Tài liệu PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG ĐÈN TÍN HIỆU GIAO THÔNG ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐẠI SỐ GIA TỬ

PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG ĐÈN TÍN HIỆU GIAO THÔNG ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐẠI SỐ GIA TỬ ThS. HOÀNG VĂN THÔNG Bộ môn Khoa học Máy tính Khoa Công nghệ Thông tin Trường Đại học Giao thông Vận tải Tóm tắt: Bài báo trình bầy các phương pháp điều khiển đèn tín hiệu giao thông và đề xuất một phương pháp điều khiển cải tiến để đạt được hiệu quả cao hơn. Phương pháp điều khiển mới sử dụng Đại số gia tử để định lượng các thông tin ngôn ngữ. Bài báo trình bầy phương pháp xây dựng quy trình điều khiển tại một nút giao giao thông cụ thể. Summary: The article presents methods of controlling traffic signals and proposes an advanced method to obtain better performance. This advanced method uses the hedge algebras to quantify linguistic information. The article also proposes a method to make a controlling process at a specific traffic intersection. I. ĐẶT VẤN ĐỀ CT 2 Chúng ta biết rằng, vấn đề ùn tắc giao thông tại các điểm nút giao thông, giao cắt đồng mức trong các thành phố lớn của nước ta và trên thế giới ngày càng nghiêm trọng. Để giải quyết vấn đề này các nhà khoa học và các nhà quản lý đã nghiên cứu và áp dụng nhiều biện pháp điều khiển nhằm làm giảm thiểu sự ùn tắc tại các nút giao thông. Hiện tại, tại các điểm nút giao cắt đồng cấp được điều khiển bằng đèn tín hiệu hoặc cảnh sát giao thông. Điều khiển bởi cảnh sát mang lại hiệu quả cao, bởi nó có tính mềm dẻo và linh hoạt, thời gian của các pha được người cảnh sát xác định phụ thuộc vào mật độ phương tiện hiện có tại nút. Tuy nhiên với phương pháp này tốn nhiều nhân lực và chi phí cao. Điều khiển các nút giao thông bằng đèn tín hiệu cũng đã mang lại hiệu quả với những nút có mật độ phương tiện tham gia vừa phải. Các phương pháp điều khiển bằng đèn tín hiệu hiện tại còn nhiều nhược điểm. Phương pháp điều khiển đèn với chu kỳ cố định rất cứng nhắc, có nhiều thời gian chết. Đèn xanh vẫn được bật ngay cả khi trên pha đó không có phương tiện, trong khi pha khác có thể có nhiều phương tiện thì vẫn phải chờ. Một số nhà khoa học nghiên cứu và ứng dụng công nghệ thông tin vào việc điều khiển, thực hiện điều khiển chu kỳ đèn động dựa vào mật độ phương tiện hiện tại xung quanh nút. Giải pháp này đã đem lại hiệu quả cao hơn giải pháp điều khiển đèn theo chu kỳ cố định. Tuy nhiên giải pháp này mới chỉ sử dụng các thông tin mang tính cục bộ về mật độ các phương tiện hiện tại xung quanh nút, thông tin này chỉ có tác dụng đối với trạng thái điều khiển hiện tại. Trong thực tế mật độ tại các nút phụ thuộc nhiều vào lưu lượng các phương tiện sẽ đi tới nút, đây là một yếu tố ảnh hướng tới mật độ phương tiện tại nút trong các trạng thái tiếp theo. Trong bài báo này đề xuất phương pháp điều khiển động đèn tín hiệu bằng cách kết hợp các thông tin về mật độ phương tiện hiện tại của nút và thông tin (dạng ngôn ngữ) dự báo lưu lương phương tiện sẽ tới nút để đưa ra quyết định điều khiển. Thực hiện tính toán điều khiển bài báo sử dụng lý thuyết Đại số gia tử trong việc tính toán thông tin dự báo và áp dụng giải thuật di truyền xác định các tham số của đại số gia tử. II. TỔNG QUAN VỀ ĐẠI SỐ GIA TỬ (ĐSGT) [1, 5, 6] 2.1. Đại số gia tử của biến ngôn ngữ Giả sử X là một biến ngôn ngữ và miền giá trị của X là Dom(X). Một đại số gia tử AX tương ứng của X là một bộ 4 thành phần AX = (Dom(X), C, H, ≤) trong đó C là tập các phần tử sinh, H là tập các gia tử (hedges) và quan hệ “≤” là quan hệ thứ tự ngữ nghĩa giữa các hạng từ. Ví dụ như X là một biến chỉ lưu lượng các phương tiện giao thông của một làn đường thì Dom(X) = {very crowred, little crowded, crowded, possible crowded, very uncrowded, more crowded, ...