Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát tín hiệu giao thông qua giao thức modbus đề tài nghiên cứu khoa học sinh viên

Mục tiêu đề tài: - Nghiên cứu giao thức truyền thông Modbus và ứng dụng trong điều khiển đèn tín hiệu giao thông sẽ giúp tối ưu luồng giao thông tại các giao lộ mà đèn điều khiển giao t

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

PHÂN HIỆU TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Sinh viên thực hiện:

Từ Khương Như Thoa Lớp: KTVT K57 Bộ môn: Điện-Điện tử

Nguyễn Huỳnh Diểm Ái Lớp: TĐH K58 Bộ môn: Điện-Điện tử

Trần Nhựt Minh Lớp: ĐĐT K56 Bộ môn: Điện-Điện tử

Người hướng dẫn: ThS Võ Thiện Lĩnh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

PHÂN HIỆU TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

Sinh viên thực hiện

Năm thứ 4/4.5

Ngành học: Kĩ thuật điện tử và tin học công nghiệp

Năm thứ 3/4.5

Ngành học: Kĩ thuật điện tử viễn thông

3.Nguyễn Huỳnh Diểm Ái Nữ Dân tộc: Kinh

Năm thứ 2/4.5

Ngành học: Kĩ thuật điều khiển tự động hóa

Năm thứ 4/4.5

Ngành học: Kĩ thuật điện tử và tin học công nghiệp

Người hướng dẫn: ThS Võ Thiện Lĩnh

MỤC LỤC

MỞ ĐẦU 7

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu: 7

2 Lý do chọn đề tài: 7

3 Mục tiêu: 8

4 Cách tiếp cận: 8

5 Phương pháp nghiên cứu: 9

6 Đối tượng, phạm vi nhiên cứu: 9

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 10

1.1 MODBUS LÀ GÌ? 10

1.2 NGUYÊN LÝ MODBUS-ASCII? 11

1.3 MODBUS RTU 15

1.4 MODBUS TCP/IP 15

1.5 SO SÁNH CÁC GIAO THỨC MODBUS 16

1.6 ỨNG DỤNG CỦA MODBUS 17

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN NÚT GIAO THÔNG 19

2.1 THIẾT KẾ TÍN HIỆU ĐÈN ĐIỀU KHIỂN NÚT GIAO THÔNG 19

2.2 Tín hiệu hóa nút giao thông 28

CHƯƠNG III: TRIỂN KHAI MODBUS ASCII ĐỂ ĐIỀU KHIỂN ĐÈN TÍNH HIỆU 41

3.1 MODBUS ASCII 41

3.2 Ứng dụng của Modbus ASCII 49

CHƯƠNG IV: TẠO GIAO DIỆN ĐIỀU KHIỂN (DESIGN GUIDE CONTROL) BẰNG HTML 51

4.1 Ngôn ngữ HTML 51

4.2 Sử dụng CANVAS tạo giao diện người dùng 51

CHƯƠNG V: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 54

5.1 KẾT LUẬN: 54

5.2 KIẾN NGHỊ 56

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Khung truyền MODBUS 11

Bảng 1.2 Khung kí tự 12

Bảng 1.3 Các giá trị tối đa 13

Bảng 1.4 Các mã chức năng MODBUS 14

Bảng 1.5 Cấu trúc truy vấn chức năng 01 14

Bảng 1.6 Các tính chất của Modbus ASCII và Modbus RTU 16

Bảng 2.1 Các phương án rẽ trái ở nút có tín hiệu 37

Bảng 2.2 Lượng xe đi thẳng tương đương cho xe rẽ trái 39

Bảng 2.3 Lượng xe đi thẳng tương đương cho xe rẽ phải 39

Bảng 3.1 Bảng ký tự ASCII chuẩn: 42

Bảng 3.2 Bảng ký tự ASCII in được 44

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Cấu trúc thông điệp MODBUS RTU 15

Hình 2.1 Minh họa một số ký hiệu sử dụng trong đặt pha tín hiệu 20

Hình 2.2 Minh họa tín hiệu 2 pha 21

Hình 2.3 Minh họa pha dành riêng cho rẽ trái 23

Hình 2.4 Minh họa kéo dài và cắt pha 24

Hình 2.3 Mô hình điều khiển tích cực 8 pha 24

Hình 2.5 Kế hoạch điều khiển tích cực 8 pha 24

Hình 2.7: Minh họa pha dành riêng cho người đi bộ 26

Hình 2.8 Các phương án đặt pha ở nút chữ T 27

Hình 4 Minh họa quãng đường đi bộ 32

Hình 2.11 Quan hệ giữa thời gian đặt cho xe và cho người đi bộ 34

Hình 2.12: Ví dụ về yêu cầu của người đi bộ 35

Hình 2.13 Thiết kế nút quai bình 37

Hình 2.14 Minh họa nút dòng liên tục 37

Hình 3.1 Khung bản tin MODBUS ASCII 47

Hình 5 Tình duyệt hỗ trợ CANVAS 51

Hình 4.2 AJAX hoạt động 53

Hình 5.1 Giao diện WEB 54

Hình 5.2 Nguyên lí tượng trưng 1master 1 slave 55

Hình 5.3 PCB layout 55

Hình 5.4 Mô hình thật 56

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

PHÂN HIỆU TẠI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU CỦA ĐỀ TÀI

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát tín hiệu giao thông qua giao thức Modbus

- Sinh viên thực hiện:

Hồ Văn Tân ĐĐT K56 Điện-Điện tử Năm 4/4.5

Từ Khương Như Thoa KTVT K57 Điện-Điện tử Năm 3/4.5

Nguyễn Huỳnh Diểm Ái TĐH K58 Điện-Điện tử Năm 2/4.5

Trần Nhựt Minh ĐĐT K56 Điện-Điện tử Năm 4/4.5

- Người hướng dẫn: ThS Võ Thiện Lĩnh

2 Mục tiêu đề tài:

- Nghiên cứu giao thức truyền thông Modbus và ứng dụng trong điều khiển đèn tín hiệu giao thông sẽ giúp tối ưu luồng giao thông tại các giao lộ mà đèn điều khiển giao thông với thời gian cố định không thể đạt được

- Thực thi hệ thống trên chíp vi xử lý

- Thiết kế và thi công mô hình đèn tín hiệu giao thông

- Thiết kế giao diện web điều khiển và giám sát đèn tín hiệu giao thông

3 Tính mới và sáng tạo:

- Triển khai hệ thống Modbus trên chip arduino

- Kết hợp giao diện điều khiển để điều khiển và giám sát đèn tính hiệu giao thông

4 Kết quả nghiên cứu:

- Xây dựng phần mềm

- Xây dựng giao diện web điều khiển đèn tín hiệu giao thông

- Xây dựng mô hình đèn tính hiệu giao thông

- Hoàn thành bản báo cáo đề tài

5 Đóng góp về mặt kinh tế - xã hội, giáo dục và đào tạo, an ninh, quốc phòng và khả năng áp dụng của đề tài:

- Nghiên cứu triển khai hệ thống Modbus trong điều khiển đèn tính hiệu có ưu điểm hơn phương pháp điều khiển hiện nay

- Kết quả nghiên cứu là nguồn tài liệu tham khảo cho những đề tài sao này

6 Công bố khoa học của sinh viên từ kết quả nghiên cứu của đề tài (ghi rõ họ tên

tác giả, nhan đề và các yếu tố về xuất bản nếu có) hoặc nhận xét, đánh giá của cơ sở đã

áp dụng các kết quả nghiên cứu (nếu có):

Ngày tháng năm

Sinh viên chịu trách nhiệm chính

thực hiện đề tài

(ký, họ và tên)

Nhận xét của người hướng dẫn về những đóng góp khoa học của sinh viên thực

hiện đề tài (phần này do người hướng dẫn ghi):

Nhóm sinh viên rất tích cực tìm hiểu, nghiên cứu đề tài, có nhiều đóng góp trong nghiên cứu khoa học

Ngày tháng năm

Người hướng dẫn

(ký, họ và tên)

Lời mở đầu

Networked control systems (NCS) là những cấu trúc đầy hứa hẹn cho điều khiển

tự động hiện đại Những cấu trúc này giúp làm đơn giản hóa hệ thống dây bus, dễ dàng bảo trì và debug Tuy nhiên, việc giới thiệu mạng lưới này cũng gây ra những vấn đề mới, như là tốc độ mạng, mất mát các thành phần dữ liệu trong quá trình truyền nhận, v.v Với sự đô thị hóa ngày càng gia tăng, nhiều thành phố ở khắp thế giới đã phải đối mặt với sự gia tăng nhanh chóng của số lượng phương tiện giao thông dẫn đến tình trạng nghẽn giao thông xảy ra thương xuyên và hết sức nghiêm trọng Do đó những khu vực này có nhu cầu cao về việc mở rộng hệ thống giao thông đường bộ với hiệu quả tối

