Thiết kế hệ thống điều khiển phân tán đèn giao thông phạm vi đô thị

Các chức năng chính của một hệ thống quản lý, điều hành giao thông thành phố bao gồm: Giám sát giao thông; điều khiển đèn tín hiệu; quản lý, điều hành các phương tiện giao thông công cộn

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

-

NGUYỄN TRẦN HƯNG

ĐỀ TÀI: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN PHÂN TÁN

ĐÈN GIAO THÔNG PHẠM VI ĐÔ THỊ

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGÀNH: ĐIỆN TỬ VIỄN THÔNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:

TS NGUYỄN TIẾN DŨNG

HÀ NỘI - 2010

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT 3

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ 5

MỞ ĐẦU 7

Chương 1 - TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIAO THÔNG ĐÔ THỊ 8

1.1 Tổng quan về các hệ thống quản lý và điều hành giao thông đô thị trên thế giới.8 1.1.1 Hệ thống điều khiển giao thông thành phố Zurich, Thụy sĩ 8

1.1.2 Các trung tâm điều hành giao thông ở Mỹ (Houston, Los Angeles, Minesota, Chicago, Seattle, Phoenix, Destroit, San Antonio, Atlanta, Milwaukee) 9

1.1.3 Điều khiển và điều hành giao thông thành phố (UTMC) ở Anh 15

1.1.4 Hệ thống giao thông thông minh ở thành phố Luân đôn 17

1.1.5 Hệ thống điều hành giao thông ở thành phố Munich 21

1.1.6 Các dự án ITS ở Canada 23

1.1.7 Các hệ thống giao thông thông minh ở Ailen 24

1.1.8 Hệ thống giao thông thông minh ở Nhật bản 25

1.1.9 Quản lý, điều hành giao thông ở Singapore 26

1.2 Các hệ thống quản lý điều hành giao thông đô thị trong nước 27

1.2.1 Thành phố Hà nội 28

1.2.2 Thành phố Hồ Chí Minh 30

1.2.3 Thành phố Đà nẵng 31

1.3 Mô hình hệ thống quản lý điều hành giao thông thông minh đô thị việt nam 31

1.3.1 Sơ đồ cấu trúc tổng thể hệ thống 31

1.3.2 Các nhóm thiết bị chức năng 35

1.3.3 Lựa chọn phương thức truyền thông 39

1.3.4 Mô hình hệ thống quản lý phương tiện VTCC 44

2.1.2 Phân loại phần mềm mô phỏng giao thông 53

2.1.3 Các chức năng cơ bản của một phần mềm mô phỏng giao thông 53

2.1.4 Các hành vi thường được mô phỏng của phương tiện giao thông 54

2.2 Một số phần mềm mô phỏng giao thông tiêu biểu 56

2.2.1 Phần mềm CORSIM 56

2.2.2 Phần mềm SIMTRAFFIC 57

2.2.3 Phần mềm VISSIM 57

2.2.4 Phần mêm HUTSIM 58

2.2.5 Phần mềm Paramics 59

2.2.6 Phần mềm AIMSUN 60

2.2.7 Phần mềm WATSIM 61

Chương 3 - GIỚI THIỆU PHẦN MỀM SIMTRAFFIC VÀ ỨNG DỤNG 62

3.1 Giới thiệu phần mềm 62

3.2 Ứng dụng phần mềm vào trong phân tích điều khiển phân tán giao thông đô thị 68

3.2.1 Thiết lập các tham số đường 69

3.2.3 Mô phỏng 71

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT Viết tắt Viết đầy đủ Nghĩa tiếng Việt

UTMC Urban Traffic Management & Control Điều khiển và giám sát

giao thông đô thị

ITS Intelligent Transportation System Hệ thống vận tải thông

thông công cộng

SMS/GPRS Short Message Service/General Package

WAN Wide Erea Network Mạng diện rộng

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình 1.1 - Cấu trúc phân cấp hệ thống điều khiển giao thông 11

Hình 1.2 - Trung tâm điều hành giao thông 12

Hình 1.3 - Giám sát phương tiện giao thông 13

Hình 1.4 - Một số thiết bị trên đường 14

Hình 1.5 - Trung tâm điều khiển tín hiệu giao thông 15

Hình 1.6 - Chỉ dẫn bằng biển quang báo 16

Hình 1.7 - Sử dụng thông tin định vị và ảnh vệ tinh 17

Hình 1.8 - Cấu trúc UTMC ở Anh 18

Hình 1.9 - MTMC trên Internet 19

Hình 1.10 - Hệ thống giao thông thông minh ITS ở London 21

Hình 1.11 - Quản lý thông tin GIS trên Internet 22

Hình 1.12 - Hệ thống điều hành giao thông ở Munich 24

Hình 1.13 - Các dự án ITS ở Canada 26

Hình 1.14 - Hệ thống điều hành giao thông minh ở Nhật Bản 27

Hình 1.15 - Sơ đồ cấu trúc Hệ thống điều hành và quản lý giao thông thành phố 34 Hình 1.16 - Các phân hệ của hệ thống 35

