Nghiên cứu ứng dụng fuzzy logic và neural networks trong điều khiển đèn giao thông

Bộ điều khiển đèn giao thông tại một giao lộ độc lập điều khiển đèn giao thông dựa trên điều kiện giao thông thực tế tại giao lộ đó đọc được từ các cảm biến.. Các bộ điều khiển cục bộ đi

Trang 1

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

A STUDY ON FUZZY LOGIC AND NEURAL NETWORKS APPLIED

TO TRAFFIC LIGHT CONTROL

CHUYÊN NGÀNH: KỸ THUẬT VÔ TUYẾN - ĐIỆN TỬ MÃ SỐ NGÀNH :2.07.01

LUẬN ÁN CAO HỌC

Trang 2

TP Hoà Chí Minh 06 - 2002

Trang 3

LỜI CẢM ƠN

Em xin chân thành cảm ơn thầy TS Lê Tiến Thường và thầy ThS Hoàng Đình Chiến, những người đã trực tiếp hướng dẫn tận tình, trao những kiến thức quý báu và những kinh nghiệm học tập và nghiên cứu trong suốt quá trình làm luận văn

Em xin cảm ơn các thầy cô trong trường Đại Học Bách Khoa TP Hồ Chí Minh nói chung và các thầy cô trong các bộ môn Điện tử và Viễn thông nói riêng đã mang đến cho em rất nhiều kiến thức bổ ích trong suốt quá trình học tập tại trường

Con xin biết ơn cha mẹ, bà con và bạn bè thân hữu đã có những lời động viên giứp đỡ, tạo những điều kiện thuận lợi về vật chất và tinh thần trong quá trình học tập và làm luận văn

Học viên: Nguyễn Văn Sơn

Trang 4

Lời nói đầu NHD: TS Lê Tiến Thường, ThS Hoàng Đình Chiến

LỜI NÓI ĐẦU

Số lượng xe cộ và nhu cầu vận chuyển ngày càng tăng cao, dẫn đến tình trạng kẹt xe ngày càng nghiêm trọng, nhất là trong các thành phố lớn với mạng lưới giao thông chằng chịt Hai xu hướng phát triển trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng là tốc độ tăng dân số nhanh, mật độ dân cư cao và quá trình đô thị hoá nhanh Tốc độ gia tăng này dẫn đến nhu cầu rất lớn trong giao thông đường bộ, mà hệ thống đường bộ và điều kiện giao thông ở Việt Nam chưa thể đáp ứng Nguyên nhân điển hình nhất gây ra ách tắc giao thông là:

- Lưu lượng xe cộ quá lớn, lại thay đổi theo thời gian

- Tình trạng đường sá xấu, đặc biệt là đang trong quá trình xây dựng

- Thành phần xe hỗn tạp

- Kiến thức về luật lệ giao thông của người đi đường thấp…

Tắc nghẽn giao thông thường xảy ra ở các cửa ngõ ra vào các thành phố lớn, như Hà Nội và TP Hồ Chí Minh và kéo dài hàng giờ trong thời kỳ cao điểm Một số giải pháp để giải quyết vấn đề kẹt xe như:

- Xây dựng thêm đường mới để tránh hiện tượng thắt cổ chai

- Xây dựng hệ thống vận chuyển công cộng hiệu quả cao như bus, taxi

- Phát triển hệ thống mạng viễn thông tốc độ cao để giảm nhu cầu đi lại

- Sử dụng tốt nhất khả năng hiện có của cơ sở hạ tầng, tổ chức đưa đón công nhân cho các nhà máy lớn và khu công nghiệp

- Cải tiến nâng cấp hệ thống điều khiển giao thông, phân luồng xe cộ…

Gần đây các giải pháp được đánh giá cao trong việc chống tình trạng kẹt xe đang và sẽ được chọn đó là xây dựng thêm đường mới, xây dựng hệ thống vận chuyển công cộng hiệu quả cao và quản lý hiệu quả hệ thống điều khiển giao thông

Một trong các giải pháp là dựa vào một hệ thống thông minh trên cả hệ thống đường Theo nhận định thì cách tiếp cận này có thể thực thi trong tương lai gần Trong cách tiếp cận này chúng ta cố gắng điều chỉnh và phân luồng xe cộ, phát triển hệ thống biển báo hoặc tìm đường động, điều chỉnh lượng phương tiện giao thông vào các điểm nút hoặc đường cao tốc Một trong các phương pháp theo hướng tiếp cận này có thể được sử dụng là điều khiển có

LUẬN ÁN CAO HỌC Trang 3

Trang 5

Lời nói đầu NHD: TS Lê Tiến Thường, ThS Hoàng Đình Chiến hiệu quả hệ thống đèn giao thông trong các thành phố lớn, khu đông dân hoặc điểm vào các đường cao tốc, đường chính

Điều khiển đèn giao thông phải đảm bảo thời gian chờ trung bình của xe tại giao lộ là nhỏ, giảm ách tắc giao thông và tăng an toàn giao thông Thời gian của một chu kỳ đèn có ý nghĩa quan trọng, thời hạn này phải là tối ưu khi nó vừa đủ cho số xe trên hướng cho phép vượt qua giao lộ, bảo đảm lượng xe thông qua giao lộ cao nhất Trong điều kiện giao thông ngày nay, lưu lượng xe thường thay đổi liên tục theo thời gian và theo từng đoạn đường Điều khiển đèn giao thông có chu kỳ cố định tỏ ra không hiệu quả trong việc giảm tổn thất thời gian chờ của xe tại nút giao thông và do đó làm giảm hiệu suất lưu thông

Điều khiển đèn giao thông dùng logic mờ và mạng neuron là một sự thay thế cho các hệ thống điều khiển đèn giao thông thông thường, nó có thể được sử dụng thích hợp trong điều kiện giao thông có mật độ xe luôn thay đổi Bộ điều khiển neuro-fuzzy giám sát điều kiện giao thông thực tế tại các giao lộ và điều khiển đèn giao thông tương ứng Khi lưu lượng xe thay đổi, bộ điều khiển đèn giao thông dùng neuro-fuzzy có thể thay đổi chu kỳ đèn tín hiệu tương ứng

Luận văn này được trình bày như sau:

Chương 1: Trình bày những khái niệm chung về đường và giao thông đô thị, nút giao thông và tín hiệu điều khiển giao thông

Chương 2: Trình bày sơ lược về logic mờ

Chương 3: Trình bày sơ lược về mạng neuron

Chương 4: Trình bày ứng dụng của mạng neuron và logic mờ trong việc giải quyết bài toán giao thông

Cuối luận văn là tài liệu tham khảo

Để làm được đề tài luận văn này, em đã nhận được sự hướng dẫn rất tận tình của thầy TS Lê Tiến Thường và thầy ThS Hoàng Đình Chiến và sự giảng dạy của các thầy cô trong và ngoài bộ môn Điện Tử – Viễn Thông Em vô cùng biết ơn và rất mong quý thầy cô tiếp tục góp ý để cuốn luận văn được hoàn thiện hơn

Trang 6

Tóm tắt NHD: TS Lê Tiến Thường, ThS Hoàng Đình Chiến

TÓM TẮT

Aùch tắc giao thông đã và đang là một vấn đề lớn đối với nhiều thành phố trên thế giới Trong các thành phố lớn ở Việt Nam như Hà Nội và TP Hồ Chí Minh, ách tắc giao thông xảy ra hằng ngày vào các giờ cao điểm Một trong những cách để khắc phục tình trạng ách tắc giao thông là nghiên cứu thực hiện những hệ thống giám sát và điều khiển tín hiệu giao thông thông minh Tín hiệu giao thông thông thường hoạt động dựa trên chu kỳ đã được cài đặt trước và độc lập với tình trạng giao thông thực tế Độ dài chu kỳ tín hiệu của nó dựa trên trung bình số xe đi qua giao lộ và không thích hợp với tình trạng giao thông ngày nay có mật độ luôn thay đổi

Luận văn này nghiên cứu việc ứng dụng mạng neuron và logic mờ để điều khiển đèn giao thông Mạng neuron có khả năng học hỏi, gợi nhớ, và tổng quát hóa từ các mẫu hoặc dữ liệu huấn luyện, trong khi logic mờ có khả năng biểu diễn các đại lượng mờ trong suy nghĩ chủ quan của con người Hai bộ điều khiển đèn giao thông thông minh dùng mạng neuron và logic mờ được nghiên cứu là bộ điều khiển đèn giao thông cho một giao lộ độc lập và bộ điều khiển đèn giao thông cho một nhóm các giao lộ Bộ điều khiển đèn giao thông tại một giao lộ độc lập điều khiển đèn giao thông dựa trên điều kiện giao thông thực tế tại giao lộ đó đọc được từ các cảm biến Nó nhận dạng loại

xe dùng mạng neuron và sau đó điều khiển tín hiệu giao thông dùng logic mờ Độ dài chu kỳ tín hiệu có thể kéo dài hoặc rút ngắn lại tùy theo điều kiện giao thông thực tế tại giao lộ Hệ thống điều kiển đèn giao thông cho một nhóm các nút giao thông gồm có một bộ điều khiển chủ (master) và các bộ điều khiển cục bộ tại các giao lộ Các bộ điều khiển cục bộ điều khiển đèn giao thông dựa trên điều kiện giao thông thực tế tại giao lộ và giao tiếp với bộ điều khiển chủ để kết hợp với các nút giao thông lân cận Các phương pháp đã đề xuất được so sánh với điều khiển đèn có chu kỳ cố định và thời gian chờ trung bình của xe được dùng làm chỉ số so sánh Một chương trình viết trên ngôn ngữ MATLAB được dùng để mô phỏng cả hai trường hợp điều khiển đèn có chu kỳ cố định và điều khiển dựa trên điều khiển neuro-fuzzy Kết quả mô phỏng cho thấy điều khiển neuro-fuzzy cho kết quả tốt trong điều kiện giao thông có mật độ cao và luôn thay đổi theo thời gian

