Tài liệu Sử dụng thực tại ảo mô phỏng điểm đen giao thông trên địa bàn tỉnh thái nguyên

.. ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Lê Hữu Nhân SỬ DỤNG THỰC TẠI ẢO MÔ PHỎNG ĐIỂM ĐEN GIAO THÔNG TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH THÁI NGUYÊN LUẬN VĂN THẠC SỸ KHOA HỌC MÁY TÍNH Thái Nguyên, năm 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN ĐẠI HỌC CÔNG NGHỆ THÔNG TIN VÀ TRUYỀN THÔNG Lê Hữu Nhân SỬ DỤNG THỰC TẠI ẢO MÔ PHỎNG ĐIỂM ĐEN GIAO THÔNG TRÊN ĐỊA BÀN TỈNH THÁI NGUYÊN Chuyên ngành: Khoa học máy tính Mã số: 60 48 01 LUẬN VĂN THẠC SỸ CHUYÊN NGÀNH KHOA HỌC MÁY TÍNH NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC PGS.TS. Đỗ Năng Toàn Thái Nguyên, năm 2012 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan toàn bộ nội dung bản luận văn này là do tôi tự tìm hiểu, sưu tầm, tra cứu và sắp xếp cho phù hợp với nội dung yêu cầu của đề tài và dưới sự hướng dẫn của thầy giáo PGS.TS. Đỗ Năng Toàn. Nội dung luận văn này chưa từng được công bố hay xuất bản dưới bất kỳ hình thức nào và sao chép từ bất kỳ một công trình nghiên cứu nào. Tất cả phần mã nguồn của chương trình đều do tôi tự thiết kế và xây dựng, trong đó có sử dụng một số thư viện chuẩn và các thuật toán được các tác giả xuất bản công khai và miễn phí trên mạng Internet. Nếu sai tôi xin tôi xin hoàn toàn chịu trách nhiệm. Thái Nguyên, ngày 15 tháng 9 năm 2012 Người cam đoan Lê Hữu Nhân Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn i MỤC LỤC TT 1 10 NỘI DUNG Mục lục nội dung Luận văn Các hình vẽ Bảng các từ viết tắt và bảng biêu Đặt vấn đề Chương 1. Khái quát về mô phỏng và điểm đen giao thông 1.1. Khái quát về mô phỏng 1.1.1. Mô phỏng là gì? 1.1.2. Mô phỏng trong máy tính 1.1.3. Thực tại ảo trong mô phỏng máy tính 1.1.4. Ứng dụng thực tại ảo mô phỏng trong máy tính 1.2. Điểm đen và tai nạn va chạm giao thông 1.2.1. Điểm đen giao thông 1.2.2. Tai nạn, va chạm giao thông tại điểm đen 1.2.3. Mô phỏng trong giao thông 1.2.4. Các hệ thống phần mềm trong quản lý và an toàn giao thông Chương 2. Một số kỹ thuật phát hiện, xử lý va chạm trong mô phỏng điểm đen giao thông 2.1. Mô phỏng điểm đen giao thông 2.2. Phát hiện va chạm 2.2.1. Kỹ thuật dùng Hộp Bao AABB 2.2.2. Kỹ thuật dùng Hộp Bao OBB 2.2.3. Kỹ thuật sử dụng phương pháp Elipsoid 2.2.4. Phát hiện va chạm khi các đối tượng di chuyển 2.3. Xử lý các hiệu ứu méo mó, biến dạng sau va chạm Chương 3. Ứng dụng mô phỏng tai nạn va chạm tại điểm đen giao thông 3.1. Tổng quan về kết cấu hạ tầng và an toàn giao thông trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên 3.2. Hiện trạng an toàn giao thông và điểm đen giao thông 3.3. Bài toán ứng dụng mô phỏng tình huống va chạm giao thông 3.4. Một số kiến nghị đề xuất giải pháp kìm chế tai nạn giao thông trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên giai đoạn 2011-2015 3.5. Đề xuất Mô hình kiến trúc ứng dụng quản lý và mô phỏng điểm đen giao thông trên địa bàn tỉnh KẾT LUẬN: 11 TÀI LIỆU THAM KHẢO 2 3 4 5 6 7 8 9 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trang i ii iii 1 2 2 2 3 4 6 6 6 7 7 7 11 11 17 18 19 32 41 42 49 49 53 56 60 62 63 64 http://www.lrc-tnu.edu.vn ii BẢNG CÁC HÌNH VẼ Hình Hình 1.1. Hình 1.2. Hình 1.3. Hình 1.4. Hình 1.5. Hình 1.6. Hình 1.7. Hình 1.8. Hình 1.9. Hình 2.1. Hình 2.2 Hình 2.3 Hình 2.4 Hình 2.5 Hình 2.6 Hình 2.7 Hình 2.8 Hình 2.9 Hình 2.10 Hình 2.11 Hình 2.12 Hình 2.13 Hình 2.14 Hình 2.15 Hình 2.16 Hình 2.17 Hình 2.18 Hình 2.19 Hình 2.20 Hình 2.21 Hình 2.22 Hình 2.23 Hình 2.24 Hình 2.25 Hình 2.26 Hình 3.1 Hình 3.2, 3.3, 3.4 Tên hình Mô phỏng 3D máy bay Mig21 Mô phỏng 3D tim người Mô phỏng 3D đen điều khiển tín hiệu giao thông Mô phỏng 3D va chạm giao thông Một điểm đen giao thông trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên Tai nạn, van chạm giao thông tần nhìn bị che khuất Mô hình quy hoạch phân luồng giao thông 3D Mô hình quy hoạch phân luồng oto 3D trong hệ thống Carsim Cửa sổ thiết kế quy hoạch tuyến, luồng phương tiện giao thông Hộp bao AABB, 2D Hộp bao AABB, 3D Hộp bao AABB Chiếu các đối tượng lên trục tọa độ Hộp bao hướng OBB Hình chiếu của P lên đường thẳng d Chiếu 8 đỉnh của hình hộp lên trục d Kết quả hai hình hộp lên trục cô lập d Tìm điểm va chạm khi hai điểm tiếp xúc nhau Tìm mặt phẳng chứa tam giác Tìm điểm va chạm giả định Tìm điểm va chạm giả định nằm trên mặt phẳng Điểm va chạm là một tập các điểm Tính điểm giao thực Kiểm tra một điểm nằm trong tam giác Kiểm tra va chạm xác nhận điểm va chạm Xử lý trượt khi va chạm với tam giác Khái niệm mặt phẳng trượt Tiếp diện