báo cáo khoa học 'phương pháp tính toán năng lực của nút giao thông điều khiển đèn tín hiệu'

Phơng pháp tính toán năng lực
của nút giao thông điều khiển đèn tín hiệu

ThS. đỗ quốc cờng
Bộ môn Đờng ôtô v sân bay
Khoa Công trình - Trờng Đại học GTVT

Tóm tắt:: Bi báo ny đa ra một phơng pháp tính năng lực của nút giao thông điều
khiển đèn tín hiệu, v góp phần vo việc xây dựng tiêu chuẩn thiết kế của loại hình nút giao
thông ny.
Summary: This article proposes a calculating method for capacity of signalized
intersections, contributing to building standards in designing signalized intersections.
i. đặt vấn đề
Hiện nay, tại các thành phố ở nớc ta,
đặc biệt là các thành phố lớn nh: Hà Nội,
Thành phố Hồ Chí Minh, Đà Nẵng, Hải
Phòng, đã và đang ứng dụng kỹ thuật điều
khiển giao thông tại nút giao bằng đèn tín
hiệu. Qua quá trình sử dụng, ngời quản lý và
tham gia giao thông đã thấy đợc những u
việt của chúng. Tuy nhiên, với mục tiêu nâng
cao năng lực và chất lợng giao thông tại nút
thì cần có một phơng pháp tính phù hợp với
điều kiện đờng và giao thông thực tế tại nút
đó. Hiện tại, Bộ Giao thông Vận tải cha ban
hành tiêu chuẩn thiết kế điều khiển giao thông
tại nút bằng đèn tín hiệu, vì vậy công tác thiết
kế đối với các công ty t vấn trong thực tế gặp
nhiều khó khăn. Trong phạm vi bài báo này,
tôi giới thiệu một phơng pháp tính toán điều

khiển nhằm góp phần vào việc giải quyết
những vấn đề trên.
ii. nội dung
1. Các bớc tính toán
Đối với nút giao điều khiển đèn tín hiệu,
năng lực của nút thờng đợc kiểm tra theo
các bớc trình bày ở hình 1. Tuy nhiên, khi
quy hoạch và thiết kế một nút giao thông mới,
thì phải dự đoán lu lợng và bố trí pha trớc,
sau đó mới tính toán điều khiển và quyết định
yếu tố hình học.
Các bớc tính toán nh sau:
a. Dự đoán lu lợng giao thông
Sự dự đoán lợng giao thông cho mỗi
hớng tại nút là cơ sở thiết yếu cho việc thiết
kế. Để cải thiện năng lực của nút cũ, lợng
giao thông phải đợc khảo sát ở các giờ cao
điểm (thông thờng 2 lần 1 ngày, vào buổi
sáng và buổi chiều).

b. Các bớc tính toán năng lực giao
thông
Thông thờng, các bớc đợc đa ở hình
1 là để dự đoán năng lực của nút giao thông
tín hiệu và mức độ phục vụ của nó.
Giả sử biết lu lợng giao thông thiết kế ở
mỗi nhánh (q

i
) và các yếu tố hình học của nút.
Các bớc tiếp theo là:
- Quyết định mẫu pha tín hiệu.
- Tính toán mức dòng bão hoà của mỗi
nhánh , tỉ lệ dòng ở mỗi nhánh nút
( ) trong từng pha (j là chỉ số nhánh
nút, i là chỉ số pha). Trong đó là lu lợng
thiết kế của nhánh nút j trong pha i, còn là
mức dòng bão hoà của nhánh nút tơng ứng.
Độ bão hoà của pha (
i
S
j
i
j
i
j
i
S/q=
j
i
q
j
i
S
i

) là tỉ lệ dòng lớn nhất
trong pha đó. Đối với dòng xe rẽ trái thì tỉ lệ

dòng đợc tính nh sau:
L
L
o
L
S
Nq
=
(1)
trong đó:
N là số xe có thể rẽ trái trong các khoảng
thời gian chuyển pha trong 1 giờ.
q
L
: là lu lợng xe rẽ trái thiết kế.
S
L
: là mức dòng bão hoà của làn xe rẽ
trái.
- Độ bão hoà của nút ( ) là tổng độ bão
hoà của các pha tín hiệu ( ). Khi giá trị
này vợt quá 0.9, mẫu pha tín hiệu đề xuất
không nên đợc sử dụng và một mẫu pha
thay thế khác đợc đề xuất. Nếu giá trị không
đợc giảm xuống dới 0.9 với bất cứ một mẫu
pha tín hiệu nào, thì yếu tố hình học của nút là
không phù hợp cho điều khiển giao thông
bằng tín hiệu do đó yếu tố hình học của nút đó
cần đợc xem xét lại.

i
=
- Chu kì tín hiệu đợc tính bằng cách sử
dụng công thức dới đây, ở đó L là thời gian
mất mát trong 1 chu kì và
là độ bão hoà
của nút.