Trang 7

Abstract NHD: TS Lê Tiến Thường, ThS Hoàng Đình Chiến

ABSTRACT

Traffic congestion was and is being a serious problem in many cities around the world In the large cities in Viet Nam such as Ha Noi and Ho Chi Minh City, the traffic congestion occurs everyday at peak hours One of ways to overcome traffic problems is through the development of intelligent monitoring and control of traffic lights systems Fixed-time traffic signal operates on a preset signal-cycling scheme independent of traffic conditions Its cycle length is based on the number of average vehicles passing intersection and is unsuitable in today varying traffic conditions

This thesis presents a study on fuzzy logic and neural networks applied to traffic light control Neural networks has ability to learn, recall and generalize from training pattern or data, while fuzzy logic has ability to express the amount of ambiguity in human thinking and subjective Two intelligent traffic lights control systems using fuzzy logic and neural networks are addressed The controller for an isolated intersection controls the traffic lights based on its own actual traffic conditions at intersection getting from detectors It antecedently recognizes vehicle type using neural networks, after that traffic signal is changed by fuzzy control It can extend or reduces cycle length adaptively to actual traffic conditions The traffic light controller of an intersections group includes a master controller and many local controllers at intersections The local controllers control the traffic lights based on its own traffic conditions and communicate with master controller to cooperate with its neighbors The proposed methods are compared with fixed-time traffic lights control and average delay time of vehicles is used as a performance index A software based on MATLAB has been developed to simulate an isolated traffic intersection and a group of intersections The control of traffic lights using both conventional fixed-time and fuzzy logic controllers can be simulated in the software The simulation results show good performance in the case of time-varying traffic and heavy traffic conditions

Trang 8

Mục lục NHD: TS Lê Tiến Thường, ThS Hoàng Đình Chiến

MỤC LỤC

ABSTRACT 1

TÓM TẮT 2

LỜI NÓI ĐẦU 3

CHƯƠNG 1: Khái niệm chung về giao thông và đường đô thị 1.1 Khái niệm chung về giao thông đô thị 5

1.2 Khái niệm chung về đường đô thị 8

1.2.1 Vị trí và tác dụng của đường đô thị 8

1.2.2 Các bộ phận của đường đô thị 10

1.2.3 Đặc điểm của đường đô thị 10

1.3 Khái niệm chung về nút giao thông 11

1.3.1 Định nghĩa nút giao thông 11

1.3.2 Phân loại nút giao thông 11

1.3.3 Đánh giá mức độ phức tạp, an toàn của nút giao thông 14

1.3 4 Các tiêu chuẩn lựa chọn biện pháp tổ chức giao thông và loại hình của nút giao thông 18

1.3.5 Tính toán tổn thất thời gian của các hành trình xe đi qua nút giao thông 24

1.4 Hoạt động của tín hiệu điều khiển giao thông 29

1.4.1 Điều khiển giao thông bằng đèn tín hiệu 29

1.4.2 Điều khiển giao thông tại giao lộ độc lập 30

1.4.3 Điều khiển giao thông phối hợp giữa các ngã tư kề liền bằng hệ thống đèn tín hiệu 35

1.5 Hiện trạng giao thông ở các thành phố lớn của Việt Nam 42

CHƯƠNG 2: Logic mờ 2.1 Tập mờ 47

2.1.1 Định nghĩa tập mờ 47

2.1.2 Các tính chất của tập mờ 49

2.1.3 Các phép toán trên tập mờ 50

2.1.4 Tập mờ như là các điểm trong siêu hình lập phương 52

2.2 Quan hệ mờ 53

2.2.1 Số lượng của quan hệ mờ 54

2.2.2 Các phép toán trên quan hệ mờ 54

2.2.3 Các tính chất của quan hệ mờ 54

Trang 9

2.2.4 Tích Cartesian và phép toán hỗn hợp mờ 55

2.2.5 Tập mờ không tương tác lẫn nhau 55

2.2.6 Quan hệ xấp xỉ và quan hệ tương đương mờ 56

2.2.7 Gán các giá trị liên thuộc cho quan hệ mờ 57

2.3 Các số mờ, vector mờ và nguyên lý mở rộng 57

2.3.1 Nguyên lý mở rộng 57

2.3.2 Các số mờ 61

2.3.3 Vector mờ 61

2.4 Logic mờ 63

2.4.1 Mờ hóa 63

2.4.2 Giải mờ 63

2.4.3 Các biến ngôn ngữ 67

2.4.4 Các từ bổ nghĩa trong ngôn ngữ 68

2.4.5 Logic mờ 69

2.4.6 Cơ sở luật mờ 71

2.4.7 Suy diễn mờ 76

2.4.8 Phép lặp thừa, mâu thuẫn, tương đương và chứng minh logic trong logic mờ 76

2.4.9 Các dạng phép toán kéo theo 78

2.4.10 Các dạng phép toán hợp thành 79

2.4.11 Các kỹ thuật suy diễn bằng đồ thị 80

2.5 Các ứng dụng của logic mờ 85

2.5.1 Sự phát triển của công nghệ mờ 85

2.5.2 Điều khiển mờ 86

2.5.3 Các hệ chuyên gia mờ 90

2.5.4 Nhận dạng mờ 92

2.5.3 Hệ hỗ trợ quyết định 92

CHƯƠNG 3 Mạng neuron 3.1 Giới thiệu về mạng neuron nhân tạo 94

3.2 Các mô hình và các luật học hỏi của mạng neuron nhân tạo 96

3.2.1 Các phần tử xử lý 96

3.2.2 Các kết nối trong mạng neuron 97

3.2.3 Các luật học hỏi 98

3.3 Mạng truyền thẳng và học hỏi có giám sát 101

3.3.1 Mạng perceptron một lớp 101

3.3.2 Luật học hỏi perceptron 101

3.3.3 Adaline 102

3.4 Mạng truyền thẳng nhiều lớp 102

3.4.1 Thuật toán lan truyền ngược 102

3.4.2 Các hệ số học hỏi của mạng lan truyền ngược 104

Trang 10

3.4.3 Mạng neuron thời gian trễ 106

3.5 Mạng hồi tiếp một lớp và bộ nhớ kết hợp 106

3.5.1 Mạng Hopfield 106

3.5.2 Bộ nhớ kết hợp 107

3.6 Mạng học hỏi không giám sát 114

3.6.1 Các luật học hỏi không giám sát 114

3.6.2 Mạng Hamming 116

3.6.3 Bản đồ đặc tính tự tổ chức 117

CHƯƠNG 4: Điều khiển đèn giao thông dùng mạng neuron và logic mờ 4.1 Điều khiển đèn giao thông dùng mạng neuron và logic mờ 119

4.2 Nguyên lý phát hiện và nhận dạng xe 120

4.2.1 Các loại cảm biến phát hiện xe 120

4.2.2 Nguyên lý phân loại xe dùng mạng neuron và logic mờ 122

4.3 Bộ điều khiển đèn giao thông neuro - fuzzy cho một giao lộ độc lập 128

4.3.1 Sơ đồ kết nối bộ điều khiển đèn giao thông cho một giao lộ độc lập 128

4.3.2 Các giới hạn trong thiết kế bộ điều khiển đèn giao thông cho một giao lộ độc lập 128

4.3.2 Thiết kế bộ điều khiển đèn giao thông cho một giao lộ độc lập 130

4.4 Bộ điều khiển đèn giao thông neuro - fuzzy có phối hợp giữa các nút giao thông 138

4.5 Mô phỏng và kết quả 150

4.6 Kết luận 157

4.7 Hướng phát triển 157

TÀI LIỆU THAM KHẢO 159

Trang 11

Đường và giao thông đô thị NHD: TS Lê Tiến Thường, ThS Hoàng Đình Chiến

CHƯƠNG 1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ GIAO THÔNG

VÀ ĐƯỜNG ĐÔ THỊ

1.1 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ GIAO THÔNG ĐÔ THỊ

Nhìn vào lịch sử, giao thông là một nhân tố gần như quyết định đối với sự hình thành và phát triển của đô thị Khi các phương tiện giao thông đường bộ còn chưa phát triển, đường thủy đã đóng vai trò quan trọng trong sự hình thành và phát triển của đô thị Các đô thị lớn trên thế giới hiện nay đã được hình thành từ trước khi có cách mạng về công nghiệp, đều nằm ở những vị trí thuận tiện về giao thông đường thủy