của mặt cầu Tiếp tuyến của đường cong (2D) Đường cong trên bề mặt xác định được 1 tiếp diện với mặt cầu Tất cả các pháp tuyến của tiếp diện của mặt cầu đều có hướng vào tâm cầu Độ lớn và hướng của vector vận tốc khi va chạm với mặt phẳng Hỉnh ảnh méo mó, biến dạng sau va chạm Đường cong B-Spline Mặt cong B-Spline Sơ đồ xây dựng hệ thống mô phỏng va cham giao thông Các kết quả thực nghiệm mô phỏng, mà mô hình kiến trúc Phần mềm quản lý và mô phỏng điểm đen giao thông Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn Trang 3 3 3 6 6 7 8 8 10 16 16 16 17 18 19 20 21 25 30 33 33 33 34 34 35 35 35 35 36 36 37 39 40 44 46 54 56 58, 59 iii BẢNG CÁC TỪ VIẾT TẮT VÀ BẢNG BIỂU Bảng các từ viết tắt trong luận văn TT Từ viết tắt Ý nghĩa 1 CNTT Công nghệ thông tin 2 TNGT Tai nạn giao thông 3 ATGT An toàn giao thông 4 UBND Ủy ban nhân dân 5 GTVT Giao thông vận tải 6 CNTT&TT Công nghệ thông tin và Truyền thông 7 UBND Ủy ban nhân dân Bảng các bảng biểu TT Tên bảng Bảng 1. Bảng các giá trị R, R0, R1 được tính toán trước 24 Bảng 2. Tính toán sẵn toạ độ của tiếp điểm trong mọi trường hợp 29 Bảng 3. Số liệu tai nạn giao thông trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên từ năm 2006 đến 2010 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên Trang 53 http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 ĐẶT VẤN ĐỀ Công nghệ thông tin trong những năm vừa qua phát triển vô cùng mạnh mẽ, tác động trực tiếp, gián tiếp đến tất cả ngành lĩnh vực trong đời sống kinh tế, xã hội của loài người. Trở thành một công cụ không thể thiếu trong nền kinh tế, cuộc sống con người hiện đại ngày nay. Mặt khác Công nghệ thông tin đã tác động mạnh mẽ, là nguyên nhân căn bản, chính nhất làm thế giới ngày càng phẳng hơn. Cùng với sự phát triển đó, bản thân nội tại các chuyên ngành hẹp của CNTT cũng không ngừng vận động thay đổi phát triển mạnh mẽ để đáp ứng các yêu cầu đó. Một trong những chuyên nganh hẹp đó có lĩnh vực nghiên cứu: xử lý ảnh, xử lý ngôn ngữ tự nhiên, công nghệ thực tại ảo. Thái Nguyên là trung tâm giáo dục đào tạo, y tế, kinh tế chính trị của vùng Đông Bắc Bộ theo Nghị Quyết 37 của Bộ Chính trị. Thái Nguyên hiện có trên 4.500 km đường giao thông. Hàng năm trên địa bàn tỉnh có khoảng hơn 1000 vụ tai nạn và va chạm giao thông xảy ra. Nếu tính bình quân mỗi tháng Thái Nguyên có 19 người chết và 100 người bị thương vì tai nạn giao thông (TNGT). Theo số liệu phân tích của Ban An toàn giao thông tỉnh Thái Nguyên, nguyên nhân xảy ra tai nạn và va chạm giao thông nêu trên do nhiều nguyên nhân khách quan, chủ quan khác nhau, những có nhiều nguyên nhân là sự tồn tại của các điểm đen giao thông (Trên địa bàn tỉnh hiện có 64 điểm đen giao thông). Nhiều “Điểm đen” giao thông xuất hiện mới do sự xuống cấp hạ tầng giao thông hoặc do sự phát triển quá nhanh của kinh tế xã hội…Do vậy, để đảm bảo an toàn giao thông , ngoài việc tiếp tục đầu tư nâng cấp, cải tạo các tuyến đường, nâng cao nhận thức chấp hành pháp luật giao thông đường bộ, còn phải đẩy mạnh tăng cường công tác quản lý, phát hiện xử lý kịp thời điểm đen về TNGT là cần thiết và quan trọng góp phần giảm thiểu tối đa tai nan giao thông trên địa bàn. Xuất phát từ tình hình thực tiễn nêu trên, luận văn tốt nghiệp này nhằm mục đích tìm hiều công nghệ thực tại ảo, tìm hiểu va chạm giữa các đối tượng tai nạn giao thông trong thực tế để mô phỏng vào máy tính. Luận văn gồm 3 chương: - Chƣơng 1: Khái quát về mô phỏng và điểm đen giao thông. Chƣơng 2: Một số kỹ thuật phát hiện, xử lý va chạm trong mô phỏng điểm đen giao thông Chƣơng 3: Ứng dụng mô phỏng tai nạn và va chạm của phương tiện Ôtô tại điểm đen giao thông. Trong quá trình thực hiện luận văn này, tôi nhận được nhiều sự giúp đỡ của các thầy cô giáo trường Đại học CNTT&TT, Viên CNTT – Viện KHCN Việt Nam, bạn bè đồng nghiệp và gia đình. Tôi xin cảm ơn sự giúp đỡ tận tình của thầy giáo PGS.TS Đỗ Năng Toàn người trực tiếp hướng dẫn khoa học và luận văn này. Tôi cũng xin trân thành cảm ơn Ban An toàn giao thông, sở Giao thông vân tải tỉnh Thái Nguyên đã cung cấp số liệu liên quan đến luận văn. Cùng các anh chị, bạn đồng nghiệp, người thân trong gia đình đã tạo điều kiện, động viên tôi trong quá trình làm luận văn. Vì điều kiện thời gian không có nhiều, kinh nghiệm còn hạn chế nên không tránh khỏi thiếu sót, tôi mong nhận được ý kiến đóng góp của các thầy cô giáo và các đồng nghiệp. Trân trọng! Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 CHƢƠNG I KHÁI QUÁT VỀ MÔ PHỎNG VÀ ĐIỂM ĐEN GIAO THÔNG 1.1. Khái quát về mô phỏng 1.1.1. Mô phỏng là gì? Hiện nay, có nhiều khái niệm, cách giải thích về mô phỏng, theo từ điển từ điển Oxford, bản 1976, thì mô phỏng được hiểu như sau: "To simulate is to feign, ..., to pretend to be, ..., toact like, to resemble, towear the guise of,... mimic,..., imitate conditions of (situation etc.) with models, for convenience or training purposes" Có thể được dịch là: "Mô phỏng có nghĩa là làm giả, cố tình bắt chước giống như, hành động như, mang hình thức của, mang mặt nạ..., mô phỏng các điều kiện của mô hình (hay tình huống) với mục đích huấn luyện hoặc tiện lợi". Hay theo, một số bài viết, tài liệu của Việt Nam thì, mô phỏng được hiểu là: - Mô phỏng là quá trình "bắt chước” một hệ thống có thực; - Hoặc là một quá trình tạo một mô hình của một hệ thống có sẵn để xác định và hiểu rõ những nhân tố điều khiển hệ thống, hay dự đoán/dự báo hành vi hoạt động của hệ thống trong tương lai; - Hoặc mô phỏng là việc nghiên cứu trạng thái của mô hình để qua đó hiểu được hệ thống thực, mô phỏng là tiến hành thử nghiệm trên mô hình. Đó là quá trình tiến hành nghiên cứu trên vật thật nhân tạo, tái tạo hiện tượng mà người nghiên cứu cần để quan sát và làm thực nghiệm, từ đó rút ra kết luận tương tự vật thật. Tóm lại để hiểu mô phỏng là gì? ta có thể hiểu một cách đơn giản như sau “Mô phỏng là quá trình “bắng chước” một hệ thống (mô hình, trạng thái, đối tượng) có thực. Để thực hiện việc mô phỏng, ta có thể thực hiện từ những phương tiện đơn giản như giấy, bút, phấn, bảng…hay sử dụng các vật liệu như: gỗ, gạch, sắt…hiện đại hơn chúng ta có thể dùng máy tính điện tử. Mô phỏng là một công cụ hiệu quả và quan trọng bởi nó giúp người sử dụng các phương thức các thiết kế lựa chọn đánh giá chính xác kết quả mà không cần phải thực nghiệm trên hệ thống thực, giúp ta trả lời như: như thế nào? điều gì sẽ xảy ra nếu..?.... qua đó, cho thấy mô phỏng được ứng dụng rộng rãi trong kinh tế, kỹ thuật, an ninh quốc phòng, văn hóa xã hội…rất cần thiết cho cuộc sống và sự phát triển của loài người. Đối với lĩnh vực an toàn giao thông, mô phỏng là công cụ hữu hiệu trong công tác quản lý, quy hoạch giao thông; đảm bảo an toàn, cảnh báo, dự báo và phòng trách tai nạn giao thông… Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 1.1.2. Mô phỏng trong máy tính a) Mô phỏng trong máy tính Mô phỏng trong máy tính là việc sử dụng chương trình máy tính (hoặc phần mềm) để mô tả một quá trình hoặc một tập hợp các trạng thái của hệ thống thực theo một mô tả toán học hoặc mô hình cho trước. Ví dụ: - Mô phỏng chuyển động của các phân tử trong hệ khí, lỏng, rắn... dùng các phương trình cơ học cổ điển Newton; Hình 1.1. Mô phỏng 3D máy bay Mig21 - - Mô phỏng trong y học như: cấu tạo các cơ quan, bộ phận cơ thể người; Mô phỏng trong an ninh quốc phòng….; Hình 1.2. Mô phỏng 3D tim người - Mô phỏng hoạt động của các đèn tín hiệu giao thông; mạng lưới giao thông; quy hoạch đô thị; quy hoạch giao thông; va Hình 1.3. Mô phỏng 3D điểu kiển đèn tín hiệu giao thông chạm của các phương tiện tham gia giao thông, các vụ tai nạn giao thông…; - Mô phỏng trong lĩnh vực vui chơi, giải trí, truyền hình… b) Các phương pháp mô phỏng trong máy tính Có hai phương pháp mô phỏng chính được sử dụng hiện nay: - Mô phỏng tuần tự hay mô phỏng nhân-quả (sequential, causal simulation); Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 - Mô phỏng vật lý hay mô phỏng phi nhân-quả (physical, non-causal simulation). Hai phương pháp này thể hiện hai hướng tiếp cận khác nhau đối với mô hình hóa hệ thống và cũng thể hiện xu hướng phát triển hiện đại của lĩnh vực mô hình hóa và mô phỏng. Mô phỏng nhân-quả: dựa trên cách tiếp cận nhân-quả trong mô hình hóa hệ thống. Theo đó, một hệ thống được phân tích thành một hay nhiều hệ thống con với các đầu vào, đầu ra và trạng thái. Đầu ra ("kết quả”) của một hệ thống con phụ thuộc vào trạng thái và đầu vào ("nguyên nhân”) của nó. Mỗi hệ thống con thường được mô tả bởi một hệ phương trình vi phân thường (ODE – Ordinary Differential Equation). Để tạo thành một hệ thống lớn, các hệ thống con được nối với nhau cũng theo nguyên tắc nhân quả: mỗi đầu vào của một hệ thống con nhận kết quả từ duy nhất một đầu ra của một hệ thống con khác mà nó phụ thuộc. Như vậy, cả hệ thống là một tập hợp các hệ ODE, được sắp xếp theo một thứ tự xác định (thể hiện quan hệ nhân-quả trong hệ thống). Về cơ bản, việc mô phỏng hệ thống là giải lần lượt các hệ ODE này theo thứ tự, trong đó hệ sau có thể sử dụng kết quả của hệ trước. Mô phỏng phi nhân-quả: dựa trên việc mô hình hóa hệ thống theo các hệ con và xác định hành vi của hệ thống tại những điểm nối giữa chúng. Thông thường, mỗi hệ con sẽ đại diện cho một thiết bị hay một thành phần cơ bản của hệ thống, ví dụ như thiết bị, các bộ phận, động cơ, nhiên liệu,… Mỗi hệ con được mô tả bởi các phương trình cân bằng khối lượng, năng lượng, công năng và vật chất. Tại điểm nối giữa hai hệ con cũng tồn tại một quan hệ xác định, ví dụ như cơ số đạn trong xe hay lượng dầu dự trữ, hay tổng của các thông số kỹ thuật tại thời điểm . Mô hình của cả hệ thống là sự kết hợp của mô hình của từng hệ con và quan hệ tại các điểm nối; nói cách khác, là sự ràng buộc lẫn nhau giữa các đại lượng theo những quy luật vật lý xác định. Như vậy, một cách tổng quát thì hệ thống sẽ được mô tả bởi các phương trình đại số vi phân (DAE – Differential Algebraic Equation) thay vì ODE. Điểm khác biệt rất cơ bản so với mô phỏng nhân quả là ở đây các hệ thống con được kết nối với nhau một cách tự nhiên giống như quan hệ giữa các đối tượng trong thực tế, chứ không chỉ đơn thuần chỉ là quan hệ tín hiệu vào/ra. 1.1.3. Thực tại ảo mô phỏng trong máy tính Thực tại ảo ra đời và phát triển từ những năm thập niên 90, chủ yếu tại các quốc gia phát triển phương tây và Mỹ. Thực tại ảo là một hệ thống sử dụng đồ họa máy tính để mô phỏng thế giới như thật. Hơn nữa, thế giới "nhân tạo" này không tĩnh tại, mà lại phản ứng, thay đổi theo ý muốn (tức tín hiệu vào) của người sử dụng (nhờ hành động, lời nói,..). Điều này xác định một đặc tính chính của Thực tại ảo, đó là khả năng tương tác với thời gian thực (real-time interactivity). Thời gian thực ở đây được hiểu là máy tính có khả năng nhận biết được tín hiệu vào của người sử dụng và thay đổi ngay lập tức thế giới ảo. Người sử dụng nhìn thấy sự vật thay đổi trên Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 màn hình ngay theo ý muốn của họ và bị thu hút bởi sự mô phỏng này. Tương tác và khả năng thu hút của Thực tại ảo góp phần lớn vào cảm giác đắm chìm (immersion), cảm giác trở thành một phần của hành động trên màn hình mà người sử dụng đang trải nghiệm. Nhưng Thực tại ảo còn đẩy cảm giác này "thật" hơn nữa nhờ tác động lên tất cả các kênh cảm giác của con người. Trong thực tế, người dùng không những nhìn thấy đối tượng đồ họa 3D nổi, điều khiển (xoay, di chuyển,..) được đối tượng trên màn hình (như trong game), mà còn sờ và cảm thấy chúng như có thật. Ngoài khả năng nhìn (thị giác), nghe (thính giác), sờ (xúc giác), các nhà nghiên cứu cũng đã nghiên cứu để tạo các cảm giác khác như ngửi (khứu giác), nếm (vị giác) [3],[5],[13]. Công cụ phát triển: hệ thống xây dựng mô hình (mô tả, biểu diễn một đối tượng trong thế giới thực bao gồm hình dạng bề mặt và hoạt động của đối tượng. Như trong ANTG biểu diễn các phương tiện tham gia giao thông, người, đường giao thông, các biển, đèn tín hiệu…; trong phim hoạt hình 3D, là các nhân vật, môi trường cảnh quan, động vật, rừng núi, sông nước, ...). Hiện nay, có rất nhiều phần mềm tạo mô hình ba chiều như Maya, 3DS Max, LightWare,…song hai phần mềm phổ biến nhất là Maya và 3DS Max. Các công cụ lập trình: Công cụ lập trình trong các ứng dụng Thực tại ảo thường là các thư viện đồ hoạ 3D được xây dựng sẵn, miễn phí như DirectX, OpenGL, OpenSG, OpenSceneGraph. Trước đây, chúng ta hay sử dụng các thư viện OpenGL và DirectX, nhưng do mức độ hỗ trợ người lập trình trong các thư viện đó chưa cao nên người ta đã mở rộng chúng thành OpenSG, OpenSceneGraph. Hai thư viện lập trình OpenSG, OpenSceneGraph được xây dựng trên nền tảng OpenGL và đưa vào khái niệm rất mới đó là “Đồ thị ngữ cảnh” – Scene Graphs. Theo đó, mỗi đối tượng được biễu diễn như là một cây ngữ cảnh, mỗi nút có một nhân (core), nhân của mỗi nút có thể là một đối tượng geometry, đối tượng transform, ánh sáng (light)...Việc Render một đối tượng xuất phát từ nút gốc, đi đến từng nút lá và thực hiện các hành động tương ứng trong quá trình duyệt cây. Trong OpenSG hỗ trợ các hàm và các đối tượng đồ hoạ cơ sở như Light, Geometry, Transform, Material, Windows, Viewport,... ngoài nó còn hỗ trợ cơ chế đa luồng, lập trình hiển thị stereo. Để sử dụng được thư viện OpenSG, bạn cần dùng bộ biên dịch FrameNet, thông thường OpenSG hay dùng với ngôn ngữ lập trình Visual C.Net. Để biết thêm về thư viện đồ hoạ OpenSG, bạn có thể tìm hiểu và download miễn phí OpenSG tại địa chỉ: http://www.opensg.org. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 1.1.4. Ứng dụng thực tại ảo mô phỏng tromg máy tính Ngoài các ứng dụng như nói tại ý (a) mục 1.1.2, thì thực tại ảo mô phỏng trong máy tính đối với các bài toán về quản lý giao thông là xu hướng mới, hiện đại đã và đang được nghiên cứu và áp dụng rộng rãi trên nhiều lĩnh vực như: Hình 1.4. Mô phỏng 3D va chạm Oto - Lớp các bài toán về thiết kế, quy hoạch mạng lưới giao thông; - Lớp các bài toán về quản lý tính toán thiết kế luồng giao thông; - Lớp bài toán phát hiện, cảnh báo nguy hiểm, điểm đen tai nạn giao thông..; - Lớp bài toán về giảng dạy về lĩnh vực giao thông…; 1.2. Điểm đen và tai nạn va chạm giao thông 1.2.1. Điểm đen giao thông Luật giao thông đường bộ Việt Nam, quy định: Điểm đen tai nạn giao thông trên tuyến đường bộ là những vị trí nguy hiểm (có thể là nút giao thông cùng mức hoặc đoạn đường bộ có chiều dài dưới 500m) thường xảy ra tai nạn giao thông cao hơn mức bình thường và có tính chất tương đối giống nhau trong khoảng thời gian nhất định. Trên địa bàn tỉnh Thái Nguyên tính đến thời điểm năm 2011, trên địa bàn còn tồn tại hơn 50 điểm đen, công Hình 1.5. Một điểm đen giao thông trên đị a bàn tỉ nh tác xử lý điểm đen được UBND tỉnh, TN, Ảnh theo ngồn VOV. Ban chỉ đạo an toàn giao thông của tỉnh, sở Giao thông vận tải tích cực phát hiện và xử lý. Tuy nhiên do đặc chưng của điểm đen là chúng luôn có thể phát sinh do kinh tế xã hội phát triển, do hạ cơ sở hạ tậng giao thông xuống cấp và do nhiều nguyên nhân khác. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 1.2.2. Tai nạn, va chạm giao thông tại điểm đen Luật Giao thông đường bộ Việt Nam quy định: Tai nạn giao thông (TNGT) là sự việc bất ngờ xảy ra khi đối tượng tham gia giao thông đang hoạt động trên các tuyến đường bộ, đường sắt, đường thuỷ, đường hàng không hoặc ở các địa bàn giao thông công cộng khác do vi phạm các quy định về an toàn giao thông hoặc do gặp phải các tình huống, sự cố đột xuất không kịp phòng tránh gây thiệt hại đến tính mạng, sức khoẻ của con người, đến tài sản Hình 1.6. Tai nạn, va chạm giao thông tại núi điểm đen tầm nhìn bị che khuất, ảnh theo ngồn Internet và phương tiện. Theo mức độ thiệt hại trong các vụ tai nạn, người ta chia TNGT thành các loại: va chạm giao thông; tai nạn giao thông ít nghiêm trọng, tai nạn giao thông nghiêm trọng, tai nạn giao thông rất nghiêm trọng và tai nạn giao thông đặc biệt nghiêm trọng. Như vậy tai nạn, va chạm giao thông tại điểm đen giao thông là những sự việc bất ngờ xảy ra của các đối tượng đang tham gia giao thông tại những vị trị nguy hiểm. Theo thống kế của Ủy ban an toàn giao thông Quốc gia, đến nay tình hình tai nạn, va chạm giao thông tại các điểm đen giao thông thường là tai nạn giao thông nghiêm trọng, tai nạn giao thông rất nghiêm trọng và tai nạn giao thông đặc biệt nghiêm trọng. 1.2.3. Mô phỏng trong giao thông Mô phỏng giao thông là cách „bắt chước‟ hoạt động của một hệ thống gồm các đối tượng tham gia giao thông trên máy tính. Dạng mô phỏng vi mô (microscopic simulation) dùng các thông số đầu vào của hệ thống và hệ thống các phương trình quy định hành vi ứng xử của từng loại phương tiện giao thông để diễn tả lại một trạng thái của hệ thống giao thông. Việc mô phỏng này được lập trình và xử lý bằng máy tính. Có một số mô hình mô phỏng vi mô giao thông được thương mại hóa bằng phần mềm, ví dụ như PARAMICS, VISSIM. Như vậy: việc mô phỏng các tai nạn, va chạm giao thông tại các điểm đen gia thông là một phần trong một hệ thống mô phỏng giao thông, mà ở đó kỹ thuật phát hiện và xử lý va chạm trong tính toán, mô phỏng là không thể thiếu và rất quan trọng. 1.2.4. Các hệ thống phần mềm trong quản lý và an toàn giao thông Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 ARCADY được sử dụng để đánh giá sức chứa và sự trì hoãn ở vòng xuyến. Nó có khả năng để dự báo thực tế tỷ lệ tai nạn giao thông, sức chứa và việc trì hoãn (cả hàng đợi và mặt hình học) cho hầu hết các kích cỡ khác nhau của vòng xuyến, sắp đặt từ nhiều nhánh với các cấp độ vòng xuyến được phân tách cho tới những vòng xuyến bên trong khu vực ngoại ô. Hình 1.7. Mô hình quy hoạch phân luồng giao thông 3D PICADY đánh giá sức chứa và trì hoãn ở nơi ưu tiên giao nhau kết hợp nghiên cứu mở rộng của TRL trong thiết kế chỗ giao nhau đang dùng và dự báo tỷ lệ tai nạn, sức chứa, chiều dài hàng đợi và sự trì hoãn (cả về hàng đợi và hình học) ở nơi có sự ưu tiên các nút. OSCADY PRO là chương trình tối ưu tín hiệu giao thông theo từng giai đoạn. Phần mềm tạo ra việc sử dụng một số kỹ thuật tối ưu hóa độc đáo để tạo ra một mảng cam kết tốt nhất có thể và thời gian trên số lượng tối thiểu của dữ liệu nút. Nó cũng được dùng cho các nút độc lập, hoặc các kết quả có thể được xuất vào trong TRANSYT để sư dụng trong hệ thống được liên kết. TRANSYT