Hình 1.17 - Sơ đồ chức năng Hệ thống điều hành quản lý giao thông thành phố 36

Hình 1.18 - Giao diện giám sát giao thông bằng camera 37

Hình 1.19 - Sơ đồ tổ chức trao dổi dữ liệu với trung tâm điều hành 42

Hình 1.20 - Sơ đồ kết nối truyền dữ liệu sử dụng phương pháp CSD 43

Hình 1.21 - Sơ đồ kết nối truyền dữ liệu sử dụng phương pháp GPRS 45

Hình 1.22 - Mô hình trao đổi dữ liệu người sử dụng và máy chủ 45

Hình 1.23 - Kiến trúc hệ thống quản lý mạng lưới xe Bus 48

Hình 2.1 - Giao diện phần mềm mô phỏng CORSIM 58

Hình 2.6 - Giao diện mô phỏng 3D phần mềm AIMSUN 62

Hình 2.7 - Giao diện thiết kế mô phỏng phần mềm AIMSUN 63

Hình 2.8 - Giao diện thiết kế mô phỏng phần mềm WATSIM 63

Hình 3.1 - Giao diện Map View 65

Hình 3.2 - Thiết lập các tham số đầu vào 66

Hình 3.3 - Xem lại toàn bộ các tham số đầu vào 66

Hình 3.4 - Thiết lập các tham số làn đường 67

Hình 3.5 - Thiết lập tham số phase từ thư viện sẵn có 68

Hình 3.6 - Xem lại toàn bộ các tham số thiết lập của nút giao thông 68

Hình 3.7 - Các bước thực hiện tối ưu hóa trong Syncho Plus 69

Hình 3.8 - Ứng dụng mô phỏng 3D 70

Hình 3.9 - Thiết lập các tham số mô phỏng điều khiển giao thông 71

Hình 3.10 - Thiết lập tham số cho đường phố 72

Hình 3.11 - Bảng tham số đường nút 2 73

Hình 3.12 - Bảng tham số nút cho nút 2 73

Hình 3.13 - Mô phỏng điều khiển giao thông tại nút 1 và nút 2 ……… 74

Hình 3.14 - Kết quả mô phỏng tín hiệu điều khiển giao thông nút 2 ……… 75

MỞ ĐẦU

Hệ thống quản lý, điều hành giao thông là công cụ không thể thiếu được trong công tác quản lý, điều hành nhằm khai thác tối đa hiệu quả mạng lưới giao thông thành phố, nhất là trong điều kiện giao thông thành phố bùng nổ hiện nay Các chức năng chính của một hệ thống quản lý, điều hành giao thông thành phố bao gồm: Giám sát giao thông; điều khiển đèn tín hiệu; quản lý, điều hành các phương tiện giao thông công cộng; quản lý phí giao thông; quản lý sự cố; quảng bá thông tin cho người tham gia giao thông; quản lý bến đỗ

Hệ thống giao thông đô thị trong nước ta đã được hình thành và đưa vào hoạt

động tại các thành phố lớn Tuy nhiên, mức độ tự động hóa và giám sát chưa cao cộng thêm mức độ phức tạp của các phương tiện tham gia giao thông và ý thức chấp hành luật lệ giao thông của người dân chưa cao cho nên các hệ thống này vẫn chưa phát huy được hết hiệu quả Chính vì vậy, xây dựng một hệ thống quản lý, điều hành giao thông thành phố là bài toán bức thiết hiện nay

Trong nội dung Luận văn em đã tiến hành nghiên cứu hệ thống quản lý điều hành giao thông ở các nước tiên tiến trên thế giới; đánh giá thực trạng giao thông đô thị các thành phố lớn tại Việt Nam, nghiên cứu các phần mềm mô phỏng giao thông trong nước và nước ngoài; thực hành mô phỏng nút giao thông tại thành phố Hà Nội

và đưa ra các tham số mô phỏng Tuy nhiên, do hạn chế về chức năng phần mềm và thực tế phức tạp của giao thông đang diễn ra nên kết quả mô phỏng mang tính tham khảo và có thể được áp dụng trong tương lai, khi các phương tiện tham gia giao thông chủ yếu là xe ô tô, xe tải, xe bus

Chương 1 - TỔNG QUAN HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN GIAO THÔNG ĐÔ THỊ

1.1 Tổng quan về các hệ thống quản lý và điều hành giao thông đô thị trên thế giới

Hệ thống giao thông tại các thành phố lớn hiện nay ngày càng trở nên phức tạp: mạng lưới đường xá rộng, lưu lượng giao thông lớn, thành phần các phương tiện tham gia giao thông hiện đại và nhất là yếu tố phục vụ con người, giữ gìn môi trường ngày càng được quan tâm Vì vậy vấn đề xây dựng các hệ thống quản lý, điều hành giao thông đô thị trở nên bức xúc hơn bao giờ hết Trong đó không thể thiếu được vai trò ứng dụng các công nghệ khoa học kỹ thuật tiên tiến Dưới đây là tình hình triển khai các hệ thống quản lý, điều hành giao thông ở một số thành phố lớn trên thế giới

1.1.1 Hệ thống điều khiển giao thông thành phố Zurich, Thụy sĩ

Trong thành phố Zurich việc áp dụng máy tính để điều khiển giao thông đã được áp dụng từ những năm 70 Tuy nhiên, với sự phát triển nhanh chóng của công nghệ thông tin gần đây trong các năm 1991-1995 hệ thống điều khiển giao thông (với hơn 200 nút) đã được nâng cấp, phát triển Hệ thống điều khiển giao thông được xây dựng bởi Viện công nghệ liên bang Thuỵ sĩ và các công ty công nghiệp trong nước Mục tiêu của giải pháp kỹ thuật xây dựng hệ thống là:

Hệ thống có khả năng trao đổi thông tin qua mạng nội tuyến giữa các nút và ngoại tuyến với các ứng dụng khác

Hệ thống cung cấp giao diện thân thiện với người sử dụng trong việc xây dựng

và bảo trì

Hệ thống được mô đun hóa

Cấu trúc phân cấp hệ thống điều khiển giao thông được mô tả qua hình dưới đây

Hình 1.1 - Cấu trúc phân cấp hệ thống điều khiển giao thông

1.1.2 Các trung tâm điều hành giao thông ở Mỹ (Houston, Los Angeles, Minesota, Chicago, Seattle, Phoenix, Destroit, San Antonio, Atlanta, Milwaukee)

Ý tưởng về trung tâm điều hành giao thông ở Mỹ đã nảy sinh từ những năm 60

và 70 khi lượng giao thông tăng nhảy vọt và việc xây dựng các đường giao thông mới chậm lại, không còn đáp ứng được nhu cầu giao thông nữa Khi đó bắt buộc phải tìm kiếm các giải pháp nâng cao hiệu quả giao thông mà không cần đến sự mở rộng của cơ sở hạ tầng Việc thành lập các trung tâm điều hành giao thông (Traffic Management Centers – TMC) như hạt nhân cơ bản trong các hệ thống quản lý, điều hành giao thông là một trong các giải pháp quan trọng đó