Ngày nay, do kết quả của cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật, nền công nghiệp phát triển, các phương tiện giao thông vận tải, nhất là phương tiện vận tải trên bộ cũng được phát triển nhanh về số lượng, sức chứa và tốc độ Sự hình thành và phát triển của đô thị không tách rời sự phát triển của giao thông đường bộ

Tùy theo tính chất của mối quan hệ giao thông với đô thị, người ta phân biệt giao thông đối ngoại và giao thông đối nội

Giao thông đối ngoại là sự liên hệ giữa giao thông với bên ngoài, giữa các đô thị với nhau và giữa đô thị với các vùng khác trong nước

Giao thông đối nội là sự liên hệ giữa các khu vực bên trong của đô thị, là sự giao thông trong nội bộ của đô thị

Giao thông đối nội và giao thông đối ngoại có liên quan chặt chẽ với nhau được nối liền với nhau và đều có ảnh hưởng trực tiếp đến cấu trúc quy hoạch của đô thị

1 Giao thông đối ngoại đô thị: tùy theo mối liên hệ giữa đô thị với các vùng khác trong nước, cũng như điều kiện tự nhiên, có thể dùng các loại hình vận tải sau: đường sắt, đường ôtô, đường thủy và đường hàng không Đối với một đô thị mà nói, tùy theo điều kiện cụ thể, có thể sử dụng một hay phối hợp các loại hình vận tải trên

Đường sắt: được dùng khá phổ biến vì có sức chở lớn, vận chuyển được đường dài, an toàn, tốc độ cao, ít bị ảnh hưởng của thời tiết khí hậu, tuy nhiên đầu tư ban đầu lớn, chiếm nhiều diện tích, dễ gây cản trở hoạt động của đô thị

Trang 12

Đường và giao thông đô thị NHD: TS Lê Tiến Thường, ThS Hoàng Đình Chiến Đường ôtô: được sử dụng phổ biến nhất, và rất cơ động, có thể thực hiện vận chuyển “từ cửa đến cửa”, không phải qua trung chuyển, thiết bị vận tải đơn giản, dễ thích ứng với mọi trường hợp, cự ly vận chuyển tương đối ngắn (100 – 200 km); tuy nhiên, do kỹ thuật ôtô và đường sá ngày càng được nâng cao, nên cự ly vận tải có xu hướng gia tăng

Đường thủy (đường sông, đường biển): có thể vận chuyển được khối lượng lớn hàng hóa cồng kềnh, đi được đường xa, giá thành hạ, đầu tư vào xây dựng cơ sở hạ tầng không cao Tuy nhiên đường thủy có nhược điểm là phụ thuộc vào điều kiện thiên nhiên (chiều sâu nước), điều kiện thời tiết và tốc độ chậm

Nước ta có bờ biển dài, sông ngòi nhiều, phần lớn các đô thị nằm ven sông, ven biển nên giao thông đường thủy có điều kiện phát triển

Cảng sông, cảng biển là những công trình của đường thủy Chúng ảnh hưởng trực tiếp đến việc bố trí các bộ phận của đô thị và được nối liền với các khu vực khác của đô thị bằng đường ôtô hoặc đường sắt hoặc đồng thời cả hai

Đường hàng không: ngày nay đã trở thành phương tiện giao thông quan trọng Vận tải hàng không có tốc độ cao nhất, phạm vi hoạt động rộng, thích hợp với vận tải đường dài hoặc có thể vận tải đến những nơi mà thực hiện bằng các loại hình giao thông khác gặp khó khăn Trong vài chục năm lại đây, vận tải hàng không thế giới có tốc độ phát triển cao, chiếm tỷ trọng ngày càng lớn Ở nước ta, trong vài năm nay đã có chiều hướng phát triển đó và đang có kế hoạch xây dựng mạng cảng hàng không

Theo thống kê của Mỹ năm 1967, tỷ trọng vận tải hành khách bằng các loại hình vận tải theo cự ly vận chuyển được thể hiện ở bảng 1.1 [1]

Bảng 1.1 Tỷ lệ % số người đi bằng các loại hình giao thông

Cự ly vận

chuyển

(km)

Ôtô công cộng

Đường sắt

Hàng không

Đường thủy

Hỗn hợp

Trang 13

Đường và giao thông đô thị NHD: TS Lê Tiến Thường, ThS Hoàng Đình Chiến phát triển theo phương hướng: kích thước lớn, tốc độ cao và tự động hóa Tiêu chuẩn kỹ thuật cơ sở hạ tầng giao thông cũng ngày được nâng cao, nhiều nước đang phát triển đường sắt cao tốc, đường ôtô cao tốc, xây dựng cảng nước sâu và sân bay hiện đại

2 Giao thông đối nội: là mạng lưới giao thông bên trong đô thị, được gọi là giao thông đô thị Côâng tác tổ chức vận tải hành khách và hàng hóa phụ thuộc vào quy mô của đô thị và cách bố trí các khu vực trong đô thị Giao thông đối nội có liên hệ chặt chẽ với giao thông đối ngoại qua các đầu mối giao thông: ga xe lửa, bến cảng, bến xe ôtô, sân bay v.v đảm bảo sự đi lại

ra vào đô thị thuận tiện

Sự giao lưu về hành khách và hàng hóa giữa các khu vực bên trong đô thị, giữa bên trong và bên ngoài đô thị tạo nên những dòng hành khách và hàng hóa Đó là cơ sở chính để tiến hành quy hoạch lưới đường đô thị và tổ chức giao thông đô thị

Đặc điển lớn của giao thông đô thị là lưu lượng người và xe cộ nhiều, thành phần phức tạp, phân bố không đều trên các đoạn đường và dễ thay đổi Tính phức tạp và tính dễ thay đổi đó thường do những nguyên nhân sau:

a Điểm tập trung người và hàng hóa (ga xe lửa, bến xe, bến cảng, kho tàng, công viên, sân vận động, cung văn hóa v.v ) có nhiều và bố trí rãi nhiều nơi trong đô thị

b Quy mô vận tải của nhiều tuyến đường không ổn định về thời gian và số lượng Lưu lượng xe thường thay đổi theo thời gian trong ngày, trong tuần

c Thành phần xe phức tạp, xe cơ giới, xe thô sơ, mỗi loại có nhiều kiểu khác nhau, chạy với tốc độ rất khác nhau

d Do sự phát triển không ngừng của nền kinh tế, do có các biện pháp xây dựng và tổ chức đô thị, nên vị trí và quy mô các điểm thu hút người và hàng hóa thường thay đổi và kéo theo sự thay đổi dòng người và hàng hóa trên các đoạn đường

e Mật độ đường đô thị lớn, có nhiều chỗ giao nhay gây khó khăn cho việc tổ chức, quản lý giao thông, dễ có hiện tượng ùn tắc, nhất là vào giờ cao điểm

Giao thông đô thị có quan hệ mật thiết tới sản xuất và đời sống người dân Đô thị càng phát triển, vấn đề giao thông càng trở nên quan trọng Đô thị càng lớn, lưu lượng xe, người càng nhiều và khoảng cách đi lại cũng tăng lên

Đối với đô thị, việc đánh giá về sự tiện lợi giao thông thường không chỉ dựa vào khoảng cách đi lại mà quan trọng hơn là dựa vào thời gian đi lại cần thiết Thời gian đi lại cần thiết tối đa thường không được quá 30’, trường hợp đặc

Trang 14

Đường và giao thông đô thị NHD: TS Lê Tiến Thường, ThS Hoàng Đình Chiến biệt không quá 45’ Điều đó không những đòi hỏi phương tiện xe cộ phải có tính năng tốt, được sử dụng hợp lý mà mạng lưới đường, cách tổ chức giao thông phải được quy hoạch, thiết kế và quản lý tốt

Hiện nay ở các nước phát triển, người ta đã dùng nhiều loại phương tiện giao thông hiện đại để bảo đảm chuyên chở hành khách và hàng hóa trong đô thị Căn cứ vào phương tiện vận tải, loại đường, giao thông đô thị có thể có các loại sau:

- Giao thông đường bộ: ôtô buýt, ôtô điện, ôtô con, xe tải, xe lam, môtô, xe đạp v.v

- Giao thông đường sắt: tàu điện, tàu trên không, tàu điện ngầm (mêtro)

- Giao thông đường thủy: tàu thủy, canô, thuyền

- Giao thông đường hàng không: máy bay trực thăng

- Giao thông đường dây

Giao thông đô thị được phân biệt giao thông trên đường phố và giao thông ngoài đường phố Giao thông trên đường phố là các phương tiện chạy trực tiếp trên đường phố như ôtô buýt, ôtô điện, ôtô con, xe tải, xe lam, xe môtô, xe đạp, tàu điện… Giao thông ngoài đường phố như tàu điện ngầm, tàu điện trên không, canô, tàu thủy, máy bay trực thăng v.v

