Nghiên cứu điều khiển thích ứng đèn tín hiệu giao thông tại các nút giao độc lập

TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

NGHIÊN CỨU ĐIỀU KHIỂN THÍCH ỨNG ĐÈN TÍN HIỆU GIAO
THƠNG TẠI CÁC NÚT GIAO ĐỘC LẬP
Người hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Tuấn Anh
Sinh viên thực hiện: Đoàn Ngọc Tú
Lê Văn Khánh
Nguyễn Văn Duy
Phonesavanh Khankeo
Lớp: KTATGT K58

Tóm tắt: Ùn tắc giao thơng đơ thị đang gây ra những tác động tiêu cực ảnh hưởng
lớn đến môi trường, kinh tế, xã hội ở các thành phố lớn như Hà Nội và Thành phố Hồ Chí
Minh. Nguyên nhân chính dẫn đến hiện tượng ùn tắc kéo dài vào giờ cao điểm tại các nút
giao thơng có điều khiển bằng đèn tín hiệu là do thời gian đèn được thiết kế cố định theo
cung giờ dựa trên dữ liệu giao thơng được khảo sát từ trước, khơng có khả năng thích nghi
với những thay đổi liên tục của dịng giao thơng. Trên cơ sở phân tích các giải pháp điều
khiển đèn tín hiệu giao thơng thích ứng đã được áp dụng trên thế giới, đề tài đã lựa chọn
giải pháp phù hợp với điều kiện giao thông ở Việt Nam và ứng dụng tính tốn thiết kế cho
nút giao Dương Đình Nghệ - Trung Kính tại Hà Nội. Kết quả đánh giá cho thấy hệ thống
điều khiển tín hiệu giao thơng thích ứng đã cải thiện rõ rệt thời gian chờ, vận tốc dịng xe
và năng lực thơng hành tại nút.
Từ khóa: Điều khiển thích ứng, đèn tín hiệu giao thông, nút giao độc lập.
1. ĐẶT VẤN ĐỀ
Ùn tắc giao thông là một vấn đề nghiêm trọng ở nhiều thành phố hiện đại trên thế giới.
Ùn tắc giao thông đã và đang gây ra nhiều vấn đề và thách thức nghiêm trọng tại các thành phố
lớn và đông dân nhất. Việc di chuyển đến các địa điểm khác nhau trong thành phố ngày càng
trở nên khó khăn hơn đối với những du khách tham gia giao thông. Do những vấn đề tắc nghẽn
này, mọi người mất thời gian, trễ giờ làm. Ùn tắc giao thông ảnh hưởng trực tiếp đến các công
ty. Do tắc nghẽn giao thông, người lao động bị giảm năng suất, mất cơ hội giao thương, việc
giao hàng bị đình trệ, và do đó chi phí ngày càng tăng.

Số lượng phương tiện ngày càng gia tăng gây ra những vấn đề lớn đang gia tăng theo cấp
số nhân ở các thành phố đô thị trên khắp thế giới. Các vấn đề gây ra tắc nghẽn giao thơng là ơ
nhiễm, lãng phí thời gian làm việc, căng thẳng do tắc đường và chi phí nhiên liệu. Tất cả những
vấn đề này có mối liên hệ với nhau và làm tăng lượng khí thải xe cộ. Do đó, cần liên tục quản
Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021