TMC là công cụ để tiến hành việc quản lý và phối hợp các chủ thể tham gia giao thông Có thể coi đó là nơi thu thập, xử lý các thông tin về mạng lưới giao thông, kết hợp với các thông tin điều hành, điều khiển khác để đưa ra các thông tin trợ giúp cho người quản lý, điều hành hệ thống giám sát hoạt động hệ thống GTVT

và quyết định các chiến lược điều khiển thích hợp

Hình 1.2 - Trung tâm điều hành giao thông

1.1.2.1 Các trung tâm điều hành đường bộ

Trung tâm điều hành đường bộ chịu trách nhiệm giám sát và điều khiển giao thông trên các xa lộ liên tỉnh Các hoạt động của nó tập trung vào việc phát hiện, kiểm tra và giải quyết các tai nạn xảy ra, gây cản trở giao thông; cung cấp thông tin cho người tham gia giao thông; tối ưu hoá khả năng thông qua của đường bằng các biện pháp tích cực như điều khiển các nút nhập, tách dòng

Trung tâm nhận các thông báo về tai nạn qua mạng các cảm biến (các vòng cảm ứng- loop detetor, radar, …) liên tục giám sát dòng giao thông (tốc độ, mật độ, …), các cuộc gọi khẩn cấp, các hệ thống thông tin trên xe và các camera giám sát Các thông báo nhận được được kiểm tra lại qua hệ thống camera giám sát

Sau đó, trung tâm đưa ra các biện pháp giải quyết tình huống bao gồm việc lập biên bản, cấp cứu, sửa chữa phương tiện, đặt biển báo hiệu, thông báo qua sóng radio

Hình 1 3 - Giám sát phương tiện giao thông

Hình 1.4 - Một số thiết bị trên đường

1.1.2.2 Các trung tâm điều khiển tín hiệu giao thông

Trung tâm giám sát dòng giao thông trên các đường phố và can thiệp vào việc hiệu chỉnh thời gian đặt tín hiệu đèn giao thông cần thiết Giống như các trung tâm điều hành đường bộ, trung tâm điều khiển tín hiệu giao thông có trách nhiệm giám sát, phát hiện và giải quyết các tình huống tai nạn giao thông Nó cũng có thể phối hợp với trung tâm điều hành đường bộ để phân luồng các tuyến ra vào thành phố hợp lý khi có sự cố xảy ra

Hình 1.5 - Trung tâm điều khiển tín hiệu giao thông

1.1.2.3 Các trung tâm điều hành vận tải transit

Nhiệm vụ của chúng là điều hành các đội xe buýt hoặc xe bánh sắt làm chức năng vận chuyển transit sao cho tối ưu hoá thời gian cho hành khách và hiệu quả kinh tế việc phối hợp các phương tiện vận chuyển trong hệ thống

Các chức năng chính của các trung tâm điều hành giao thông bao gồm:

Quản lý đường bộ: giám sát và điều khiển dòng giao thông Nó bao gồm các việc cân bằng tích cực các tuyến, đặt tốc độ thích hợp cho các tuyến và điều khiển việc tách nhập dòng

Quản lý sự cố: báo hiệu cho người giao thông về các tình huống nguy hiểm, không an toàn, tuần tra, phát hiện các sự cố, giải quyết sự cố, vận chuyển phương tiện ra khỏi địa điểm xảy ra tai nạn, …

Quản lý phương tiện: giám sát và điều hành các đoàn xe đang hoạt động trên đường Điểm mấu chốt là giám sát được vị trí phương tiện giao thông (tự động hoặc không tự động qua đường thông báo radio), từ đó xác định xem phương tiện có bám

Thông tin và điều khiển hệ thống (SCADA): chức năng này được thực hiện bởi nhiều TMC khác nhau, ví dụ ở các hầm tunel, đó là các hệ thống thông gió, giám sát an toàn, chống cháy, …

Quảng bá thông tin: cung cấp các thông tin cần thiết đến người tham gia giao thông thông qua các phương tiện như biển báo điện tử (variable message signs), phát thanh trên đường, báo chí, internet, điện thoại, …

Hình 1 6 - Chỉ dẫn bằng biển quang báo

Hình 1.7 - Sử dụng thông tin định vị và ảnh vệ tinh

Đánh giá các hiệu quả:

Giảm thời gian giải quyết sự cố, giảm tỷ lệ tai nạn giao thông Các kết quả điều tra cho thấy tỷ lệ tai nạn giảm 25%, tốc độ giao thông trung bình trong giờ cao điểm tăng 35% và khả năng thông qua tăng 22% sau khi các trung tâm điều hành giao thông được đưa vào sử dụng

Tăng an toàn

Giảm ách tắc

Tăng lượng thông tin cho các bài toán quản lý giao thông (lập kế hoạch, thiết

kế, xây dựng, vận hành, bảo dưỡng)

Cổng giao tiếp với các hệ thống ngoài, chẳng hạn các UTMC khác, các hệ thống đếm xe và giám sát xe khác

Tuyển chọn các giải pháp giám sát, phân tích, điều khiển giao thông

Cơ sở dữ liệu chung: lưu trữ thông tin và sẵn sàng cung cấp cho các thành phần khác của hệ thống, cho các hệ thống khác và cho người điều hành

Các cổng giao tiếp với các trạm ngoại tuyến và từ các trạm ngoại tuyến đến các thiết bị điều khiển

Hình 1 8 - Cấu trúc UTMC ở Anh

Cấu trúc lôgic hệ thống

Cấu trúc lô gic của các UTMC định nghĩa các UTMC bằng các nút và các liên kết

Có 5 loại nút:

Nút A: các hệ thống khác – các UTMC khác, các hệ thống liên thành phố, …; Nút B: trung tâm điều hành giao thông Về mặt logic có một trung tâm nhưng

nó có thể phân bố trên các toà nhà hoặc máy tính khác nhau;

Nút C: trạm ngoại tuyến thông minh, có thể điều khiển một số thiết bị điều khiển và trao đổi thông tin với các nút C khác;

Nút D: các thiết bị điều khiển, chẳng hạn bảng quang báo điện tử, bộ điều khiển đèn tín hiệu, …

Nút C: các thiết bị di động (trên xe)

