Báo cáo chuyên Đề hệ thống giao thông thông minh ngành công nghệ thông tin tên Đề tài Đèn giao thông thông minh

Mục đích của đề tài này bao gồm: - Phân tích ưu điểm của đèn giao thông thông minh bao gồm khả năng điều chỉnh thời gian linh hoạt, giảm ùn tắc và tối ưu hoá lưu lượng phương tiện.. 1.2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

VIỆN ĐÀO TẠO CHẤT LƯỢNG CAO

BÁO CÁO CHUYÊN ĐỀ HỆ THỐNG GIAO THÔNG THÔNG MINH

NGÀNH: CÔNG NGHỆ THÔNG TIN TÊN ĐỀ TÀI: ĐÈN GIAO THÔNG THÔNG MINH

Giảng viên hướng dẫn: Vũ Đình Long Các sinh viên thực hiện:

Họ tên: Trần Hoài Thương

MSSV: 052205011906

Họ tên: Trần Phan Ngọc Tú

MSSV: 072205000350

Họ tên: Phạm Nguyễn Thiên Ân

MSSV: 079205011856

Họ tên: Nguyễn Trung Hiếu

MSSV: 054205009430

LỜI MỞ ĐẦU

Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của khoa học kỹ thuật và công nghệ thông tin, quá trình đô thị hóa diễn ra mạnh mẽ, kéo theo nhu cầu đi lại ngày càng tăng Tuy nhiên, hệ thống cơ sở hạ tầng giao thông hiện nay vẫn chưa đáp ứng đầy đủ nhu cầu đó, dẫn đến tình trạng ùn tắc kéo dài, tai nạn giao thông gia tăng và ô nhiễm môi trường nghiêm trọng Đặc biệt vào giờ cao điểm, các tuyến đường thường xuyên quá tải, khiến việc di chuyển trở nên

khó khăn và kém hiệu quả Trước những thách thức này, đèn giao thông thông minh đã ra

đời như một giải pháp hiện đại nhằm tối ưu hóa hệ thống giao thông đô thị, nhờ hệ thống này giúp giảm thiểu tình trạng ùn tắc, hạn chế tai nạn và nâng cao hiệu suất di chuyển

Tại Việt Nam, vấn đề ùn tắc giao thông ngày càng trở nên nghiêm trọng, đặc biệt tại các đô

thị lớn như Hà Nội và TP Hồ Chí Minh Do đó, việc nghiên cứu và triển khai hệ thống đèn

giao thông thông minh là một xu hướng tất yếu, góp phần hiện đại hóa hệ thống giao thông

và tạo nền tảng cho các thành phố thông minh trong tương lai Dưới sự hướng dẫn của giảng

viên và dựa trên những kiến thức đã học, nhóm chúng em quyết định thực hiện đề tài “Đèn

giao thông thông minh” với mong muốn tìm hiểu sâu hơn về công nghệ này, đồng thời đề

xuất các giải pháp áp dụng thực tiễn nhằm cải thiện tình trạng giao thông tại Việt Nam

BẢNG PHÂN CÔNG VIỆC LÀM

Trần Phan Ngọc Tú 072205000350 Phân tích chương 1, chương 2 Trần Hoàng Thương 052205011906 Phân tích chương 2

Phạm Nguyễn Thiên Ân 079205011856 Phân tích chương 3

Nguyễn Trung Hiếu 054205009430 Phân tích chương 4, 5

MỤC LỤC

LỜI MỞ ĐẦU 1 BẢNG PHÂN CÔNG VIỆC LÀM 2 MỤC LỤC 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI 4