1


TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI

lý và kiểm sốt ùn tắc. Yếu tố chính liên quan đến việc kiểm soát ùn tắc bao gồm tăng cường
cơ sở hạ tầng đường bộ hoặc giảm số lượng phương tiện. Tuy nhiên, trong thế giới tồn cầu
hóa ngày nay, khơng gian có sẵn cho cơ sở hạ tầng rất khó tìm và việc giảm số lượng phương
tiện ngày càng tăng là điều khơng thể. Do đó, quản lý nhu cầu có thể tối đa hóa lượng xe thơng
qua các điều kiện tắc nghẽn. Trong số nhiều định nghĩa về tắc nghẽn, định nghĩa trong số đó
được nêu là, thời gian di chuyển hoặc độ trễ vượt quá thời gian phát sinh thông thường trong
điều kiện di chuyển nhẹ hoặc lưu thông tự do.
Phương pháp điều khiển giao thơng bằng đèn tín hiệu truyền thống với thời gian đèn cố
định vẫn đang được áp dụng phổ biến ở Việt Nam và nhiều nước khác trên thế giới. Tuy nhiên
do nhu cầu đi lại của người dân tại các thành phố lớn tăng cao, việc điều khiển bằng đèn tín
hiệu giao thơng truyền thống đã dần để lộ ra những bất cập. Điều khiển giao thơng bằng đèn
tín hiệu cố định phụ thuộc nhiều vào điều tra quá khứ (ví dụ: đếm xe, điều tra lưu lượng để
thiết kế pha đèn hợp lý) tuy nhiên bất kể một thay đổi nào đó (ví dụ: thời tiết, ngày lễ tết,…) sẽ
làm thay đổi rất nhiều lưu lượng giao thông qua nút so với số liệu đã điều tra trước đó. Vì thế
pha đèn cố định khơng phải lúc nào cũng phù hợp với tình trạng giao thông tại nút.
Từ những bất cập trên, nhiều trường đại học, viện khoa học ở các quốc gia trên thế giới đã
nghiên cứu và đưa ra những công nghệ điều khiển tín hiệu thích ứng nhằm cải thiện tình trạng
ùn tắc giao thông một cách hiệu quả. Đề tài giới thiệu và phân tích các cơng nghệ điều khiển đèn
tín hiệu giao thơng thích ứng đã được áp dụng trên thế giới, từ đó lựa chọn giải pháp phù hợp để

ứng dụng khắc phục tình trạng ùng tắc giao thơng cho nút giao Dương Đình Nghệ - Trung Kính
trên địa bàn Hà Nội. Kết quả đánh giá cho thấy hệ thống điều khiển tín hiệu giao thơng thích ứng
đã cải thiện rõ rệt thời gian chờ, vận tốc dòng xe và năng lực thơng hành tại nút.
2. CƠNG NGHỆ ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU GIAO THƠNG THÍCH ỨNG
2.1. Khái niệm về cơng nghệ điều khiển tín hiệu giao thơng thích ứng
Thời gian tín hiệu giao thơng bất hợp lý góp phần gây ra tắc nghẽn và chậm trễ giao
thông. Các hệ thống tín hiệu thơng thường sử dụng lịch trình định thời tín hiệu hàng ngày được
lập trình trước. Cơng nghệ điều khiển tín hiệu thích ứng điều chỉnh thời gian của đèn đỏ, vàng
và xanh để phù hợp với các mơ hình giao thơng đang thay đổi và giảm bớt tắc nghẽn giao
thơng. Những lợi ích chính của cơng nghệ điều khiển tín hiệu thích ứng so với các hệ thống tín
hiệu thơng thường là nó có thể:
- Liên tục phân phối thời gian đèn xanh một cách công bằng cho tất cả các chuyển động
của giao thông
Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021

2


TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

- Cải thiện độ tin cậy của thời gian di chuyển bằng cách di chuyển dần các phương tiện
qua đèn xanh
- Giảm tắc nghẽn bằng cách tạo dịng chảy thơng suốt hơn
- Kéo dài hiệu quả của thời gian tín hiệu giao thơng
2.2. Thuật tốn điều khiển hẹn giờ dự đốn lưu lượng thích ứng (APTTCA)
▪

Kiến trúc hệ thống APTTCA

Hình 1 trình bày kiến trúc của hệ thống và mối quan hệ giữa các thành phần khác nhau.

Hệ thống bao gồm sáu thành phần sau: (1) mạng cảm biến, (2) mơ-đun ước tính thời gian xanh,
(3) cơ sở dữ liệu, (4) thiết kế kế hoạch pha đèn, (5) bộ điều khiển tín hiệu, và (6) đèn tín hiệu
giao thơng và bộ hẹn giờ.