là một chương trình máy tính quốc tế để thiết kế, mô hình và nghiên cứu có thứ tứ những chỗ giao nhau riêng biệt cho tới cả mạng lưới phức tạp. TRANSYT có thể nhanh chóng đánh giá được sự thực thi của một chỗ giao nhau riêng biệt cũng tạo ra sự tối ưu hóa thời gian cố định định lượng thời gian cho tín hiệu giao thông trong bất kỳ mạng lưới đường bộ mà lưu lượng giao thông cần biết đến, bao gồm cả tín hiệu ở đường vòng xuyến. Phiên bản mới nhất Hình 1.8. Một mô hình quy hoạch phân luồng oto 3D trong hệ thống Carsim (TRANSYT 14) có các tính năng đặc biệt để đánh giá các mối lối bị kiểm soát cô lập, và mạng lưới pha trộn tín hiệu và không có tiến hiệu cùng với vai trò truyền thống của nó. TRANSYT xác định tối ưu thời gian cố định......Xác định thời điểm cố định của tín hiệu trong mạng lưới VISSIM dùng TRANSYT-VISSIM LINK. Xác định tín hiều thời gian cố định của tín hiệu trong mạng Aimsun dùng TRANSYT-Aimsun LINK MOVA là hệ thống giám sát tín hiệu đèn giao thông ở những nút giao thông. Nó chuyển đổi thông minh giữa cách trì hoãn thấp nhất và lưu lượng tối đa, phụ Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 thuộc vào yêu cầu giao thông. Hiện nay ở Anh đang cân nhắc có ít nhất 3000 vị trí được trang bị MOVA, với mỗi năm nhìn thấy ít nhất 200 vị trí khác được cài đặt. SCOOT là hệ thống giám sát giao thông nó kiểm soát tín hiệu hiệu trong mạng lưới các nút giao thông. Nó thích ứng và phản ứng tự động tới những nơi giao thông bất thường, tạo cho nó hiệu quả đặt biệt trong các khu vục ở đấy các luồng giao thông không dự báo trước được. Nó được sử dụng ở trên 170 thị trấn và thành phố ở nước Anh và ở nước ngoài. STM mô hình chiến lược giao thông (STM) là mô hình hàng đầu và có một khả năng một hình các yếu tố chính sách trong khu vục nghiên cứu với trên 200 khu. STM được sử dụng bởi Strathclyde PTE (nơi nó được kết hợp mô hình tương tác sử dụng đất), bởi SEERA (đánh giá khu vùng Đông Nam UK), bởi Gloucestershire County Council và bởi West Yorkshire PTE. Các ứng dụng khác được sử dụng ở South Wales, Cheshire và ở Midlands. PERS (Phần mềm Xem lại Môi trường Đi bộ) là ứng dụng phần mềm mới và động để đánh giá chất lượng của môi trường cho phần dành để đi bộ. PERS có thể hộ trợ đưa ra các cơ hội để cải thiện đường dành cho người đi bộ, trong khi hỗ trợ hiệu quả mục tiêu tài nguyên. Khuôn khổ hệ thống của nó cho phép cung cấp cho người đi bộ được đánh giá, xem xét và kiểm toán thông qua việc sử dụng các phương pháp sáng tạo và rất thành công. MAAP là một gói phân tích và báo cáo tinh vi và tổng thể. Được sử dụng bởi chính quyền địa phương ở khắp UK và quốc tế, nó cung cấp công cụ để lưu trữ và phân tích các yếu tố gây ra tai nạn, địa lý lân cận (thông qua việc xây dựng sẵn công cụ GIS) và một bộ các kiểu dữ liệu khác. VISSIM là phần mềm mô phỏng giao thông, giao thông công cộng, khách bộ hành. Nó là công cụ rất mạnh để mô hình dòng giao thông đa luồng, gồm xe ô tô, xe hàng, xe buýt, xe điện, xe trọng tải nặng, xe máy, xe đạp và người đi bộ. Thông qua sự thực thi các thao tác đa luồng của VISSIM sẽ tối ưu sử lý phân luồng. Nó là cấu trúc mạng mềm dẻo để cung cấp cho người dùng khả năng mô hình các đối tượng tham gia giao thông với những dạng địa hình khác nhau hoặc thao tác độc lập/ có thứ tự của người lái xe và khách bộ hành được bắt gặp trong một hệ thống giao thông. VISSIM được sử dụng để phân tích mạng lưới của tất cả các kích cỡ khác nhau từ những nút giao thông tới toàn bộ khu vực đô thị. Bên trong những mạng lưới giao thông này VISSIM có khả năng mô hình tất cả đường cao tốc, phân loại linh hoạt từ xa lộ tới đường xe chạy. VISSIM cũng ứng dụng cho giao thông công cộng, xe đạp và những tiện ích của người đi bộ. VISSIM được sử dụng để mô phỏng điểm nóng giao thông và giao thông công cộng; nghiên cứu xa lộ và hành lang đường; nghiên cứu quy hoạch khu vực nhỏ; quản lý chiến lược đường cao tốc; nghiên cứu những điểm dừng của xe lửa, xe buýt; đánh giá từng tín hiệu hiệu dừng của giao thông công cộng…. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 Như vậy, qua đó ta thấy, có rất nhiều phần mềm trong quản lý giao thông, an toàn và tai nạn giao thông đã được phát triển trên thế giới, từ những phần mềm chỉ thủ thập và thông kế, xử lý dữ liệu, cho đến các phần mềm phân tích đánh giá, mô phỏng giao thông và tại nạn giao Hình 1.9. Của sổ thiết kế quy hoạch tuyến, luồng phương tiên trong thông…từ 2D, đến Vissim 3D..một trong những kỹ thuật cơ bản nhất trong các phần mềm quản lý, đánh giá, dự bảo an toàn giao thông có sử dụng đồ họa 2D, 3D để mô phỏng đó là kỹ thuật phát hiện và xử lý va chạm giữa các vật (là các phương tiên tham gian giao thông, đường xá, oto, xe máy, tàu hỏa..còn người, cây cối….). Đây là một lý thuyết và kỹ thuật có thể nói là lõi của các lớp bài toán về tính toán, xử lý mô phỏng trong an toàn giao thông. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 11 CHƢƠNG II MỘT SỐ KỸ THUẬT PHÁT HIỆN, XỬ LÝ VA CHẠM TRONG MÔ PHỎNG ĐIỂM ĐEN GIAO THÔNG 2.1. Mô phỏng điểm đen giao thông 2.1.1. Bài toán mô phỏng điểm đen giao thông Như đã trình bày ở mục 1.4, chương I của Luận văn này, chương này chúng ta xem xét bài toán cụ thể, như sau: Bài toán: Khoảng 19h30 ngày 15/9/2012, chiếc xe tải kiểu đông lạnh chở 3,5 tấn hàng đông lạnh đi trên đường Nha Trang hướng từ Bưu Điện tỉnh ra Chợ trung tâm chợ Trung tâm, vận tốc di chuyển khoảng 55km/h, cách giao lộ giữa đường không ưu tiên Nha Trang và đường ưu tiên Hùng Vương thuộc phường Trương Vương thành phố Thái Nguyên khoảng 200m; cùng lúc đó có một xe ô tô 5 chỗ ngồi (xe con) di chuyển từ hướng Thư viện tỉnh đến Bưu điện tỉnh ngược chiều với xe tải đông lạnh với vận tốc 60km/h cách giao lộ Hùng Vương – Nha Trang khoảng 300m; và đồng thời cũng có 01 chiếc xe Cảnh sát 113 đang đi trên đường ưu tiên Hùng Vương hướng đi từ Trụ sở tỉnh ủy Thái Nguyên ra Quảng trường 20/9 thành phố Thái Nguyên với vận tốc di chuyển khoảng 40km/h cách giao lộ 100m. Khi xe cảnh sát đi hết tâm và qua giao lộ, đồng thời lúc đó hai xe tải đông lạnh và xe 5 chỗ ngồi vào giao lộ, do hai xe tải đông lạnh và xe con 5 chỗ ngồi không tuân thủ quy định về khi tham gia giao thông, trên đường ưu tiên với không ưu tiên và khi qua giao lộ; Xe tải đến giao lộ rẽ sang đường ưu tiên Hùng Vương để đi về hướng quảng trường và chợ Thái Nguyên, Xe con đi thẳng qua đường ưu tiên đến Bưu điện tỉnh, do hai xe tải và xe 5 chỗ không không tuân thủ khi đi qua giao lộ có giao nhau với đường ưu tiên và không tuân thủ việc bật đèn xin đường theo quy định của pháp luật, mặt khác hai xe không hạn chế tốc độ khi qua giao lộ ..nên việc va chạm đã sảy khi xe 5 chỗ ngồi va chạm với đầu xe tải đông lạnh [6, 16]. Biên bản xác định hiện trường vụ tai nạn va chạm giao thông nói trên xác định nguyên nhân cơ bản của vụ va chạm tai nạn: là do hai xe tải đông lạnh và xe con không tuân thủ luật giao thông đường bộ khi tham gia giao thông trên đường đường có ưu tiên với đường không ưu tiên và các quy tắc giao thông khi qua giao lộ, mặt khác lại bị khuất tầm nhìn khi xe cảnh sát đi qua giao lộ. Biên bản xác định Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 12 tình trạng năng lực hành vi, tinh thần của lái xe bình thường, không có biểu hiện của mất năng lực hành vi điều khiển phương tiện giao thông, tình trạng phương tiện bình thường. Ngoài ra biên bản còn xác định giao lộ nói trên là một điểm đen giao thông vì thiếu các chỉ dẫn, hiệu lệnh và cảnh báo giao thông.. Việc xác định đây là điểm đen giao thông, bằng số liệu cơ sở thông kê các vụ tại nạn giao thông tại giao lộ này trong khoảng thời gian 5 tháng trở lại đây. Cho thấy mật độ tai nạn va chạm giao thông tăng hơn mức bình thường và thường xuyên diễn ra, như vậy đối chiếu theo quy định của Luật Giao thông đường bộ Việt Nam, thì đây được xác định là một điểm đen Giao thông. Bài toán mô phỏng được đặt ra là: Từ biên bản hiện trường tai nạn giao thông nói trên, hãy mô phỏng vụ tai nạn và va chạm nói trên bằng máy tính. Để phục vụ mục đích quản lý và thống kê, làm cơ sở cho công tác: - Tuyên truyền, cảnh bảo giao thông tại các điểm đen để mọi người tham gia giao thông biết phòng tránh; - Làm cơ sở để chứng minh, xây dựng các giả thiết, luận cứ khoa học trong việc xử lý điểm đen giao thông và tai nạn va chạm giao thông…; - Phục vụ các mục tiêu khác liên quan đến điều tra hình sự, dân sự của các cơ quan hành pháp. Như vậy hướng tiếp cận giải quyết bài toán mô phỏng trên có thể theo các hướng sau: Hƣớng 1, hướng xử lý bài toán hoàn thiện: Từ các biên bản hiện trường giao thông của cơ quan Công An được lưu trữ trên giấy: Hãy xây dựng một hệ thống phần mềm trên máy tính để thực hiện tự động số hóa biên bản trên giấy, tự động nhận dạng, phân tích và xử lý ngôn ngữ tự nhiên thành các dữ kiện đầu vào cho máy tính thực hiện mô phỏng lại vụ va chạm tai nạn va chạm giao thông nói trên, đồng thời tự động phân tích tần số vụ tại nạn tại các vị trí tai nạn và đưa ra cảnh bảo về điểm đen tại nạn giao thông. Hƣớng 2 phục vụ các mục đích cụ thể, bài toán đơn lẻ. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 13 - Từ nội dung biên bản hiện trường các vụ tai nạn giao thông của cơ quan Công an giao thông và điều tra để mô phỏng lại (tái hiện) vụ va chạm tai nạn giao thông, phục vụ mục đích nghiên cứu phân tích nguyên nhân tai nạn va chạm; - Mô phỏng lại các vụ va chạm, tai nạn tại các điểm đen giao thông để phục vụ mục đích tuyên truyền trong an toàn giao thông; giảng giạy trong các lợp đào tạo lái xe, làm cơ sở báo cáo và bảo vệ các đề án, dự án trong đầu tư xử lý điểm đen giao thông. - Và một số mục tiêu khác trong công tác quản lý đảm bảo an toàn giao thông đường bộ và có thể mở rộng sáng các lĩnh vực khác trong an toàn giao thông trên đường thủy, đường sắt, đường không… 2.1.2. Tình hình nghiên cứu mô phỏng điểm đen giao thông hiện nay ở Việt Nam Lĩnh vực sử dụng thực tại ảo để mô phỏng trên máy tính trong công tác quản lý an toàn giao thông; thử nghiệm chất lượng của các phương tiện cơ giới trước khi xuất xưởng ra thị trường được thế giới đặc biệt quan tâm và đã có nhiều hãng phần mềm cung cấp thương mại trên thị trường như đã giới thiệu ở phần trên [mục 1.2.4 của Luận văn này], tuy nhiên về kỹ thuật, công nghệ để xây dựng các hệ thống phần mềm ứng dụng nói trên, các hãng giữ bí mật về bản quyền và ít công bố. Hiện nay, có nhiều báo cáo kết quả nghiên cứu về nội dung nói trên [tài liệu tham khảo của luận văn] tuy nhiên các bài báo nói trên chủ yếu tiếp cận các hướng nghiên cứu về các thuật toán, kỹ thuật trực tiếp để giải quyết các bài toàn về mô phỏng chung, chưa đi sâu vào nghiên cứu về mô phỏng va chạm tại nạn ở điểm đen giao thông cụ thể. Đại học Lund University Thủy Điển [http://nlp.cs.lth.se/carsim/] , đã hình thành một nhóm nhiên cứu về lĩnh vực nói trên, hiện nay các kết quả đang đã hình thành bước đầu và được tập trung nghiên cứu phần xử lý ngôn ngữ tự nhiên để để giải quyết các bài toán va chạm giao thông như trình bầy tại mục [2.1.1] hướng 1. Ở Việt Nam công tác nghiên cứu, xây dựng các hệ thống thực tại ảo để mô phỏng trên máy tính đối với bài toán mô phỏng giao thông và các mô phỏng khác đã được phát triển nhiều năm nay, ở các trường Đại học như: Bách khoa Hà Nội , TP HCM; Học viện kỹ thuật quân sự, Viện Công nghệ thông tin – Viện KHCN Việt Nam, do đặc tính của lĩnh vực mô phỏng rất rộng trên mọi lĩnh vực của chính trị, Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 14 quân sự, an ninh quốc phòng và kinh tế, xã hội. Do vậy, riêng đối với lĩnh vực an toàn giao thông được Viện CNTT- Viên KHCN Việt Nam đi tiên phong nghiên cứu, đến nay đã có nhiều kết quả nghiên cứu và bước đầu, cho nhiều kết quả khả quan. Tuy nhiên các tài liệu về kết quả nghiên cứu vẫn chưa được công bộ chính thức và rộng khắp phục vụ và giúp cho công tác nghiên cứu về lĩnh vực này để các nhóm kế thừa và phát triển. Đến nay, có một số tài liệu công bố kết quả tìm hiểu và nghiên cứu về phát hiện và xử lý va chạm có chủ yếu ở các báo cáo luận văn tốt nghiệp Thạc sĩ, Đại học, như của: Vũ Quốc Hưng (Nghiên cứu một số vấn đề về động lực học vật rắn trong xử lý va chạm); Lê Huy Vần (Khóa luận tốt nghiệp: Nghiên cứu phát hiện va chạm và ứng dụng); Phan Thế Anh..cả 03 Luận văn này tập nghiên cứu kỹ thuật phát hiện xử lý va chạm của các vật, trong đó phần ứng dụng để mô phỏng va chạm của các vật và của Ô tô. Đối với bài toán mô phỏng tai nạn va chạm tại điểm đen giao thông như hướng tiếp cận của Luận văn này, các kết quả đã công bố trên chưa rõ ràng, chỉ dừng lại ở việc định hướng nghiên cứu và tìm hiểu phương pháp xử lý phát hiện va chạm giữa các vật là chính. Mặt khác chưa đưa ra bài toán cụ thể và tổng quát như Luận văn đã trình bày ở mục 2.1.1 ở trên. Chính vì vậy, chương 2 của Luận văn tập trung vào phân tích và đưa ra bài toán ứng dụng trong thực tế, tìm hiểu lựa chọn một số kỹ thuật gốc để đinh hướng xây dựng ứng dụng và báo cáo trong luận văn. 2.1.3. Phƣơng pháp và hƣớng tiếp cận mô phỏng điểm đen giao thông Xuất phát từ mục tiêu nghiên cứu, thời gian thực hiện luận văn, và định nghĩa của điểm đen giao thông thông theo Luật đường Bộ Việt Nam đã trình bày ở mục 1.2.1, điểm đen giao thông được định nghĩa như sau: Định nghĩa (1): Điểm đen tai nạn giao thông trên tuyến đường bộ là những vị trí nguy hiểm (có thể là nút giao thông cùng mức hoặc đoạn đường bộ có chiều dài dưới 500m) thường xảy ra tai nạn giao thông cao hơn mức bình thường và có tính chất tương đối giống nhau trong khoảng thời gian nhất định. Mặt khác tai nạn va chạm giao thông được Luật giao thông đường bộ Việt Nam, định nghĩa như sau: (2)“Tai nạn giao thông (TNGT) là sự việc bất ngờ xảy ra Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn