Nghiên cứu phát triển các giải pháp giám sát lưu lượng và quản lý phương tiện giao thông qua camera giám sát tt

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

NGUYỄN VIỆT HƯNG

NGHIÊN CỨU PHÁT TRIỂN CÁC GIẢI PHÁP
GIÁM SÁT LƯU LƯỢNG VÀ QUẢN LÝ PHƯƠNG TIỆN
GIAO THÔNG QUA CAMERA GIÁM SÁT

NGÀNH: KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ
MÃ SỐ: 9520203

TÓM TẮT LUẬN ÁN TIẾN SĨ KỸ THUẬT ĐIỆN TỬ

HÀ NỘI - 2020


Công trình này được hoàn thành tại
Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội

Người hướng dẫn khoa học: PGS. TS. Nguyễn Tiến Dũng

Phản biện 1:
Phản biện 2:
Phản biện 3:

Luận án được bảo vệ trước Hội đồng đánh giá luận án tiến sĩ cấp
Trường họp tại Trường Đại học Bách Khoa Hà Nội
Vào hồi . . . giờ, ngày . . . tháng . . . năm . . .

Có thể tìm hiểu luận án tại:

1. Thư viện Tạ Quang Bửu, Trường ĐHBK Hà Nội
2. Thư viện Quốc gia Việt Nam


MỞ ĐẦU
1. Giao thông thông minh
Mục tiêu phát triển quốc gia là sự đồng nhất về phát triển năng
lực kinh tế, cơ sở hạ tầng và mức sống của người dân. Trong đó, cơ
sở hạ tầng giao thông được xác định là điều kiện quan trọng trong
việc phát triển kinh tế xã hội. Giao thông thuận lợi giúp người dân
tiết kiệm được thời gian di chuyển, nâng cao khả năng giao thương.
Tuy nhiên, hạ tầng giao thông chưa thể đáp ứng được số lượng lớn
các phương tiện giao thông ngày càng tăng bởi nhu cầu đi lại của
người dân đặc biệt ở những nước đang phát triển như Việt Nam.
Tùy vào từng đặc trưng của hạ tầng đường bộ mà việc tùy biến
công tác quản lý giao thông ở mỗi quốc gia khác nhau. Do đó, việc
nghiên cứu một hệ thống có chức năng quản lý phương tiện giao
thông và giám sát đánh giá lưu lượng phương tiện trong một vùng
quan tâm là rất cần thiết. Nhằm đạt được mục đích đó việc ứng
dụng các công nghệ hiện đại để quản lý, điều khiển giúp giao thông
an toàn, thông suốt và thông minh hơn là vấn đề cấp bách của các
quốc gia, đặc biệt là các quốc gia đang phát triển.
Hình 0.1 là một mô hình đại diện cho thời đại 4.0 về công nghệ
cảm biến trong giao thông thông minh [1] và đương nhiên nó có đầy
đủ các chức năng của một mô hình hệ thống giao thông thông minh.
Mô hình này gồm nhiều chức năng và công nghệ tập trung chủ yếu
là công nghệ xử lý ảnh và truyền về trung tâm qua kênh LTE, wifi
hoặc bluetooth; từ đó có thể sử dụng các chức năng như: dịch vụ
cấp cứu, bảo hiểm, định vị và các chức năng cần thiết khác.
2. Các vấn đề còn tồn tại

Từ các nghiên cứu đã có tại Việt Nam và nước ngoài, các vấn
đề còn tồn tại đối với hệ thống giao thông thông minh ở Việt Nam
được thống kê như sau:
1


Hình 0.1: Mô hình hệ thống giao thông thông
minh trong nghiên cứu của Juan [32]

• Chưa có giải pháp hoàn chỉnh cho hệ thống phát hiện các
phương tiện trong đô thị đặc biệt khi đường đông vào giờ cao
điểm.
• Chưa có giải pháp quản lý dòng phương tiện giao thông hỗn
hợp (giám sát lưu lượng, mật độ phương tiện).
• Ngoài ứng dụng công nghệ RFID trong thu phí đường bộ, công
nghệ sử dụng cảm biến để đo khoảng cách chỗ đỗ xe trong hầm
thông báo bằng đèn LED để thông báo tình trạng chỗ đỗ xe
và công nghệ camera giám sát hiện trạng nút giao thông thì
tại Việt Nam chưa ứng dụng các công nghệ khác để quản lý
giao thông.
• Chưa có hệ thống điều khiển đèn tín hiệu giao thông theo lưu
lượng thực tế phương tiện trên đường.
3. Mục tiêu, đối tượng và phạm vi nghiên cứu
2