1.1 Mục đích 4

1.2 Yêu cầu 4

1.3 Ý nghĩa: 5

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT 5

2.1 Hệ thống đèn giao thông thông minh là gì? 5

2.2 Giải thích nguyên lý hoạt động cơ bản: 6

2.3 Chi tiết các công nghệ phổ biến được sử dụng: 6

2.4 Mô hình đèn giao thông thông minh 6

Hình 2.1.4 Mô hình đèn giao thông thông minh 7

2.5 Các thành phần chính của mô hình đèn giao thông thông minh 7

Hình 2.1.5 Đèn giao thông thông minh tích hợp nhiều thành phần quan trọng .9

2.6 Cấu trúc của đèn giao thông thông minh 9

2.6.1 Hệ thống phần cứng 9

2.6.2 Hệ thống phần mềm 10

2.6.3 Hệ thống truyền thông 10

2.7 Các tính năng cần có ở đèn giao thông thông minh 11

2.7.1 Hệ Thống Điều Khiển Tín Hiệu Giao Thông Thích Ứng (ATSC) 11

2.7.2 Tín Hiệu Ưu Tiên Cho Phương Tiện Khẩn Cấp 12

2.7.3 Hệ Thống Tín Hiệu Ưu Tiên 12

2.7.4 Tích Hợp Với Các Phương Tiện Di Chuyển Vi Mô 12

2.8 Nguyên lý hoạt động chi tiết đèn giao thông thông minh như thế nào? 13

2.8.1 Cột đèn giao thông bên đường 13

2.8.2 Trung tâm điều khiển đám mây 13

2.9 Lợi ích của đèn giao thông thông minh 14

CHƯƠNG 3: ĐÈN GIAO THÔNG Ở CÁC NƯỚC NGOÀI VÀ LIÊN HỆ ỨNG DỤNG VÀO VIỆT NAM 16

CHƯƠNG 4: PHÂN TÍCH KHÓ KHĂN VÀ GIẢI PHÁP 17

CHƯƠNG 5: KẾT LUẬN 17

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN ĐỀ TÀI

1.1 Mục đích

Trong bối cảnh đô thị hóa phát triển mạnh mẽ, hệ thống giao thông ngày càng đối mặt với nhiều thách thức, đặc biệt là tình trạng ùn tắc, tai nạn và ô nhiễm môi trường Việc nghiên

cứu và ứng dụng đèn giao thông thông minh là một giải pháp quan trọng giúp nâng cao

hiệu quả quản lý giao thông, giảm thiểu các vấn đề tồn đọng của hệ thống đèn tín hiệu truyền thống

Mục đích của đề tài này bao gồm:

- Phân tích ưu điểm của đèn giao thông thông minh bao gồm khả năng điều chỉnh thời

gian linh hoạt, giảm ùn tắc và tối ưu hoá lưu lượng phương tiện

- Nghiên cứu tổng quan về đèn giao thông thông minh, nguyên lý hoạt động và các công nghệ liên quan

- Nghiên cứu giải pháp triển khai đèn giao thông thông minh nhằm nâng cao chất lượng đô thị

- Góp phần nâng cao nhận thức về tầm quan trọng của công nghệ thông minh trong quản lý giao thông hiện đại

1.2 Yêu cầu

Để đạt được mục đích trên, đề tài cần đáp ứng các yêu cầu sau:

 Tìm hiểu cơ sở lý thuyết về đèn giao thông thông minh, bao gồm các công nghệ cốt lõi như trí tuệ nhân tạo (AI), cảm biến IoT, camera giám sát và phân tích dữ liệu thời gian thực

 Phân tích các yếu tố ảnh hưởng đến việc điều khiển giao thông tại các nút giao, bao gồm lưu lượng xe, loại phương tiện, giờ cao điểm,

 Xây dựng mô hình đề xuất phù hợp với điều kiện giao thông, có tính ứng dụng cao và khả năng triển khai thực tế để đảm bảo tối ưu hoá lưu lượng và giảm thiểu ùn tắc

 Đưa ra các khuyến nghị và giải pháp triển khai vào thực tế, bao gồm chi phí và kỹ

thuật

 Đánh giá hiệu quả của hệ thống đèn giao thông thông minh thông qua các tiêu chí như giảm ùn tắc, tối ưu hóa lưu lượng xe và tiết kiệm thời gian di chuyển

1.3 Ý nghĩa:

- Về mặt xã hội: Hệ thống giúp giảm thiểu tình trạng ùn tắc giao thông, nâng cao chất lượng cuộc sống, lưu thông dễ dàng và an toàn hơn Ưu tiên cho các phương tiện khẩn cấp góp phần cứu giúp nhiều tình huống nguy cấp

- Về mặt môi trường: Hệ thống giúp giảm thiểu khí thải từ các phương tiện do giảm thời gian chờ đèn đỏ, từ đó góp phần cải thiện chất lượng không khí và bảo vệ môi trường

- Về mặt khoa học – công nghệ: Đề tài góp phần thúc đẩy việc nghiên cứu và ứng dụng công nghệ hiện đại trong lĩnh vực giao thông, hướng tới việc xây dựng các thành phố thông minh trong tương lai

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Hệ thống đèn giao thông thông minh là gì?