+
=
1
5L5.1
C
(2)
Tuy nhiên, giá trị đạt đợc từ công thức
(2) thờng quá lớn so với thực tế. Trong
trờng hợp đó, chu kì ngắn hơn đợc áp dụng.
Miễn là nó lớn hơn giá trị nhận đợc từ công
thức (3) dới đây, sự cản trở ở nút sẽ không
quá gay gắt. Tuy nhiên, chú ý giá trị nhận
đợc từ công thức (3) không phải lúc nào cũng
nhỏ hơn giá trị đạt đợc từ công thức (2). Khi
giá trị đạt đợc từ những công thức đó lớn hơn
nhiều so với giá trị thích hợp, chu kì dài nhất
và thực tế 120s sẽ đợc xem xét.


9.0
L9.0
C

(3)
- Từ chiều dài chu kì đã nhận đợc, mức độ
phục vụ đợc đánh giá ớc định theo bảng 1.
Nếu mức độ phục vụ không đạt đợc tiêu
chuẩn đã định, yếu tố hình học khác phải
đợc xem xét.
Bảng 1
Mức độ phục vụ Chu kì (s)
1 < 70
2 70 - 100
3 > 100
Theo sổ tay năng lực đờng (HCM) thì
mức phục của nút đợc phân từ mức A đến
mức F tuỳ theo thời gian chờ trung bình tại
nút. Tuy nhiên, việc tính toán thời gian chờ
trung bình tại nút là rất phức tạp mặc dù coi
dòng giao thông là đơn giản. Mặt khác sự đo
đếm thời gian chờ trung bình ở hiện trờng
cũng rất khó khăn. Từ thực tế này, một biểu
thị đơn giản thay thế thời gian chờ trung bình
để đánh giá mức phục vụ của nút đợc nghiên
cứu và đợc lấy theo chiều dài chu kì đèn bởi
vì khi lợng giao thông lớn, ảnh hởng của xe

đến ngẫu nhiên là không đáng kể, lúc đó thời
gian chờ trung bình lớn hay nhỏ là tuỳ thuộc
vào chiều dài chu kì đèn, quan hệ này đợc
thể hiện nh sau:
Hình2. Quan hệ giữa thời gian chờ trung bình v
chu kỳ đèn

- Sau khi có thời gian chu kì tín hiệu, thời
gian xanh cho mỗi pha đợc tính từ công
thức dới đây:
i
G


=
i
i
x)LC(G
(giá trị đợc làm tròn và tính bằng
giây)
i
G
Với điều kiện thơng số thoả mãn
công thức:
9.0
C/L



1

Tức là thơng số đạt đợc từ công
thức


==
i

ii
)C/L1(C/Gg
luôn luôn
thoả mãn .
9.0/g
ii

- Thời gian xanh của từng pha bắt
buộc phải lớn hơn thời gian xanh tối
thiểu, và khi xét tới khách bộ hành thì
thời gian xanh phải đủ để khách bộ
hành đi qua đợc an toàn. Khi thời gian
xanh tính toán nhỏ hơn thời gian xanh
tối thiểu thì đợc lấy bằng thời gian xanh
tối thiểu theo quy định.
- Năng lực thông hành của nhánh nút j
trong pha thứ i đợc tính:
C
G
.SC
i
ii
=
(xcqđ/h)
Năng lực bão hoà của nút đợc tính nh sau:
C
G
.SC
i
j

i
j
i
=
(xcqđ/h)
Năng lực bão hoà của nút đợc tính nh sau:

=
j
i
CQ
(xcqđ/h)
trong đó:
j
i
C
: năng lực thông hành của nhánh
nút j trong pha thứ i (xcqđ/h)
j
i
S
: mức dòng bão hoà của nhánh nút
tơng ứng (xcqđ/h thời gian xanh hiệu dụng)
G
i
: thời gian đèn xanh có hiệu của pha i
C: thời gian chu kỳ.
2. Kết quả tính toán cho nút giao
thông Kim M - Liễu Giai
Trong khuôn khổ bài báo này, bằng cách

sử dụng phơng pháp tính tôi đa ra kết quả
tính toán đối với nút giao thông Kim mã - Liễu
Giai nh sau:
a. Số liệu khảo sát các thnh phần xe tại
nút giờ cao điểm
178

1297
311
1786
1
8
1
8
33
1
366
1121
175
555
1241
511
1036
270

161
605
d
c
b

a
Hình 3. Sơ đồ lu lợng xe các hớng (xcqđ/h)
chu kì
Thời gian chờ trung bình
Cmin
Cop
ẫu nhiên xe đến n
g
xe đến đều

b. Mặt bằng nút v mẫu pha thiết kế
C
:

h

ớ
n
g

l
i
ễ
u

g
i
a
D
:

h

ớ
n
g

k
i
m

m
ã
B
:

h

ớ
n
g

c
ầ
u

g
i
ấy
A

:

h

ớ
n
g

n
g
u
y
ễ
n

c
h
í

t
h
a
n
h
3
3
.
5
3
.