}∪{0, 1, average}, C = {uncrowded, crowded}, trong đó 0 là phần tử nhỏ nhất, 1 là phần tử lớn nhất, average là phần tử trung hòa, H = {very, more, possible, little}. Trong đại số gia tử AX = (Dom(X), C, H, ≤) nếu Dom(X) và C là tập sắp thứ tự tuyến tính với quan hệ ≤ là quan hệ thứ tự ngữ nghĩa giữa các hạng từ thì AX được gọi là đại số gia tử tuyến tính. Hai phần tử sinh của biến ngôn ngữ có khuynh hướng ngữ nghĩa trái ngược nhau: crowded có khuynh hướng “đi lên” còn gọi là hướng dương ký hiệu c+, uncrowded có khuynh hướng “đi xuống” còn gọi là hướng âm, ký hiệu c-. Theo quan hệ thứ tự ngữ nghĩa ta có: c+>c−. Về trực giác, mỗi gia tử có khuynh hướng làm tăng hoặc giảm ngữ nghĩa của phần tử sinh nguyên thủy. Chẳng hạn như very crowed > crowded và very uncrowded < uncrowded điều này có nghĩa gia tử very làm mạnh thêm ngữ nghĩa của cả hai phần tử sinh crowded, uncrowded. Nhưng little crowded < crowded, little uncrowded > uncrowded vì thế little có khuynh hướng làm yếu đi ngữ nghĩa của phần tử sinh. Ta nói very là gia tử dương và little là gia tử âm. Ta ký hiệu H− là tập các gia tử âm, H+ là tập các gia tử dương và H = H- ∪ H+. Nếu cả hai gia tử h và k cùng thuộc H+ hoặc H−, thì ta nói h, k sánh được với nhau. Dễ thấy little và possible là sánh được với nhau và little > posible, vì little uncrowded > possible uncrowded > uncrowded. Ngược lại, nếu h và k không đồng thời thuộc H+ hoặc H-, khi đó ta nói h, k ngược nhau. Hơn nữa, chúng ta nhận thấy mỗi gia tử đều có sự ảnh hưởng (làm tăng hoặc làm giảm) đến ngữ nghĩa của các gia tử khác. Vì vậy, nếu k làm tăng ngữ nghĩa của h, ta nói k là dương đối với h. Ngược lại, nếu k làm giảm ngữ nghĩa của h, ta nói k là âm đối với h. Chẳng hạn xét các gia tử ngôn ngữ very, more, little, possible, của biến ngôn ngữ TRUTH. Vì little true < true và very little true < little true < possible little true, nên very là dương đối với little còn possible là âm đối với little. Tính âm, dương của các gia tử đối với các gia tử khác không phụ thuộc vào phần tử ngôn ngữ mà nó tác động. Một tính chất ngữ nghĩa quan trọng của các gia tử được gọi là tính kế thừa. Tính chất này thể hiện ở chỗ khi tác động gia tử vào một giá trị ngôn ngữ thì ngữ nghĩa của giá trị này bị thay đổi nhưng vẫn giữ được ngữ nghĩa gốc của nó. Điều này có nghĩa là với mọi gia tử h, giá trị hx CT 2 thừa kế ngữ nghĩa của x. Tính chất này góp phần bảo tồn quan hệ thứ tự ngữ nghĩa: nếu hx ≤ kx thì h’hx ≤ k’kx, hay h’ và k’ bảo tồn quan hệ ngữ nghĩa của hx và kx một cách tương ứng. Chẳng hạn như theo trực giác ta có little true ≤ possible true, khi đó: possible little true ≤ little possible true. 2.2. Các hàm đo trong đại số gia tử tuyến tính [5] Trong phần này ta sử dụng đại số gia tử AX = (Dom(X), C, H, ≤), là đại số gia tử tuyến tính với C = {c-, c+}∪{0, 1, W}. H = H-∪H+, H- = {h-1, h-2, ... , h-q} thỏa h-1< h-2<...