• Mục tiêu nghiên cứu là các dòng giao thông hỗn hợp có đặc
trưng: các phương tiện đi sát vào nhau, không phân loại phương
tiện theo làn, các phương tiện di chuyển lẫn lộn với nhau.
• Đối tượng nghiên cứu chính là các phương tiện giao thông trên

đường bao gồm: ô-tô, xe máy, xe đạp, các phương tiện ba bánh
và phương tiện thô sơ khác.
• Phạm vi nghiên cứu là các đường đô thị trong trung tâm Thủ
đô Hà Nội, nơi mà các tuyến đường được xây dựng từ lâu và
có các đặc trưng của dòng giao thông hỗn hợp.
4. Ý nghĩa khoa học và những đóng góp của luận án
Luận án khai thác các chức năng thực tiễn trong công cuộc giám
sát và quản lý giao thông ở nước ta. Trong công cuộc hiện đại hóa
khoa học công nghệ hiện nay, ứng dụng các kĩ thuật mới nhằm giảm
áp lực quản lý và điều tiết giao thông của lực lượng chức năng là
điều vô cùng cần thiết. Mục tiêu Luận án là đưa ra các phương pháp
xác định lưu lượng và các phương pháp giám sát phương tiện giao
thông dựa trên công nghệ xử lý ảnh. Đây cũng là tiền đề cho các
nghiên cứu khoa học ứng dụng vào giao thông ở Việt Nam.
Hệ thống Giao thông thông minh đươc nghiên cứu sinh đề xuất
sử dụng công nghệ xử lý ảnh là chính. Trên cơ sở giải thuật Bicubic,
nghiên cứu sinh tập trung khai thác giải thuật tạo lại độ tương
phản cho đường biên để phân biệt các đối tượng trong hình ảnh
được truyền về trung tâm từ camera. Bên cạnh đó, nghiên cứu sinh
tập trung vào việc mô hình hóa phương pháp đo tốc độ phương tiện
dựa hoàn toàn vào độ phân giải ảnh và các thông số của camera
giám sát. Nghiên cứu sinh tập trung khai thác nhằm cải thiện năng
lực điều khiển dòng giao thông của đèn tín hiệu nên đề xuất các giải
pháp tính toán mật độ phương tiện các luồng giao thông đổ vào nút
bằng việc xem xét các vùng đích bị chiếm dụng để đưa ra thời gian
hoạt động phù hợp cho đèn tín hiệu.
3


5. Cấu trúc nội dung của luận án

Luận án được trình bày trong 3 chương chính:
Chương 1 nói về CÁC VẤN ĐỀ CỦA XỬ LÝ ẢNH TRONG
GIAO THÔNG HỖN HỢP, trong chương này sẽ tập trung giới
thiệu về các chức năng cơ bản của một hệ thống giao thông thông
minh. Bên cạnh đó sẽ phân tích các công nghệ hiện tại được sử dụng
trong nhận diện phương tiện ở trên thế giới. Nghiên cứu đã chỉ ra
các công nghệ nhận dạng và phân loại phương tiện tốt ở nước ngoài
không thể đưa về ứng dụng ở trong nước. Do đó, đề xuất đưa vào
khai thác và vận hành công nghệ giao thông thông minh ứng dụng
xử lý ảnh là cần thiết.
Trong Chương 2 là QUẢN LÝ PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG,
trình bày về các chức năng cơ bản trong quản lý phương tiện. Đầu
tiên là giới thiệu bước tiền xử lý ảnh để cải thiện năng lực nhận
dạng đối tượng, luận án đề xuất việc tiền xử lý dữ liệu trước khi
đưa vào để nhận dạng và phân loại đối tượng trên đường. Ngoài ra,
tác giả còn đề xuất phương pháp phân loại phương tiện giao thông
dựa hoàn toàn theo góc tới của phương tiện và vị trí đặt camera
giám sát. Cuối cùng, trong chương này sẽ đề xuất mô hình phương
pháp đo tốc độ phương tiện giao thông.
Tiếp theo Chương 3 nói về LƯU LƯỢNG PHƯƠNG TIỆN GIAO
THÔNG, trong chương này sẽ trình bày về ộ phương tiện
giao thông dựa vào mô hình hình học của camera giám sát.