Đối với giao thông hành khách, căn cứ vào tính chất sử dụng, có thể chia làm

2 loại: giao thông công cộng và giao thông cá nhân Giao thông công cộng là giao thông bằng các phương tiện thường có sức chở lớn, chạy theo tuyến đường nhất định, nhằm phục vụ chung cho toàn đô thị như ôtô buýt, ôtô điện, tàu điện, tàu điện ngầm, canô, tàu thủy, v.v Giao thông cá nhân là phương tiện của tư nhân, dùng riêng, thường có sức chứa nhỏ như xe đạp, xe máy, ôtô con v.v

Giao thông công cộng và giao thông cá nhân có ảnh hưởng rất lớn tới mọi mặt hoạt động của đô thị Tùy theo trình độ phát triển kinh tế và chủ trương chính sách từng nước, từng đô thị mà tỷ lệ hai loại giao thông này có khác nhau Xu hướng chung là cần ưu tiên phát triển giao thông công cộng, hạn chế giao thông cá nhân để tránh giao thông cá nhân phát triển quá mức gây hỗn loạn trên đường phố

1.2 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ ĐƯỜNG ĐÔ THỊ

1.2.1 Vị trí và tác dụng của đường đô thị

Đường đô thị là dải đất trong phạm vi giữa hai đường đỏ xây dựng (chỉ giới xây dựng) trong đô thị để cho xe cộ và người đi lại, trên đó có thể trồng cây,

Trang 15

Đường và giao thông đô thị NHD: TS Lê Tiến Thường, ThS Hoàng Đình Chiến bố trí các công trình phục vụ công cộng như đèn chiếu sáng, đường dây, đường ống trên và dưới mặt đất

Đường nằm trong phạm vi đô thị (thành phố, thị xã, thị trấn) đều được gọi một danh từ chung là đường đô thị Đường mà hai bên có xây dựng nhà cửa tạo thành phố xá được gọi là đường phố

Đô thị là nơi tập trung những hoạt động của con người, như sinh hoạt, lao động, học tập, nghỉ ngơi … Tất cả những hoạt động đó không thể tách rời giao thông vận tải và được tiến hành trong các khu vực có chức năng khác nhau của đô thị do quy hoạch xác định như: khu trung tâm, khu nhà ở, khu công nghiệp, sân bay, bến cảng, nhà ga, kho tàng, công viên, sân vận động v.v … Đường đô thị có tác dụng nối liền tất cả các khu vực này lại thành một khối thống nhất, có mối liên hệ hữu cơ Một trong những tiêu chuẩn quan trọng để đánh giá quy hoạch đô thị có hợp lý hay không là xem vấn đề giao thông có được giải quyết tốt hay không, nhất là đối với những đô thị lớn Thực tế chứng minh rằng, không có hệ thống giao thông đô thị tốt, khó có thể thúc đẩy phát triển nhanh nền kinh tế, văn hóa, hoạt động xây dựng và cải thiện đời sống người dân

Trong đô thị, nhà cửa được xây dựng với mật độ cao, do đó đòi hỏi cần phải có các không gian trống hợp lý, đảm bảo vệ sinh môi trường, tạo điều kiện cho thông gió, chiếu sáng, an toàn phòng hỏa Đường đô thị có tác dụng cách

ly ngôi nhà, khối phố, kết hợp với việc trồng cây tăng cường tác dụng cách ly, cải tạo điều kiện khí hậu, môi trường sống

Đường phố có thể thể hiện được nghệ thuật kiến trúc của các công trình xây dựng Đi trên đường phố, người ta có thể thưởng thức được vẽ đẹp kiến trúc của các công trình đó Đường và quảng đường trong đô thị thường tạo thành những trung tâm thể hiện nghệ thuật kiến trúc của đô thị

Các công trình công cộng như đường ống cấp nước, thoát nước, cấp điện, cấp khí đốt, đường dây, đường ống trên và dưới mặt đất, cây xanh v.v đều có quan hệ mật thiết tới việc xây dựng đường đô thị Đường đô thị thường là nơi thoát nước và bố trí các công trình công cộng đó

Một khi đường đô thị đã được xác định, thì các công trình nhà cửa và các công trình công cộng trên đường phố cũng được xây dựng theo Những công trình này, sau khi làm xong Tồn tại hàng trăm năm và không dễ gì thay đổi Vì vậy, đường đô thị phải được xây dựng theo quy hoạch một cách thận trọng, chặt chẽ, không được tùy ý lựa chọn, bố trí, mặt khác đường đô thị được xây dựng tốt hay xấu có ảnh hưởng trực tiếp chung tới quy hoạch của đô thị Có thể nói lưới đường đô thị là xương cốt của mặt bằng đô thị, lưới đường chính của đô thị là cơ sở của quy hoạch đô thị, cho nên ở mức độ nào đó, nó có tác dụng quyết định đối với quy hoạch chung của đô thị

Trang 16

1.2.2 Các bộ phận của đường đô thị

Đường đô thị bao gồm các bộ phận sau:

1 Phần xe chạy (lòng đường) dùng để cho các loại xe đi lại Trong đó thường có các loại xe cơ giới (xe ôtô, xe điện bánh sắt, bánh hơi, xe máy …) và xe thô sơ (xe đạp, xe xích lô …)

2 Hè phố dùng cho người đi bộ

3 Các công trình thoát nước ở nền, mặt đường như rãnh biên, cống thoát nước, giếng thăm, giếng thu nước mưa trên đường phố v.v…

4 Dải cây xanh: trồng cây có tác dụng chống bụi, chống ồn, làm tăng vẻ đẹp, làm râm mát đường phố, phòng hỏa…

5 Các thiết bị giao thông: đảm bảo xe chạy an toàn, xe chạy có tổ chức như các dấu hiệu giao thông, đèn tín hiệu, các đảo giao thông v.v…

6 Nút giao thông và quảng trường giao thông

7 Điểm đỗ xe, bãi để xe

8 Các thiết bị dọc phố trên mặt đất như cột điện, hòm bưu điện, thùng rác công cộng…

9 Các công trình ngầm dưới mặt đất: ống cấp nước, cống thoát nước, cáp điện (cao thế, hạ thế), cáp điện thoại, ống cấp khí đốt v.v…

10 Đối với đô thị lớn hiện đại, còn có cầu vượt, cầu cạn cho xe cao tốc, đường ngầm hoặc cầu vượt cho người đi bộ, đường xe điện ngầm…

1.2 3 Đặc điểm của đường đô thị

Nếu đem so sánh với đường ngoài đô thị, đường đô thị có các đặc điểm sau:

1 Có nhiều chức năng khác nhau: ngoài tác dụng giao thông, đường đô thị còn là nơi bố trí các công trình công cộng, có tác dụng thông gió, chiếu sáng, thể hiện nghệ thuật kiến trúc của đô thị

2 Có nhiều bộ phận khác nhau: đường xe chạy, đường đi bộ, dải trồng cây, các công trình đường dây, đường ống trên và dưới mặt đất v.v…

3 Tính giao thông phức tạp: lưu thông xe lớn, thành phần xe phức tạp (xe cơ giới và thô sơ, xe chạy suốt và xe địa phương), tốc độ xe rất khác nhau, dễ ảnh hưởng lẫn nhau và gây tai nạn

4 Lưu lượng người lớn

5 Nút giao thông nhiều, phần lớn là giao cắt (cùng cao độ)

Trang 17

6 Hai bên đường có các công trình xây dựng, yêu cầu cao về vệ sinh môi trường, về thẩm mỹ, về giao thông Trong phạm vi đường phố lại có nhiều công trình công cộng trên và dưới mặt đất, nên công việc cải tạo và nâng cấp đường cũ thường phức tạp, tốn kém và gặp nhiều khó khăn, thường phải vừa xây dựng vừa đảm bảo giao thông

7 Sự phận bố giao thông rất khác nhau trên các đoạn đường, theo giờ trong ngày, đoạn đông xe, đoạn ít xe, lúc xe nhiều, lúc ít xe, nên dễ xảy ra hiện tượng ún tắc giao thông, nhất là tại các nút trên những đoạn đường đông xe vào giờ cao điểm

8 Yêu cầu về nghệ thuật kiến trúc cao: nghệ thuật kiến trúc của các công trình được con người thưởng thức nhờ các con đường Cho nên, đường và các công trình xây dựng phải tạo thành một quần thể kiến trúc thống nhất, hài hòa, hấp dẫn làm cho cư dân cảm thấy thoải mái, dễ chịu

1.3 KHÁI NIỆM CHUNG VỀ NÚT GIAO THÔNG

1.3.1 Định nghĩa nút giao thông

Nút giao thông là nơi giao nhau giữa các đường ôtô, giữa đường ôtô với đường sắt, giữa đường ôtô với đường thành phố và giữa các đường phố trong các đô thị

Tại khu vực phạm vi nút và tại trung tâm nút giao thông, lái xe phải thực hiện cùng một lúc nhiều động tác phức tạp như:

• Định hướng chuyển động cho xe chạy, giảm tốc độ, tăng tốc độ

• Thực hiện các công việc như nhập dòng, trộn dòng, tách dòng, giao cắt với các luồng xe khác