< h-q và H+={h1, h2, ... , hp} thỏa h1 0 và α + β = 1. Định nghĩa 2.2. Hàm dấu sign : X → {-1, 0, 1} được định nghĩa đệ quy như sau: i) sign(c-) = -1, sign(c+) = +1; ii) sign(h'hx) = -sign(hx) nếu h' âm đối với h và h'hx ≠ hx; iii) sign(h'hx) = sign(hx) nếu h' dương đối với h và h'hx ≠ hx; iv) sign(h'hx) = 0 nếu h'hx = hx. Mệnh đề 2.2. Với mọi gia tử h và phần tử x∈Dom(X) nếu sign(hx) = +1 thì hx > x và nếu sign(hx) = -1 thì hxobj(xbest)) then xbest = x. Bước 3. Lặp lại Bước 2 cho đến khi k lớn hơn một giá trị xác định trước nào đó thì dừng lại. Trong bài báo này chúng ta sử dụng giải thuật di truyền để xác định các tham số (độ đo tính mờ của các gia tử). IV. BÀI TOÁN ĐIỀU KHIỂN ĐÈN TÍN HIỆU GIAO THÔNG [8] Cho một nút giao thông được điều khiển bằng đèn tín hiệu, nút được thiết kế với n pha (n≥2), Mi (i =1..n) là lưu lượng xe thiết kế của pha i (trong pha i có nhiều làn được chạy xe, thì Mi chính là lưu lượng của làn nhiều xe nhất). Si là mức dòng bão hoà của pha i (mức dòng xe bão hoà chính là số lượng xe lớn nhất có thể vượt qua vạch dừng trong 1 giờ thời gian đèn xanh. Si được nhiều nước nghiên cứu và nó được xác định tuỳ thuộc vào đặc điểm giao thông ở nước đó). Thực hiện điều khiển các đèn tín hiệu sao cho nút giao thông đạt hiệu quả cao nhất, đảm bảo: - Một pha đèn có thời gian đèn đỏ nhỏ hơn thời gian Tđmax nào đó, Tđmax được xác định phụ thuộc vào từng nút; - Một pha đèn có thời gian đèn xanh không nhỏ hơn thời gian Txmin nào đó, Tđmax được xác định phụ thuộc vào từng nút; - Không xảy ra tắc đường; - Thời gian chờ trung bình của các phương tiện là nhỏ nhất. Trong đó: Tđmax là thời gian đèn đỏ tối đa khi một pha đèn được bật đèn đỏ, để đảm bảo các phương tiện tham gia không phải chờ quá lâu (thông thường thời gian đèn đỏ của pha đèn nhỏ hơn Tđmax); Txmin là thời gian đèn xanh tối thiểu mà một pha đèn phải được bật đèn xanh để đảm bảo cho phương tiện vượt qua nút (thông thường thời gian đèn xanh vượt quá Txmin). Ví dụ: nút giao thông được thiết kế với 3 pha [8] Bố trí các pha như hình vẽ sau: CT 2 Hình 4.1. Thiết kế pha của một nút giao thông V. PHƯƠNG PHÁP TÍNH TOÁN CHU KỲ ĐÈN CỐ ĐỊNH [8] 1. Khái niệm chu kỳ đèn Chu kỳ đèn (ký hiệu là Tp) là khoảng thời gian bắt đầu đèn xanh của pha này đến lúc bắt đầu đèn xanh pha đó ở quá trình tiếp theo. Quá trình điều khiển theo quy luật sau: Xanh - Vàng - Đỏ. Thời gian một chu kỳ đèn được xác định như sau: Tp = Tx + Tv + Tđ (3.1) Tp: thời gian một chu kỳ đèn (đơn vị giây: s); Tx: thời gian đèn xanh; Tv: thời gian đèn vàng; Tđ: thời gian đèn đỏ 2. Tính thời gian chu kỳ đèn Hiện nay, người ta thường sử dụng phương pháp xác định chu kỳ đèn tối ưu của WEBTER như sau: Top = 1,5*TV + 5 (s) 1- Y (3.2) n Trong đó: TV = ∑T Zi là tổng thời gian chuyển pha, n là số pha đèn. i=1 n n 1 1 Y = ∑ yi = ∑ Mi Si (3.3) Với: TZi là thời gian chuyển pha của pha I; TXi là thời gian đèn xanh của pha i. Ta thấy rằng thời gian chu kỳ đèn cũng bằng tổng thời gian xanh và thời gian chuyển pha: Tp = ∑ TXi +∑ TZi Bên cạnh đó việc tính ∑T Zi (3.4) phải căn cứ vào yếu tố hình học của nút, vận tốc dòng vào nút, ra nút như đã được nêu ở trên. Sau đó ta sẽ tính được tổng thời gian đèn xanh của các pha: ∑T Xi = Tp -∑ TZi CT 2 (3.5) Thời gian đèn xanh cho từng pha được phân bố theo lưu lượng thiết kế của pha đó theo tỉ lệ như sau: TX1 : TX2 : TX3 = M1 : M2 : M3 (3.6) Giải hệ phương trình gồm các phương trình (3.5) và (3.6), ta sẽ được thời gian xanh của các pha. Phương pháp điều khiển như trên có chu kỳ cố định, như vậy trong khi có pha có rất nhiều phương tiện thì đèn đỏ vẫn được bật lên còn pha không có hoặc có rất ít phương tiện thì đèn xanh lại được bật. Vì vậy hiệu quả điều khiển sẽ thấp và thời gian chờ trung bình của các xe là rất cao. Một phương pháp cải tiến đã được đề xuất đó là điều khiển đèn dựa vào mật độ phương tiện hiện có tại nút. Chi tiết của phương pháp được trình bầy trong phần dưới đây. VI. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG ĐÈN TÍN HIỆU DỰA VÀO THÔNG TIN MẬT ĐỘ HIỆN TẠI CỦA NÚT Đề điều khiển đèn tín hiệu giao thông, các tác giả đã thực hiện mô phỏng hệ thống đèn tín hiệu hoạt động như một người cảnh sát giao thông, tuy nhiên tầm nhìn của hệ thống hạn chế trong một khoảng cố định so với tâm của nút giao cắt. Tại mỗi pha đèn có lắp đặt các hệ thống camera quan sát, hệ thống camera có chức năng thu nhận hình ảnh về phương tiện hiện có trên các làn đường và gửi các thông tin hình ảnh về hệ thống tính toán trung tâm. Hệ thống tính toán trung tâm thực hiện tính toán và đưa ra quyết định điều khiển theo thuật toán sau. - 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 . Fi được xác định thông qua tỉ lệ diện tích chiếm dụng mặt đường của các phương tiện với diện tích mặt đường của pha đó. - 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 (s) thì sau đó cứ sau khoảng thời gian λ giây thì lại tính toán 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 thì ưu tiên pha đó sẽ được bật đèn xanh. Nếu không có pha đèn nào có thời gian đèn đỏ vượt quá Tđmax thì thực hiện tính toán mật độ phương tiện tương ứng cho mỗi pha Fi với i = 1... n Bước 2. Thực hiện so sánh các Fi đề tìm ra giá trị lớn nhất, giả sử Fi có giá trị lớn nhất thì pha k sẽ được bật đèn xanh trong khoảng thời gian là Tmin sau đó quay lại bước 1. Với phương pháp điều khiển này luôn đảm bảo rằng các phương tiện sẽ không phải đợi quá lâu (không lớn hơn Tđmax) và có thời gian đèn xanh không nhỏ hơn Txmin để đảm rằng các phương tiện có thể vượt qua nút. Đặc biệt hệ thống luôn ưu tiên pha có mật độ phương tiện tham gia giao thông lớn nhất, trong trường hợp các pha có ít phương tiện thì thời gian đèn xanh được bật là tối thiểu, trực quan nhận thấy hiệu quả điều khiển tăng lên đang kể so với phương pháp điều khiển với chu kỳ cố định. VII. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG ĐÈN TÍN HIỆU DỰA VÀO THÔNG TIN MẬT ĐỘ HIỆN TẠI CỦA NÚT VÀ THÔNG TIN DỰ BÁO LƯU LƯỢNG PHƯƠNG TIỆN TỚI NÚT - 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 (hiện nay thông tin này có thể được lấy từ kênh VOV của Đài tiếng nói Việt Nam), thông 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 toán 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 qúa thời gian Tđmax, và có giá trị lớn nhất thì ưu tiên pha đó sẽ được bật đèn xanh. Nếu không có pha đèn nào có thời gian đèn đỏ vượt quá Tđmax thì thực hiện tính toán các giá trị sau tương ứng cho mỗi pha: CT 2 Pi = ∝*Fi + (1-∝)*Vi i = 1..n , ∝∈[0, 1] Trong đó: ∝ 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 ∝ 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 k có Pk có giá trị lớn nhất thì pha k sẽ được bật đèn xanh trong khoảng thời gian là Txmin sau đó quay lại bước 1. VIII. TÍNH TOÁN ĐIỀU KHIỂN TẠI MỘT NÚT GIAO THÔNG CỤ THỂ Tính toán điều khiển đèn tín hiệu của nút giao thông với số liệu về lưu lượng ở các đầu vào của nút cho trong bảng sau: Bảng 8.1. Thống kê lưu lượng tại một nút giao thông Hướng vào Lưu lượng xe tổng cộng(xe/h) Lưu lượng xe rẽ phải (xe/h) Lưu lượng xe đi thẳng (xe/h) Lưu lượng xe rẽ trái (xe/h) Nam Bắc Đông Tây 520 500 620 700 70 180 110 80 340 220 280 200 110 100 230 420 Thời gian chuyển mỗi pha được cho là bằng nhau tz = 6s, dòng bão hòa của các làn bằng nhau Si = 1700 (xe/h). Mỗi đầu vào có 2 làn xe, 1 làn cho xe rẽ trái, 1 làn cho xe đi thẳng và rẽ phải. CT 2 Nút được thiết kế 3 pha như hình 4.1. Thực hiện tính toán điều khiển Xét ĐSGT AX = Trong đó H (-) = {little, poss}, little - Xem thêm -