đa, và chi phí tối thiểu Yếu tố chính ảnh hưởng đến lưu lượng giao thông là sự thông suốt tại các nút giao thông đường bộ Vì vậy cần có một hệ thống quản lý giao thông tốt, hiện đại để tối giảm tải lưu lượng giao thông, đặc biệt trong giờ cao điểm Để giải quyến vấn đề trên, một hệ thống điều khiển giao thông thiết lập dựa trên công nghệ máy chủ mới được nghiên cứu và phát triển Nó cho phép giám sát và điều khiển giao thông tại nhiều giao lộ cùng một lúc Theo cách này hệ thống điều khiển giao thông được cải tiến

và đạt được kế hoạch hoạt động và giám sát tốt hơn

Xu hướng ngày nay là các thành phần hệ thống tiên tiến trao đổi thông tin lẫn nhau thông qua Ethernet Có nghĩa là hệ điều hành sẽ nhận các thông tin được cập nhật với thời gian thực (real-time*) thông qua ứng dụng web bao gồm một máy chủ và các máy khách thực hiện đa chức năng Hệ thống thực hiện truyền thông với các chuẩn được

sử dụng phổ biến: Profilebus, Modbus-RTU, Modbus-ASCII, Modbus-TCP_IP

*Real-time: ở đây hiểu là sự đáp ứng kịp thời của hệ thống với các thay đổi từ các kích thích bên ngoài

MỞ ĐẦU

1 Tổng quan tình hình nghiên cứu:

- Tình hình nghiên cứu ngoài nước: Truyền thông qua giao thức Modbus không còn là đề tài mới mẻ hiện nay, những ứng dụng của giao thức Modbus trong công nghiệp

là rất nhiều Bên cạnh đó, với việc phát triển của ngành giao thông thông minh ở nhiều nước trên thế giới thì gần đây giao thức này dần được sử dụng trong lĩnh vực điều khiển đèn tín hiệu giao thông thông qua việc truyền thông giữa các PLC Master-Slave để điều khiển chu kỳ đèn và thời gian đếm lùi tại các giao lộ [3] Ngoài ra còn có một số công

ty trong lĩnh vực chiếu sáng công nghiệp cung cấp mô-đun điều khiển MODBUS để

cho phép kết nối điều khiển từ xa [6]

- Tình hình nghiên cứu trong nước: Hiện nay đã có một số công ty thiết kế đèn tín hiệu giao thông đang triển khai các điều khiển giám sát thông qua giao thức Modbus Một số nghiên cứu Ðiều khiển hệ thống đèn tín hiệu giao thông thông minh ngày càng đuợc quan tâm nhằm nâng cao khả năng thông hành và đảm bảo an toàn giao thông [9] Các nghiên cứu này cũng chủ yếu thực hiện điều khiển giám sát thông qua PLC, chưa

thấy triển khai trên Arduino

2 Lý do chọn đề tài:

Khi đối diện với đèn đỏ lái xe thường cảm thấy thời gian dài vô tận và tự đặt câu hỏi, tại sao lại có những cái đèn này? Theo lí thuyết việc lắp đặt đèn giao thông là để điều phối các luồng phương tiện tại các nút giao thông nhằm ngăn ngừa tai nạn hoặc sự hỗn loạn của các dòng giao thông qua nút Chúng cũng được sử dụng để điều tiết lưu lượng giao thông trên các tuyến kết nối với các nút

Để hiểu làm thế nào sử dụng đèn giao thông có thể hỗ trợ quản lý tắc nghẽn thì điều quan trọng trước hết là phải hiểu làm thế nào tắc nghẽn lại xảy ra trên các tuyến đường của chúng ta Ùn tắc có thể là kết quả của việc vượt quá năng lực phục vụ của con đường, cũng có thể là do kết quả của tăng đột biến các phương tiện hoặc năng lực thông qua của con đường bị giảm do xảy ra sự cố nào đó Dù nguyên nhân gì đi nữa, một khi luồng phương tiện đã đạt tới mức bão hòa, tắc nghẽn sẽ nhanh chóng phát triển Ngoài ra, trên một tuyến đường đã bão hòa, khi một lái xe phanh bất ngờ có thể tạo ra làn sóng phanh của các xe phía sau tạo nên sự chậm trễ kéo dài Theo đó, một tích tụ sự chậm trễ kéo dài như vậy sẽ gây ra sự ứ trệ giao thông Đấy là những gì hiện đang xảy

ra tại Lagos; các thế hệ hiện tại của đèn giao thông được lắp đặt ở đây không thể đáp ứng được với nhu cầu giao thông ngày càng tăng Tuy nhiên, sự giúp đỡ của hệ thống điều khiển đèn giao thông thông minh đã tạo thành một phần của một phương pháp tiếp cận tích hợp để quản lý giao thông ở nhiều nước phát triển

Với hệ thống thông minh điều khiển giao thông, đèn giao thông được cung cấp thông tin về lưu lượng giao thông của khu vực lân cận và có thể thay đổi thời gian cho phù hợp để đảm bảo rằng các tuyến đường tắc nghẽn nhất sẽ được ưu tiên Việc sử dụng các thông tin hiện hành về lưu lượng giao thông vào điều khiển đèn giao thông tại các giao lộ tạo một lợi thế rõ ràng so với điều khiển theo chu kỳ thời gian cố định khi đó thời gian sáng của đèn xanh đèn đỏ thùy thuộc vào luồng phương tiện trên các hướng

đi riêng biệt Điều này đảm bảo rằng khi có sự tăng đột biến trong một hướng di chuyển nào đó thì hệ thống thông minh sẽ phân tán luồng giao thông đó trước khi tuyến đường trở nên bão hòa Tính năng mới này của hệ thống đèn giao thông thông minh giúp ngăn ngừa việc xuất hiện tắc nghẽn

Những đèn giao thông ở gần nhau cũng có thể được chia sẻ thông tin về luồng giao thông do vậy mà tạo hiệu quả cân bằng trong việc điều chỉnh lưu lượng giao thông trên một khu vực rộng lớn hơn của mạng lưới đường bộ Một ví dụ như hệ thống kiểm soát giao thông thông minh dựa trên kỹ thuật Tối ưu hóa bù đắp phân tách chu trình (SCOOT) được phát triển bởi TRL, và hiện nay được TRL và Peek Systems và Siemens Traffic Solution đồng sở hữu Ứng dụng SCOOT đã được cải tiến dần và thêm tính năng như ưu tiên luồng xe buýt; đèn giao thông có thời gian thích ứng phù hợp để đảm bảo rằng các tuến đường có xe buýt trong tầm nhìn được ưu tiên Ngoài ra còn có các ứng dụng phần mềm điều khiển giao thông thông minh chuyên biệt khác chuyên ngành khác được phát triển để làm việc với đèn giao thông truyền thống làm cho các đèn giao thông truyền thống trở nên thông minh hơn

3 Mục tiêu:

Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát đèn tín hiệu thông qua giao thức Modbus

áp dụng chuẩn Modbus ASCII trên hạ tầng TTL

4 Cách tiếp cận:

- Nghiên cứu thực nghiệm:

➢ Có 2 loại:

• Nghiên cứu hiện tượng thực tế (thông qua khảo sát thực tế)

• Nghiên cứu hiện tượng trong điều kiện có kiểm soát (thông qua thí nghiệm)

- Nghiên cứu lý thuyết:

➢ Có 2 loại:

• Nghiên cứu lý thuyết thuần túy: nghiên cứu để bác bỏ, ủng hộ, hay làm rõ một quan điểm/lập luận lý thuyết nào đó

• Nghiên cứu lý thuyết ứng dụng: lý thuyết là cơ sở cho hành động Giúp tìm hiểu các lý thuyết được áp dụng như thế nào trong thực tế, các lý thuyết có ích như thế nào

5 Phương pháp nghiên cứu:

- Thu thập tài liệu, tham khảo, xây dựng phần mềm

- Xây dựng phần cứng và triển khai ứng dụng lên phần cứng

- Thực nghiệm và hiệu chỉnh phần mềm

 Đánh giá kết quả đạt được, rút kinh nghiệm, nhìn nhận ưu nhược điểm, tìm ra hướng phát triển ứng vào thực tiễn

6 Đối tượng, phạm vi nhiên cứu:

- Đối tượng nghiên cứu: Đèn giao thông và Thiết kế hệ thống điều khiển giám sát đèn tín hiệu thông qua giao thức Modbus

- Phạm vi nghiên cứu:

• Chuẩn truyền thông công nghiệp Modbus-ASCII

• Thiết kế giao diện người dung với bộ ngôn ngữ WEB HTML

• Xây dựng phần cứng trên dòng vi điều khiển AVR, kit Arduino…

• Đường truyền vật lý RS-485

• Xây dựng mô hình bao gồm một máy chủ và hai máy khách điều khiển hai pha đèn giao thông tại một ngã tư

CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 MODBUS LÀ GÌ?