Hình 1 9 - MTMC trên Internet

1.1.4 Hệ thống giao thông thông minh ở thành phố Luân đôn

Các giải pháp giao thông thông minh ở thành phố Luân đôn bao gồm: đèn đỏ

và tốc độ, ưu tiên phương tiện vận tải công cộng, thông tin cho người tham gia giao thông, quản lý bến đỗ xe, điều khiển nút, trung tâm điều hành và điều khiển giao thông thành phố, quản lý sự cố, trợ giúp ngưòi tàn tật, hệ thống thông tin cho người lái xe, mạng các camera giám sát, làn xe riêng cho xe buýt

Hình 1.10 - Hệ thống giao thông thông minh ITS ở London

Hình 1.11 - Quản lý thông tin GIS trên Internet

1.1.5 Hệ thống điều hành giao thông ở thành phố Munich

Hệ thống điều hành giao thông ở thành phố Munich(CHLB Đức) được triển khai thông qua dự án có tên là MOBINET do Bộ Giáo dục và Nghiên cứu tài trợ

Dự án MOBINET xây dựng một cấu trúc hệ thống mở để điều khiển giao thông đường phố theo chiến lược điều hành sau:

- Ở mức độ cục bộ, sử dụng các phương pháp điều khiển thích nghi đáp ứng với những thay đổi ngắn hạn về lượng các sự kiện giao thông có thể (chẳng hạn, yêu cầu ưu tiên với giao thông công cộng) theo các mục tiêu định trước Các phản ứng này tiến hành trong khuôn khổ định trước ở mức chiến thuật Đồng thời các số liệu

vi mô thu thập được theo từng giây ở mức này sẽ được truyền lên mức chiến thuật

- Trên cơ sở các thông tin thu thập được về dòng giao thông các phương pháp điều khiển thích nghi ở mức chiến thuật được sử dụng để đánh giá quan hệ giữa các điểm xuất phát và đến trên mạng giao thông, đưa ra những dự báo ngắn hạn và trung hạn về lưu lượng giao thông Trên cơ sở đó kết hợp với các mô hình công tác tương ứng xác định phương án tổng quát tối ưu theo mục tiêu đã định

- Mức chiến lược có nhiệm vụ giám sát việc điều khiển và tình hình giao thông

đã thiết lập Tại đây cần có các công cụ phần mềm trợ giúp cho người quản lý ra các quyết định điều hành Có thể phân chia ở đây ra các hệ thống con làm từng nhiệm

vụ riêng biệt như vận tải công cộng, giao thông thành phố, quản lý đường xá, … Điều quan trọng là phối hợp được hoạt động của các hệ thống này để đạt được hiệu quả của chính sách giao thông tổng quát và tối ưu hoá các khả năng thông qua của toàn bộ hệ thống giao thông

Dự án dự kiến hoàn thành vào giữa năm 2003

Cấu trúc hệ thống điều hành giao thông mới ở CHLB Đức được mô tả trên hình vẽ sau:

1.1.6 Các dự án ITS ở Canada

Các ITS nhận được sự quan tâm rất lớn ở Canada Từ năm 1999 Bộ giao thông Canada đã hỗ trợ 18 triệu USD cho các dự án và nghiên cứu ITS Tổng số các dự án được hỗ trợ là 25 và mỗi dự án được hỗ trợ 250.000 USD Ví dụ, dự án lắp đặt và tích hợp công nghệ video vào hệ thống quản lý giao thông sẵn có ở thành phố Burlington có chi phí là 525.800 USD, được hỗ trợ 246.640 USD, dự án tích hợp hệ thống quản lý bằng video để tự động phát hiện sự cố trên đường vào hệ thống điều hành giao thông hiện tại ở thành phố Toronto có chi phí 325.000 USD được hỗ trợ 150.000 USD, dự án “Societe de transport de Laval” về ứng dụng công nghệ GPS trong tăng cường cung cấp dịch vụ thông tin thời gian thực cho người tham gia giao thông có chi phí 3.500.000 USD được hỗ trợ 250.000 USD …

Hình 1.13 - Các dự án ITS ở Canada

1.1.7 Các hệ thống giao thông thông minh ở Ailen

Nhu cầu đòi hỏi ngày càng tăng về điều khiển giao thông hiệu quả trong các thành phố bắt buộc các cơ quan lãnh đạo nhiều thành phố khác nhau ở Ailen phải sử dụng các ITS để tối đa hoá chất lượng mạng lưới giao thông Thành phần cơ bản của ITS là hệ thống điều khiển giao thông thích nghi có nhiệm vụ giám sát dòng giao thông suốt 24h/ngày, hiệu chỉnh thời gian và phối hợp các đèn tín hiệu và thông báo các lỗi tín hiệu cho các cán bộ điều hành giao thông ở thành phố Dublin

hệ thống thích nghi có tên SCATS không đòi hỏi việc định trước các thời gian đèn tín hiệu Các bộ cảm biến thu thập thông tin về dòng giao thông và truyền về các phần mềm SCATS Máy tính và các thuật toán cài đặt trong các tủ điều khiển ở các nút phân tích, tính toán trong thời gian thực các thời gian tín hiệu đèn giao thông phù hợp với điều kiện giao thông thực tế Ban đầu SCATS được lắp đặt ở Dublin cho 32 nút Sau đó, dần dần hệ thống được mở rộng và hiện nay đã điều khiển cho hơn 400 nút trong khu vực Dublin Hệ thống điều khiển giao thông thích nghi là công cụ hữu hiệu để giảm ách tắc và điều hành giao thông Hệ thống SCATS cũng

được lắp đặt ở thành phố Waterford và một hệ thống tương tự, có tên SCOOT, hiện được triển khai ở các thành phố Cork và Limerick

1.1.8 Hệ thống giao thông thông minh ở Nhật bản

Nhật bản là một trong các nước đầu tiên trên thế giới nghiên cứu và triển khai

hệ thông điều khiển giao thông thông minh (ITS), từ năm 1973 Hệ thống ITS là một tổng thể hệ thống lớn bao gồm các thành phần chính như đường, xe, người và các trung tâm điều hành, được liên kết bằng các luồng thông tin xử lý trên nền tảng các công nghệ hiện đại như công nghệ thông tin, công nghệ điện tử, … Qua nhiều giai đoạn hoàn thiện, nâng cấp, bức tranh về cấu trúc tổng quát hệ thống ITS có dạng như sơ đồ sau