3.2. Hệ thống giám sát lưu lượng phương tiện giao thông
3.2.1. Đề xuất giám sát và điều khiển giao thông theo
mật độ lưu lượng
Việc triển khai hệ thống dựa trên việc thiết lập mô hình camera
với các tham số quan tâm, được mô tả trong Hình 3.8. Trong mô
hình này, độ cao từ mặt đất tới camera, góc lệch của camera với
trục đứng, và góc khoảng xem camera được biểu thị bằng h, δ tương

ứng. Ngoài ra, k là khoảng cách từ máy ảnh hướng hướng tới bề
mặt đường.
Xác định Aoccupied
17


α
2δ

k

h

d

Hình 3.1: Mô hình vị trí lắp đặt camera

A

D
C

B

Hình 3.2: Mô hình hệ thống đề xuất

Từ nguồn dữ liệu cơ sở của hệ thống quản lý giao thông, các
phương tiện được nhận dạng từ phương pháp trừ nền thích nghi
từ dữ liệu vùng chuyển động trong chuỗi ảnh của nghiên cứu [16].
Phương pháp đề xuất mô hình hóa từng điểm ảnh như là phương

pháp Mixture of Gaussians và sử dụng một phép xấp trực tiếp để
cập nhật mô hình và sau đó phân loại điểm ảnh dựa trên phân phối
Gaussian tương ứng một cách hiệu quả nhất là một phần của mô
hình nền.
Xác định Atraced
18


Nghiên cứu này phù hợp hơn ý tưởng được đề xuất ở trong bài
toán nghiên cứu giám sát luồng lưu lượng phương tiện giao thông,
tuy nhiên cần có nhiều thay đổi để có thể hoạt động với nhiều làn
đường và đặc tính giao thông hỗn hợp trong bối cảnh giao thông ở
Việt Nam.
Δα∞
Δαm

Δα

Δαn

β
L
Hình 3.3: Kịch bản hệ thống giao thông hỗn hợp ở Việt Nam

3.2.2. Đề xuất giám sát lưu lượng phương tiện theo số
lượng và chủng loại
Nội dung nghiên cứu trong phần này tập trung vào một nút giao
thông hỗn hợp mà các phương tiện đầu vào có thể được thống kê và
phân loại làm căn cứ điều khiển đèn tín hiệu giao thông.
Vehicle dimension:

Giao thông không đồng nhất có đặc trưng là nhiều chủng loại
phương tiện có kích thước khác nhau cùng chạy chung một làn trên
một luồng đường. Do đó, việc thống kê phân loại phương tiện phải
đi cùng với kích thước phương tiện đó. Bảng 3.1 thống kê kích thước
các chủng loại phương tiện.

19


Bảng 3.1: Bảng dữ liệu phân loại phương tiện theo kích thước

Chủng loại

Chiều dài (m)

Chiều rộng (m)

Diện tích (m2 )

Ô-tô (sedan)
Xe buýt
Xe tải
Xe 16 chỗ
Xe tải rơ-moóc
Xe ba bánh
Xe máy
Xe đạp
Xe đẩy

3,72

10,1
7,5
6,1
7,4
3,2
1,87
1,9
2,7

1,44
2,43
2,35
2,1
2,2
1,4
0,64
0,45
0,95

5,39
24,74
17,62
12,81
16,28
4,48
1,2
0,85
2,56

Mật độ chiếm dụng đoạn đường A được tính bởi độ chiếm dụng

mặt đường ai của mỗi phương tiện nhân với thời gian chiếm dụng
ti trong thời gian di chuyển trong A ở tất cả các pha.
Dưới đây là mô hình sa bàn mô phỏng một nút giao thông được
nhóm nghiên cứu thực hiện. Trong đó, các tham số kích thước của
đường và của đoạn cần giám sát được đo đạc và khảo sát từ thực tế.
Theo như hiện trạng thực tế của nút giao thông được mô phỏng thì
hoạt động của nút giao thông này bao gồm ba pha, được thể hiện
trong Hình 3.4 bên dưới:

Hình 3.4: Nút giao thông 3 pha

Kịch bản mô phỏng được thể hiện trong Hình 3.5, như sau:

20


d1'