Đèn giao thông thông minh là hệ thống đèn tín hiệu điều khiển phương tiện được tích hợp công nghệ Hệ thống có thể điều chỉnh khả năng hiển thị của đèn giao thông dựa trên thông tin được thu thập từ các cảm biến, thiết bị biên và hệ thống video

Tại giao lộ, đèn giao thông thông minh có thiết kế tương tự đèn giao thông thông thường ngoại trừ các yếu tố phần cứng phụ như cảm biến Internet vạn vật (IoT - Internet of Thing) và/hoặc camera thông minh quan sát tình hình giao thông thực tế Hệ thống đèn giao thông thông minh được kết nối với một nền tảng đám mây để phục vụ cho quá trình quản lý Chúng thường cung cấp các thuật toán dự đoán để tự động điều chỉnh động các tín hiệu giao thông Nhờ đó, nó tối ưu hoá dòng phương tiện, giảm ùn tắc, tiết kiệm năng lượng và giảm khí thải

ô nhiễm vào môi trường

2.2 Giải thích nguyên lý hoạt động cơ bản:

Nguyên lý hoạt động của đèn giao thông thông minh dựa trên việc sử dụng dữ liệu từ nhiều nguồn khác nhau, bao gồm cảm biến, camera, hệ thống định vị toàn cầu (GPS), thiết bị trên

xe, điện thoại di động và các thiết bị khác để phát hiện các mô hình giao thông và lưu lượng phương tiện, người đi bộ và người đi xe đạp đang tiếp cận một giao lộ Các tín hiệu sẽ tự động điều chỉnh thời gian khoảng 30 giây - 2 phút một lần dựa trên tình hình đường xá, ưu tiên đèn xanh cho hướng có lưu lượng giao thông lớn hơn Một bộ xử lý trung tâm sẽ phân tích dữ liệu thu thập được bằng các thuật toán phức tạp để đánh giá các mô hình giao thông

và dự đoán lưu lượng giao thông trong tương lai dựa trên dữ liệu lịch sử và điều kiện hiện tại Điều này cho phép hệ thống điều chỉnh thời gian tín hiệu một cách linh hoạt, thay vì hoạt động theo các lịch trình được cài đặt sẵn Các thuật toán dự đoán, thường được vận hành trên nền tảng đám mây, đóng vai trò quan trọng trong việc giải quyết các vấn đề quản lý giao thông phức tạp

2.3 Chi tiết các công nghệ phổ biến được sử dụng:

Đèn giao thông thông minh sử dụng một loạt các công nghệ tiên tiến để thu thập dữ liệu và điều khiển tín hiệu Các nguồn dữ liệu phổ biến bao gồm cảm biến và camera để phát hiện lưu lượng và tốc độ của phương tiện đang đến, công nghệ GPS trong điện thoại di động để giúp phát hiện và theo dõi phương tiện, người đi xe đạp và người đi bộ đang đến gần Ngoài

ra, các thiết bị được nhúng trong xe có thể giao tiếp với đèn giao thông tại các giao lộ khi xe đến gần Các công nghệ khác bao gồm cảm biến radar, cảm biến âm thanh siêu âm, bộ thu video sợi quang , thẻ RFID và AIDC, cảm biến nhiệt độ và chất lượng không khí Các loại cảm biến thường được sử dụng bao gồm cảm biến vòng từ, cảm biến hồng ngoại, cảm biến

vi sóng và hệ thống phát hiện video Trí tuệ nhân tạo (AI), bao gồm mạng nơ-ron và các thuật toán học sâu, cùng với Internet of Things (IoT), đóng vai trò then chốt trong việc phân tích dữ liệu và điều khiển đèn tín hiệu từ xa Các hệ thống hiện đại cũng có thể bao gồm LiDAR, cảm biến tốc độ, cảm biến thời tiết và cảm biến khí thải, cùng với các mô-đun kết nối như Wi-Fi, 4G/5G, V2X và GPS

2.4 Mô hình đèn giao thông thông minh

Sau khi nghiên cứu, chúng em nhận thấy rằng có nhiều mô hình đèn giao thông thông minh được thiết kế theo những cách khác nhau, tùy thuộc vào từng khu vực và điều kiện thực tế để triển khai Một số mô hình phổ biến bao gồm:

- Mô hình AI và Machine Learning: Ứng dụng trí tuệ nhân tạo để dự đoán lưu lượng phương tiện, xác định các mô hình di chuyển và điều chỉnh chu kỳ đèn tín hiệu

nhằm tối ưu hóa luồng giao thông Hệ thống có khả năng học hỏi từ dữ liệu lịch sử

để nâng cao độ chính xác trong việc dự đoán và điều chỉnh thời gian đèn phù hợp

- Mô hình đèn giao thông dựa trên cảm biến: Sử dụng các cảm biến như hồng ngoại, radar, camera hoặc vòng từ để đo lường lưu lượng giao thông theo thời gian thực Khi số lượng phương tiện tăng lên, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh thời gian tín hiệu đèn nhằm giảm thiểu tình trạng ùn tắc

- Mô hình kết hợp với hệ thống giao thông công cộng: Tích hợp với các phương tiện như xe buýt hoặc tàu điện ngầm để ưu tiên tín hiệu xanh khi những phương tiện này tiếp cận giao lộ Điều này giúp giảm thời gian chờ đợi, nâng cao hiệu suất hoạt động của hệ thống vận tải công cộng

- Mô hình kết nối V2X (Vehicle-to-Everything): Cho phép đèn tín hiệu giao tiếp với các phương tiện thông qua công nghệ IoT và mạng 5G Các phương tiện có thể nhận thông tin thời gian thực về tín hiệu đèn để điều chỉnh tốc độ di chuyển, giúp tối ưu hóa nhiên liệu và giảm thiểu tình trạng phanh gấp hoặc dừng đột ngột

Hình 2.1.4 Mô hình đèn giao thông thông minh

2.5 Các thành phần chính của mô hình đèn giao thông thông minh

* Hệ thống đèn tín hiệu giao thông:

- Là bao gồm các đèn tín hiệu LED hiển thị ba màu đỏ – vàng – xanh theo tiêu chuẩn quốc tế Một số loại đèn được tích hợp năng lượng mặt trời, giúp tiết kiệm điện năng

- Đèn điều chỉnh thời gian hiển thị linh hoạt theo mật độ giao thông thực tế

* Cảm biến giao thông thông minh:

- Hệ thống được trang bị các loại cảm biến hiện đại như:

- Cảm biến hồng ngoại hoặc camera AI để phát hiện phương tiện, người đi bộ

- Radar vi sóng để đo tốc độ, mật độ xe

- Cảm biến trọng lượng tích hợp dưới mặt đường để nhận diện xe tải, xe buýt

- Dữ liệu thu thập từ cảm biến giúp đèn tín hiệu điều chỉnh thời gian xanh – đỏ phù hợp, hạn chế ùn tắc

* Bộ điều khiển trung tâm:

- Đây là thành phần quan trọng nhất, giúp phân tích dữ liệu từ cảm biến và đưa ra quyết định điều chỉnh tín hiệu đèn theo thời gian thực

- Bộ điều khiển sử dụng công nghệ AI và IoT, cho phép:

- Điều khiển đèn tín hiệu từ xa qua hệ thống trung tâm

- Phối hợp giữa các đèn giao thông tại nhiều giao lộ để tối ưu hóa dòng phương tiện

- Phát hiện và cảnh báo tình trạng ùn tắc, tai nạn để có phương án xử lý nhanh

chóng

* Hệ thống kết nối và truyền dữ liệu:

- Được tích hợp kết nối không dây như Wi-Fi, 4G/5G, cáp quang để truyền dữ liệu thời gian thực

- Hệ thống này giúp:

- Đồng bộ hóa các giao lộ, tránh tình trạng xung đột tín hiệu

- Cảnh báo sớm về các tình huống nguy hiểm, giúp cơ quan chức năng can thiệp kịp thời

* Nền tảng giám sát và quản lý trên đám mây:

- Dữ liệu từ hệ thống đèn giao thông thông minh sẽ được lưu trữ và phân tích trên nền tảng đám mây

- Từ đó, cơ quan quản lý có thể:

- Giám sát lưu lượng phương tiện theo thời gian thực

- Tối ưu hóa thuật toán điều khiển đèn để giảm ùn tắc

- Cảnh báo sớm các sự cố giao thông.