• Thực hiện cho xe chuyển làn (từ ngoài vào trong, từ trong ra ngoài…)

Vì vậy tại nút giao thông thường xảy ra hiện tượng ùn tắc giao thông, là nơi thường xảy ra tai nạn giao thông và là nguyên nhân làm giảm năng lực của xe cộ từ các tuyến đường vào nút

1.3.2 Phân loại nút giao thông

Gồm các loại:

- Nút giao thông không có điều khiển: đó là nơi giao nhau đơn giản, lưu lượng xe thấp, xe từ các hướng ra vào nút tự do

- Nút giao thông có điều khiển cưỡng bức (điều khiển bằng hệ thống đèn tín hiệu): Nhằm tăng an toàn giao thông của các xe ra vào nút

Trang 18

- Nút giao thông tự điều chỉnh: đó là nút vòng xuyến (vòng xoay), trong đó các luồng xe từ các ngã đường đi vào và ra nút ngược chiều kim đồng hồ

- Nút giao thông khác mức: để tách các luồng xe ở các hướng khác nhau đi theo những cao độ khác nhau

- Nút giao thông tổ hợp: Kết hợp tổ chức giao thông vừa tách dòng, vừa tự điều chỉnh…

Dưới đây là một số ví dụ về nút giao thông được phân loại theo “tổ chức giao thông”

a) Nút giao thông không có điều khiển (hình 1.1 )

Các luồng xe ra vào nút giao thông này phải thực hiện nhiều động tác giao, cắt, tách, nhập (trừ luồng xe rẽ phải không có giao cắt) Sử dụng loại này an toàn giao thông thấp và khả năng thông xe thấp

Để tăng an toàn xe chạy, với loại hình này phải thiết kế đủ tầm nhìn trên tất cả các hướng và bán kính quay ở các góc phố được thiết kế không nhỏ hơn 6m Chỉ áp dụng khi lưu lượng xe qua nút nhỏ hơn 100 xe/giờ theo một hướng

Hình 1.1 Nút giao thông không có điều khiển

b) Nút giao thông có điều khiển cưỡng bức (bằng đèn tín hiệu) hoặc có thể điều khiển bằng người (cảnh sát giao thông)

So với loại trên loại nút giao thông có điều khiển (hình 7.2) xe chạy an toàn và khả năng thông xe tăng đáng kể

Trang 19

Đường và giao thông đô thị NHD: TS Lê Tiến Thường, ThS Hoàng Đình Chiến Nút giao thông có điều khiển được áp dụng nơi giao nhau giữa đường phố chính với lưu lượng xe chạy N lớn hơn 250 xe/giờ cho một hướng

Hình 1.2 Nút giao thông cóù điều khiển cưỡng bức

c) Nút giao thông tự điều chỉnh

Đây là loại nút giao thông vòng xuyến (vòng xoay)

Tuỳ thuộc vào điều kiện ví trí, mặt bằng, điều kiện tổ chức giao thông (ưu tiên hướng chính hoặc bình đẳng giữa các hướng) mà có thể thiết kế vòng xuyến ở dạng tròn, xuyến dẹt, xuyến hình số 8…

Nút giao thông loại xuyến tròn có hòn đảo bán kính R ở trung tâm Các luồng xe chuyển động trong vòng xuyến theo chiều ngược chiều kim đồng hồ Xe ra vào nút chỉ luôn rẽ phải

Để đảm bảo các luồng xe đi vào nút có thể nhập dòng, trộn dòng và tách dòng mà không xảy ra xung đột giữa các luồng xe thì đảo trung tâm phải có bán kính đủ lớn tương ứng với tốc độ xe chạy trong nút Thông thường đảo trung tâm có bán kính R=30-50m thì diện tích chiếm dụng mặt bằng của nút tới 2700-7500m2

Vì vậy loại nút giao thông hình xuyến được áp dụng khi có nhiều đường phố giao nhau (ngã năm, ngã sáu) và có đủ diện tích mặt bằng

Nhược điểm của nút loại này là khả năng thông xe thấp hơn so với loại nút giao thông có điều khiển cùng kích thước

Trang 20

Đường và giao thông đô thị NHD: TS Lê Tiến Thường, ThS Hoàng Đình Chiến Nút giao thông hình xuyến dẹt được áp dụng khi có ưu tiên cho xe chạy trên hướng tuyến chính (nơi giao nhau giữa đường chính và đường phụ) Để áp dụng loại này thì bề rộng đường phố chính phải đủ lớn, cụ thể là bề rộng dãi phân cách phải lớn hơn hoặc bằng 16m để bán kính quay xe không nhỏ hơn 8m

Loại vòng xuyến hình số tám được áp dụng khi địa hình địa phương đặc biệt khó khăn Trong trường hợp này nút chỉ phát triển ở hai đầu, có luồng

xe vào nút vuông góc và không đòi hỏi phải mở rộng thêm diện tích của hai hướng còn lại

d) Nút giao thông không cần điều khiển (khác mức)

Đây là loại nút giao thông khác mức Các luồng xe theo các hướng khác nhau được tách ra riêng đi theo các độ cao khác nhau

1.3.3 Đánh giá mức độ phức tạp, an toàn của nút giao thông

Ơû bất kỳ nơi nút giao thông không có điều khiển thì các dòng xe ra vào nút đều xảy ra giao cắt, nhập và tách dòng

Các điểm để xảy ra giao cắt, tách, nhập các dòng xe gọi là “các điểm nguy hiểm”, gây nên những xung đột giữa các dòng xe làm giảm an toàn và khả năng thông xe qua nút giao thông

Trong ba điểm nguy hiểm (hình 1.3) thì điểm tách (hình 1.3a) là ít nguy hiểm hơn cả Khi có xe tách ra khỏi dòng nó chỉ làm giảm nhẹ tốc độ của dòng xe

cơ bản Tiếp theo là điểm nhập nguy hiểm hơn tách, và cuối cùng nguy hiểm nhất là điểm giao cắt giữa hai dòng xe đi chéo hoặc vuông góc với nhau (hình 1.3c)

(a) (b) (c)

Hình 1.3 Các điểm tách, điểm nhập và điểm cắt

Vì vậy, để đánh giá mức độ phức tạp của nút có thể dùng chỉ số M, trong đó lấy điểm tách làm chuẩn (với hệ số =1), điểm nhập nhân hệ số quy đổi bằng 3 và điểm giao cắt có hệ số quy đổi bằng 5 Ta có:

Trang 21

Đường và giao thông đô thị NHD: TS Lê Tiến Thường, ThS Hoàng Đình Chiến Trong đó: nt, nn, nc: số điểm tách, nhập, giao cắt trong nút

Theo tiêu chuẩn trên thì độ phức tạp của nút được đánh giá như sau:

- Khi M<10 : Nút rất đơn giản

- Khi M= 10-25 : Nút đơn giản

- Khi M=25 – 55 : Nút phức tạp vừa phải

- Khi M>55 : Nút phức tạp

Ví dụ: ngã tư, ngã 5 không có điều khiển nếu tính theo chỉ tiêu M thì thuộc loại phức tạp

Từ hình 1.4 cho thấy ngã tư không điều khiển có 16 điểm giao cắt, 8 điểm tách và 8 điểm nhập dòng với:

M=8+(3x8)+(5x4) = 52

Trang 22

Để xem xét mức độ nguy hiểm của các dòng xe giao cắt ở các góc khác nhau:

Góc nhọn, góc tù, giao nhau vuông góc (hình 1.7) G.A.Rappotport (Nga) đã

đưa ra bảng mức độ nguy hiểm (σ) tương đối (bảng 1.2) [2] Trong đó các điểm tập trung cách nhau nhỏ hơn 15m và các điểm nguy hiểm phân tán cách

Trong đó:

σ - mức độ nguy hiểm của điểm xét Trị số nêu trong bảng (1.2)

n – số điểm nguy hiểm của nút

β - hệ số căng thẳng, được xác định bằng công thức:

M, N – lưu lượng xe của 2 luồng gặp nhau tại điểm nguy hiểm

Để giảm bớt trị số Q quá lớn, công thức trên được giảm đi 1000 lần Khi đó

công thức (1.2) trở thành:

Trang 23

Trên hình 1.8 là một ví dụ về sơ đồ vị trí các điểm nguy hiểm Với lưu lượng

xe trung bình ngày đêm được giả thiết trên hình thì kết quả tính toán Q theo công thức (1.4) được ghi trong bảng 1.3 [2]

Trang 24

n – số điểm xung đột

qi – mức độ nguy hiểm của điểm xét, được xác định như sau:

10

25

n i i i

K N M

Trong đó:

Ki – hệ số tai nạn tương đối (vụ/106 xe)

Ki, Ni – lưu lượng các dòng xe ở điểm xét

Kn – hệ số không đều theo các tháng trong năm (hệ số này lấy bằng Kn =

12

1 ) Có thể đánh giá mức độ nguy hiểm của nút giao thông bằng hệ số tai nạn tương đối Ka, xác định theo công thức sau:

Ka =

10 7

M N

K

Trong đó:

G – số tai nạn giao thông trong năm

Kn – hệ số không đều trong năm

M và N – lưu lượng xe chạy trên các đường nhập nút, xe/ngày đêm

Hệ số tai nạn tương đối tính theo (1.7) được đánh giá như sau:

Khi Ka < 3 : Nút không nguy hiểm

Khi Ka = 3-8 : Nút ít nguy hiểm

Khi Ka = 8 -12 : Nguy hiểm

Khi Ka =12 : Rất nguy hiểm

Như vậy nút giao thông cần phải cải tạo khi Ka > 8 vụ/106 xe

1.3.4 Các tiêu chuẩn lựa chọn biện pháp tổ chức giao thông và loại hình của nút giao thông

Để quyết định các giải pháp tổ chức giao thông và lựa chọn loại hình của nút giao thông ta có thể căn cứ vào các thông số như: lưu lượng xe chạy trên các đường chính, đường phụ, số vụ tai nạn giao thông trong năm, độ phức tạp của nút hiện tại,… và nêu ra một số các đề nghị sau:

1 Đồ thị lựa chọn nút giao thông của E.M Lobanov:

Được xây dựng dựa trên lưu lượng xe chạy trên đường chính và trên đường phụ (N xe ngày/đêm) Đồ thị chia làm 4 vùng (hình 1.9) vùng (1) ứng với

Trang 25

Đường và giao thông đô thị NHD: TS Lê Tiến Thường, ThS Hoàng Đình Chiến các nút giao thông đơn giản, vùng (2) xây dựng nút giao thông có đảo dẫn hướng trên đường phụ, vùng (3) xây dựng đảo dẫn hướng trên cả hai tuyến chính, phụ, vùng (4) giao nhau khác mức

2 Đồ thị lựa chọn loại hình nút giao thông của A.A Ruzkov (Nga)

Đối với các nút giao thông nằm trong thành phố cần lựa chọn loại hình nút giao thông dựa vào các biện pháp giao thông: (hình 1.10) là đồ thị để lựa chọn loại nút giao thông theo đề nghị của Ruzkov dựa vào lưu lượng xe vào giờ cao điểm theo các hướng ưu tiên (Nu) và không ưu tiên (Nk)

Dựa vào tổng lưu lượng xe theo các hướng đường, sử dụng đồ thị để tìm vùng từ (1) đến (4) nhằm xác định biện pháp tổ chức giao thông (loại đèn, loại giao nhau khác mức, …) Từ đó quyết định loại hình nút giao thông (giao bằng hay giao khác mức, loại vòng xuyến hay ngã tư có điều khiển

…)

Trang 26

3 Tiêu chuẩn đặt đèn điều khiển giao thông tại nút

Do tình hình giao thông ở mỗi nước có những đặc điểm riêng khác nhau như: trình độ phát triển, thành phần dòng xe, quy mô phát triển và tình trạng đường sá, thói quen sử dụng phương tiện, môi trường, dân trí, … nên từng nước đã nghiên cứu và đưa ra các tiêu chuẩn để yêu cầu đặt đèn tín hiệu điều khiển giao thông tại nút Liên quan đến vấn đề này là những kết quả nghiên cứu đề nghị của nhiều tác giả cùng nhiều tiêu chuẩn đặt đèn của mỗi quốc gia

Có thể nêu ra dưới đây một số tiêu chuẩn để tham khảo:

a) Sử dụng vùng (3) của đồ thị do Ruzkov đề nghị Khi đó lưu lượng xe đi trên đường ưu tiên phải đạt từ > 600 ÷ 1600 xe/giờ và lưu lượng xe đi trên đường không ưu tiên tương ứng từ > 600 ÷ 1100 xe/giờ

b) Tiêu chuẩn thiết kế đường phố của Cộng hoà Liên bang Đức: đặt đèn điều khiển khi tổng lưu lượng xe đã quy đổi vào nút ∑N > 750 xe/giờ c) Tại Mỹ, nghiên cứu các nút giao thông của 22 thành phố dưới sự chủ trì của A.Weis đã đưa ra kết luận: phải đặt đèn tín hiệu điều khiển giao thông khi tổng lưu lượng xe vào ra nút đã quy đổi ra xe con tiêu chuẩn

∑N > 1500 xe/giờ và số tai nạn xảy ra tại nút là 4 – 5 vụ/năm

Nghiên cứu của T.V.Moscalevoi (Nga) (đồ thị 1.11) cho thấy: Việc đặt đèn điều khiển giao thông là có lợi khi: bảo đảm xe chạy trên đường

Trang 27

chính an toàn và tổn thất thời gian qua nút của dòng xe trên đường phụ là nhỏ nhất; đồng thời đảm bảo an toàn cho người đi bộ qua phần xe chạy ở tất cả các hướng vào nút

(3)

Cần thiết đặt đèn

Hình 1.11

600 Nc Xe/giờ

Không cần đặt đèn

d) Theo kết quả quan trắc, theo dõi các ngã tư có đường chính, đường phụ Clinkostein đưa ra kết luận: “nếu đặt đèn tín hiệu mà lưu lượng xe vào nút N ≤ 400 xe/giờ thì suất đảm bảo xe chạy an toàn là 100% và xe trên đường phụ không bị chậm xe khi qua nút, khi N ≤ 500 xe/giờ thì suất đảm bảo an toàn là 90% vàhướng phụ bảo đảm không bị chậm xe, khi

N ≤ 600 xe/giờ thì suất đảm bảo an toàn chỉ còn 50% khi hướng phụ bảo đảm không bị chậm xe.”

e) M.F Phisenson đưa ra tiêu chuẩn đặt đèn khi lưu lượng dòng xe theo một hướng là 200 – 250 xe/giờ

f) Quy phạm đặt đèn tín hiệu của Liên Xô (cũ) [2] đưa ra tiêu chuẩn đặt đèn là phải thỏa mãn 1 trong 4 điều kiện sau:

• Điều kiện 1: phối hợp lưu lượng xe chạy trên đường chính và đường phụ nêu ra trong bảng 1.4

Trang 28

Bảng 1.4

Số làn xe theo một hướng Chính Phụ

Lưu lượng xe trên đường chính (cả 2 hướng) Ne, xe/giờ

Lưu lượng xe trên đường phụ (ở hướng có lưu lượng xe lớn nhất) Nf,

∑ Nmặt > 600 xe/giờ (đã quy đổi về xe con)

∑ Nbộ = 150 người/giờ (ở hướng lớn nhất)

• Điều kiện 3: Đặt đèn hợp lý nhất khi điều kiện 1 và điều kiện 2 thoả mãn ≥ 80%

Trang 29

• Điều kiện 4: Đặt đèn tín hiệu khi số tai nạn xảy ra 8 vụ/năm, điều kiện 1 và 2 thoả mãn 80%

g) Tiêu chuẩn đặt đèn của Việt Nam (theo đề nghị của Bộ Nội vụ) – Công văn số 201/CV (1986) như sau:

- Trên các tuyến phân bố có yêu cầu về mặt chính trị

- Giao nhau của các đường phố nằm trên trục chính của giao thông thành phố

- Tại nút giao thông có lưu lượng xe cao và độ phức tạp M >52 nhưng lưu lượng xe phải đạt > 600 xe/giờ trong các hướng (riêng xe cơ giới phải đạt ≥ 200 xe/giờ)

- Có ba vụ tai nạn trong một năm và có 80% lưu lượng xe nói ở trên (bảo đảm yêu cầu an toàn khi xe chạy)

Kinh nghiệm cho thấy, khi điều khiển giao thông bằng đèn tín hiệu thì thời gian cho một chu kỳ đèn thường từ 45 – 80 sec (trong điều kiện bình thường)

Quy trình của CHLB Đức quy định thời gian một chu kỳ là 35 -50 sec (trong điều kiện bình thường), còn khi có lượng xe re trái đáng kể thì Tck –

45 ÷ 50 sec

Còn với nước Mỹ thì quy định Tck= 30 ÷ 50 sec; Pháp: 40 ÷ 70 sec; Nga: 50

÷ 70 sec (áp dụng đối với thủ đô Moscow và thành phố Saint Petebur) Riêng đối với các đô thị của Việt Nam (Hà Nội, Sài gòn, …) do dòng xe có thành phần quá phức tạp (thô sơ và cơ giới) nên thời gian một chu kỳ đèn có thể kéo dài hàng trăm giây

Khi gặp đèn đỏ xe phải dừng lại, trong thời gian 1 chu kỳ đèn kéo dài 60 sec lượng tiêu hao nhiên liêu (xăng) cho 1000 xe như sau:

Trang 30

1.3.5 Tính toán tổn thất thời gian của các hành trình xe đi qua nút giao thông

1.3.5.1 Tính tổn thất thời gian xe chạy trên nút giao thông

Tổn thất thời gian xe chạy trên nút giao thông là một chỉ tiêu khai thác quan trọng, nhằm đánh giá hiệu quả của giải pháp lựa chọn khi thiết kế xây dựng mới hay cải tạo một nút giao thông bất kỳ

Tổn thất xe chạy trên nút giao thông bao gồm hai thàh phần:

Tổn thất do xe chạy trong nút có tốc độ thường thấp hơn tốc độ trên các đường vào nút Do xe đi vào nút phải giảm tốc độ nên thời gian của từng hành trình (mặc dù là xe chạy tự do) kéo dài hơn Tổn thất thời gian này hoàn toàn phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: loại hình xe, trình độ, tâm lý của lái xe, quy mô của nút trên mặt bằng, biện pháp tổ chức giao thông… Thông thường, khi thiết kế ta lấy Vnút=0.6-0.7Vđường

Phần tổn thất thời gian do xe chạy vào nút bị ùn tắc vì phải chờ đợi để có thể cắt qua hay nhập vào các dòng xe khác Tổng tổn thất thời gian xe qua nút giao thông gồm hai thành phần tổn thất trên và được tính cho tất cả các dòng

xe theo các hướng đi vào ra nút

Trường hợp nút giao thông có đèn điều khiển thì tổng tổn thất thời gian ∑T

bao gồm thời đoạn để xe giảm dần tốc độ đến vạch “dừng xe” trước nút (Todừng) và thời gian xe phải chờ đợi qua hai pha đèn vàng và một pha đèn đỏ (Tdừng) Tức là:

dung odung

Trong đó:

N-Lưu lượng xe theo hướng khảo sát

p-Tỉ lệ % xe bị ùn tắc

ck

d v

t

t t

tv, td, tck là thời gian bật đèn vàng, đèn đỏ và chu kỳ đèn

Vì thời gian ùn tắc của mỗi xe trước ngã tư giao động từ trị số bằng 0 đến trị số toàn bộ thời gian cấm xe chạy theo hướng quan sát Thời gian cấm này bao gồm hai lần bật đèn vàng và một lần bật đèn đỏ Trị số trung bình của thời gian ùn tắc trước ngã tư là:

Trang 31

2

)2

( v d

tb

t t

Trang 32

)( d v

h ab

t t

t P

+

= vì

cd

h h

cd

h ab

t t v

l P

+

Số lượng xe đi qua ngã tư sẽ là:

N P P

Hay

N t t

t t

t

t N

d v

x v

=

)2

()

Trong đó:

Px – tỉ lệ % xe qua khi có đèn

Xem rằng, ôtô bắt đầu giảm tốc độ từ điểm B, và có thể coi tốc độ xe chạy đến khi giảm bằng một nửa tốc độ lúc đầu vcd và tốc độ đến trước khi hãm xe là v2 thì tổn thất thời gian của một ôtô khi chạy giảm tốc độ nhưng không dừng xe bằng:

⋅

−

=

a b

v v P T

h

cd ab

i

odung

116.32

)( 2

Trong đó:

bh – gia tốc của xe khi hãm (m/s2)

a – gia tốc của xe khi tăng tốc (m/s2)

vcd – tốc độ ban đầu của xe (km/h)

Vì tín hiệu cấm qua nút (đèn đỏ) có thể xảy ra khi ôtô ở điểm bất kỳ giữa A và B nên giảm tốc độ khi xe hãm sẽ cao hơn so với gia tốc xe chạy tự do Ta có thể lấy trị số trung bình:

2

h hg tb

b b

Trong đó: bhg – gia tốc xe hãm gấp (m/s2)

Cuối cùng, tổng tổn thất thời gian của tất cả các xe đi theo một hướng quan sát qua nút giảm tốc độ nhưng không dừng xe là:

)

(i

odung x

cd ab x

odung

a b

v v P N P

6.32

Trang 33

Đường và giao thông đô thị NHD: TS Lê Tiến Thường, ThS Hoàng Đình Chiến Hay

⋅

−

⋅ +

=

tb tb

cd v d cd

h ck

cd

h d v

odung

a b

v v t t v

l t

v

l t t N

6 3 2 ) (

2

Tiếp theo, tính tổn thất thời gian của tất cả các xe khi phải dừng lại ở vạch

“dừng xe” như sau:

Tổn thất thời gian trung bình của một xe khi dừng là , của tất cả số lượng

xe bị dừng trước nút là:

tb i dung

T )

N p T

h d v

cd

h d v dung

t v

l t t v

l t t N T

22

Cuối cùng, tổng tổn thất thời gian của toàn bộ xe qua nút giao thông có đèn điều khiển do các xe chạy giảm tốc độ và phải dừng xe (ùn tắc) trước vạch dừng xe bằng công thức sau [2]:

N t

v

l t t v

l t t

a b

v v t t v

l t

v

l t t T

ck cd

h d v

cd

h d v

tb tb

cd

v d cd

h

ck cd

h d v

⋅

−

⋅ +

1 1 6 3 2 ) (

Trang 34

1.3.5.2 Tính tổn thất thời gian trong điều kiện giao thông đô thị ở Việt Nam

Giao thông ở các đô thị nước ta rất phức tạp do dòng xe có thành phần hỗn tạp bao gồm nhiều loại phương tiện trên đường với tốc độ khác nhau khá lớn giữa các nhóm xe thô sơ và (xe đạp, ba gác, xích lô) xe cơ giới (xe máy, ôtô các loại) Vì vậy, áp dụng các công thức được xây dựng trên cơ sở lý thuyết và thực nghiệm của nước ngoài đối với dòng xe ôtô đơn thuần để tính tổn thất thời gian của dòng xe hỗn tạp qua nút là không thõa mãn, mặc dù tiến hành quy đổi các loại xe ra xe tiêu chuẩn (xe con)

Để có số liệu sử dụng cho việc thiết kế, cải tạo nút giao thông, cần tiến hành quan trắc, đo đạc cụ thể cho từng nút, từng khu vực hoặc từng địa phương Bởi với một dòng xe phức tạp lưu hành trên các đường phố và trên các nút giao thông thì tổn thất thời gian do chậm xe (ùn tắc) sẽ tăng lên rất nhiều so với dòng xe cơ giới đơn thuần do tại nút xảy ra đồng thời nhiều giao cắt, tách, nhập của các loại xe khác nhau (xe đạp, xe máy, ôtô) theo các hướng khác nhau

Cụ thể, vào năm 1992 để nghiên cứu lập luận chứng cải tạo cụm nút khu vực Cửa Nam (Hà Nội) Bộ môn “Đường ôtô và đường thành phố” Đại Học Xây Dựng đã tiến hành quan trắc tại các nút giao thông thuộc khu vực này và đưa

ra các kết quả về thời gian chậm xe (tổn thất thời gian của các loại xe mỗi lần chờ để giao cắt, tách, nhập) như sau [2]:

Bảng 1.5

Loại phương tiện và tương giao giữa

các dòng xe

Thời gian chậm xe (s)

Oâtô nhập phải với ôtô

Oâtô nhập trái với ôtô

Oâtô tách phải với ôtô

Oâtô tách trái với ôtô

Oâtô giao cắt với ôtô

Oâtô giao cắt với xe máy

Oâtô giao cắt với xe đạp

Xe máy giao cắt với xe máy

Xe máy giao cắt với xe đạp

Xe máy giao cắt với ôtô

Xe đạp giao cắt với ôtô

Trang 35

Xe đạp giao cắt với xe máy

Xe đạp giao cắt với xe đạp

3

2

Số liệu bảng trên có thể dùng để tham khảo tính toán bổ sung tổn thất thời gian của dòng xe hỗn tạp đi qua nút giao thông trong điều kiện cụ thể của giao thông đô thị ở nước ta

Kết quả quan trắc đo đạc ở khu vực nút giao thông Cửa Nam (Hà Nội) cũng cho thấy tốc độ ôtô qua nút trung bình chỉ đạt 10 –15 km/h, nghĩa là chỉ bằng tốc độ đi xe đạp bình thường ngoài nút

1.4 HOẠT ĐỘNG CỦA TÍN HIỆU ĐIỀU KHIỂN GIAO THÔNG

1.4.1 Điều khiển giao thông bằng đèn tín hiệu

Là một biện pháp tổ chức giao thông cưỡng bức nhằm bảo đảm an toàn cho xe cộ qua lại các nút giao thông có lưu lượng xe vào nút tương đối cao

Các tiêu chuẩn giới hạn bắt buộc phải điều khiển giao thông bằng đèn tín hiệu ở nút giao nhau ở mỗi nước khác nhau Các tiêu chuẩn đặt đèn tín hiệu đã được trình bày trong phần trước

Việc thực hiện điều khiển giao thông bằng đèn tín hiệu được áp dụng cho từng nút giao thông riêng biệt hay cho cả một nhóm nút nằm trên cùng một đường trục phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: các đặc trưng của dòng xe (thuần nhất hay hỗn tạp, dòng xe chạy trên đường theo cùng một tốc hay nhiều nhóm tốc độ khác nhau, lưu lượng và tốc độ xe), khoảng cách giữa các ngã tư… Hiện nay, tại các đô thị lớn của nước ta (Hà Nội, TP Hồ Chí Minh, Hải Phòng, Đà Nẵng…) do dòng xe đi trên đường phố là dòng xe hỗn tạp bao gồm nhiều phương tiện thô sơ, cơ giới chạy với tốc độ rất khác nhau và do mạng lưới giao thông chưa hoàn chỉnh nên còn nhiều nút giao thông trong nội thành được điều khiển bằng đèn tín hiệu một cách độc lập Tại các nút này, thời gian chu kỳ đèn được xác lập bằng kinh nghiệm của người điều khiển sao cho mức độ ùn tắc xe cộ là ít nhất hoặc được xác định bằng thuật toán theo sơ đồ cứng với nhiều chương trình