Hình 1. Kiến trúc hệ thống APTTCA
Phần lõi của hệ thống đề xuất sử dụng độ dài hàng đợi được xác định bởi mạng cảm biến.
Logic điều khiển tín hiệu thích ứng cố gắng đáp ứng trực tiếp các biến thể lưu lượng thời gian
chạy. Thời gian màu xanh lá cây được phân bổ dựa trên độ dài hàng đợi ước tính. Mơ-đun thiết
kế kế hoạch tín hiệu hoạt động dựa trên các giá trị này để cung cấp một kế hoạch giao thơng
hiệu quả đảm bảo thời gian trễ trung bình thấp. Bộ điều khiển tín hiệu cuối cùng tạo ra tín hiệu
điều khiển cần thiết cho các thiết bị đầu ra.
▪

Thuật toán APTTCA

Trung tâm của hệ thống là thuật toán ước lượng độ dài hàng đợi của nó. Thuật tốn hoạt
động bằng cách đặt ra một điều kiện ban đầu là khi tín hiệu được bật, tất cả các đèn (tức là đèn
giao thông ở các hướng khác nhau) đều có màu đỏ. Bộ dị chiều dài hàng đợi được bật theo
mỗi hướng. Các bộ dò chiều dài hàng đợi chủ yếu là các dãy cảm biến quang điện. Số lượng
cảm biến trong mảng phát hiện độ dài hàng đợi thay đổi theo mỗi hướng. Kích thước của mảng
cảm biến (tức là số lượng cảm biến cho một hướng cụ thể) được ước tính bằng cách quan sát
tính chất của giao thông ở giao lộ đang xem xét vào mọi thời điểm trong ngày, được phân bổ
trong một tuần.
Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021

3


TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

Tất cả các cảm biến của mảng khơng được kích hoạt cùng một lúc; chúng chỉ được bật
khi cần thiết. Điều này tạo thành cơ sở của quy trình ước tính độ dài hàng đợi thích ứng tiết
kiệm năng lượng. Quy trình được giải thích dưới đây:
- Ban đầu, chỉ cặp cảm biến đầu tiên và cuối cùng được kích hoạt. Lý do đằng sau việc
sử dụng kết quả đầu ra của cặp cảm biến là ngay cả khi một cảm biến không phát hiện được xe
do xe dừng ngay trước hoặc ngay sau cảm biến, thì cảm biến cịn lại trong cặp chắc chắn sẽ
phản hồi. Điều này có thể thực hiện được vì khoảng cách giữa hai cảm biến đã được thiết kế
phù hợp. Đầu ra của một cặp là cao nếu một trong các cảm biến trong cặp phát hiện một chiếc
xe. Sẽ rất thấp nếu cả hai cảm biến của một cặp đều không phát hiện được xe. Khi kiểm tra đầu
ra của cặp cảm biến đầu tiên và cuối cùng, bốn trường hợp phát sinh.
- Trường hợp đầu tiên như sau: nếu cả hai đều không phát hiện ra xe, thì thời gian màu
xanh lá cây được đặt ở giá trị nhỏ nhất, thường là bằng không. Sau một khoảng thời gian nhỏ,
"tic", quá trình này được lặp lại.
- Trường hợp thứ hai là cực đoan khác: cả hai cặp cảm biến đều phát hiện xe. Trong
trường hợp này, thời gian xanh được đặt thành giá trị lớn nhất được tính tốn từ dữ liệu
thống kê.
- Trường hợp thứ ba là khi cặp cảm biến đầu tiên phát hiện một chiếc xe và cặp cảm biến
cuối cùng thì khơng. Tình huống này rõ ràng chỉ ra rằng hàng đợi khơng hồn tồn đầy. Ở đây,
thuật tốn có cách tiếp cận giống như tìm kiếm nhị phân. Giả sử ‘2n’ là số lượng cảm biến
trong mảng, cặp cảm biến thứ (n/2) được kích hoạt và lấy đầu ra của nó. Nếu nó cao (tức là nó
phát hiện một chiếc xe), thì nửa trên sẽ trở thành khu vực quan tâm với cặp thứ (n/2) giả định
vai trò của cặp đầu tiên. Bây giờ cặp cảm biến thứ (3n/4) được bật và quá trình tiếp tục cho đến
khi cặp cảm biến đầu tiên và cuối cùng đang được xem xét trở nên giống nhau. Đây là độ dài
của hàng đợi. Điều này được sử dụng để tính tốn thời gian xanh.
- Trường hợp thứ tư, cụ thể là cặp đầu tiên không phát hiện thấy một chiếc xe trong khi
cặp cuối cùng phát hiện một chiếc xe, được cho là không thể. Điều này là do xem xét đầu ra
của cặp cảm biến, ít nhất về mặt lý thuyết khơng mắc lỗi như vậy.
3. THIẾT KẾ ĐIỀU KHIỂN THÍCH ỨNG ĐÈN TÍN HIỆU TẠI NÚT GIAO
DƯƠNG ĐÌNH NGHỆ - TRUNG KÍNH
Nút giao Dương Đình Nghệ - Trung Kính là điểm giao cắt giữa đường Trung Kính và