Trên cơ sở hệ thống ITS, phục vụ công tác điều hành và kiểm soát giao thông Nhật bản đã xây dựng hệ thống quản lý giao thông tổng thể (Universal Traffic Management System – UTMS) Đây là một hệ thống tích hợp các hệ thống quản lý giao thông: hệ thống giao thông thông minh ITS, hệ thống điều khiển giao thông tích hợp (ITCS – Integrated Traffic Control Systems), hệ thống thiết bị thu nhận tín hiệu bằng hồng ngoại (Infrated Beacon system), hệ thống thông tin di động nâng cao (AMIS – Advanced Mobile Information System), hệ thống ưu tiên giao thông công cộng (PTPS – Public Transportation Priority System), hệ thống kiểm soát tác nghiệp di động (MOCS – Mobile Operation Control System), hệ thống chỉ dẫn đường linh hoạt (DRGS – Dynamic Route Guidance System), hệ thống quản lý bảo

vệ môi trường (EPMS – Environment Protection Management System), hệ thống hỗ trợ lái xe an toàn (DSSS – Driving Safety Support System), hệ thống hỗ trợ các trường hợp khẩn cấp (HELP – Help system for Emergency Life saving and Public safety), hệ thống thông tin dành cho người đi bộ (PICS – Pedestrian Information and Communication System), hệ thống dành cho xe có độ ưu tiên cao (FEVPS – Fast Emergency Vehicle Preemtion System)

1.1.9 Quản lý, điều hành giao thông ở Singapore

Singapore là một hòn đảo, vừa là một quốc gia vừa là một thành phố, với diện tích 640 km2 và 3 triệu dân (1996) Singapore là một trong số ít các nước châu Á thành công trong việc quản lý cơ sở hạ tầng giao thông Tốc độ giao thông thành phố Singapor nhanh hơn nhiều so với đa số các thành phố châu á, mặc dù tỷ lệ xe ô

tô tăng nhanh chóng (tỷ lệ ô tô/hộ gia đình tăng từ 1:4 năm 1980 đến 1:3 năm 1993) Sở dĩ đạt được kết quả trên là do Singapor đã có được nhiều chính sách phát triển hợp lý, bao gồm:

Kết hợp việc lập kế hoạch GTVT với diện tích đất sử dụng để tối thiểu hoá nhu cầu đi lại;

Phát triển mạng đường giao thông hợp lý, bao gồm việc tối đa hoá khả năng thông qua;

Quản lý số lượng xe ô tô và nhu cầu sử dụng đường để tránh xảy ra tắc nghẽn giao thông;

Phát triển giao thông công cộng, đặc biệt là các phương tiện vận chuyển khối lượng lớn và xe lửa

Để nâng cao chất lượng quản lý, điều hành phương tiện giao thông Singapor tích cực sử dụng các công nghệ điện tử tiên tiến như thu phí tự động, sử dụng chip thông minh, …

1.1.10 Hệ thống điều hành giao thông ở Bắc kinh

Để chuẩn bị cho Olympic 2008, thành phố Bắc kinh dự định xây dựng hệ thống quản lý giao thông thông minh Trong đó có 2 hệ thống chính và 8 dự án được tiến hành Hai hệ thống chính là hệ thống đèn tín hiệu thông minh và hệ thống thông tin quản lý tiên tiến Tám dự án bao gồm:

- Phát triển và mở rộng hệ thống quản lý thông tin động và trực tuyến các đường thành phố;

- Nâng cấp hệ thống đèn tín hiệu thông minh;

- Xây dựng hệ thống quản lý giao thông thông minh tích hợp;

- Xây dựng hệ thống thông tin vô tuyến cho quản lý giao thông;

- Xây dựng hệ thống an toàn mạng thông tin thông minh;

- Xây dựng mạng dịch vụ tích hợp thông tin quảng bá;

- Xây dựng và nâng cấp hệ thống khai thác thông tin quản lý giao thông tích hợp;

- Lắp đặt hệ thống phân phối thông tin quản lý giao thông

1.2 Các hệ thống quản lý điều hành giao thông đô thị trong nước

Trong nước ta hiện nay yêu cầu cải thiện tình hình giao thông tại các thành phố lớn hiện nay đang trở nên bức xúc hơn bao giờ hết Theo Viện chiến lược và phát triển GTVT, hiện mạng lưới giao thông đô thị Việt nam mới chỉ có đường bộ, chưa có đường sắt trên cao, tầu điện ngầm; các giao cắt chủ yếu là đồng mức; tỷ lệ đất dành cho giao thông đô thị quá thấp (ở Hà nội là 2,5%, ở thành phố Hồ Chí

tắc nghẽn giao thông tăng cả về điểm lẫn tần suất, đặc biệt ở 2 thành phố lớn là Hà nội và thành phố Hồ Chí Minh

Trong hoàn cảnh phát triển của nước ta, về mặt KHCN, các giải pháp cải thiện giao thông, phòng chống ách tắc được đề ra gồm nhiều khía cạnh như cải tạo nút,

mở đường, bố trí đèn tín hiệu, tổ chức giao thông, tăng cường đầu tư hệ thống giao thông công cộng, …trong những năm vừa qua có mang lại một số kết quả nhất định Tuy nhiên có thể thấy rõ còn nhiều bất cập như thiếu các giải pháp quản lý, điều hành tổng thể, việc tính toán phân luồng, định tuyến, chu kỳ đèn tín hiệu nhiều nơi còn chưa hợp lý, thậm chí phản tác dụng, chưa có hệ thống giám sát, điều hành giao thông kịp thời, thuận tiện, hiệu quả, … Các dự án về quy hoạch do nước ngoài tài trợ đều gác lại những vấn đề gai góc của giao thông đô thị Các dự án về hệ thống đèn tín hiệu giao thông Hà nội, Thành phố Hồ Chí Minh, … mới chỉ dừng ở việc lắp đặt đèn và camera giám sát, còn các chế độ đèn có phù hợp, tối ưu với thực

tế diễn biến của dòng giao thông hay không thì chưa giải quyết được trọn vẹn Hệ thống giao thông công cộng mà chủ yếu là xe buýt phát triển trong vài năm gần đây

