THAY ĐỔI TÍN HIỆU ĐÈN GIAO THÔNG ĐÔ THỊ DỰA TRÊN MỨC ĐỘ ƯU TIÊN CỦA CÁC HƯỚNG QUA GIAO LỘ LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH MÁY TÍNH

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO VIỆN HÀN LÂM 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 HƯ

BỘ GIÁO DỤC

VÀ ĐÀO TẠO

VIỆN HÀN LÂM 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

LUẬN VĂN THẠC SĨ NGÀNH MÁY TÍNH

Thành phố Hồ Chí Minh - 2021

BỘ GIÁO DỤC VIỆN HÀN LÂM

VÀ ĐÀO TẠO 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 đèn giao thông đô thị dựa trên mức độ ưu tiên của các hướng qua giao lộ” là trung thực, xuất phát từ nhu cầu thực tế trong quá trình học tập, cũng như tình hình thực 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 liên quan đều được dẫn nguồn cụ thể, nội dung trích dẫn trong luận văn Tất cả nội dung trình bày, kết quả luận văn là sự học hỏi, thực hiện nghiêm túc của bản thân và chưa từng công bố trong các công trình nghiên cứu khoa học, bài báo liên 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

đô thị dựa trên mức độ ưu tiên của các hướng qua giao lộ”, Tôi đã nhận được nhiều 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 học PGS.TS Trần Vĩnh Phước đã nhiệt tình hướng dẫn, chỉnh sửa, chỉ dạy các kiến thức trực quan trong giao thông, khai phá dữ liệu, hệ thống thông tin để tôi 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 lớp học 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 Hệ Thống Thông Tin và Viễn Thông, cũng như các Thầy Cô của Học Viện Khoa học và Công Nghệ, quý thầy cô tham gia giảng dạy và truyền đạt kiến thức cho bản thân tôi trong suốt khóa học 2018 – 2021

Tôi cũng xin gởi lời cảm ơn đến gia đình, quý đồng nghiệp Trường Cao đẳng 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

1 D Tập hợp các hướng đi vào ngã tư

2 𝑻𝑫𝒊 Thời gian ngắn nhất cần thiết cho một chiếc xe trên

hướng i vượt ra khỏi ngã tư

3 𝑻𝑷𝒊 Thời gian dừng (thời gian đèn đỏ) tối đa cho hướng i

4 𝑫𝒄𝒔𝒊 Tập hợp của các hướng đi không gây xung đột với

hướng i ở ngã tư

5 𝑫𝒄𝒇𝒊 Tập hợp của các hướng đi gây xung đột với hướng i ở

ngã tư

8 𝑻𝒈𝒊 Thời gian đèn xanh hiện tại của hướng i

9 𝑻𝒓𝒊 Thời gian đèn đỏ hiện tại của hướng i

10 𝑫𝒓𝒐𝒘𝒏𝒆𝒘 Tập hợp của các hướng mới được đi

11 𝑫𝑷𝒓𝒐𝒏𝒆𝒘 Tập hợp của các hướng mới cấm đi

DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU

Bảng 3.1: Hướng không gây xung đột (ngã tư mô hình), 𝐷𝑐𝑠𝑖 18 Bảng 4.1 Hướng đi không gây xung đột (ngã tư thực nghiệm), 𝐷𝑐𝑠𝑖 42

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 tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước về vấn đề điều khiển giao thông tại các ngã tư đô thị Từ đó, đưa ra mục tiêu, phạm vi, phương pháp nghiên cứu và cấu 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 giao thông là một bài toán lớn trong quản lý và vận hành hệ thống giao thông thành phố Hệ thống giao thông hiện đại là một hệ thống mà tích hợp những thành tựu về công nghệ truyền thông, công nghệ máy tính và công nghệ điện tử vào trong cơ sở hạ tầng giao thông, nhằm giải quyết các vấn đề giao thông như đáp ứng nhu cầu giao thông trong điều kiện gia tăng số lượng phương tiện giao thông gây ra tắc nghẽn giao thông, giảm ô nhiễm môi trường, làm tăng khả năng lưu thông của dòng phương tiện giao thông, tăng tính an toàn trong lưu 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 quan trắc xác định thông số dòng phương tiện giao thông có thể dùng những phương pháp khác nhau như: vòng từ (look detector), radar, sóng siêu âm, hồng ngoại và dùng 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 phụ thuộc điều kiện môi trường xung quanh Phương pháp quan trắc dòng phương tiện giao thông sử dụng camera có nhiều ưu điểm nhưng đưa ra được nhiều thông tin về dòng phương tiện giao thông, có giá thành rẻ hơn so với các phương pháp trên, nhược điểm của phương pháp này là phụ thuộc nhiều vào điều kiện ngoại cảnh (thời điểm trong ngày, cường độ ánh sáng và chế độ thời tiết, …)