đường Dương Đình Nghệ, thuộc địa bàn Quận Cầu Giấy, Hà Nội. Đây là giao điểm của các
lưu lượng từ đường vành đai 3 với lưu lượng từ đường Trần Duy Hưng và đường Cầu Giấy
nên mật độ phương tiện rất cao và thường xuyên xảy ra ùn tắc. Qua kết quả điều tra và khảo
Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021

4


TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THƠNG VẬN TẢI

sát thực tế, nhóm nghiên cứu đã lựa chọn phương án điều khiển đèn tín hiệu thích ứng sử dụng
cơng nghệ xử lý hình ảnh camera để giải quyết thực trạng ùn tắc giao thơng tại nút giao Dương
Đình Nghệ - Trung Kính.

Hình 2. Mơ phỏng nút giao Dương Đình Nghệ-Trung Kính
3.1. Cảm biến sử dụng trong phương án thiết kế
Một canera được sử dụng để thu nhận hình ảnh của luồng giao thơng. Các hình ảnh được
số hóa và lưu trữ trong bộ nhớ. Quá trình phát hiện thiết lập một hoặc nhiều ngưỡng giới hạn
và tách biệt dữ liệu số hóa được chuyển cho phần cịn lại của các thuật tốn.

Hình 3. Quy trình xử lý dữ liệu của bộ xử lý hình ảnh và video
3.2. Thuật tốn điều khiển thích ứng đèn tín hiệu
Dữ liệu đầu vào của bộ xử lý là tỉ lệ các dải màu khác (màu của phương tiện giao thông,
màu của người tham gia giao thông,…) chiếm so với màu của mặt đường từ đó nhận diện mật
độ giao thơng tại thời điểm đó là dày đặc hay thưa thớt.
Dữ liệu đầu vào sẽ được thu thập liên tục và trong chu kì 10 phút sẽ đưa ra một kết quả
là trung bình mật độ phương tiện tại nút, từ đó bộ xử lý sẽ tính tốn và thay đổi chu kì đèn sao
cho phù hợp với tình hình giao thơng tại thời điểm đó.
Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021

5


TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

- Tại các mỗi pha đèn đặt các camera quan sát để xác định mật độ phương tiện tại pha
đó, gọi mật độ phương tiện tiện tại pha là Fi.
- Với mỗi pha đèn sẽ nhận được một lời dự báo về mật độ phương tiện sẽ đến pha đèn
đó thơng tin này ở dạng ngôn ngữ. Từ thông tin dự báo dạng ngôn ngữ chúng ta áp dụng đại
số gia tử để tính toán ra một giá trị định lượng tương ứng gọi là Vi.
- Gọi thời gian đèn đỏ tối đa cho một pha là Tđmax(s) (theo thiết kế của nút).
- Gọi thời gian đèn xanh tối thiểu cho một pha là Txmin(s) (theo thiết kế của nút).
- Mỗi một pha đèn sau khi bật đèn xanh Tmin giây thì sau đó cứ sau khoảng thời gian λ
giây thì lại tính tốn và xác định lại pha đèn nào sẽ được bật đèn xanh theo thuật toán sau:
Bước 1. Kiểm tra xem pha nào có thời gian đèn đỏ vượt quá thời gian Tđmax, và có giá trị
lớn nhất thì ưu tiên pha đó sẽ được bật đèn xanh. Nếu khơng có pha đèn nào có thời gian đèn
đỏ vượt quá Tđmax thì thực hiện tính tốn các giá trị sau tương ứng cho mỗi pha:
Pi = k*Fi + (1-k)*Vi

i = 1..n , k∈[0, 1]