đã đem lại lòng tin, thói quen sử dụng cho người dân thành phố nhưng hệ thống điều hành, quản lý chưa được hoàn thiện, hiện đại, chưa đảm bảo thông tin hai chiều giữa lái xe và trung tâm

Về mặt quản lý, một số yếu tố khách quan đã làm trở ngại giảm hiệu quả công tác quản lý, điều hành giao thông đô thị Thứ nhất, đó là cơ chế quản lý chồng chéo giữa Sở Giao thông công chính và Trung tâm điều khiển giao thông (do Sở Công an quản lý); thứ hai, các hệ thống quản lý, điều hành, điều khiển giao thông chủ yếu được triển khai qua các dự án nước ngoài (vốn, thiết bị) nên không đồng bộ, bị phụ thuộc trong khai thác, phát triển, …

Dưới đây là tình hình quản lý, điều hành giao thông ở một số thành phố lớn trong nước

1.2.1 Thành phố Hà nội

Trong số hơn 400 nút giao thông cần lắp đèn tín hiệu của Hà nội hiện có 108 nút đã lắp đèn Hiện nay Hà nội đang dùng hệ thống trung tâm điều khiển giao

thông của Sagem (Pháp) cũng khá hiện đại Tại đây, ngoài việc quản lý hệ thống đèn tín hiệu tại các nút, còn có hệ thống camera giám sát tình hình giao thông tại một số nút

Gần đây ở Hà nội đã triển khai một dự án mới, đó là dự án “Tăng cường năng lực giao thông đô thị Hà nội” với tổng mức đầu tư là 24,78 tr USD (trong đó, phần vay của ngân hàng thế giới là 22 tr USD) Từ năm1998-2005 Ban Quản lý dự án giao thông đô thị đã hoàn thành hầu hết 16 gói thầu của dự án: thảm đường, vạch sơn, đắp con trạch, thay đèn, … Trong đó, thành phố đã dành khoảng 2,5 tr USD tiền vay để lắp đặt 78 nút đèn (55 nút lắp đặt mới và 23 nút điều chỉnh lại) và xây dựng trung tâm điều khiển Hệ thống máy tính trung tâm mới được đưa vào hoạt động song song với hệ thống trung tâm Sagem tại 40 Hàng Bài Hệ thống máy tính trung tâm điều khiển giao thông rất hiện đại, dựa trên bộ phát hiện lượt phương tiện giao thông đi qua nút kiểm soát, sau đó truyền thẳng về trung tâm điều khiển trên màn hình 125 inch, từ các dữ liệu trên, máy tính sẽ tự xử lý toàn bộ thông tin và tự điều chỉnh khoảng thời gian đèn ở các nút phù hợp với tình hình giao thông

Toàn bộ hệ thống dèn tín hiệu ở các nút đều sử dụng hệ thống đèn LED, công nghệ mới từ 5 năm trở lại đây, có tuổi thọ cao, tiêu thụ năng lượng thấp bằng 1/10 đèn bình thường nhưng lại có độ phát sáng cao Giá thành các nút đèn mới khoảng

450 tr.VNĐ/nút (trong khi ở các nút đèn trước đây khoảng 200 tr.VNĐ/nút)

Một đặc điểm thuận lợi khi điều khiển giao thông của hệ thống đèn điều khiển giao thông mới này là phân pha từ 3 pha trở lên, có thể điều khiển phương tiện đi theo từng làn, xe đi làn nào thì nhìn đèn làn đó Hệ thống đèn này áp dụng theo nguyên lý đèn nhìn xa, được đặt trên các công son có tĩnh không thấp nhất 4,5m đảm bảo chiều cao cho các xe qua lại

Một đặc điểm khác biệt nữa của hệ thống điều khiển giao thông này là người đi

Ngoài ra, hệ thống điều khiển giao thông Sagem sẽ gom lại thành một khu vực, hệ thống điều khiển mới một khu vực để việc điều khiển được dễ dàng hơn Trên thực tế (Vietnamnet 28/10/2005) đến nay nhà thầu Tyco đã lắp đặt được 49/78 nút đèn trong đó có 29 nút đèn đã hoạt động Nguyên nhân 20 nút đèn không thể hoạt động là do chưa có đường điện Hiện chưa thể khẳng định bao giờ các nút đèn mới hoạt động, nhà thầu Tyco chưa khẳng định khi nào mới quay lại thực hiện tiếp hợpđồng (bỏ từ ngày 29/8/2005) Nguyên nhân ban đầu: chủ đầu tư thanh toán chậm,nhiều thủ tục cản trở thi công…

1.2.2 Thành phố Hồ Chí Minh

Thành phố Hồ Chí Minh có trên 1300 giao lộ và một hệ thống đèn tín hiệu cũ (có những đèn có trước ngày giải phóng, có đèn mới lắp đặt gần đây nhưng không đồng bộ về mặt hình thức hoặc không còn phù hợp với tiêu chuẩn kỹ thuật trong Luật Giaothông đường bộ hiện hành …)đã được lắp đặt ở hơn 200 giao lộ Tất cả các chốt đèn cũ đều là những đèn hoạt động độc lập, không có sự nối kết với nhau Trong Dự án tăng cường năng lực quản lý giao thông đô thị có thực hiện lắp đặt hệ thống đèn tín hiệu giao thông mới tại 120 giao lộ thuộc khu vực trung tâm thành phố, kinh phí khoảng 3,5 tr USD Đây là hệ thống đèn tín hiệu của hãng Itaka (Tây ban nha), gồm 4 cấu phần: bộ phận đèn tín hiệu, thiết bị cảm ứng cảm ứng để đếm mật độ xe đặt ngầm dưới lòng đường, tủ điều khiển tại mỗi giao lộ cho chốt đèn đó, hệ thốngcáp truyền tín hiệu từ các giao lộ nối kết về Trung tâm điều khiển giao thông đặt tại Phòng CSGT Đường bộ (số 341 Trần Hưng Đạo, Quận 1)

