Hệ thống điều khiển giao thông thông minh đô thị

- 29 - Chương 3 - ỨNG DỤNG BÀI TOÁN NHẬN DẠNG CHUYỂN ĐỘNG TRONG ĐIỀU KHIỂN GIAO THÔNG 3.1 - Một số ứng dụng của thuật toán phát hiện chuyển động trong thực tế [9] 3.1.1 - Giám sát giao thông Trong cuộc sống, có nhiều công việc tẻ nhạt được thực hiện bởi con người. Giám sát và điều phối giao thông là một việc như thế. Ứng dụng kỹ thuật phát hiện chuyển động trong giao thông và trong một số lĩnh vực khác sẽ giúp con người điều phối được công việc hiệu quả hơn, đỡ tốn nhân lực hơn. Sau đây tôi xin trình bày một số ứng dụng của kỹ thuật phát hiện chuyển động. 3.1.2 - Dự báo kẹt xe. Camera được đặt ở giao lộ sẽ phát hiện được kẹt xe khi số lượng giao thông ở giao lộ tăng lên đột ngột. Hệ thống điều khiển sẽ gởi tín hiệu tức thời tới trung tâm để thông báo các phương tiện giao thông có phương án thích hợp tránh ùn tắc thêm. 3.1.3 - Tính độ lớn của hàng đợi xe tại giao lộ để điều khiển giao thông. Camera đặt ở giao lộ sẽ ước lượng được độ dài của hàng đợi để có các xử lý thích hợp như điều khiển đèn giao thông, thông báo cho trung tâm hay liên hệ với các cụm đèn khác để có phương án phối hợp giải phóng đường. Hình 3 - 1: Hàng đợi tại giao lộ [9] - 30 - 3.1.4 - Phát hiện tai nạn. Ở các đoạn đường cao tốc hay xảy ra tai nạn, các camera có thể phát hiện kịp thời tai nạn hay các bất thường trong giao thông. Cảnh báo sẽ được gởi tới trung tâm và các biển thông báo cho phương tiện giao thông. Đối với các đoạn đường hạn chế tốc độ, hệ thống phát hiện chuyển động có thể phát hiện xe chạy quá tốc độ. Hệ thống sẽ chụp hình và quay phim rồi gửi về trung tâm xử lý. 3.1.5 - Báo động khi lái xe đi lệch hướng Đối với các tuyến xe đường dài, tài xế có nhiều lúc lơ đãng chạy xe lệch khỏi tuyến một cách bất thường. Một hệ thống 2 camera sẽ quan sát hai bên đường, nếu có sự thay đổi hướng đột ngột, hệ thống sẽ báo động cho tài xế tránh tai nạn đáng tiếc có thể xảy ra. Hình 3 - 2: Hệ thống cảnh báo chệch hướng [9] 3.1.6 - Cập nhật chỗ trống trong nhà xe. Việc đặt các camera trong bãi xe nhằm phát hiện ra những chỗ trống rồi thông báo ra tại cửa vào để giúp lái xe tìm chỗ trống nhanh nhất, tiết kiệm thời gian và tránh ô nhiễm. 3.2 - Bài toán phát hiện chuyển động trong điều khiển giao thông 3.2.1 - Giới thiệu bài toán Khảo sát, nghiên cứu cặn kẽ về những vấn đề liên quan, các thành phần suy diễn và các điều luật liên quan. - 31 - Tìm hiểu, đánh giá các kỹ thuật đã được nghiên cứu về lĩnh vực này ở trong và ngoài nước. Chọn ra một phương pháp thích hợp, có thể cải tiến, tinh chỉnh từ một số phương pháp đã được nghiên cứu, hoặc tích hợp một số phương pháp đó và có bổ sung các kết quả nghiên cứu đạt được của riêng mình. Đưa ra các so sánh giữa các phương pháp đã có với phương pháp được đề xuất này. 3.2.2 - Hiện trạng chung của các dự án liên quan Trong quá trình nghiên cứu và phát triển luận văn, dù đã cố gắng tìm hiểu và tham khảo nhiều dự án liên quan, nhưng do có một số khó khăn nhất định nên các thông tin thu thập được ở trong nước cũng như ở nước ngoài không nhiều. Ở cuộc thi Trí tuệ Việt Nam 2005, có một bài dự thi của tác giả Lê Quốc Anh (Hà Nội), với sản phẩm “Ứng dụng công nghệ xử lý ảnh thời gian thực trong bài toán tự động giám sát giao thông tại Việt Nam” đã đọat được giải Thực tiễn Việt Nam cũng nghiên cứu về lĩnh vực này, nhưng không tham khảo tài liệu được. Trong thời gian nghiên cứu, trường Đại học Giao Thông Vận Tải cũng có một đề tài cấp Nhà nước KC - 03 - 21 mang tên “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Tự động hoá trong quản lý điều hành giao thông đô thị”, nhưng vì lý do bảo toàn thông tin nên thông tin tham khảo cũng rất hạn chế. 3.2.3 - Tìm hiểu về hệ thống điều khiển giao thông Các hệ thống tín hiệu điều khiển giao thông [8] ra đời vào năm 1914, do công ty American Traffic Signal. Hiện nay trên thế giới hầu như không có nơi nào thiếu công cụ này. Cấu trúc một hệ thống điều khiển giao thông - 32 - Đèn hiệu Trụ đèn Bộ điều khiển Bộ cảm biến Hình 3 - 3: Một hệ thống tín hiệu điều khiển giao thông thông thường [8] Một hệ thống tín hiệu điều khiển giao thông thông thường gồm có 4 bộ phận cơ bản: • Hệ thống đèn tín hiệu (Đỏ – Vàng – Xanh) • Hệ thống điều khiển: Hệ thống điều khiển là "bộ óc" của hệ thống điều khiển đèn giao thông. Nó thông báo tín hiệu đến những hệ thống đèn khác trong mạng lưới. Vài năm trước đây hệ thống đèn giao thông chỉ đơn giản là những mạch điện đơn giản, nó chuyển đổi tín hiệu đèn luân phiên theo thời gian định sẵn. Hiện nay những hệ thống này không còn đáp ứng được những phát triển của giao thông nữa. Những hệ thống này đã có một sự phát triển nhờ sự tích hợp các bộ cảm biến, chúng được gắn bên dưới các làn đường để ước lượng sự di chuyển, mật độ di chuyển và can thiệp để điều chỉnh thời lượng của tín hiệu đèn tùy vào thông tin phản hồi nhằm giảm thiểu thời gian đợi của phương tiện giao thông. • Các bộ cảm biến gắn dưới lòng đường của một số làn đường cần theo dõi, hoặc chúng có thể là một camera nhỏ để thu thập thông tin về các phương tiện giao thông. • Trụ đèn Thời lượng tín hiệu giao thông Tín hiệu đèn giao thông được xác định với 2 mục đích: - 33 - • Làm cho việc giao thông được an toàn và trôi chảy cho tất cả mọi người tham gia giao thông. • Tăng lưu lượng lưu thông Mỗi hệ thống giao thông được thiết lập các bộ định thời khác nhau: • Chúng có thể là các bộ định thời cố định kiểu cũ. Các hệ thống này thích hợp vào các thời điểm cao điểm. • Và chúng cũng có thể ứng dụng các kỹ thuật tiên tiến sau này để linh hoạt hơn và hiệu quả hơn. • Và chúng có thể được điều phối chung trong cả hệ thống thông qua trung tâm điều khiển để đạt hiệu quả cao nhất trên toàn mạng lưới giao thông. 3.2.4 - Ứng dụng logic mờ vào điều tiết giao thông Logic mờ là một công cụ hữu dụng và nó đã giúp giải quyết được rất nhiều vấn đề thực tế mà thông tin chưa biết chính xác và rõ ràng. Thực tế thì các hệ thống điều khiển mờ là các hệ thống thông minh tiềm năng của ngành điều khiển học. Một kế hoạch xây dựng một hệ thống điều khiển giao thông ứng dụng kỹ thuật này [3] là rất có hứa hẹn. Hiện nay trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về các hệ thống mô phỏng giao thông ứng dụng logic mờ. Ngay cả ở Việt nam cũng đã có một số dự án đang tiến hành như đã nêu ở trong phần trên. 3.2.5 - Thuật toán điều phối giao thông cơ bản 3.2.5.1 - Phạm vi Chúng ta đưa ra phạm vi của mô hình là một ngã tư hai đường một chiều (một đường theo hướng từ trên xuống dưới Bắc – Nam (NS) và một đường từ trái qua phải Tây – Đông - WE). Giả sử trên 4 phần đường của ngã tư (xem Hình 3 - 1, Hình 3 - 13), chúng ta đã biết trước lưu lượng của các phương tiện đang giao thông nhờ vào bộ phân tích hình ảnh từ Camera lần lượt là Cn, Cs, Ce, Cw (tương ứng theo 4 hướng Bắc - N, Nam - S, Đông - E, Tây - W), thời lượng cao nhất cho tín hiệu đèn - 34 - Xanh là 30 giây, vàng là 3 giây. Giả sử thời gian dành cho mỗi xe qua giao lộ là 3 giây. 3.2.5.2 - Mô tả thuật toán Ban đầu, Cn, Cs, Ce, Cw được khởi tạo bằng 0. Đèn đường theo