Năm 1979 , Modbus được phát triển bởi Modicon (nay thuộc về Schneider) để đồng bộ với bộ điều khiển PLC tại thời điểm lúc đó

Modbus được coi là giao thức truyền thông hoạt động ở tầng “Application” trong OSI, cung cấp khả năng truyền thông Master/Slave giữa các thiết bị được kết nối thông qua các bus hoặc network Trên mô hình OSI, Modbus được đặt ở lớp 7 Modbus được xác định là một giao thức hoạt động theo “hỏi/đáp” và sử dụng các “function codes” tương ứng để hỏi đáp Các thiết bị trên mạng Modbus không thể tạo ra kết nối; chúng chỉ có thể phản ứng Nói cách khác, chúng “lên tiếng” chỉ khi được “nói tới”

➢ Master Modbbus là các thiết bị có khả năng đọc được dữ liệu từ các thiết bị Slave

Các Master chính là PLC ,PC ,DCS …Khi cần một thông tin Master gửi một thông điệp xuống tất cả các slave nhưng chỉ có một slave thực thi lệnh

➢ Slave là các thiết bị đo lường hoặc các thiết bị chấp hành như: cảm biến nhiệt

độ, cảm biến áp suất, van điều khiển , thiết bị đo công suất điện năng Khi được Master gọi Slave nào thì Slave đó truyền thông tin tới Master

MODBUS là một protocol phổ biến bậc nhất được sử dụng hiện nay cho nhiều mục đích MODBUS đơn giản, rẻ, phổ biến và dễ sử dụng Ba phiên bản MODBUS phổ biến nhất được sử dụng ngày nay là:

❖ Với MODBUS ASCII, mọi thông điệp được mã hóa bằng hexa-decimal, sử dụng

đặc tính ASCII 4 bit Đối với mỗi một byte thông tin, cần có 2 byte truyền thông, gấp đôi so với MODBUS RTU hay MODBUS/TCP Tuy nhiên, MODBUS ASCII chậm nhất trong số 3 loại protocol, nhưng lại thích hợp với modem điện thoại hay kết nối sử dụng sóng radio do ASCII sử dụng các tính năng phân định thông điệp Do tính năng phân định này, mọi rắc rối trong phương tiện truyền dẫn sẽ không làm thiết bị nhận dịch sai thông tin Thuận lợi chính của Modbus ASCII là khoảng cách thời gian tối đa cho

phép giữa hai ký tự trong một thông báo là một giây, do đó trong đề tài này này chỉ tập trung đề cập đến cơ sở và ứng dụng của nó

❖ Đối với MODBUS RTU, dữ liệu được mã hóa theo hệ nhị phân, và chỉ cần một

byte

truyền thông cho một byte dữ liệu Đây là thiết bị lí tưởng đối với RS232 hay mạng RS485 đa điểm Tốc độ phổ biến nhất là 9600 đến 19200 baud MODBUS RTU là protocol công nghiệp được sử dụng rộng rãi nhất

❖ MODBUS IP/TCP đơn giản là MODBUS qua Ethernet do đó các thiết bị kết nối với

nhau dựa trên các địa chỉ IP Với MODBUS/TCP, dữ liệu MODBUS được tóm lược đơn giản trong một gói TCP/IP Vì vậy, bất cứ mạng Ethernet hỗ trợ MODBUS/ IP sẽ ngay lập tức hỗ trợ MODBUS/TCP Phiên bản MODBUS này sẽ được đề cập trong phần hướng phát triển của đề tài “MODBUS qua Ethernet”

Trong khi điều khiển hiện đại tiếp tục theo đuổi khái niệm tiên tiến như fieldbus và mạng mắt lưới, tính đơn giản của MODBUS và thuận tiện ứng dụng thông qua nhiều phương tiện truyền thông vẫn đảm bảo nó là một protocol công nghiệp được sử dụng rộng rãi nhất trên thế giới

1.2 NGUYÊN LÝ MODBUS-ASCII?

Trong chế độ ASCII, một thông báo bắt đầu với dấu hai chấm (:), tức ký tự ASCII 3A, và kết thúc bằng hai dấu quay lại-xuống dòng (CRLF), tức hai ký tự ASCII 0D và 0A Mỗi byte trong thông báo được truyền đi bằng hai ký tự ASCII, vì vậy các ký tự được phép xuất hiện trong các phần còn lại của khung là 0-9 và A-F

Bảng 1.1 Khung truyền MODBUS

- Địa chỉ: chỉ định thiết bị tớ nhận thông báo yêu cầu

- Mã hàm: chỉ định hành động mà thiết bị tớ cần thực hiện

- Dữ liệu n <= 2*252 ký tự

- Dữ liệu:

• Master: nội dung phần dữ liệu nói lên chi tiết hành động mà bên nhận cần thực hiện

• Slaver: phần dữ liệu trong thông báo đáp ứng sẽ chứa kết quả của hành động đã thực hiện

- Kiểm soát LRC (Longitudinal Redundancy Check) Mã LRC ở đây dài 8 bit (truyền

hai ký tự ASCII), được tính bằng cách cộng đại số toàn bộ các byte của dãy bit nguồn (không để ý tới tràn), sau đó lấy phần bù 2 của kết quả

- Truyền một Byte đi bằng giao thức UART với chế độ truyền 7 bit /(1 char )

- Sử dụng 4 bit = 1 số Hex để mã hóa thông điệp Mỗi byte thông điệp 8 bit được chuyển sang 2 số Hex, mỗi số Hex này cần chuyển sang mã ASCII 7 bit tương ứng trước khi truyền đi đến 2 byte để truyền thông Nói cách khác mỗi byte 8 bit của thông tin cần truyền sẽ tách ra chuyển thành hai số hexa, mỗi số hexa sau đó tuỳ theo mã ASCII mà chuyển thành một chuỗi 7 bit, cuối cùng chuỗi bit này sẽ ñuợc chuyển đi Ví

dụ địa chỉ thanh ghi là 0001 0100 (20 thập phân) sẽ chuyển thành 14H rồi truyền đi, tức

là truyền đi chuỗi nhị phân là mã ASCII của 1&4 (49&52): 0110001 1000101

- Cấu trúc một ký tự khung gửi đi được thể hiện như sau:

Bảng 1.2 Khung kí tự

Mỗi ký tự khung bao gồm:

• 1 bit khởi đầu (Startbit)

• 7 bit biểu diễn một chữ số hex của byte cần gửi dưới dạng ký tự ASCII (0-9 và A-F), trong đó bit thấp nhất được gửi đi trước

• 1 bit parity chẵn/lẻ, nếu sử dụng parity

• 1 bit kết thúc (Stopbit) nếu sử dụng parity hoặc 2 bit kết thúc nếu không sử dụng parity

Mỗi thiết bị tham gia mạng có trách nhiệm liên tục theo dõi đuờng truyền và phát hiện sự xuất hiện của dấu hai chấm Khi dấu hai chấm nhận được thì hai ký tự tiếp theo

sẽ mang địa chỉ của thiết bị được yêu cầu nhận thông báo hoặc thiết bị đã gửi thông báo đáp ứng Khoảng cách thời gian tối da cho phép giữa hai ký tự trong một thông báo là một giây Nếu vuợt quá giá trị này, bên nhận sẽ coi là lỗi

1.2.1 Địa chỉ khung:

Thông tin đầu tiên trong mỗi Modbus Meseage là địa chỉ của receiver

Paramenter này chứa một byte thông tin Trong modbus/ASCII nó được mã thành hai

ký tự hexadecimal, trong Modbus/RTU một byte được dùng Các địa chỉ hợp lệ trong

dãy 0…247 được án cho các thiết bị Modbus cụ thể và 0 dược dùng như địa chỉ

broadcast Các Message được gửi sai sẽ đượ cnhận bởi tất cả các slave Một slave luôn đáp ứng với một Modbus message Khi đáo ứng đo sdùng cùng địa chỉ như master tròn request đó Theo cach này master có thể thấy được device thực sự đáp ứng của request

Bên trong một Modbus device, các holding register, các input và các output được

gán một số giữa 1 và 10000 Một sẽ mong đợi, rằng cùng địa chỉ được dùng trong các

Modbus message để đọc hay đặt các giá trọ Nhưng đây không phải trường jpợ này

Trong các Modbus message các địa chỉ được dùng với giá trị 0 và 9999 Ví dụ, nếu muốn đọc giá trị của output (coil) 18, bạn phải chỉ định giá trị 17 trong Modbus query

message Phức tạp hơn là cho inpit và các holding register một offset phải được trừ từ địa chỉ thihcs hợp để dặ vào Modbus message structure Điều này dẫn đến các lỗi phổ biến và nên được quan tâm khi thiết kế ứng dụng với Modbus Bảng sau trình bày các dãy địa chỉ cho các coil, các input và các holding register và các địa chỉ trong Modbus message được tính cho trước địa chỉ của item trong slave device