Lý thuyết về điều khiển giao thông bao gồm hàng loạt các thuật toán, sơ đồ các chương trình tối ưu hóa đều xuất phát từ mục tiêu để sao cho xe chạy qua các nút giao thông an toàn, thuận lợi với tốc độ tối ưu Nhằm bảo đảm tổn thất thời gian hành trình qua nút thấp nhất, liên quan đến sự ùn tắc của các dòng

xe trước ngã tư Mức độ ùn tắc tại nút lại phụ thuộc mật độ và lưu lượng xe

Trang 36

Đường và giao thông đô thị NHD: TS Lê Tiến Thường, ThS Hoàng Đình Chiến chạy hướng thẳng và các hướng khác ra vào nút cùng chế độ làm việc của các pha trong cùng một chu kỳ đèn tín hiệu

Thời hạn của một chu kỳ đèn là tổng thời gian cần thiết để thực hiện tất cả các thời đoạn riêng biệt của một chu kỳ ( thời gian bật sáng từng loại đèn tín hiệu: xanh, vàng, đỏ)

Thời gian của một chu kỳ đèn có ý nghĩa quan trọng, thời hạn này, phải là ngắn nhất, bảo đảm lượng xe thông qua nút cao nhất, nhưng không nhỏ hơn 35 sec

Thời gian dành cho từng đoạn (thời gian bật đèn xanh, vàng, đỏ) phụ thuộc vào thời hạn của một chu kỳ đèn, lưu lượng xe chạy qua nút, thời gian cần thiết dành cho một lưu lượng người đi bộ qua đường nhất định… Nhưng thời gian tối thiểu cho một lần không được nhỏ hơn 8 sec

Kết quả nghiên cứu của nước ngoài cho thấy, để bảo đảm khả năng thông xe qua nút là lớn nhất thì thời hạn chu kỳ đèn được chọn có lợi nhất trong khoảng từ 36-42 sec tại các đường phố hẹp, và khoảng 60-75 sec trên đường phố rộng Còn trong từng trường hợp riêng biệt ( ví dụ: mặt cắt ngang dành cho xe qua không lớn) có thể kéo dài thêm thời hạn của một chu kỳ đèn

Số lần thay đổi tín hiệu đèn được xác định từ các điều kiện và tình huống giao thông ở từng nút Trong một chu kỳ đèn thường thấy đơn giản nhất là lần lượt bật các đèn tín hiệu: xanh, vàng, đỏ, vàng Còn có thể sử dụng các pha phụ thêm khi lượng xe rẽ trái lớn Để xác định tiêu chuẩn giới hạn tỷ lệ xe rẽ trái nhằm bổ sung pha phụ phải xuất phát từ tình hình cụ thể tại mỗi nước, mỗi địa phương

Ví dụ: Với dòng xe tương đối thuần nhất tiêu chuẩn đặt pha phụ khi lượng xe rẽ trái không nhỏ hơn 120 xe/h (nghiên cứu ở Nga – 1981) Ở nước ta, với dòng xe hỗn tạp, chưa có nghiên cứu nào được công bố chính thức, song qua thực tế ta có thể ước đoán tỉ lệ lượng xe rẽ trái này khoảng 30%

1.4.2 Điều khiển giao thông tại giao lộ độc lập

1.4.2.1 Sơ đồ điều khiển giao thông bằng đèn tín hiệu tại các ngã tư độc lập

Tại các ngã tư, tùy theo lượng xe rẽ trái chiếm tỷ lệ nhiều hay ít, hoăc tùy theo bề rộng mặt cắt của các đường vào nút nhỏ hay lớn mà ta có thể áp dụng một trong 3 sơ đồ với các chu kỳ 2 pha, 3 pha, hoặc 4 pha

Với sơ đồ 2 pha (chu kỳ hai nhịp)

Thì thời gian một chu kỳ sẽ là:

Trang 37

2

v x

Trong đó: tx, tv, td – thời gian bật đèn xanh, vàng đỏ

Điều khiển giao thông theo sơ đồ này chỉ lưu tâm theo các dòng xe đi theo hướng thẳng Các xe rẽ trái phải lựa chọn tìm được “khoảng gián cách” để rẽ qua trong thời gian còn bật đèn xanh theo hướng thẳng

Aùp dụng sơ đồ này khi dòng xe chưa bảo hòa và thời gian khi bật đèn xanh không nhỏ hơn 10%

Theo sơ đồ thì thời gian sử dụng đèn xanh thực tế sẽ nhỏ hơn thời gian bật đèn xanh (t x t/te < t x) và trị số này có tính gần đúng bằng:

tb te

Trong đó: N - lưu lượng xe, xe/h

n – số chu kỳ đèn trong 1 giờ ⎟⎟

Trang 38

Đường và giao thông đô thị NHD: TS Lê Tiến Thường, ThS Hoàng Đình Chiến Điều khiển giao thông theo sơ đồ chu kỳ 2 pha thì tổng thời gian của các thời đoạn làm việc để thông xe cả hai hướng vuông góc (hai lần bật đèn xanh) thường chiếm 80 – 85% tổng thời gian cả một chu kỳ đèn

Như vậy, trong vòng một giờ thì thời gian trực tiếp dành cho thông xe chỉ chiếm 2900 – 3100 sec, thời gian còn lại là từ 500 – 700 sec là thời gian “dọn sạch mặt bằng” tại ngã tư (để không còn xe qua lại nút trong thời gian này) Từ đó, ta có thể chấp nhận thời hạn cho các thời đoạn làm việc trong một chu kỳ đèn 2 pha là 3000 sec/giờ

Tại các ngã tư giao nhau của 2 đường phố chính và phụ thì nên thực hiện điều khiển theo chu kỳ 2 nhịp đơn giản như dưới đây thì có lợi

Đỏ Đỏ

3

4

Đỏ Đỏ

Xanh Vàng

Với các nút giao thông ở các thành phố, cần nthiết phải bố trí đèn tín hiệu cho người qua đường Cách phối hợp các pha đèn dành cho xe cơ giới và người đi bộ khi điều khiển đèn tín hiệu theo sơ đồ chu kỳ 2 pha được trình bày trong bảng 1.7

Trang 39

Với sơ đồ 3 pha (chu kỳ 3 nhịp)

Khi lượng xe rẽ trái chiếm tỉ lệ đáng kể theo một luồng nào đó của ngã tư cần thiết phải bổ sung pha phụ để điều khiển xe rẽ trái và hệ thống tín hiệu làm việc theo sơ đồ 3 pha

A

B

Thời gian cho một chu kỳ đèn 3 pha:

3 2

1 t tr t v t d t v v

t x t

ck

ttr – thời gian bật đèn xanh cho phép xe rẽ trái

Để điều khiển giao thông theo sơ đồ chu kỳ 3 nhịp như trên cần có các biện pháp sau:

- Tách riêng làn xe rẽ trái

- Giảm bớt số làn xe theo hướng thẳng

- Rút ngắn thời hạn của pha cho xe đi theo hướng thẳng để bổ sung thời gian dành cho xe rẽ trái

- Tăng thời gian bật đèn vàng

Trang 40

Vì tổng thời gian xuất hiện đèn vàng trong một chu kỳ đèn 3 pha chiếm khoảng 20–25% thời gian của cả một chu kỳ Bởi thế, thời gian trực tiếp để thông xe qua nút trong 1 giờ chỉ còn trong phạm vi 2700 – 2900 sec

Hệ số sử dụng khả năng thông xe của phần xe chạy đối với các dòng xe đi thẳng khi điều khiển theo chu kỳ 3 nhịp (η) so với chu kỳ 2 pha:

Với sơ đồ 4 pha (chu kỳ 4 nhịp)

Khi lượng xe rẽ trái từ hai hướng đường vào ngã tư càng lớn, tách hai dòng xe này nhằm an toàn xe chạy phải áp dụng sơ đồ điều khiển đèn với chu kỳ 4 pha

Thời gian của chu kỳ 4 pha được tính như sau:

4 3

2 2

1

1 tr v tr v d v v

Vì vậy, khi sử dụng đèn tín hiệu để điều khiển giao thông theo sơ đồ chu kỳ 2 hoặc 3 pha … cần được lựa chọn cân nhắc kỹ thông qua luận chứng kinh tế – kỹ thuật trên cơ sở bảo đảm an toàn xe chạy qua nút là lớn nhất, tránh lầm tưởng cho rằng tăng pha sẽ cải thiện tốt về mọi mặt mà quên những điều đã phân tích trên

1.4.2.2 Sơ đồ điều khiển giao thông ở các ngã ba độc lập

Có thể điều khiển giao thông ở ngã ba theo sơ đồ chu kỳ 2 pha hoặc 3 pha

Định dạng
Số trang	166
Dung lượng	2,9 MB