B

D
J

C

H

41m

I

d3

d4

G

A

l AOcc

ldensity
Classification
d1

Hình 3.5: Mô hình nút giao thông 3 pha

Các nghiên cứu trước vẫn chưa xử lý bài toán điều khiển đèn tín
hiệu trong giao thông hỗn hợp bằng mô hình toán học và chưa phù
hợp với điều kiện giao thông của các nước đang phát triển. Nghiên
cứu này có thể triển khai và ứng dụng được rộng rãi tại các quốc
gia này.
Phương án được nghiên cứu ở đây dành cho các nút giao thông
có thể thống kê và phân loại phương tiện chuẩn bị đi vào một nút
giao thông từ các pha của nút. Các số liệu thực tế có thể dự đoán
được tình hình và khả năng chứa của pha đích. Từ đó có thể ước
lượng được thời gian hoạt động phù hợp của đèn tín hiệu theo thời
gian thực nâng cao khả năng điều khiển của đèn tín hiệu giao thông.
21

3.3. Kết luận chương
Giám sát lưu lượng phương tiện giao thông là những chức năng quan
trọng nhất của một hệ thống giao thông thông minh. Việc ứng dụng
công nghệ xử lý ảnh để giám sát điều khiển luồng phương tiện ưu
tiên quan trọng trong việc tự động hoá quản lý.
Hệ thống giám sát và điều khiển dòng phương tiện được thực
hiện trong kịch bản tại một nút giao thông, dựa vào dòng phương
tiện để điều khiển thời gian hoạt động của đèn tín hiệu giao thông
cho phù hợp. Trong nghiên cứu [J1] luận án đã đề xuất phương
pháp xác định đường giao thông mà các phương tiện di chuyển và
xác định các tham số ∆α (∆α∞ , ∆αm và ∆αn ), β và L để xác
định mật độ các phương tiện đang xuất hiện tại các vùng mà dòng
phương tiện đang hướng vào. Việc ước lượng các tham số trên sẽ
điều khiển được thời gian hoạt động của đèn tín hiệu, tránh gây ra
các xung đột giao thông.
Trong trường hợp số lượng và chủng loại phương tiện có thể được
giám sát ngay từ đầu, luận án đề xuất hướng quản lý lưu lượng dựa
trên mật độ bao phủ của từng phương tiện trên đường nhằm mục
đích ước lượng đoạn đường cần giám sát có khả năng chứa được bao
nhiêu phương tiện. Từ đó có thể đề xuất ra thời gian hoạt động cho
đèn tín hiệu giao thông ở một nút giao thông cần giám sát [J3].

22


KẾT LUẬN
Một số kết quả đạt được của luận án:
1. Đề xuất thuật toán cải thiện chất lượng ảnh dựa trên giải
thuật Bicubic nhằm mục đích nâng cao chất lượng của ảnh

sau khi nội suy. Thuật toán thực hiện tính toán ảnh biên từ
ảnh nội suy sau đó tính lại các vị trí điểm ảnh ở cận biên của
đối tượng để tăng độ tương phản và phù hợp cho đối tượng.
Quanh các đường biên của đối tượng trong ảnh, thuật toán sử
dụng các ma trận 7 × 7, 3 × 3 để xác định vị trí các điểm ảnh
cần tính toán lại sau đó sử dụng các giải thuật nội suy tuyến
tính để đưa điểm ảnh nội suy gần với các điểm ảnh gốc ở xung
quanh thuộc về cùng một đối tượng.
2. Đề xuất phương pháp phân loại phương tiện dựa vào góc tới
của phương tiện. Góc tới được thực hiện dựa trên hình chữ
nhật cơ sở bao quanh đối tượng giao thông phát hiện được.
Theo thống kê kết quả mô phỏng của phương pháp đề xuất,
góc tới thu được của xe máy và ô-tô khác biệt với nhau đủ cơ
sở để phân loại phương tiện.
3. Đề xuất mô hình tính toán tốc độ phương tiện giao thông dựa
vào đặc trưng hình học của camera giám sát trên đường. Mô
hình được thực hiện dựa trên cơ sở mô hình hoá được diện
f tan δ
, là cơ sở của lưới
tích thực tế của từng điểm ảnh ∆p =
m/2
được quét trên đường. Từ đó tính toán được diện tích mà các
pixel đại diện cho một vùng ở trên đường do đó có thể thực
hiện tính toán sự dịch chuyển của phương tiện qua các điểm
ảnh này tương ứng để tính tốc độ phương tiện từ các cặp điểm
ảnh thu được.
4. Đề xuất phương pháp thực hiện giám sát và điều khiển luồng
23