Hình 2.1.5 Đèn giao thông thông minh tích hợp nhiều thành phần quan trọng

2.6 Cấu trúc của đèn giao thông thông minh

Hệ thống đèn giao thông thông minh được cấu thành từ nhiều bộ phận phối hợp chặt chẽ với nhau để đảm bảo khả năng thu thập dữ liệu, xử lý thông tin và điều khiển hoạt động một cách hiệu quả Dưới đây là cấu trúc chi tiết của một hệ thống đèn giao thông thông minh điển hình:

2.6.1 Hệ thống phần cứng

Hệ thống phần cứng đóng vai trò nền tảng, chịu trách nhiệm thu thập dữ liệu giao thông thực tế, xử lý thông tin ban đầu và thực hiện các lệnh điều khiển đèn tín hiệu Các thành phần chính bao gồm:

- Cảm biến giao thông: Đây là "mắt" của hệ thống, có nhiệm vụ ghi nhận các thông tin quan trọng về tình hình giao thông tại khu vực giao lộ Các loại cảm biến

thường được sử dụng bao gồm:

o Camera: Giúp giám sát lưu lượng xe, người đi bộ, nhận diện biển số và phát hiện các sự cố giao thông

o Radar: Đo tốc độ di chuyển và mật độ phương tiện, hoạt động tốt trong nhiều điều kiện thời tiết

o Vòng từ: Phát hiện sự hiện diện của phương tiện (chủ yếu là ô tô) khi chúng

đi qua một vòng dây được lắp đặt dưới lòng đường

o Cảm biến hồng ngoại: Phát hiện phương tiện và người đi bộ dựa trên thân nhiệt

o Cảm biến trọng lượng: Nhận diện các loại xe có tải trọng lớn như xe tải, xe buýt

- Bộ điều khiển trung tâm: Được xem như "bộ não" của hệ thống, bộ điều khiển trung tâm thu thập dữ liệu từ các cảm biến, phân tích thông tin và đưa ra quyết định điều chỉnh thời gian và pha của đèn tín hiệu một cách tối ưu Công nghệ AI và IoT thường được tích hợp trong bộ điều khiển để tăng cường khả năng xử lý và đưa ra quyết định thông minh

- Đèn tín hiệu LED: Đây là bộ phận hiển thị trực quan các tín hiệu giao thông (đỏ, vàng, xanh) theo tiêu chuẩn Đèn LED được ưa chuộng vì khả năng tiết kiệm năng lượng và tuổi thọ cao Một số loại đèn còn được tích hợp thêm năng lượng mặt trời

để tiết kiệm điện

- Hệ thống kết nối mạng: Đảm bảo khả năng truyền tải dữ liệu giữa các cảm biến, bộ điều khiển trung tâm và trung tâm giám sát Các công nghệ kết nối phổ biến bao gồm Wi-Fi, 4G/5G, LoRaWAN hoặc cáp quang, cho phép truyền dữ liệu theo thời gian thực

2.6.2 Hệ thống phần mềm

Hệ thống phần mềm là yếu tố then chốt, đóng vai trò là "bộ não" thứ hai của đèn giao thông thông minh, giúp xử lý dữ liệu phức tạp và đưa ra các quyết định điều khiển tín hiệu đèn một cách thông minh:

- Thuật toán điều khiển tín hiệu: Các thuật toán này được thiết kế để tính toán thời gian đèn xanh, đèn đỏ một cách linh hoạt dựa trên mật độ và lưu lượng xe tại các nút giao Mục tiêu là giảm thiểu thời gian chờ đợi và tối ưu hóa lưu lượng giao thông

- Xử lý dữ liệu giao thông: Phần mềm này phân tích dữ liệu thu thập từ các cảm biến để phát hiện các tình huống giao thông bất thường như ùn tắc, tai nạn hoặc vi phạm giao thông

- Mô hình dự báo ùn tắc: Ứng dụng các kỹ thuật trí tuệ nhân tạo (AI) và học máy để dự đoán xu hướng giao thông trong tương lai Điều này giúp hệ thống chủ động điều chỉnh hoạt động của đèn tín hiệu để ngăn chặn hoặc giảm thiểu ùn tắc

- Hệ thống giám sát và báo cáo: Lưu trữ toàn bộ dữ liệu hoạt động của hệ thống, đồng thời cung cấp thông tin trực quan và các báo cáo chi tiết cho cơ quan quản lý giao thông để họ có thể phân tích, đánh giá hiệu quả và điều chỉnh chiến lược điều hành khi cần thiết