay việc ứng dụng mơ phỏng bằng phần mềm Vissim để đánh giá tính khả thi của HOV (High-Occupancy Vehicle) trên đường cao tốc I-5 nối từ North Vancouver, Washington đến Portland, bang Oregon, được tiến hành bởi Cơ quan giao thơng địa phương. Sử dụng Vissim để phân tích khả năng khai thác cực hạn của đoạn đường nhưng vẫn đảm bảo lịch trình; và đánh giá hiệu quả khai thác một khu vực nhỏ từđường dẫn vịng xuyến SR-14 đến cầu Interstage.
Hình 2.4.3: Tuyến Fairfax County Parkway đến North Kings Highway/Shields
Hình 2.4.4: Mơ phỏng kiểm tra hoạt động đèn tín hiệu
Hình 2.4.5: Đoạn I-5 nối từ North Vancouver, Washington đến Portland
CHƯƠNG 3: PHƯƠNG PHÁP VÀ NỘI DUNG NGHIÊN CỨU
3