Device and Modbus address ranges

Bảng 1.3 Các giá trị tối đa

40001…50000* address – 40001 Holding register

*Các giá trị cực đại phụ thuộc vào thiết bị

1.2.2 Mã hàm

Tham số thứ hai trong mỗi Modbus Message là mã chức năng Mã chức năng có địa nghĩa theo kiểu message và kiểu hành động được hành động bởi slave Tham số này

chứa một byte thông tin Trong Modbus/ASCII mã này được dùng với ký tự

hexadecimal, trong Modbus/RTU dùng byte Các mã chức năng hợp lệ khoảng 1…255

Không phải tất cả Modbus device nhận biết cùng tập mã chức năng Các mã chung nhất được thảo luận ở đây

Thông thường, khi một Modbus slave đáp ứng, nó dung cùng mã chức ăng trong request Tuy nhiên, khi một lỗi được nhận biết, bit cao nhát của mã chức năng được bật lên Theo các đó mastẻ có thể thấy sự khác biệt giữa đáp ứng thành công và thất bại

Chức năng 1: đọc trạng thái coil

Trong ngôn ngữ Modbus, một coil có giá trị output rời rạc Chức năng Modbus 01 có

thể được dùng để đọc trạng thái của một output Chỉ có thể truy ấn một device ở một thời điểm Địa chỉ Broadcast đưuọc hỗ trợ chức năng Modbus này Chức năng này có thể được dùng để request trạng thái của các coil khác nhau cùng một lúc Điều này được

làm vởi định nghĩa một dãy output trong trường data của message

Bảng 1.5 Cấu trúc truy vấn chức năng 01

1.3 MODBUS RTU

Giao thức Modbus RTU sử dụng đường truyền vật lý RS-232 hoặc RS485 và mô hình dạng Master-Slave Một bản tin Modbus RTU bao gồm: 1 byte địa chỉ – 1 byte

mã hàm – n byte dữ liệu – 2 byte CRC như hình ở dưới:

Hình 1.1 Cấu trúc thông điệp MODBUS RTU

Chức năng và vai trò cụ thể như sau:

• Byte địa chỉ: xác định thiết bị mang địa chỉ được nhận dữ liệu (đối với Slave)

hoặc dữ liệu nhận được từ địa chỉ nào (đối với Master) Địa chỉ này được quy định từ 0 – 254

• Byte mã hàm: được quy định từ Master, xác định yêu cầu dữ liệu từ thiết bị

Slave Ví dụ mã 01: đọc dữ liệu lưu trữ dạng Bit, 03: đọc dữ liệu tức thời dạng Byte, 05: ghi dữ liệu 1 bit vào Slave, 15: ghi dữ liệu nhiều bit vào Slave …

• Byte dữ liệu: xác định dữ liệu trao đổi giữa Master và Slave

o Đọc dữ liệu:

▪ Master: 2 byte địa chỉ dữ liệu – 2 byte độ dài dữ liệu

▪ Slave: 2 byte địa chỉ dữ liệu – 2 byte độ dài dữ liệu – n byte dữ liệu đọc được

o Ghi dữ liệu:

▪ Master: 2 byte địa chỉ dữ liệu – 2 byte độ dài dữ liệu – n byte dữ iệu cần ghi

▪ Slave: 2 byte địa chỉ dữ liệu – 2 byte độ dài dữ liệu

• Byte CRC: 2 byte kiểm tra lỗi của hàm truyền cách tính giá trị của Byte CRC

16 Bit

1.4 MODBUS TCP/IP

Để kiểm soát các thiết bị Modbus thông qua Ethernet, 1 phiên bản Ethernet của Modbus, Modbus/TCP được phát triển bởi tổ chức Modbus Modbus/TCP tóm gọn giao thức Modbus trong 1 IP frame của TCP/IP Điều này làm cho các thiết bị MODBUS kết nối, truyền thông nhanh chóng và dễ dàng qua Ethernet và mạng quang học MODBUS/TCP cũng chấp nhận nhiều địa chỉ hơn RS485, thiết bị sử dụng nhiều chủ, tốc độ hàng gigabit Trong khi đó, MODBUS/TCP có một giới hạn 247 nốt trong mỗi mạng, mạng MODBUS/TCP có nhiều tớ như lớp vật lí có thể sử dụng Thông thường, con số này khoảng 1024 Sự tiếp nhận nhanh chóng của Ethernet trong ngành điều khiển và tự động hóa quá trình làm cho MODBUS/TCP trở nên được sử dụng rộng rãi nhất, tăng trưởng nhanh nhất, và được hỗ trợ protocol công nghiệp thông qua Ethernet

Sự khác nhau giữa Modbus RTU và Modbus ASCII:

Đây là hai chế độ truyền dữ liệu cơ bản trong giao thức Modbus khi sử dụng đường truyền nối tiếp là: ASCII và RTU Mỗi một chuẩn sẽ có một cách mã hóa tin nhắn khác nhau, cho dù đều alf chuẩn Modbus chung Ví dụ, Modbus ASCII cho phép người đọc

có thể đọc trực tiếp tin nhắn trong bản tin Nhưng với Modbus RTU, thì nội dung data

đã được mã hóa nhị phân và không thể đọc được trong quá trình giám sát Một điểm đặc biệt trong giao thức Modbus là trong một đường truyền dẫn Modbus, tất cả các giao thức phải là giống nhau, có nghĩa là Modbus ASCII không thể giao tiếp với modbus RTU và ngược lại

Bảng 1.6 Các tính chất của Modbus ASCII và Modbus RTU

Error check LRC Longitudinal Redundancy

Check

CRC Cyclic Redundancy

Check

Stop bits 1 2 1 2

Sự khác nhau giữa Modbus RTU và Modbus TCP

Sự khác nhau cơ bản giữa MODBUS RTU và MODBUS TCP (còn được gọi là modbus

IP, Modbus Ethernet hay Modbus TCP/IP) là Modbus TCP chạy ở cổng vật lý Ethernet

và Modbus RTU thì chạy ở cổng vật lý serial nối tiếp (RS232 hoặc RS485)

Ứng dụng chính của Modbus là trong các ứng dụng để giao tiếp giữa các thiết bị thông minh và cảm biến và dụng cụ để giám sát các thiết bị hiện trường bằng cách sử dụng máy tính để bàn và giao diện Người-Máy Modbus là một giao thức hoàn hảo cho các ứng dụng liên quan đến RTU trong đó yêu cầu giao tiếp không dây Đó là lý do tại sao

nó được sử dụng trong các tiện ích trạm biến áp khí và dầu vô tận Modbus là một giao thức công nghiệp, hơn nữa, các tòa nhà, cơ sở hạ tầng, giao thông và ứng dụng năng lượng cũng có thể sử dụng các lợi ích của Modbus Yếu tố phổ biến là cấu trúc nhắn tin

mà tất cả các thiết bị hỗ trợ

- Chăm sóc sức khỏe: Để theo dõi nhiệt độ tự động

Modbus có thể được sử dụng bởi bộ phận CNTT của bệnh viện để theo dõi nhiệt độ trong giao diện đơn Dữ liệu từ các tầng khác nhau có thể được lấy trực tiếp thông qua các thiết bị RS485 Modbus ADC

- Giao thông vận tải: Phát hiện hành vi giao thông

Hành vi bất thường của lưu lượng truy cập có thể được phát hiện bằng cách tham chiếu chéo với các mẫu lưu lượng thông thường thu được thông qua các giao dịch Modbus TCP

- Tự động hóa tại nhà: Dễ dàng chuyển dữ liệu

Để truyền dữ liệu từ các cảm biến khác nhau được sử dụng trong các thiết bị tự động hóa gia đình có thể được thực hiện thông qua giao thức Modbus Vì dữ liệu có thể được truyền qua một lớp nên sẽ dễ dàng hơn nhiều khi chúng ta so sánh các giao thức khác

- Các ngành công nghiệp khác:

Một ứng dụng chính khác của Modbus là trong khi kết nối các thiết bị công nghiệp cần giao tiếp với các thiết bị tự động hóa khác Các ngành công nghiệp chính khác bao gồm Gas và dầu, các nguồn năng lượng tái tạo như Gió, Mặt trời, Địa nhiệt và Hydel, v.v

❖ Ưu điểm: MODBUS là một protocol phổ biến bậc nhất được sử dụng hiện nay

cho nhiều mục đích MODBUS đơn giản, rẻ, phổ biến và dễ sử dụng Được phát minh

từ thế kỉ trước (gần 30 năm trước), các nhà cung cấp thiết bị đo và thiết bị tự động hóa

trong công nghiệp tiếp tục hỗ trợ MODBUS trong các sản phẩm thế hệ mới Mặc dù các bộ phân tích, lưu lượng kế, hay PLC đời mới có giao diện kết nối không dây, Ethernet hay fieldbus, MODBUS vẫn là protocol mà các nhà cung cấp lựa chọn cho các thiết bị thế hệ cũ và mới

Một ưu điểm khác của MODBUS là nó có thể chạy hầu như trên tất cả các phương tiện truyền thông, trong đó có cổng kết nối dây xoắn, không dây, sợi quang, Ethernet, modem điện thoại, điện thoại di động và vi sóng Có nghĩa là, kết nối MODBUS có thể được thiết lập trong nhà máy thế hệ mới hay hiện tại khá dễ dàng Thực ra, nâng cao ứng dụng cho MODBUS là cung cấp truyền thông số trong nhà máy đời cũ, sử dụng kết nối dây xoắn hiện nay

