Báo cáo bài tập lớn các phương pháp mô hình hóa

Phương pháp mô hình hóa là một phương pháp khoa học để nghiên cứu các đối tượng, các quá trình … bằng cách xây dựng các mô hình của chúng (các mô hình này bảo toàn các tính chất cơ bản được trích ra của đối tượng đang nghiên cứu) và dựa trên mô hình đó để nghiên cứu trở lại đối tượng thực.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP HÀ NỘI

KHOA CÔNG NGHỆ THÔNG TIN

BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN

Bộ môn: Các phương pháp mô hình hóa

Đề tài: Mô hình hóa hệ thống tín hiệu đèn giao thông.

Giảng viên hướng dẫn: TS Nguyễn Hoàng Tú

Nhóm thực hiện: Nhóm 8

Nhóm sinh viên thực hiện:

1 Lê Tuấn Anh

2 Đào Sỹ Nam Anh

3 Phạm Gia Khánh

Hà Nội 2016

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

Hà Nội, ngày … tháng … năm 2016

Giáo viên hướng dẫn

Thạc Sĩ: Nguyễn Hoàng Tú

LỜI CẢM ƠN

Bài tập lớn là môn học đánh khả năng làm việc theo nhóm của sinh viên,cũng như tạo cho sinh viên tạo cho sinh viên tính tự lập đánh dấu sự trưởng thànhcủa một sinh viên, và khả năng làm việc dựa vào hướng dẫn của giáo viên, tạo điềukiện cho sinh viên nghiên cứu Khóa luận tốt nghiệp Kỹ sư sau này và là sự chuyểntiếp trong quá trình phấn đấu, học tập và rèn luyện của một sinh viên để trở thànhmột Kỹ sư Công nghệ thông tin Quá trình làm đồ án quá trình học tập, tích lũy vàkiểm tra lại kiến thức đã học và đem những kiến thức đó áp dụng vào thực tế

Em xin chân thành cảm ơn thầy NGUYỄN HOÀNG TÚ Thầy đã trực tiếphướng dẫn nhóm em làm Bài Tập Lớn này Trong quá trình thực hiện Bài Tập Lớn,thầy đã tận tình định hướng, hướng dẫn và giúp đỡ nhóm em giải quyết các khókhăn trong quá trình thực hiện bài tập lớn này

Lời cuối cùng, nhóm em xin chân thành cảm ơn thầy Chúc thầy và toàn thểgia đình sức khỏe và thành đạt

Hà Nội, tháng 12 năm 2016.

LỜI MỞ ĐẦU

Trong những năm gần đây cùng với sự phát triển của nền kinh tế là tốc độ gia tăng không ngừng về các loại phương tiện giao thông Sự phát triển nhanh chóng của các phương tiện giao thông đã dẫn đến tình trạng tắc nghẽn giao thông xảy ra rất thường xuyên.Vấn đề đặt ra ở đây là làm sao để đảm bảo giao thông thông suốt và

sử dụng đèn điều khiển giao thông ở những ngã tư, những nơi giao nhau của các làn đường là một giải pháp Để viết chương trình điều khiển đèn giao thông ta có thể viết trên nhiều hệ ngôn ngữ khác nhau Nhưng cùng với sự phát triển mạnh mẽ của ngành công nghiệp chế tạo linh kiện bán dẫn và vi mạch tổng hợp, một hướng phát triển mới của các vi xử lý đó hình thành đó là các vi điều khiển Với nhiều ưu điểm, vi điều khiển đó được sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau Bằngcách áp dụng vi điều khiển trong quá trình sản xuất và xử lý, vi điều khiển đã thực

sự thể hiện được ưu thế của mình so với các thiết bị điều khiển thông thường vì thế việc sử dụng vi điều khiển mang lại hiệu quả khá cao trong việc điều khiển tín hiệu giao thông

Xuất phát từ những nhu cầu thực tế giao thông trên đoạn từ Nhổn đến Cầu Giấy tình trạng ách tắc thường xảy ra vào những thời gian cao điểm Đặc biệt là đoạn ngã tư Nhổn Với ham muốn hiểu biết về về lĩnh vực này, nhóm em xin chọn đề tàilàm bài tập lớn với đề tài: Mô hình hóa hệ thống đèn giao thông tại đoạn ngã tư Nhổn Mục đích của đề tài này là hiểu biết về vấn đề điều khiển đèn giao thông và quan trọng nhất là những giải pháp giao thông tại các ngã tư và cụm ngã tư nhằm tiết kiệm thời gian và ách tắc giao thông

MỤC LỤC

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU 1

I Các khái niệm 1

II Phân loại mô hình 2

III Mục đích của phương pháp Mô hình hóa 4

IV Cách tiến hành phương pháp Mô hình hóa 5

V Lợi ích của phương pháp Mô hình hóa 6

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG GIAO THÔNG 7

I Thực trạng giao thông trên tuyến đường từ Nhổn => Cầu Giấy 7

II Mô hình hóa hệ thống đèn giao thông 10

Chương III: NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA ĐÈN GIAO THÔNG 11

I Cấu tạo của hệ thống đèn giao thông tại 1 ngã tư 11

II Nguyên tắc hoạt động 12

III Giản đồ thời gian cho từng đèn 12

IV Lưu đồ thuật toán 14

Chương IV: THIẾT KẾ CHƯƠNG TRÌNH 16

I Ngôn ngữ lập trình 16

II Công cụ lập trình 21

KẾT LUẬN 24

TÀI LIỆU THAM KHẢO 26

CHƯƠNG I: MỞ ĐẦU

I Các khái niệm

Phương pháp mô hình hóa là một phương pháp khoa học để nghiên cứu các đối tượng, các quá trình … bằng cách xây dựng các mô hình của chúng (các mô hình này bảo toàn các tính chất cơ bản được trích ra của đối tượng đang nghiên cứu) và dựa trên mô hình đó để nghiên cứu trở lại đối tượng thực

Mô hình: là một hệ thống các yếu tố vật chất hoặc ý niệm (tư duy) để biểu diễn,phản ánh hoặc tái tạo đối tượng cần nghiên cứu, nó đóng vai trò đại diện, thay thế đối tượng thực sao cho việc nghiên cứu mô hình cho ta những thông tin mới tương

tự đối tượng thực

– Tính chất của mô hình:

+ Tính tương tự: có sự tương tự giữa mô hình và vật gốc, chúng có những đặc điểm cơ bản có thể so sánh với nhau được như: cấu trúc (đẳng cấu), chức năng,thuộc tính, cơ chế vận hành… Song sự tương tự giữa mô hình và đối tượng thực (vật gốc) chỉ là tương đối

+ Tính đơn giản: mô hình chỉ phán ánh một hoặc một số mặt nào đó của đối

+ Tính trực quan: mô hình là sự tái hiện đối tượng nghiên cứu dưới dạng trực quan.

+ Tính lý tưởng: khi mô hình hóa đối tượng gốc, ta đã khái quát hóa, trừu tượng hóa, phản ánh đặc tính của đối tượng gốc ở mức độ hoàn thiện hơn (lý tưởng)

+ Tính quy luật riêng: mô hình có những tính chất riêng được quy định bởi các phần tử tạo nên nó

Phương pháp mô hình hóa là một phương pháp khoa học bằng việc xây dựng môhình của đối tượng nghiên cứu, sao cho việc nghiên cứu mô hình cho ta nhữngthông tin (về thuộc tính, cấu trúc, chức năng, cơ chế vận hành ….) tương tự đốitượng nghiên cứu đó

Cơ sở logic của phương pháp mô hình hóa là phép loại suy Phương pháp môhình hóa cho phép tiến hành nghiên cứu trên những mô hình (vật chất hay ý niệm(tư duy)) do người nghiên cứu tạo ra (lớn hơn, bằng hoặc nhỏ hơn đối tượng thực)

để thay thế việc nghiên cứu đối tượng thực Điều này thường xảy ra khi ngườinghiên cứu không thể hoặc rất khó nghiên cứu đối tượng thực trong điều kiện thựctế

Phương pháp mô hình hóa xem xét đối tượng nghiên cứu như một hệ thống(tổng thể), song tách ra từ hệ thống (đối tượng) các mối quan hệ, liên hệ có tínhquy luật có trong thực tế nghiên cứu, phản ánh được các mối quan hệ, liên hệ đócủa các yếu tố cấu thành hệ thống – đó là sự trừu tượng hóa hệ thống thực

Dùng phương pháp mô hình hóa giúp người nghiên cứu dự báo, dự đoán, đánhgiá các tác động của các biện pháp điều khiển, quản lý hệ thống.Ví dụ: sử dụngphương pháp phân tích cấu trúc (đặc biệt là cấu trúc không gian, các bộ phận hợpthành có bản chất vật lý giống hệt đối tượng gốc) để phản ánh, suy ra cấu trúc củađối tượng gốc như: mô hình động cơ đốt trong, mô hình tế bào, sa bàn…

Phương pháp “chiếc hộp đen” được coi là phương pháp mô hình hóa chứcnăng.Trong phương pháp này, người ta đã trìu xuất chức năng của hệ, còn chức-năng của hệ được mô hình hóa bằng “chiếc hộp đen” cho biết mối quan hệ giữa

“đầu vào” và “đầu ra” của hệ

II Phân loại mô hình

Phương pháp Mô hình hóa hướng đến việc tạo ra các công cụ tiện dụng phục vụcho những hoạt động nghiên cứu trên các lĩnh vực khác nhau bao gồm cả khoa học

tự nhiên và khoa học xã hội Về cơ bản, ngoài cách phân chia theo hai loại mô hình

là mô hình tĩnh và mô hình động, phương pháp Mô hình hóa còn chia ra thành cácloại mô hình sau:

1 Mô hình đồng dạng:

– Mô hình đồng dạng không gian: là vật thu gọn về không gian theo tỷ lệ

nhất định để xem xét sự đồng bộ, sự tương tác, tương quan,…giữa các chi tiếttrong tổng thể Một số loại mô hình đồng dạng không gian thường được sử dụng là

sa đồ, mô hình nhà máy, mô hình máy bay,…

– Mô hình đồng dạng vật lý: là mô hình mô phỏng những hiện tượng có bản

chất giống hay gần giống với nguyên bản Một vài ví dụ về mô hình đồng dạng vật

lý có thể kể đến như mô hình tái hiện một vụ án, mô hình con đường tiến hóa củađộng vật,

– Mô hình đồng dạng toán học : dùng một hệ thống các phương trình tính

toán (thường phải dùng đến máy tính) để lặp lại hay phán đoán sự kiện, dự báo vềsản xuất, đánh bắt thuỷ hải sản, lũ lụt, thời tiết, dân số, sự phát truyển khoa học –công nghệ,…

2 Mô hình tương tự:

– Mô hình lý tưởng: bằng những tư duy và lý luận logic toán học, những hệ

thống phương trình toán học được xây dựng để miêu tả một sự kiện, hiện tượng bất

kỳ (về vật lý, hoá học, xã hội, tâm lý,…) bằng những quy lật khống chế chủ yếu,

bỏ qua hay bỏ bớt những yếu tố phụ ngoại lai làm nhiễu loạn sự kiện Một số môhình lý tưởng tiêu biểu là mô hình toán về sự rơi tự do trong chân không, hệ thống

6 phương trình cơ bản Maxwells về điện – từ trường, động học chất điểm,

– Mô hình analogie: chỉ những hiện tượng rất khác xa nhau về bản chất vật lý

nhưng được mô tả bằng những phương trình (công thức) toán như nhau và các điềukiện đơn trị cũng giống nhau Do đó người ta có thể dung mô hình tương tự để

nghiên cứu những hiện tượng vật lý khác nhau Có thể kể ra một vài ví dụ về môhình analogie như mô hình “tương tự nhiệt điện” (Electro -Thermal AnalogyETA) hay mô hình “ tương tự thuỷ lực – nhiệt” (Hydro – Thermal of Fluid FlowAnalogy HTA).

III Mục đích của phương pháp Mô hình hóa

– Làm sáng tỏ vấn đề: chúng ta có thể đưa ra được các lỗi của hệ thống từ việc

tiếp cận trực quan đồ họa hơn là từ các dạng trình bày khác như văn bản, đoạn mã,

… Hơn nữa, việc mô hình hoá giúp chúng ta dễ dàng hiểu được cách thức hoạtđộng của vấn đề

– Mô phỏng được hình ảnh tương tự: hình thức trình bày của mô hình có thể

đưa ra được một hình ảnh giả lập như hoạt động thực sự của hệ thống thực tế, điềunày giúp cho người tiếp cận cảm thấy thuận tiện khi làm việc với mô hình (là hìnhảnh thu nhỏ của hệ thống thực tế)

– Gia tăng khả năng duy trì hệ thống: các ký hiệu trực quan có thể cải tiến khả

năng duy trì hệ thống Thay đổi các vị trí được xác định và việc xác nhận trực quantrên mô hình các thay đổi đó sẽ giúp làm giảm đi số lượng lỗi Do đó, chúng ta cóthể tạo ra các thay đổi nhanh hơn và các lỗi được kiểm soát hoặc xảy ra ít hơn

– Làm đơn giản hóa vấn đề: mô hình hoá có thể biểu diễn vấn đề ở nhiều mức,

từ mức tổng quát đến mức chi tiết, mức càng tổng quát thì ký hiệu sử dụng càng ít(do đó càng đơn giản hoá việc hiểu) và vấn đề được biểu diễn càng tổng quát

IV Cách tiến hành phương pháp Mô hình hóa

Từ khi phương pháp Mô hình hóa ra đời đến nay, các nhà khoa học đã sáng tạo

ra rất nhiều phương pháp khác biệt để mô hình hóa như phương pháp Descartes,phương pháp hệ thống, phương pháp hiện tượng, Nhìn chung, mỗi phương phápđều thể hiện một số ưu điểm và nhược điểm nhất định đối với công tác nghiên cứukhoa học Bài viết xin chỉ ra một quy trình cơ bản nhất để tiến hành phương pháp

Mô hình hóa bao gồm các bước sau đây:

– Đánh giá vấn đề, yêu cầu cần đạt được: sử dụng tư duy và các giác quan để

nhìn nhận vấn đề, phân loại các đối tượng và ý tưởng có liên quan

– Đưa ra một số giả thuyết : dự kiến một số lời giải thích khả thi cho vấn đề,

hiện tượng được nêu ra

– Thiết kế thử nghiệm: sử dụng các vật liệu, dụng cụ để tạo ra một mô hình

phù hợp với yêu cầu Tùy thuộc vào mục đích mà chúng ta quyết định loại mô hìnhcần xây dựng

– Thu thập dữ liệu: tiến hành những thử nghiệm trên mô hình, thu thập lại

những số liệu cụ thể, các hiện tượng xảy ra trong quá trình thử nghiệm

– Phân tích dữ liệu: từ những thông tin ghi lại được, tiến hành phân tích chi

tiết nguyên nhân, kết quả, ý nghĩa của vấn đề được nêu ra

– Rút ra kết luận và mở rộng vấn đề: rút ra kết luận cho vấn đề, hiện tượng và

đặt ra những câu hỏi liên quan để làm rõ vấn đề, từ đó có thể mở ra những nghiêncứu mới

V Lợi ích của phương pháp Mô hình hóa

– Là công cụ nghiên cứu hữu ích khi hệ không gian vật lý không tồn tại hoặctốn kém và tốn thời gian để xây dựng

– Cho phép quan sát, nghiệm thu, đánh giá trước khi tiến hành nghiên cứu, thínghiệm trên đối tượng, hiện tượng thực tế

– Là công cụ có chi phí thấp, dễ dàng xây dựng, tháo lắp và thay đổi trong suốtquá trình tiến hành công việc nghiên cứu

Tóm lại, phương pháp Mô hình hóa là một trong những phương pháp căn bản

và thiết yếu nhất đối với những người làm nghiên cứu khoa học Phương pháp này

đã đưa đến lời giải cho hàng loạt vấn đề quan trọng và thiết thực đối với cả lĩnhvực khoa học và thực tế đời sống xã hội Chính vì vậy, chúng ta cần phải nắm chắc

và áp dụng linh hoạt phương pháp Mô hình hóa để có thể phục vụ công tác nghiêncứu khoa học một cách hiệu quả và tối ưu nhất

CHƯƠNG II: MÔ HÌNH HÓA HỆ THỐNG GIAO THÔNG

I Thực trạng giao thông trên tuyến đường từ Nhổn => Cầu Giấy

1 Nút giao thông ngã tư Nhổn ( Nhổn – Đan Phượng – Xuân Phương – Tây Tựu )

Hình 1.1: Ngã tư Nhổn nhìn từ phía đường Xuân Phương

Đường Nhổn, Đan Phượng là tuyến đường 2 làn cho cả 2 chiều đi, mặc dù 2 làn đường rất rộng nhưng vẫn hay thường xuyên xảy ra tắc đường và tai nạn giao thông do một số người đi đường chưa có ý thức khi tham gia giao thông

Đường Xuân Phương và đường Tây Tựu là tuyến đường chỉ có 1 làn cho xe

đi cả 2 chiều nên rất hay thường xuyên xảy ra ắc tách và tai nạn giao thông

Ngã tư có hai trục đường kích thước hình học không đối xứng, cần bố trí cụm đèn tín hiệu cho phương tiện và người đi bộ 2 chiều theo 2 hướng như nhau

Đây là nút giao thông khá đặc biệt có tới 2 đường 1 làn đó là đường Xuân Phương

và đường Tây Tựu

2 Nút giao thông ngã tư Dịch Vọng Hậu ( Hồ Tùng Mậu – Xuân Thủy – Phạm Văn Đồng – Cầu Vượt Mai Dịch )

Hình 1.2: Nút giao thông Dịch Vọng.

Là trục đường 2 làn cho xe đi cả 2 chiều Ngã tư có hai trục đường với kích thước hình học không đối xứng, đặc biệt chiều rộng đường và lưu lượng xe khác nhau tương đối lớn, do đó khi bố trí các cụm đèn tín hiệu cho phương tiện và người

đi cần thêm đèn báo cho rẽ phải khi đèn đỏ (hướng Hồ Tùng Mậu Xuân Thủy để tránh ùn tắc bởi đường hẹp)

Nút giao thông này nối các khu dân cư đông đúc liền kề nhiều trường đại học như Đại Học Quốc Gia Hà Nội, Đại Học Ngoại Ngữ, Đại Học Thương Mại, Cao Đẳng Thương Mại và Du Lịch … nên lượng xe nhiều hơn hẳn Nút giao

thông này được coi là tiêu điểm ùn tắc giao thông của Thành Phố được thành phố

và các cơ quan đưa giải pháp nhằm giảm ách tắc tại đây

3 Nút giao thông Cầu Giầy (Xuân Thủy - Cầu Giấy - Nguyễn Phong Sắc -Trần Thái Tông ).

Hình 1.3: Nút giao thông Cầu Giấy.

Ngã tư có 2 trục đường với kích thước hình học không đối xứng và do

đó có cấu trúc đặc biệt, làn đường rộng với nhiều làn xe chạy nên ngoài 4 cột đèn tín hiệu giao thông cao 3,8m, tín hiệu đèn giao thông chính được đặt đối diện nơi thuận tiện cho người điều khiển phương tiện thấy dễ dàng Các cụm đèn tín hiệu gồm đèn cho phương tiện và người đi bộ qua 2 chiều được bố trí theo 2 hướng như nhau Nút giao thông này là nút giao thông quan trọng của thành phố, là hướng đi chủ yếu của các loại xe tải, contener Lượng xe đi qua ngã tư tuy không có xe tải vì

đã qua cầu vượt nhưng lượng xe con, xe khách và các phương tiện công cộng thì rất nhiều Nên ở nút này thường xuyên xảy ra ách tắc hàng giờ đồng hồ vào buổi sáng và chiều tan tầm Nút giao thông này nối các khu dân cư đông đúc liền kề

II Mô hình hóa hệ thống đèn giao thông

 Mở rộng phạm vi sử dụng: Hiện nay số lượng xe ở nước ta ngày càng

nhiều nên để đảm bảo cho giao thông không bị ùn tắc thì việc mở rộng lắpđặt các trạm đèn giao thông là vô cùng cần thiết

 Tiết kiệm thời gian và tiền bạc: Khi lắp đặt các cột đèn báo giao thông thì

sẽ tiết kiệm đưuọc rất nhiều thời gian và công sức so với khi cảnh sát giaothông phải đứng để phân làn

 Tự định hướng: Vì là hệ thống đèn tự động, hệ thống đèn sẽ dựa vào thời

gian được cài đặt sẵn mà đưa ra các tín hiệu phù hợp với các khoảng thờigian trong ngày

 Tự điều chỉnh: Với hệ thống đèn tự động, hệ thống sẽ tự động điều chỉnh

thời gian phù hợp với các khoảng thời gian trong ngày

 Tính linh hoạt: Hệ thống đèn tự động chuyển qua lại các chế độ dựa vào

thời gian do đó cảnh sát giao thông không cần phải đứng phân làn như ngàyxưa

 Tính đồng bộ: Do là hệ thống được lập trình nền các ngã tư với nhau sẽ

được lập trình để đồng bộ trạng thái đèn

 Hiệu quả: Việc sử dụng đèn giao thông vô cùng hiệu quả giúp giảm ùn tắc

và tai nạn giao thông đáng tiếc xẩy ra

Chương III: NGUYÊN TẮC HOẠT ĐỘNG CỦA ĐÈN GIAO

THÔNG

I Cấu tạo của hệ thống đèn giao thông tại 1 ngã tư.

Bao gồm:

- 04 cụm đèn giao thông điều khiển cho 1 giao lộ của 2 hướng đường

- 04 cụm đèn điều khiển giao thông cho phần đường người đi bộ

Hình 2.1: Mô tả một nút giao thông.

Hệ thống đèn giao thông hay là đèn điều khiển giao thông gồm hai cột đèn chính được lắp đặt tại hai đầu của hai làn đường khác nhau ở ngã tư Mỗi một cột đèn gồm 6 đèn đó là 3 đèn chính gồm: đèn xanh, đèn đỏ và đèn vàng; 2 đèn