Nghiên cứu về khả năng thông hành và vấn đề sử dụng nút giao thông điều khiển bằng tín hiệu đèn trong các đô thị Việt Nam

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC XÂY DỰNG PHAN CAO THỌ NGHIÊN CỨU VỀ KHẢ NĂNG THÔNG HÀNH VÀ VẤN ĐỀ SỬ DỤNG NÚT GIAO THÔNG ĐIỀU KHIỂN BẰNG TÍN HIỆU ĐÈN TRONG CÁC ĐÔ THỊ VIỆT NAM Chuyên ngành: Xây dựng đường ôtô và đường thành phố Mã số: 2.15.08 LUẬN ÁN TIẾN SỸ KỸ THUẬT Người hướng dẫn khoa học: 1. GS.TS Đỗ Bá Chương 2. TS Nguyễn Quang Đạo Kết cấu LA: 162 trang A4: Mở đầu, 4 chương nội dung, phần kết luận, 35 bảng, 32 hvẽ+đồ thị; 169 trang phụ lục ( phụ lục 1,2,3,4) TỔNG QUAN VỀ NGT ĐK VÀ CÁC PP TÍNH KNTH NGTĐK PHÂN LOẠI NGT: Theo cấu tạo và theo TCĐKGT --> sự phổ biến của NGT ĐK trong đó NGTĐKBTHĐ là phổ biến hơn cả (thế giới và nước ta) TỔNG QUAN VỀ PHƯƠNG PHÁP TÍNH KNTH ĐN: KNTH của NGT là suất dòng lớn nhất mà xe và người có thể thông qua nút trên một làn hay một nhóm làn trong một đơn vị thời gian dưới đkđ, đkgt và tcgt nhất định. CÁC HƯỚNG NC VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG MỘT SỐ KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU TRÊN TG VÀ TRONG NƯỚC Lý thuyết và LT + TN Mỹ (HCM 2000): TWSC - 2 nhánh dừng (chính - phụ) và AWSC - tất cả các nhánh dừng (N.cứu gốc ở Đức). Các xe trên đ.phụ tận dụng triệt để Dt của các xe chạy liên tục trên đ.chính để cắt, nhập vào dòng, khi Dt ³ Dtcn thì xe trên đ. phụ mới vào đựơc (1.2). Nga: E.M Lobanov cho nút ưu tiên chính phụ, trên cơ sở các xe đường phụ tận dụng Dt của dòng trên đ. chính để nhập hoặc cắt. DX trên đ. chính tồn tại 3 nhóm đặc trưng A,B,C (1.2) B.A Goocman: Giao nhau cùng cấp hạng, không ưu tiên, luân phiên nhau Pnd =7200/(St +Dt); (xcqđ/h/2làn).Pnd=1200xcqđ/h/2làn (ptr%= pph%) M.C Fiselson: NGTĐKBTHĐ từ 2 giả thiết: Các xe dừng hẳn chờ tx; 1 2 3 6 5 4 7 8 9 12 11 10 STOP Đường chính Đường phụ 13 16 15 14 STOP 10 11 12 6 5 4 1 2 3 7 8 9 Xung đột Đối diện Xung đột Nhánh xét đi chậm không dừng vào nút cùng V, cách đều nhau Dt: P1làn= 3600(tx-ta )/tq.Tck (xe/hlàn) Đ V X Đ V X TCK Pha 1 Pha 2 Thực nghiệm HCM 2000 (Mỹ), Simon COHEN (Pháp), R.M Kimber (Anh): KNTH cho mỗi n.d vào nút theo DBH. Trên n.d luôn tồn tại tx là txch. Ci = Si (gi/c); xcqđ/h. Si là LL DBH n.d thứ i, Si = S0.n.K, S0= 1900xcqđ/hx, K = fw.fHV.fG.fp.fbb.fa.fLT.fLR, K = 0.84. 