❖ Nhược điểm: Modbus protocol có tốc độ và khoảng cách truyền nhận phụ thuộc

lớn vào đường truyền vật lý, RS232 cho tốc độ truyền cao nhất, trong khi đó RS485 lại cho độ ổn định cao và sai số do nhiễu và suy hao thấp hơn cả

 Kết luận chương 1: Khi người sử dụng các hệ thống điều khiển thế hệ cũ hiện

nay phát hiện ra nhu cầu mở rộng công cụ hiện trường hay bổ sung điều khiển từ xa, họ thường tìm đến MODBUS như là một giải pháp đơn giản cho các vấn đề phức tạp Hơn thế, khi có yêu cầu kết nối một thiết bị ngoại lai vào một hệ thống điều khiển, sử dụng giao diện MODBUS của thiết bị là phương pháp dễ dàng nhất Mặc dù MODBUS là một trong những phương pháp truyền thông cổ nhất, nó vẫn là một phương pháp phổ biến nhất với nhiều lí do chính đáng nhất Sử dụng MODBUS dễ dàng, tin cậy, không đắt đỏ, và kết nối với tất cả các thiết bị cảm ứng và điều khiển trong ngành điều khiển

CHƯƠNG II: THIẾT KẾ TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN NÚT GIAO THÔNG 2.1 THIẾT KẾ TÍN HIỆU ĐÈN ĐIỀU KHIỂN NÚT GIAO THÔNG

Quá trình thiết kế tín hiệu đèn tại nút giao thông bao gồm các nội dung sau:

1 Lập kế hoạch pha

2 Đặt thời gian vàng và đỏ tất cả cho mỗi pha

3 Tính toán độ dài chu kỳ

4 Phân bố thời gian xanh hiệu quả ho các pha khác nhau

5 Kiểm tra yêu cầu cho người đi bộ sang đường

Một số vấn đề cơ sở cho tính toán các bước trên đã được trình bày trong các phần trước, phần này chúng ta sẽ lần lượt xem xét một cách có hệ thống các thủ tục đã nêu

2.1.1 Lập kế hoạch pha

Một trong các vấn đề quan trọng nhất của thiết kế tín hiệu đèn là lập kế hoạch pha sao cho thích hợp với tình hình cụ thể đặt ra Khác với các vấn đề tính toán thời gian chu kỳ đèn và phân bổ thời gian xanh, nơi có thể giải quyết bằng các công thức giải tich, trong lập kế hoạch pha không có cách tiếp cận đơn giản như vậy Hơn nữa bất

kỳ cách tính toán chu kỳ đèn hay phân bổ thời gian xanh nào cũng đòi hỏi phải xác định được kế hoạch pha trước Như vậy, có thể nói việc lập kế hoạch pha đòi hỏi kiến thức chuyên môn nhiều hơn so với việc tính toán các tham số thời gian tín hiệu khác

Điều quyết định trong bất cứ quá trình lập kế hoạch pha nào là phải xác định được dòng rẽ trái nào cần bảo vệ và nó sẽ được bảo vệ như thế nào Tất nhiên cũng còn nhiều yếu tố khác có liên quan nhưng yếu tố bảo vệ rẽ trái là cần quan tâm nhất

Kế hoạch pha thông dụng nhất là không có rẽ trái nào được bảo vệ Điển hình là kế hoạch hai pha tín hiệu, trong đó tất cả các rẽ trái đều gây ra xung đột với chuyển động ngược chiều Việc bảo vệ rẽ trái có thể được thực hiện thông qua sử dụng phương án

a Các pha và làn rẽ trái được bảo vệ,

b Đặt pha tín hiệu trộn gồm cho phép + bảo vệ hay bảo vệ + cho phép, hoặc/và

• Việc đặt pha có thể được sử dụng để giảm thiểu các nguy cơ tai nạn trên cơ sở tách các dòng chuyển động xung đột Nhưng sự tăng số lượng pha cũng đồng thời dẫn đến giảm hiệu quả hoạt động lưu thông qua nút, tăng thời gian trễ Vì vậy cần xem xét thận trọng và thỏa hiệp giữa các yêu cầu trên

• Kế hoạch pha phải phù hợp với kích thước hình học nút, với bố trí các làn xe, lưu lượng và tốc độ xe cũng như yêu cầu với người đi bộ qua đường

Chẳng hạn sẽ là không thực tế nếu có pha dành riêng cho rẽ trái mà trên đường lại không

có làn dành riêng cho rẽ trái vì trong trường hợp đó khi tín hiệu đèn chuyển sang xanh

xe đầu tiên trong hàng có thể không phải là xe rẽ trái thì nó không được phép đi và tất

cả các xe sau đều bị nó chặn

Các kế hoạch pha thường được biểu diễn bằng các sơ đồ pha hoặc vòng pha Trong cả hai trường hợp các chuyển động được phép trong pha được biểu diễn bằng các mũi tên Hình 2.1 biểu diễn minh họa một số ký hiệu sử dụng trong đặt pha tín hiệu

Chuyển động thẳng không rẽ Chuyển động thẳng với rẽ trái và phải được bảo vệ từ một làn chung

Chuyển động thẳng với rẽ trái và phải được phép từ một làn chung

Chuyển động thẳng với rẽ trái được bảo vệ từ làn dành riêng và rẽ phải được phép từ làn chung

Chuyển động thẳng với rẽ trái được phép từ làn dành riêng và rẽ phải được phép từ làn chung

Các dạng mũi tên trong đó có ý nghĩa như sau:

• Mũi tên nét liền thể hiện chuyển động không gặp đối kháng Tất cả các chuyển động thẳng đều không gặp đối kháng theo định nghĩa Dòng rẽ trái không gặp đối kháng

có nghĩa là không xung đột với chuyển động thẳng ngược chiều Dòng rẽ phải không gặp đối kháng có nghĩa là không xung đột với chuyển động qua đường của dòng người

đi bộ

Hình 2.1 Minh họa một số ký hiệu sử dụng trong đặt pha tín hiệu

• Các chuyển động rẽ trái và phải gặp đối kháng được thể hiện bằng mũi tên nét đứt

• Chuyển động rẽ từ làn xe chung được biểu diễn bằng mũi tên nối liền với mũi tên ký hiệu chuyển động thẳng của làn chung Chuyển động rẽ từ làn dành riêng được biểu diễn bằng mũi tên tách riêng không nối với mũi tên kí hiệu chuyển động thẳng Biểu đồ pha biểu diễn tất cả các chuyển động được phép trong một pha bằng một khối của biểu đồ

Biểu đồ vòng thể hiện những chuyển động nào thì được điều khiển bằng vòng pha nào của bộ điều khiển tín hiệu Một vòng của bộ điều khiển nói chung điều khiển một tập các tín hiệu Do đó, trong khi một pha có các chuyển động thẳng ngược chiều nhau có thể được thể hiện bằng một khối của biểu đồ pha thì mỗi chuyển động có thể được biểu diễn riêng rẽ trong biểu đồ vòng

2.1.1.1 Đặt tín hiệu cơ bản: Tín hiệu hai pha

Hình 2.2 minh họa dạng đặt tín hiệu đơn giản và phổ thông nhất, đó là tín hiệu hai pha Với việc đặt tín hiệu này mỗi đường được nhận một pha cho phép tất cả các chuyển động trong đường đó Tất cả các rẽ trái, rẽ phải được thực hiện trên cơ sở cơ chế cho phép cơ bản thông thường từ các làn xe chung, mặc dù cũng có thể dành các làn rẽ riêng nếu cần thiết Dạng đặt tín hiệu này thích hợp khi trộn lẫn các dòng rẽ trái với dòng đối nghịch không tạo nên thời gian trễ đáng kể và việc rẽ trái không sinh ra các điều kiện không an toàn

Biểu đồ pha cho thấy tất cả các chuyển động B-N xảy ra trong pha A, còn tất cả các chuyển động Đ-T thực hiện trong pha B Biểu đồ vòng thể hiện rằng tín hiệu B và

N đối mặt nhau trong cùng một pha và được điều khiển bởi các vòng pha riêng trong

bộ điều khiển tín hiệu

Hình 2.2 Minh họa tín hiệu 2 pha

Đối với tín hiệu hai pha đơn giản biểu đồ pha và biểu đồ vòng hoàn toàn giống nhau, biểu đồ vòng chỉ bổ sung thêm một ít thông tin về kế hoạch tín hiệu Nhưng đối với các đặt pha phức tạp hơn như sẽ thấy, biểu đồ vòng chứa đựng nhiểu thông tin hơn một cách đáng kể so với biểu đồ pha Trong trường hợp đang xét tất cả các pha đều chuyển động đồng thời trong mỗi vòng của bộ điều khiển và các ranh giới pha dễ xác định