Đến nay, sau một thời gian ngắn hoạt động, hệ thống đã bộc lộ một số khuyết điểm như chu kỳ đèn bất hợp lý, mắc các lỗi “ngớ ngẩn” (Vietnamnet 27/10/2005),

… Một trong các nguyên nhân được đưa ra là: phần mềm ghi nhận mật độ xe trên mặt đường tại các giao lộ của các máy vi tính trung tâm bị lỗi, phía đối tác (Tây ban nha) chỉ cung cấp cho trung tâm phần mềm sử dụng mà không cung cấp mã nguồn nên việc chỉnh sửa, nâng cấp, mở rộng rất khó khăn Trong khi đó, qua các đợt chuyển giao công nghệ mà phía đối tác tổ chức, chỉ có 30% học viên tiếp thu được những kiến thức cơ bản về cách vận hành, sử dụng của hệ thống điều khiển đèn

Trong 2 năm 2004-2005 UBND TP HCM cũng đã đầu tư cho dự án lắp đặt thêm 22 camera quan sát giao thông tại các giao lộ với kinh phí khoảng 10 tỷ đồng

Về vận tải hành khách công cộng đến tháng 9/2004 thành phố Hồ Chí Minh có

32 đơn vị vận tải đăng ký tham gia khai thác bằng xe buýt, tổng số đầu xe hoạt động buýt là 2508 xe, thực hiện khai thác trên 115 tuyến xe buýt (trong đó có 82 tuyến buýt thử nghiệm) với tổng số 1.865 km Gần đây (3/12/2005) thành phố Hồ Chí Minh đã đưa vào hoạt động xe buýt 2 tầng Tuy nhiên một mặt tỷ lệ vận tải hành khách bằng xe buýt vẫn còn thấp, mặt khác, theo chủ trương xã hội hoá hoạt động khai thác, nhiều đơn vị tư nhân tham gia đã làm nảy sinh một số bất cập trong quản

Theo đó, sẽ xây dựng một hệ thống điều khiển và theo dõi giao thông bao gồm: nhà điều khiển, camera quan sát, hệ thống theo dõi, truyền dẫn, xử lý, giải quyết giao thông, các phần mềm, chương trình quản lý và công tác đào tạo, chuyển giao công nghệ

Theo dự án này, trên toàn địa bàn thành phố sẽ có 77 vị trí đặt chốt đèn và 20

vị trí đặt camera quan sát Các vị trí này sẽ được liên kết với trung tâm điều khiển thông qua hệ thống cáp quang Từ các dữ liệu thu thập được ở các chốt, các phần mềm chuyên ngành sẽ tiến hành tính toán và cung cấp cho trung tâm các số liệu cần thiết để can thiệp và điều khiển kịp thời (Vietnamnet 26/5/2008)

- Tính hiện đại: áp dụng được các công nghệ mới, phù hợp với xu hướng phát triển của thế giới,

- Tính khả thi: phù hợp với điều kiện kinh tế, cơ sở hạ tầng và đặc thù giao thông Việt nam, có khả năng triển khai ngay hoặc trong tương lai rất gần

- Phát huy được hiệu quả khai thác hệ thống đường giao thông và mạng lưới phương tiện vận tải: giảm thiểu ách tắc, tối ưu hóa khả năng thông qua của mạng lưới giao thông (mà không xét đến sự cải tiến cơ sở hạ tầng về đường xá), tăng cường khả năng giám sát quản lý, điều hành các phương tiện vận tải,

- Tăng tính tiện lợi cho người tham gia giao thông: đảm bảo cung cấp các thông tin cần thiết kịp thời cho người tham gia giao thông

Trên cơ sở xem xét các hệ thống quản lý, điều hành tiên tiến trên thế giới một

mô hình cấu trúc tổng quát có thể được thực hiện ở Việt nam

Hình 1.15 - Sơ đồ cấu trúc Hệ thống điều hành và quản lý giao thông thành phố

Hệ thống gồm có 4 phân hệ chính:

- Các trung tâm quản lý, điều hành, điều khiển: quản lý đường, quản lý xe,

quản lý thu phí, điều khiển tín hiệu, …

- Các hệ thống thiết bị trên đường: camera giám sát, đèn tín hiệu, bảng thông báo, …

- Các hệ thống thiết bị trên xe: thiết bị thu thập thông tin về trạng thái xe, màn hình hiển thị …

- Người tham gia giao thông: các bảng thông báo lịch trình xe, các hệ thống thông tin hỏi đáp về giao thông, điện thoại, …

Ngoài ra, môi trường hệ thống ở đây được coi là các cơ quan bên ngoài có tác động qua lại với hệ thống như công an, ngoại giao, du lịch, …

Dưới đây là minh hoạ một số hệ thống con nằm trong hệ thống trên:

Trong phạm vi nghiên cứu của đề tài, từ mô hình cấu trúc tổng quát hệ thống quản lý, điều hành giao thông thành phố - trên chúng tôi lựa chọn một mô hình đơn giản, khả thi về hệ thống điều khiển giao thông thành phố thông minh sau, cùng các cụm thiết bị nghiên cứu thiết kế chế tạo:

Hình 1.17 - Sơ đồ chức năng Hệ thống điều hành quản lý giao thông thành phố

Đặc điểm của mô hình đề ra ra tạo được chu trình kín về thông tin trong hệ thống

Dòng thông tin này được bắt đầu từ việc thu thập dữ liệu về trạng thái thực hệ thống giao thông, bao gồm: thông tin về lưu lượng, vận tốc dòng xe trên đường (thông qua giải pháp đếm xe bằng camera), thông tin về vị trí, vận tốc của xe (trên

cơ sở sử dụng công nghệ định vị toàn cầu GPS) Các thông tin này được truyền về trung tâm điều hành ở đây với sự trợ giúp của một số các thiết bị khác như bản đồ điện tử, phần mềm mô phỏng, cơ sở dữ liệu GIS, các thuật toán điều khiển giao thông, … người quản lý, điều hành giao thông có thể nhanh chóng đưa ra các phương

án điều khiển giao thông tối ưu như phân luồng, điều khiển chu kỳ đèn tín hiệu, …