5
3
3
3
.
5
3
3
3
3
3
3
6
m
6m
2
8
.
4
m
2
8
.
4
m
7
.
5
2
2

8
.
4
m
1
7
1
.
4
7
.
3
1
5
.
5
9
.
5
l

n

x
e

đ
ạ
p
l

n

xe

c
ơ

g
i
ớ
i
h
è

đ
i

b
ộ

Mạt bằng nút giao Kim Mã - Liễu Giai

đ
iều khiển 3 pha

pha 1

pha 2

pha 3

Mẫu pha thiết kế
Ghi chú:
Pha 1: Kim Mã đi thẳng, rẽ phải. Cầu
Giấy đi thẳng.
% xe bus
so với
xcqđ
Xe
đạp
Xe
máy
Ô tô
con
Xe
bus
Pha 2: Cầu Giấy và Kim mã rẽ trái.
Hớng rẽ
Pha 3: Liễu Giai đi thẳng, rẽ phải,
rẽ trái. Nguyễn Chí Thanh đi thẳng, rẽ
trái.
10%
Liễu Giai rẽ phải 28% 59% 10% 4%
Liễu Giai đi thẳng 12% 82% 5% 2%
5%
Liễu Giai rẽ trái 12% 72% 11% 4%
11%
c. Kết quả tính
- Tổng thời gian chu kì đèn:

C = 100s (đạt mức phục vụ 2).
- Độ bão hoà của các pha
{
}
380.0380.0,292.0Max
o
1
==1

{
}
152.0143.0,152.0Max
o
2
==2
{
}
205.0205.0,140.0Max
o
3
==3


- Độ bão hoà của nút
205.0152.0380.0
o
i
++==

9.0737.0 <
=

(thoả mãn điều khiển bằng tín hiệu)
- Thời gian đèn xanh cho các pha nh
sau:
+ pha 1: 42s
+ pha 2: 17s
+ pha 3: 23s
- Tổng thời gian chuyển pha 18s. Trong
đó:
+ thời gian chuyển pha 6s giữa pha
1 và pha 2.
+ thời gian chuyển pha 6s giữa pha
2 và pha 3.
+ thời gian chuyển pha 6s giữa pha
3 và pha 1.
Tổng khả năng thông qua của nút điều
khiển tín hiệu: 5915 xcqđ/h.
III. Kết luận
5%
Nguyễn Chí Thanh
rẽ phải
10% 83% 6% 2%
6%
Nguyễn Chí Thanh đi
thẳng
12% 83% 4% 2%
11%
Nguyễn Chí Thanh

rẽ trái
19% 64% 13% 4%
6%
Cầu Giấy rẽ phải 21% 69% 8% 2%
3%
Cầu Giấy đi thẳng 10% 85% 4% 1%
9%
Cầu Giấy rẽ trái 17% 75% 5% 3%
0%
Kim Mã rẽ phải 22% 71% 7% 0%
3%
Kim Mã đi thẳng 11% 85% 4% 1%
Kim Mã rẽ trái 13% 70% 13% 4%
11%

- Phơng pháp tính đã xét đến các ảnh
hởng của đờng và giao thông trên đờng
thông qua việc điều chỉnh mức dòng bão hoà
của các làn xe ở nhánh nút.
- Việc đa khái niệm độ bão hoà của
pha, và độ bão hoà của nút vào phơng pháp
tính cho phép kiểm tra điều kiện làm việc của
nút.
- Việc tính theo dòng bão hoà của nhánh
mở ra hớng nghiên cứu cho dòng giao thông
phức tạp và trờng hợp chiều rộng đờng vào
không bố trí chẵn số làn xe. Các phơng pháp
quen thuộc thờng tính theo lu lợng xe lớn
nhất trên 1 làn xe.
Tài liệu tham khảo

[1]. Đỗ Bá Chơng, Nguyễn Quang Đạo. Nút giao
thông trên đờng ô tô. Nhà xuất bản giáo dục, năm
2000.
[2]. Bùi Xuân Cậy. Giao thông thành phố và qui
hoạch. Bài giảng cao học, Hà Nội 2000.
[3]. Nguyễn Quang Đạo. Một số vấn đề về giao
thông đô thị. Bài giảng cao học, Hà Nội 2002.
[4]. Phan Cao Thọ. Một số vấn đề về khả năng thông
hành của nút giao thông. Chuyên đề tiến sỹ, Hà Nội
2003.
[5]. Nguyễn Xuân Vinh. Thiết kế nút giao thông và tổ
chức giao thông đô thị. Nhà xuất bản Giao thông vận
tải.
[6]. The Planning and Design of At-Grade
Intersections, Japan Society of Traffic Engineers.
[7]. Transportation Research Board National
Research Council.
[8]. Highway Capacity Manual (HCM) 1994, Edition
third. Washington Public Roads, 1994