2.1.2 Bảo vệ rẽ trái bằng cách sử dụng đặt pha rẽ trái riêng

Cách thức bảo vệ rẽ trái đơn giản nhất là sử dụng đặt pha riêng dành cho rẽ trái Trong kế hoạch pha này cả hai dòng rẽ trái đối nghịch nhau trên một đường đều được cho phép trong cùng một pha dành riêng Pha này thường đặt trước pha đi thẳng của chính đường đó nhưng cũng có một số trường hợp đặt sau

Để xem xét việc có nên bảo vệ rẽ trái ở một hay tất cả các hướng vào nút có thể tuân theo một số quy tắc tổng quát sau:

1- Bảo vệ rẽ trái ít khi đặt ra với các rẽ trái có lưu lượng thấp hơn 100 xe/h

2- Bảo vệ rẽ trái hay sử dụng nhất với các lưu lượng rẽ trái lớn hơn 250–300 xe/h 3- Đối với các lưu lượng rẽ trái nằm giữa các giới hạn trên để quyết định thực hiện bảo vệ rẽ trái cần xem xét thêm các lưu lượng dòng đối kháng, số làn xe, số liệu tai nạn, hạn chế của hệ thống tín hiệu và các yếu tố khác

Quy tắc đầu đưa ra dựa trên một thực tế là dù cho các dòng đối nghịch rất lớn, khóa chặn tất cả các rẽ trái thì vẫn có khoảng 2 xe/chu kỳ rẽ trái được trong khoảng thời gian đèn vàng và đỏ các hướng Đó là các xe đã vào nút đang chờ chỗ trống trong dòng đối nghịch để rẽ và không thể làm được điều đó cho đến khi dòng đối nghịch đó dừng tại thời điểm kết thúc pha tín hiệu Như vậy, với chu kì 60s, trong một giờ có được 120

xe rẽ trái được mà không cần đặt pha riêng

Quy tắc thứ hai dựa trên thực tế là mặc dù các dòng đối nghịch nhỏ nhưng lưu lượng rẽ trái lớn có thể vẫn gây ra các khó khăn từ khía cạnh năng lực hay an toàn của nút

Ở mức độ trung bình, để quyết định thực hiện bảo vệ rẽ trái hay không cần phải xem xét sự tương tác giữa dòng rẽ trái và dòng đối nghịch, độ dài chu kỳ, thời gian xanh

và trễ do xe rẽ trái Chẳng hạn dòng rẽ trái với lưu lượng 150 xe/h có thể không cần phải bảo vệ nếu các dòng đối nghịch nhỏ và có chỗ trống đủ Ngược lại, nếu các dòng đối nghịch lớn, người kỹ sư giao thông phải thực hiện bảo vệ rẽ trái riêng

Thậm chí nếu lưu lượng xe rẽ trái có thấp hơn 100 xe/h vẫn phải thực hiện rẽ trái nếu

ở nút đó có tầm nhìn bị hạn chế, nút thắt cổ chai hoặc các dạng hình học khác thường

khác có thể dẫn đến xung đột không dự đoán được giữa các dòng rẽ trái với các dòng đối nghịch

Trên hình 2.3 mô tả tín hiệu ba pha điển hình trong đó có một pha rẽ trái dành riêng cho một trong hai đường giao nhau Cần chú ý là tại bất kì hướng nào có pha dành riêng cũng phải có làn rẽ trái riêng với độ dài đủ lớn thỏa mãn hàng các xe đợi rẽ trái trong chu kì tín hiệu

Ngoài phương án ba pha trên hình 2.3 nói trên có thể đưa ra một số khả năng khác chứa pha rẽ trái dành riêng như:

1- Tín hiệu 4 pha có pha dành riêng rẽ trái ở cả hai đường trong nút chú ý là trong cả hai hướng B và N phải có làn dành riêng cho rẽ trái

2- Đặt pha bảo vệ + cho phép bằng cách bổ sung cho phép rẽ trái ở hướng Đ và

T trong pha B Cũng có thể làm tương tự với hướng B và N

Nói chung, việc đặt pha bảo vệ + cho phép được sử dụng khi có sự kết hợp giữa dòng rẽ trái và đối nghịch mạnh đến nỗi bảo vệ hoàn toàn rẽ trái sẽ dẫn đên độ dài chu

kỳ lớn không hợp lý Nhưng cũng cần chú ý là việc đặt pha bảo vệ + cho phép rất khó thông báo đến người lái xe

2.1.3 Kéo dài và cắt ngắn pha xanh: trộn các pha dành riêng rẽ trái

Khi sử dụng các pha rẽ trái dành riêng, hai dòng rẽ trái đối nghịch nhau chiếm cùng một lượng thời gian xanh Điều này có thể trở thành không hợp lý nếu hai lưu lượng rẽ trái khác nhau nhiều Một trong những cách khắc phục việc đó là kéo dài và cắt ngắn pha xanh Khi thực hiện kéo dài và cắt ngắn pha xanh một hướng trên đường

bị cấm còn hướng còn lại được phép lưu thông Do dòng ngược lại bị dừng nên rẽ trái

từ hướng thuận được bảo vệ Sau đó tiếp đến pha cho phép dòng chuyển động thẳng thứ hai bắt đầu chuyển động đồng thời cùng dòng thứ nhất Trong thời gian đó, rẽ trái có

Hình 2.3 Minh họa pha dành riêng cho rẽ trái

thể bị cấm hoặc cho phép (nhưng không được bảo vệ) Cuối cùng, dòng chuyển động ban đầu bị cấm trong khi dòng thứ hai ngược lại vẫn được tiếp tục cho phép dòng rẽ trái thứ hai được bảo vệ Hình 2.6 minh họa cách đặt pha này

Tương tự việc kéo dài và cắt pha có thể được áp dụng cho hướng còn lại

Ngoài ra, có thể sử dụng việc kéo dài pha mà không cần cắt ngắn pha và ngược lại

2.1.4 Điều khiển tích cực 8 pha

Các thiết bị điều khiển hiện đại cho phép đưa ra các phương án điều khiển giao thông một cách linh hoạt tùy theo sự thay đổi của nhu cầu Bộ điều khiển tích cực có khả năng không những thay đổi độ dài chu kỳ đèn tín hiệu và thời gian xanh để đáp ứng các thông tin từ các thiết bị đo lưu lượng mà còn có thể thay đổi cả thứ tự chuỗi các pha Đồng thời nó cũng có thể bỏ qua một số pha nào đó trong chu kỳ nếu chúng không cần thiết

Hình 2.4 mô tả hoạt động một bộ điều khiển 8 pha Biểu đồ pha ở đây khác với các đồ pha trên hình 2.4, 2.5, 2.6 ở chỗ nó cho phép các nhánh các khả năng trong chu kỳ

Hình 2.4 Minh họa kéo dài và cắt pha

Hình 2.5 Kế hoạch điều khiển

tích cực 8 pha

Hình 2.3 Mô hình điều khiển tích cực 8 pha

Với cả hai đường thứ tự các pha như sau:

1 Pha đầu tiên ở đường đang xét là pha dành riêng cho rẽ trái, trong đó cả hai dòng

rẽ trái đều được bảo vệ

2 Tiếp theo kéo dài pha xanh để một dòng rẻ trái bị dừng trong khi dòng rẽ trái kia được tiếp tục cùng với các chuyển động thẳng và rẽ trái của nó Việc chọn xem phải dừng dòng rẽ trái nào được quyết định tùy theo thông tin nhận được từ các bộ phận đo lưu lượng thực tế ở cả hai làn rẽ trái Chẳng hạn, nếu các xe rẽ trái từ hướng Đ đã được phục vụ hết, trong khi hãy còn chưa hết các xe rẽ trái từ hướng T thì cần kết thúc thời gian xanh dành riêng cho rẽ trái từ Đ và kéo dài thời gian xanh cho các dòng chuyển động từ T

3 Khi rẽ trái thứ hai kết thúc hoặc thời gian xanh tối đa cho chuyển động đã hết thì tất cả các rẽ trái đều dừng và bắt đầu cho phép các dòng đi thẳng và rẽ phải hoạt động

4 Nếu trong bất kỳ chu kỳ nào mà phát hiện thấy không có nhu cầu rẽ trái ở cả hai hướng thì lập tức chuyển điều khiển sang pha đi thẳng và rẽ phải Trong thời gian đó nếu có xe nào đều đỗ chờ rẽ trái sẽ phải đợi đến chu kỳ tiếp theo

5 Nếu trong bất kỳ chu kỳ nào mà nhu cầu rẽ trái chỉ xuất hiện ở một hướng thì bộ điều khiển lập tức sử dụng kỹ thuật kéo dài pha xanh tương ứng