hướng NS là Đỏ và WE là Xanh. Hệ thống đợi với thời gian lớn nhất là 30 giây và các biến đếm Cn, Cs được cập nhật bởi bộ định lượng của mỗi phần đường qua Camera, nếu Max(Cn, Cs) > 0 thì thời gian đợi của đèn NS là: Tns = Max(Cn, Cs) * 3 (giây) Và trong lúc đó đèn WE đổi từ Xanh sang Vàng và đợi tiếp 3 giây, sau đó thì đổi sang Đỏ và ở trong trạng thái như vậy một thời gian Tns + 3 giây. Khi EW chuyển sang Đỏ, NS đồng thời chuyển sang Xanh. Tiến trình như vậy lại chuyển sang hướng WE, và vòng tiến trình đó cứ tiếp tục như vậy. - 35 - 3.2.5.3 - Mô hình Gán {Cn, Cs, Ce, Cw} = 0 Gán { NSÅR, WEÅG, T = 30Bắt đầu Hình 3 - 4: Mô hình điều phối [12] 3.2.5.4 - Thuật giải Bước 1: Cn = Cs = Cw = Ce = 0 ĐènNS = Đỏ, ĐènWE = Xanh Twait = 30 (giây) Sang bước 2 Bước 2: Đợi(Twait) Cn = Cập_nhật_mật_độ_trên_phần_đường(N) giây} Đúng Sai Đợi T Hoán đổi vai trò NS ÅÆ WE Cn ÅÆ Cw Cs ÅÆ Ce Điều kiện Max (Cn, Cs) > 0 Tns = Max(Cn, Cs) * 3 (giây) Gán { WEÅR, NSÅG, T = Tns } Gán { WEÅY, T = 3 giây} Đợi T Cập nhật { Cn, Cs } KThúc ? Xử lý thoát Kết thúc Kết thúc - 36 - Cs = Cập_nhật_mật_độ_trên_phần_đường(S) Sang bước 3 Bước 3: Nếu Max(Cn, Cs) > 0, sang bước 4 Ngược lại, quay lại bước 2 Bước 4: TwaitNS = Max(Cn, Cs) * 3 (giây) ĐènWE = Vàng Twait = 3 (giây) Đợi(Twait) ĐènNS = Xanh, ĐènWE = Đỏ Twait = TwaitNS Bước 5: Đợi(Twait) Cw = Cập_nhật_mật_độ_trên_phần_đường(W) Ce = Cập_nhật_mật_độ_trên_phần_đường(E) Sang bước 6 Bước 6: Nếu Max(Cw, Ce) > 0, sang bước 7 Ngược lại, quay lại bước 5 Bước 7: TwaitWE = Max(Cw, Ce) * 3 (giây) ĐènNS = Vàng Twait = 3 (giây) Đợi(Twait) ĐènWE = Xanh, ĐènNS = Đỏ Twait = TwaitWE Quay lại bước 2. 3.2.5.5 - Các hạn chế Trong mô hình trên, chỉ có các yếu tố về lưu lượng là tác động đến thời lượng của các tín hiệu đèn nên khả năng tương thích sẽ không cao. 3.2.5.6 - Các cải tiến đề nghị Có một số yếu tố có thể tác động đến yếu tố thời lượng của tín hiệu đèn. Chẳng hạn như mức độ tập trung của các phương tiện ở gần đường vạch sơn dừng, tỉ lệ mặt bằng mà các phương tiện giao thông chiếm chỗ so với mặt đường, yếu tố loại phương tiện cũng có nhiều ảnh hưởng đến kết quả này vì mỗi loại phương tiện có diện tích chiếm bề mặt đường là khác nhau. - 37 - Ngoài ra, nếu trường hợp những vùng mặt đường ở xa vạch dừng mà vẫn bị các phương tiện giao thông dừng lại chiếm chỗ, thì điều đó có nghĩa là đang có rất nhiều phương tiện giao thông đang bị đùn lại ở phía trước, lúc này nguy cơ kẹt xe là rất cao và có thể điều chỉnh hướng đường sao cho có thể giải phóng nguy cơ kẹt xe càng sớm càng tốt. Những yếu tố này được cộng thêm vào những yếu tố ảnh hưởng đến thời lượng của tín hiệu đèn giao thông thể hiện được một số khía cạnh nào đó của Logic mờ. Một số hàm do mờ có thể được áp dụng ở đây, và điều chỉnh trong quá trình thực nghiệm. 3.2.5.7 - Đánh giá So với một hệ thống điều phối giao thông với một bộ thời lượng của các tín hiệu đèn cố định, thì hệ thống này lịnh động hơn nhiều. Thời lượng của tín hiệu đèn lúc này đã được điều phối bởi các yếu tố trạng thái giao thông hiện hữu. Nó có giảm rõ rệt những khoảng thời gian mà các phương tiện phải dừng lại đợi. Cùng với việc bổ sung các yếu tố khác ảnh hưởng đến lưu lượng của phương tiện, các yếu tố này sẽ bổ sung thêm thông tin để cho kết quả của việc điều phối thêm hiệu quả hơn. Trong mô hình cài đặt thực nghiệm, một hệ thống điều phối linh động sẽ được ứng dụng để tận dụng những ưu điểm này. Cùng với các suy luận logic mờ bổ sung vào để hệ thống có tính khả chuyển cao hơn, có khả năng mở rộng sau này tốt hơn.