Trong đó: k là hệ số ảnh hưởng của yếu tố mật độ phương tiện hiện tại của pha đến khả
năng ưu tiên bật đèn xanh của pha đó. Nếu k càng lớn thì mức độ ảnh hưởng của mật độ phương
tiện hiện tại của pha càng lớn đến khả năng được bật đèn xanh của pha đó; Pi là giá trị thể hiện
mức độ ưu tiên được bật đèn xanh của các pha, Pi càng lớn thì mức độ ưu tiên càng cao.
Bước 2. Thực hiện so sánh các Pi để tìm ra giá trị lớn nhất, giả sử pha n có Pn có giá trị lớn
nhất thì pha n sẽ được bật đèn xanh trong khoảng thời gian là Txmin sau đó quay lại bước 1.

Hình 4. Sơ đồ thuật tốn điều khiển thích ứng đèn tín hiệu giao thơng

Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021

6


TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

3.3. Đánh giá hiệu quả điều khiển thích ứng đèn tín hiệu
Sau khi xây dựng phương án điều khiển thích ứng đèn tín hiệu tại nút giao Dương Đình
Nghệ - Trung Kính, sử dụng phương pháp HCM để tính tốn hiệu quả tại một thời điểm nhất
định. Kết quả thu được biểu diễn trên Hình 5 cho thấy thời gian di chuyển qua nút và thời gian
chờ tại nút khi áp dụng điều khiển thích ứng đèn tín hiệu giảm đáng kể so với trường hợp pha
đèn cố định hiện có, nhờ đó tăng được vận tốc di chuyển qua nút, tăng năng lực thông hành và
giảm ùn tắc giao thông tại nút.
Thời gian di chuyển qua nút trước và sau khi áp dụng
phương pháp (s)

54
52
50
48
46

44
42
40
Trước

Sau

Thời gian chờ tại nút trước và sau khi áp dụng phương pháp
(s)

50
40
30
20
10
0
Trước

Sau

Hình 5. Hiệu quả của điều khiển thích ứng đèn tín hiệu
tại nút giao Dương Đình Nghệ - Trung Kính
Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021

7


TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI

4. KẾT LUẬN
Ùn tắc giao thông đô thị đang ảnh hưởng tiêu cực đến nhiều mặt của đời sống kinh tế, xã
hội, đòi hỏi cần phải có giải pháp khắc phục kịp thời và hiệu quả. Điều khiển thích ứng đèn tín
hiệu giao thơng là một trong những ứng dụng quan trọng của hệ thống giao thông minh trong
việc tối ưu hiệu quả khai thác cơ sở hạ tầng giao thơng hiện có. Trên cơ sở phân tích một số
cơng nghệ điều khiển thích ứng đèn tín hiệu, nhóm nghiên cứu đã ứng dụng xây dựng thuật
tốn điều khiển thích ứng đèn tín hiệu cho nút giao Dương Đình Nghệ - Trung Kính. Kết quả
tính tốn cho thấy hiệu quả rõ rệt của phương pháp đề xuất trong việc giảm thời gian di chuyển

qua nút và thời gian chờ tại nút, do đó có thể khắc phục được tình trạng ùn tắc giao thơng đang
diễn ra tại đây.
Tài liệu tham khảo
[1] Dữ liệu thống kê của Ủy ban An tồn giao thơng quốc gia
[2] Manual Traffic Signal Design (James H. Kell JHK & Associates, President Iris J. Fullerton
Transportation Consultant)
[3] Traffic Detector Handbook (U.S. Department of Transportation)
[4] Nghiên cứu thiết kế hệ thống đèn giao thơng thơng minh (Tạp chí khoa học 2010:15b 56-63)
[5] Automatic Traffic Light Control System (California State University)
[6] Adaptive Predictive Traffic Timer Control Algorithm (Department of Computer Science and
Engineering)
[7] Techniques for Smart Traffic Control (International Journal of Computer Applications
Technology and Research)
[8] Design and simulation of a fuzzy logic traffic signal controller for a signalized intersection
(Department of Electrical and Electronic Engineering, Jomo Kenyatta University of Agriculture
and Technology)

Kỷ yếu nghiên cứu khoa học sinh viên năm 2021

8