Điều khiển tích cực thường hay sử dụng nhất ở các nút giao thông độc lập, nơi không cần có phối hợp với các tín hiệu khác Các hệ thống điều khiển phối hợp luôn đặt ra các hạn chế cho việc đặt thời gian tín hiệu ở từng nút như độ dài chu kỳ cố định, chung nhau và điều này không cho phép phát huy độ linh hoạt của điều khiển tích cực Một vấn đề quan trọng cần làm sáng tỏ ở đây là số lượng pha Để xác định chính xác một lần nữa ta lai phải xem xét kỹ biểu đồ vòng trên hình 2.8 Điều đầu tiên là phải giả thiết về sự cần thiết của tất cả các rẽ trái để không bỏ lọt một pha nào cả (người kỹ

sư giao thông phải tính đến tình huống gây nên lượng thời gian lãng phí lớn nhất trong chu kỳ)

Có thể nhận thấy có 4 phương án về khả năng thứ tự các tín hiệu, phụ thuộc vào việc chọn FA1 hay FA2 và FA3 hay FA4 Trên hình 2.28 chỉ mô tả một phương án đó nhưng kết luận về số lượng hay thứ tự các pha ở đây cũng đúng cho tất cả các phương

án còn lại

Nếu trong chuỗi các pha đang xét ta thay pha A1 vào A2 thì điều thay đổi duy nhất

là đổi chỗ ranh giới giữa pha A với A1 và ranh giới giữa A1 với B Tương tự như vậy

khi thay pha C1 bằng C2 Tuy nhiên như đã thấy thứ tự các pha trong mỗi vòng không thay đổi Về số lượng pha ta cũng có kết luận như trên, đó là có 4 pha khác nhau trong hoạt động của tín hiệu, trong đó có một số pha chồng lên nhau khi xảy ra kéo dài và cắt ngắn pha xanh Điều quan trọng được rút ra từ đây là lượng thời gian lãng phí tổng cộng trong mỗi chu kỳ là 4 x tL

2.1.1.5 Một số trường đặc biệt

* Pha dành riêng cho người đi bộ

Hình 2.7 biểu diễn việc sử dụng một pha dành riêng cho người đi bộ, trong đó hành khách được phép đi qua mọi hướng kể cả đi chéo góc Phương án này là điều cần thiết khi lượng người đi bộ qua nút lớn, khó giải quyết bằng kế hoạch pha thông thường Trong pha dành riêng cho người đi bộ tất cả các xe đều bị cấm chuyển động

Hình 2.7: Minh họa pha dành riêng cho người đi bộ

Trong trường hợp đặt pha ở đây có hai vấn đề cần quan tâm đó là:

- Toàn bộ pha đi bộ phải được bổ sung vào thời gian lãng phí của chuyển động xe

- Người đi bộ (đặc biệt là khi có số lượng lớn) không dễ được làm sạch ở nút khi kết thúc pha, gây khó khăn cho việc chuyển động của xe Chính vì vậy, dạng đặt pha này thậm chí bị loại bỏ ở các thành phố lớn, nó chỉ có tác dụng ở những thành phố nhỏ, nơi có số lượng người đi bộ vừa phải và ý thức kỷ luật giao thông tốt

* Đặt pha ở nút chữ T

Hình 2.8 biểu diễn ba phương án đặt pha cho nút giao thông chữ T, phụ thuộc

vào việc phân kênh trong thiết kế

Trong phương án thứ nhất không có sự phân kênh và kế hoạch 3 pha tách riêng tất cả các chuyển động

Trong phương án thứ hai, trên đường chính có các đảo phân cách và các làn rẽ trái riêng Điều đó cho phép rẽ phải từ đường phụ trong pha A Dải phân cách tạo điều

kiện bảo vệ cho phép dòng chuyển động thẳng từ hướng Đ về hướng T được tiếp tục thực hiện trong pha B

Trong phương án thứ ba, thiết kế hình học đặc biệt cho phép chuyển động thẳng

về hướng T được thực hiện liên tục (đèn xanh liên tục, không chuyển đổi tín hiệu) Đòng thời cũng cho phép thực hiện rẽ phải từ hướng T trong pha C

Hình 2.8 Các phương án đặt pha ở nút chữ T

2.1.5 Đặt pha rẽ phải và rẽ phải trong thời gian đèn đỏ

Nếu như việc sử dụng đặt pha bảo vệ rẽ trái là phổ biến thì trong tuyệt đại đa số các nút có điều khiển việc rẽ phải chỉ được xem xét cho phép hay không và phần lớn là

từ phần làn xe chung

Đặt pha có bảo vệ rẽ phải chỉ đặt ra khi số lượng người đi bộ cực kỳ lớn Các nghiên cứu mới cho thấy nếu có lưu lượng 1700 người/h thì dòng người đi bộ qua đường khóa hết các tuyến rẽ phải trong thời gian đèn xanh Tuy nhiên, lưu lượng này rất hiếm gặp trong thực tế, chỉ có thể ở trung tâm các thành phố lớn Khi đó nếu đặt rẽ phải có bảo vệ thì có lợi cho người đi xe nhưng đối với người đi bộ có thể tạo ra tắc nghẽn và

vì vậy nên sử dụng các biện pháp khác như thiết kế đường vượt trên cao hay dưới đất hoặc lập các barie cấm người đi bộ đi và nút ở góc phố

Có thể thực hiện đặt pha rẽ phải có bảo vệ + được phép nếu ở nút có pha rẽ trái riêng Chẳng hạn nếu đặt pha như vậy cho rẽ phải từ hướng B và N thì phần cho phép của pha

sẽ xảy ra khi tuyến đi thẳng B-N có đèn xanh và phần bảo vệ của pha xảy ra trong thời gian pha rẽ trái theo hướng Đ – T

Các làn rẽ phải riêng có hiệu quả khi tồn tại các dòng rẽ phải lớn, đặc biệt khi cho phép

rẽ phải trong thời gian đèn đỏ Làn riêng như vậy cho phép các xe rẽ phải vượt qua được các xe đi thẳng đang dừng do đèn đỏ

2.2 Tín hiệu hóa nút giao thông

Trong phần này trình bày chi tiết ba vấn đề cơ bản của tín hiệu hóa nút giao thông: thời gian chuyển và làm sạch, yêu cầu cho người đi bộ, và một số chi tiết bổ sung cho xử lý

rẽ trái

2.2.1 Thời gian chuyển và làm sạch

Thời gian chuyển hay thời gian tín hiệu đèn vàng là khoảng thời gian sau đèn xanh có tác dụng đèn cảnh báo người tham gia giao thông đang vào nút về việc chuyển quyền

sử dụng đường đang diễn ra Thời gian vàng thông thường có giá trị từ 3 đến 6 giây Nói chung, tốc độ xe vào nút càng lớn thì thời gian này càng lớn

Do trong thời gian đèn vàng xe vẫn có thể vào nút nên cần có khoảng thời gian cấm tất cả các xe vào nút từ các hướng để giải phóng hết số xe đã có này trong nút Thời gian đó được gọi là làm sạch (clearance) hay đỏ các hướng (all red)

a Công thức tính toán thời gian chuyển

Trên cơ sở tính toán cần thiết để xe đi hết một quãng đường dừng an toàn với vận tốc

vào nút ta có công thức xác định thời gian chuyển sau: v

trong đó: y - thời gian vàng, (s)

t - thời gian phản xạ của người lái xe, (s)

v - vận tốc giới hạn quy định cho xe vào nút, hoặc 85% vận tốc xe vào nút, m/s a - gia tốc giảm của xe, m/s2

e - độ dốc đường vào nút, tính theo decimal (x 0,01) Thông thường lấy gia tốc a = 3m/s2 và thời gian phản xạ t = 1s

Ví dụ khi xe vào nút với vận tốc 40km/h và nút có địa hình bằng phẳng thì thời gian chuyển sẽ là

sạch

Thời gian làm sạch hay đỏ các hướng là thời gian cho phép xe đã đi vào nút trong thời gian đèn vàng ra khỏi nút trước khi dòng xung đột nhận được đèn xanh Tùy theo tình huống cụ thể của nút công thức tính toán thời gian làm sạch có dạng khác nhau

* Khi không có người đi bộ

* Khi dòng người đi bộ đáng kể hay được bảo vệ bằng tín hiệu người qua đường

trong đó:

r - thời gian đỏ các hướng, s

w - khoảng cách từ vạch dừng xuất phát đến làn xe xung đột xa nhất, m

P - khoảng cách từ vạch dừng xuất phát đến dòng người đi bộ xung đột xa nhất, m

L - chiều dài xe chuẩn, thường lấy 6m v - vận tốc qua nút của xe, m/s

Trên hình 2.31 minh họa cách lấy các khoảng cách w và P

Trong phần lớn các trường hợp các khoảng cách này được tính theo tuyến xe đi thẳng như trên hình 2.31a) Nhưng nếu chuyển động rẽ trái là quan trọng hơn thì cần tính theo hình 2.31b)

Điều đó đảm bảo tất cả các xe vào nút đều được hoàn toàn giải phóng trước khi dòng xung đột được cho phép lưu thông Trong hình 2.31b) yếu tố làm sạch hoàn toàn (có