Một cấu thành quan trọng trong hệ thống giao thông thông minh là hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông Việc điều khiển tín hiệu đèn giao thông một 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 Điều khiển

hệ thống đèn giao thông cơ bản có: điều khiển với chu kì tín hiệu lập trình sẵn; điều khiển động và điều khiển phối hợp [1]

Điều khiển lập trình sẵn là khi thời gian hoạt động của đèn giao thông được 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 hợp khi lưu lượng giao thông ít biến đổi Nhưng nhược điểm là chu kỳ cố định, mà lưu 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 giao thông khi mà chu kỳ bật tắt tín hiệu giao thông thay đổi theo những yếu tố như lưu 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 đạt được hệ thống điều khiển động tối ưu bởi vì những đặc tính ảnh hưởng như tính động, 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 được tiến hành rộng rãi Những nghiên cứu này áp dụng những kỹ thuật điều khiển thông 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 các thuật toán trên vào điều khiển đèn giao thông Trong điều khiển tín hiệu giao thông động thì kỹ thuật điều khiển mờ được áp dụng rộng rãi nhất Hàng loạt các công trình nghiên cứu về điều khiển mờ [3], [4], [5] Một phương pháp tiến hành chung: xây dựng hàm quan hệ để mờ hóa thông số đầu vào thông số dòng phương tiện giao thông, như số lượng xe đến trên mỗi làn đường, độ dài của dãy phương tiện giao thông, …; định dạng các luật điều khiển mờ Sau đó

từ những luật 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 điều khiển tín hiệu giao thông có nhiều ưu điểm Một trong các ưu điểm đó là sử dụng ít tài nguyên hệ thống máy tính, thuật toán đơn giản hơn so với các thuật toán điều khiển thông minh khác Ưu điểm nữa so với phương pháp điều khiển đèn đường thời gian cố định là giảm thời gian chờ của phương tiện giao thông, tăng khả năng lưu thông của phương tiện giao thông Một khó khăn trong sử dụng phương pháp điều khiển mờ là việc xây dựng các luật điều khiển mờ và điều này phụ thuộc vào nền tảng kiến thức tổng hợp về điều khiển và giao thông của người nghiên cứu, vì vậy điều này gây khó khăn lớn khi đạt được kết quả tối

ưu [6] Hơn thế điều khiển mờ áp dụng khó khăn khi trong hệ thống điều khiển nhiều điểm giao cắt

Trong nhiều nghiên cứu sử dụng mạng neural và thuật toán học để điều khiển 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 đặc thù các thành phố khác nhau, kết quả đưa lại khả quan Nhược điểm việc điều khiển 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 trắc dòng 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 để đếm xe từ video clip quay dòng xe Kết quả của họ hiện chỉ đếm xe cho trên một làn xe Các kiểm chứng về hiệu quả của việc sử dụng camera trong các thời điểm khác nhau về cường độ ánh sáng, mật độ dòng xe cao di chuyển với vận tốc thấp cũng 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 để đánh giá hệ thống giao thông thông minh, các hệ thống quang báo cảnh báo tình trạng kẹt xe Công ty TNHH Giải pháp Công nghệ FPT (FPT Technology Solutions – 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 thông tin giao thông do kênh VOV giao thông cung cấp lên hệ thống Bảng quang báo điện 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 giao thông, vận chuyển hàng hóa hay hành khách đều phải gắn các hệ thống giám sát hành 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 hai thành phố lớn là thành phố Hồ Chí Minh và Hà Nội Tình trạng kẹt xe gây ra rất nhiều thiệt hại về tài sản của nhà nước cũng như của nhân dân như tốn rất nhiều thời gian để di chuyển, lãng phí về xăng dầu và giảm tuổi thọ của các phương tiện tham gia giao thông, thiệt hại kinh tế xã hội…Ngoài ra, tình trạng kẹt xe cũng gây ra nhiều ức chế về mặt tâm lý cho tham gia giao thông, gây ô nhiễm môi trường, …

Rất nhiều giải pháp của Nhà nước, Bộ Giao thông vận tải, Sở Giao thông vận tải thành phố Hồ Chí Minh, và các đơn vị tư vấn được đề xuất nhằm giải quyết 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 giao thông, và gần đây là xây dựng các cầu vượt tại các giao lộ, chương trình VOV giao 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 các giải 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 nên tình 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 thị với tín hiệu đèn thay đổi theo mức độ ưu tiên của các hướng qua giao lộ Góp phần xây dựng một hệ thống đèn điều khiển giao thông linh hoạt, giúp cho các phương tiện di chuyển hợp lý hơn, giảm ùn tắc giao thông và hạn chế thời gian chờ 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 đô thị 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 đèn giao thông dựa trên độ ưu tiên các hướng qua giao lộ

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