phương tiện cho dòng phương tiện giao thông hỗn hợp dựa
vào camera giám sát theo kịch bản đề xuất. Phương pháp
thực hiện bằng cách xác định vùng di chuyển của phương tiện
hay chính là phần đường xe chạy. Tiếp đó sẽ xác định mật độ
phương tiện chiếm dụng trên đường nhằm mục đích xác định
mật độ vùng trống với phần bị chiếm dụng để xác định vùng
giám sát đã đầy phương tiện hay chưa. Các tham số chính
được đề xuất để đánh giá ở đây là: ∆α (∆α∞ , ∆αm và ∆αn
), β và L tương ứng với vùng các phương tiện dừng chờ đèn
đỏ, phần đường giao nhau của nút giao thông và vùng luồng
phương tiện sẽ di chuyển vào. Từ việc giám sát các tham số
này có thể tính toán thời gian đèn giao thông hoạt động cho
phù hợp.
Luận án đề xuất các hướng phát triển tiếp theo như sau:
• Nghiên cứu tính toán đề xuất các phương pháp nâng cao chất
lượng nội suy ảnh theo hướng Super-Resoulution để cải thiện
chất lượng ảnh thu được từ camera giao thông.
• Nghiên cứu tính toán đo tốc độ phương tiện từ xa trên đường
cao tốc, xác định thời gian bắt hình (shutter time) của camera
ảnh hưởng tới thời gian của khung hình kế tiếp nhằm mục đích
xác định thời gian bắt hình và thời gian còn lại của một khung
hình.
• Phát triển giải pháp quản lý và xử lý dữ liệu của một hệ thống
camera nhằm mục đích đồng bộ hoá dữ liệu và đồng bộ trong
điều khiển dòng phương tiện.

24


DANH MỤC CÁC CÔNG TRÌNH

ĐÃ CÔNG BỐ CỦA LUẬN ÁN

I. CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN TRỰC TIẾP ĐẾN LUẬN ÁN ĐÃ
ĐĂNG
Conferences:
[C1 ] Nguyen Viet Hung, Nguyen Hoang Dung, Le Chung Tran, Thang Manh
Hoang & Nguyen Tien Dzung (2016) Vehicle Classification by Estimation of
the Direction Angle in a Mixed Traffic Flow, IEEE International Conference on
Communications and Electronics (IEEE - ICCE), pp. 365 - 368.
[C2 ] Nguyen Viet Hung, Nguyen Hoang Dung, Le Chung Tran, Thang Manh Hoang
& Nguyen Tien Dzung (2016) A Traffic Monitoring System for a Mixed Traffic
Flow Via Road Estimation and Analysis, IEEE International Conference on
Communications and Electronics (IEEE - ICCE), pp. 375 - 378.
[C3 ] Nguyen Viet Hung, Nguyen Thi Thu Hien, Phan Thanh Vinh, Nguyen Thi
Thao & Nguyen Tien Dzung (2017) An Utilization of Edge Detection in a Modified Bicubic Interpolation Used for Frame Enhancement in a Camera-based
Traffic Monitoring, IEEE International Conference on Information and Communications (IEEE - ICIC), pp. 316 - 319.
Journals:
[J1 ] Nguyen Viet Hung, Nguyen Tien Dzung (2017) A Traffic Monitoring based
on Vehicle Density Estimation and Analysis for a Mixed Traffic Flow in a
Transport Cross-road, Journal of Science & Technolgoy - Technical Universities,
No. 120, 6/2017, pp. 92 - 98.
[J2 ] Nguyễn Việt Hưng, Nguyễn Thị Thảo, Đỗ Huy Khôi, Nguyễn Tiến Dũng
(2017) Mô Hình Hóa Phương Pháp Đo Tốc Độ Ô Tô Dựa Trên Xử Lý Ảnh,
Tạp chí Khoa học và Công nghệ, Đại học Thái Nguyên, ISSN 1859 - 2171, Tập
169 số 09 năm 2017, pp. 39 - 44.
II: CÁC CÔNG TRÌNH LIÊN QUAN TRỰC TIẾP ĐẾN LUẬN ÁN
ĐANG CHỜ KẾT QUẢ PHẢN BIỆN
[J3 ] Nguyen Viet Hung, Nguyen Tien Dzung (2019); Traffic Density Based Modeling According to Vehicle Sizes