* Khi có người đi bộ qua đường:

tính đến thân xe) chỉ đặt ra đối với dòng xe, còn với dòng người đi bộ không cần Sở dĩ như vậy vì đây là dòng người qua đường có lưu lượng không lớn, người đi bộ hoàn toàn

có khả năng tự tránh xung đột với chiếc xe có khả năng đi vào dải dành cho người đi

a) Dừng an toàn trong thời gian làm sạch

b) Quyết định không dừng trong thời gian làm sạch (d<x) Hình 2.32 Minh họa khu vực khó xử lý

Trên hình 2.32 a) cho thấy xe vào nút với tốc độ ban đầu v0 và bắt đâu hãm với gia tốc

a + 9.81e, cho đến khi dừng v = 0 xe đã chạy hết khoảng thời gian

Trong thời gian đó xe đi được quãng đường

trong đó:

ts - thời gian để xe dừng (s)

x - quãng đường đi được khi hãm (m)

v0 - tốc độ ban đầu của xe (m/s)

Như nhìn trên hình 2.32 b), nếu d x , người lái xe rơi vào tình trạng khó xử, anh ta

không thể hãm xe lại dừng an toàn mà cũng không thể vượt qua nút an toàn Để tránh

điều này cần phảỉ xác định thời gian chuyển và làm sạch cần thiết sao cho x d Tổng

các khoảng thời gian này nhận được bằng cách thay x ở công thức (2.40) vào (2.41) và

bổ xung thêm thời gian phản xạ thích hợp Khi đó tổng này sẽ bằng:

2.2.2 Người đi bộ ở nút có tín hiệu

Tại nút giao thông có đèn tín hiệu, người đi bộ phải được nhìn thấy các đèn tín hiệu (hoặc là cho xe, hoặc là cho người đi bộ) Nói chung thời gian tối thiểu cho pha đi bộ

là: 4-7s (thời gian xuất phát)

a Thời gian qua đường tối thiểu và quan hệ với thời gian xanh cho xe

Người đi bộ được phép sang đường trong khoảng thời gian đèn xanh cho xe cùng chiều, vàng và đỏ các hướng Do vậy tổng thời gian các pha trên phải đủ để người đi bộ qua đường an toàn Nếu coi thời gian xuất phát từ 4-7(s) thì thời gian tối thiểu cần thiết cho người đi bộ qua đường an toàn là:

trong đó:

Gp - thời gian xanh an toàn tối thiểu cho người đi bộ, s

Dx - quãng đường đi bộ qua nút,

Trong thực tế thường lấy thời gian xuất phát của người đi bộ là 4s nếu lưu lượng dưới

10 người/chu kỳ và là 7s nếu lưu lượng là 10-20 người/chu kỳ Tốc độ đi bộ qua đường hay sử dụng hiện nay là 1,2(m/s)

Hình 4 Minh họa quãng đường đi bộ

Để người đi bộ an toàn qua đường việc đặt tín hiệu phải thỏa mãn:

trong đó:

Gp - thời gian đi bộ qua đường cần thiết tối thiểu, s

G - thời gian xanh cho xe cùng chiều,

Y - thời gian chuyển và làm sạch với xe cùng chiều

Nếu quan hệ trên không được thỏa mãn, tức là khi tổng thời gian xanh, vàng và luôn đỏ của xe nhỏ hơn thời gian qua đường cần thiết của người đi bộ thì người kỹ sư giao thông phải thay đổi cách đặt tín hiệu, hoặc bố trí thiết bị phát hiện người đi bộ Khi thiết bị được lắp đặt, việc ấn nút thông báo sẽ ra lệnh cho bộ điều khiển tín hiệu tạo

ra thời gian G+Y bằng thời gian Gp trong pha xanh tiếp theo Như vậy người đi bộ được đảm bảo có đủ thời gian qua đường trong pha sắp tới

Việc sử dụng thiết bị ấn nút thông báo của người đi bộ cho phép người kỹ sư giao thông đặt tín hiệu theo nhu cầu đối với xe mà vẫn quan tâm đến người đi bộ khi họ cần Nhưng cách này không nên áp dụng ở những nơi thường xuyên có người đi bộ xuất hiện trong các chu kì Khi đó tốt hơn hết là hiệu chỉnh lại phân bố thời gian các tín hiệu đê đảm bảo nhu cầu cho người đi bộ

b Quan hệ giữa hiển thị tín hiệu xe và hiển thị tín hiệu người đi bộ

Cần phải hiểu rõ mối quan hệ giữa hiển thị tín hiệu xe và hiển thị tín hiệu người đi bộ Các hiển thị cho người đi bộ có các ý nghĩa sau:

- Đi (walk): thông báo đã an toàn để người đi bộ có thể sang đường

- Không đi (don’t walk) nhấp nháy: thông báo không an toàn cho việc xuất phát sang đường, tuy nhiên, những người đã xuống đường vẫn có đủ thời gian đi nốt, + Không đi: thông báo điều kiện không an toàn cho đi bộ qua đường

Ngoài ra có thể sử dụng tín hiệu “Đi nhấp nháy” khi dòng xe rẽ phải xung đột với dòng

đi bộ

Thời gian hiển thị tín hiệu “Không đi nhấp nháy” còn gọi là thời gian làm sạch người

đi bộ Thời gian này dài hơn thời gian làm sạch đối với xe vì tốc độ người đi bộ thấp hơn

Hình 2.34 minh họa ba trường hợp cơ bản trong đó so sánh các khoảng thời gian dành cho người đi bộ với các khoảng thời gian dành cho xe chuyển động cùng hướng

Hình 2.11 Quan hệ giữa thời gian đặt cho xe và cho người đi bộ

Trong trường hợp 1, thời gian người đi bộ qua đường Gp bằng đúng các khoảng thời gian G + Y của xe Khi đó tín hiệu “Đi” chỉ hiển thị trong khoảng thời gian 4-7s xuất phát của người đi bộ Tín hiệu “Không đi nhấp nháy” có độ dài bằng Dx/1,2 Trong

đó 1,2m/s là tốc độ người đi bộ Tín hiệu “Không đi” trùng với thời gian pha đỏ của xe Trong trường hợp 2, thời gian đi bộ qua đường Gp nhỏ hơn tổng thời gian G+Y của xe Khi đó các khoảng thời gian “Không đi” vẫn trùng với thời gian đỏ của xe và “Không

đi nhấp nháy” vẫn bằng Dx/1,2 Quãng thời gian còn lại sẽ dành cho tín hiệu “Đi”

Trong trường hợp 3, tổng thời gian G+Y không đủ để cho phép qua đường an toàn Vì vậy tín hiệu “Không đi” hiển thị trong suốt chu kỳ Nếu tín hiệu báo hiệu người

đi bộ qua đường được bấm thì trong pha xanh tiếp theo sẽ có Gp = G+Y như trong trường hợp 1 Trong mọi trường hợp cần lưu ý là thời gian Y bao gồm cả thời gian vàng

và thời gian đỏ các hướng

Ví dụ Hãy xét nút giao thông trên hình 2.35 giữa đường chính và đường phụ Dòng

người đi bộ coi như trung bình, ít nhất cũng có vài người trong một chu kỳ Do lượng

rẽ trái ít nên chỉ sử dụng phương án đèn tín hiệu 2 pha như trên hình 2.35 biểu diễn Hỏi tín hiệu có phù hợp với người đi bộ không Nếu không thì cần phải làm thế nào để cho phép an toàn qua đường?

Giải

Để giải bài toán đặt ra, bước đầu tiên là xác định thời gian tối thiểu cần thiết cho người

đi bộ qua đường Bởi vì giả thiết dòng người đi bộ trung bình, từ 10-20 người/chu kỳ nên ta chọn thời gian xuất phát là 7s Với người đi bộ qua đường chính trong pha B, khoảng cách qua đường là 15m vì nó là tình huống xấu nhất trong pha này Với người

đi bộ qua đường phụ trong pha A, quãng đường là 6m như trên hình vẽ Sử dụng công thức 2.43

Để đảm bảo an toàn cho người đi bộ, pha A phải có ít nhất thời gian 12s bằng G + Y Như mô tả trên hình 2.34, pha A có độ dài 15s và như vậy đi bộ qua đường phụ là an toàn Nhưng với đường chính để đảm bảo an toàn cho người đi bộ, đòi hỏi 19.5s trong khi thời gian thực sự G+Y chỉ là 15s, không an toàn

Để giải quyết vấn đề an toàn cho người đi bộ qua đường, có 2 khả năng Thông dụng nhất là tăng thời gian pha B lên ít nhất 19.5s Nhưng nếu đã có giả thiết về sự thích hợp của tương quan lượng G+Y giữa 2 pha thì cần giữ nguyên sự cân bằng đó Nếu thời gian pha B được tăng lên 20s và tỷ lệ giữa thời gian xanh ở pha A và B là cố định thì:

và

(G+Y)A = 20.45/15 = 60 s

Hình 2.12: Ví dụ về yêu cầu của người đi bộ