Cuối cùng những thông tin điều khiển đó được đưa đến người tham gia giao thông dưới các hình thức như thông báo bằng các bảng quang báo điện tử đặt trên đường, điện thoại di động, màn hình đặt trước người lái xe, đèn tín hiệu, …

Phương án truyền thông sử dụng ở đây được lựa chọn trên cơ sở tận dụng tối đa các

cơ sở hạ tầng truyền thông đã có trong nước như mạng điện thoại di động và cố định, hệ thống cáp quang, … nhằm giảm thiểu chi phí đầu tư xây dựng

1.3.2 Các nhóm thiết bị chức năng

1.3.2.1 Hệ thống giám sát dòng xe trên đường bằng camera

Thu thập các thông tin về dòng xe trên đường (lưu lượng, vận tốc, …) là yêu cầu quan trọng đầu tiên để quản lý và điều hành giao thông Trên thế giới vấn đề này đã được quan tâm từ rất lâu và có nhiều hướng giải quyết như sử dụng ra da, sóng vi ba (cực ngắn), thiết bị ống cảm ứng, cảm ứng vòng dây, …, trong đó hiện đại nhất là sử dụng công nghệ xử lý ảnh camera Tuy nhiên, tất cả các phương án sẵn có trên đều không có tính khả thi ở Việt nam do thực tế không phân làn đường (trừ một số điểm đặc biệt như trạm thu phí, …) và dòng xe đa phương tiện của chúng ta

Chính vì vậy trong nước có thể coi như chưa có thiết bị giám sát dòng xe trên đường, các camera giám sát lắp đặt tại một số nút giao thông mới chỉ đơn thuần cung cấp cho người điều hành bức tranh về trạng thái giao thông mà chưa thể cho biết thông tin về lưu lượng, tốc độ dòng xe Hậu quả là không thể đưa ra ra được các biện pháp điều khiển giao thông chính xác, kịp thời, chẳng hạn như việc đặt chu kỳ đèn tín hiệu là hoàn toàn cưỡng bức, không phù hợp với trạng thái thực của hệ thống giao thông

Giải pháp hợp lý đề ra ở đây là khai thác công nghệ xử lý ảnh camera để chế tạo thiết bị giám sát dòng xe Về mặt cấu trúc thiêt bị gồm: camera công nghiệp để thu hình và một máy tính nhúng tốc độ cao làm nhiệm vụ xử lý ảnh, truyền các thông tin kết quả (lưu lượng từng loại xe, vận tốc dòng xe, …) về trung tâm qua hệ thống cáp quang Thiết bị được đặt trên đường, ở độ cao 15-25m, vuông góc với mặt đường

Hạt nhân của hệ thống là phần mềm xử lý ảnh Phần mềm này cho phép đếm

và phân loại các xe (xe buýt, xe tải, ô tô con, xe máy), tính toán vận tốc trung bình của dòng xe dù các xe chạy không theo làn cố định Ngoài ưu điểm chính này, so với các phương thức đếm xe phổ biến khác như cảm ứng vòng từ, phương án sử dụng camera còn có một số các ưu điểm khác như: rẻ, ít bị hỏng hóc, dễ lắp đặt và bảo dưỡng, …

1.3.2.2 Thiết bị giám sát hành trình xe

Đây là thiết bị đặt trên xe nhằm mục đích thu thập các thông tin về vị trí và tốc

độ xe sử dụng công nghệ định vị toàn cầu GPS Những thông tin này cho phép người quản lý giám sát được chính xác hành trình xe để có thể đề ra các biện pháp quản lý, điều hành hợp lý Thiết bị gồm các phần chính là ăng ten GPS (có thể đặt trong xe hoặc trên nóc xe), các mạch điện tử và phần mềm thu thập, xử lý, truyền thông tin Nguồn điện cho thiết bị đặt trên xe được lấy từ nguồn điện sẵn có trên xe thông qua phích cắm

Tùy theo phương thức truyền thông tin thiết bị được chế tạo dưới 2 dạng: line (không trực tuyến) và on line (trực tuyến)

a) Thiết bị giám sát hành trình off-line (kiểu hộp đen)

Thiết bị thu thập các thông tin nói trên với chu kỳ lấy mẫu mặc định là 10s (hoặc có thể lựa chọn từ 1 đến 300s) và lưu trữ được 6144 lần (có thể mở rộng đến

12288 lần) Sau khi kết thúc hành trình các thông tin này được đổ ra máy tính qua cổng COM hoặc thiết bị truyền vô tuyến (trong phạm vi 50-60m) nhờ phần mềm đi kèm Nhờ đó, người sử dụng có thể dễ dàng ra lệnh đọc dữ liệu, phân tích các trạng thái hoạt động của xe trong suốt hành trình, ghi lại những trạng thái vượt quá mức

độ cho phép

Ngoài ra, phần mềm này còn có một số chức năng khác tạo sự thân thiện với người sử dụng như cho phép đặt lại các định dạng thời gian lưu, xóa các thông tin không cần thiết

b) Thiết bị giám sát hành trình on-line (trực tuyến)

Thiết bị cho phép truyền các thông tin về vị trí và tốc độ xe trực tiếp về trung tâm điều hành thông qua mạng điện thoại di động Thiết bị có 2 phần: trên

xe và tại trung tâm Thông tin được truyền dưới dạng tin nhắn SMS hoặc chuyển mạch gói GPRS Chế độ truyền là liên tục với chu kỳ đặt trước hoặc theo chỉ thị

từ trung tâm Tại trung tâm người quản lý có thể giám sát hành trình xe trực tiếp trên bản đồ số

Các thiết bị giám sát hành trình nói trên đã được lắp đặt thử nghiệm trên tuyến

xe buýt số 7 (xe số 29N-2332) của Tổng công ty vận tải Hà nội từ ngày 22/6/2005 đến ngày 28/7/2005 và được đánh giá tốt, đạt các yêu cầu đề ra

1.3.2.3 Thiết bị hiển thị thông tin trên xe

Thiết bị hiển thị thông tin trên xe nhằm nhiệm vụ thể hiện các thông tin điều hành cần thiết được gửi tới từ trung tâm cho người lái xe Thiết bị gồm màn hình tinh thể lỏng, bản đồ số, thiết bị thu thập thông tin qua mạng điện thoại di động và