2.Các NC thực nghiệm khác: Ailen: Smin= 400 xe/hx/1mrộng, Anh: S = 160Wf = 525Wm (xcqđ/hx) Nga: M = 525 B.Ki.KR.Krẽ (xcqđ/hx) với đk B (Wm) = 5.4 -18.0m, Canada: XD hệ thống toán đồ trên các ĐKĐ, ĐKGT, ĐKTH và vùng N.C Pháp: KNTH của nd tính qua DBH cho dòng đi thẳng: S’ = 525 L’ xcqđ/hx; L’= L-1,65 + 0,03 (D -7,5) - n/60, n số xe dừng/h, D(m) từ vạch Dừng --> 1st: DÊ62m. Tây Ban Nha: S = 509 Wm - 738 ; (xcqđ/hx), Không trạm bus S = 494 Wm - 1907; (xcqđ/hx), có trạm bus, wm(m) Trung quốc: 2 nhóm Nhóm 1: Tính KNTH của nút thông qua việc phân tích xe qua vạch dừng Nhóm 2: Tính KNTH của nút thông qua việc phân tích xe qua điểm xđ. N=3600/tq (xe/h), tq =3,0 - 3,5s, N=1000-1200xe/h; 320xe/h nếu có B hành N = (3600/TCK) Sni; trong đó Sni là số xe trên các hướng qua điểm x.đột MỘT SỐ KẾT QUẢ NC Ở VIỆT NAM 1980 NC của GS Đỗ Bá Chương về QLCĐ của DX có nhiều nhóm tốc độ trên đường 2 làn xe nói chung. 1991 NC của GS Dương Học Hải và TS Nguyễn Quang Đạo về KNTH NGT và đường đô thị nhiều xe 2 bánh (xe đạp) ở Hà Nội. 1990-1993 NC của GS Lâm Quang Cường, PGS Lưu Đức Hải về dòng xe đạp trong đô thị nước ta. 1993 NC của TS Vũ Gia Hiền về KNTH của đường QL 2 làn xe trong đk xe đạp đi chung. 1994 NC của TS Trần Danh Lợi về tiêu chuẩn dùng đèn và ảnh hưởng của xe đạp đến TCK NGT độc lập Hà Nội. 1995 NC của TS Nguyễn Quang Đạo về tốc độ DX hỗn hợp và PP tính Pttế của đoạn đường phố ở Hà Nội. MỘT SỐ NHẬN XÉT VÀ KẾT LUẬN PP TÍNH KNTH CÁC NƯỚC -- DBH, LẤY DÒNG XE CON LÀM CHUẨN, SỬ DỤNG CÁC HỆ SỐ QUI ĐỔI MỖI NƯỚC CÓ KHÁC NHAU. THỰC TẾ DX NƯỚC TA (hỗn hợp, mật độ đông, không ổn định) T. KHẢO CÁC KQNC DỰA TRÊN NHỮNG TIẾN BỘ MỚI --> TIẾP CẬN NC CỦA ĐỀ TÀI. KHẲNG ĐỊNH HƯỚNG ĐI CHO MỘT LĨNH VỰC NC P CỦA CÁC TÁC GIẢ ĐI TRƯỚC VÀ SAU NÀY LUÔN LÀ SỰ CẦN THIẾT. 4. HƯỚNG NC: TN HOÀN TOÀN + XD PHẦN MỀM T.Br --> GIẢI QUYẾT NHIỀU NỘI DUNG NC. NGHIÊN CỨU ĐẶC TRƯNG CỦA DÒNG XE TRÊN NGTĐKBTHĐ KHÁI QUÁT CÁC ĐẶC TRƯNG CỦA DX: 10 đặc trưng (bảng 2.1), LA lựa chọn 5 đặc trưng chính đại diện. PP TN trạm cố định + pp chuyên gia (quan sát động) KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU: 1. Thành phần DX p(%): tỷ lệ % các loại xe khác nhau trong dòng (16 nút - 30 n.dẫn, 4,5/2001 và 3,12/2003) LOẠI XE TỶ LỆ TP TÍNH THEO TỔNG LLXC; (%) NHÓM I NHÓM II NHÓM III NHÓM IV XE MÁY XE ĐẠP XE CON XE BUÝT XE T.NHẸ 70 - 80 15 - 20 7.0 - 12 4.0 - 16 5.0 - 8.0 75 - 85 15 - 25 3.0 - 7.0 2.5 - 5.0 2.0 - 5.0 65 - 75 25 - 30 1.5 - 4.0 1.0 - 2.0 1.0 - 3.0 70 - 80 30 - 35 0.8 - 2.4 < 1.0 < 1.0 2. Qu·ng gi÷a c¸c xe: xác định ảnh chụp, camera + kiểm chứng và tính toán hình học ở 3 đoạn. 3. LLXC: (xe/h), hàng chờ Lch = f (B,p, tín hiệu đk); Hànội (>100m), ĐN (pbiến 30-45) Cùng một cùng một lượng GT nhất định mà Bndlớn à Lchờ ngắn hơn, ngược lại (nhóm III,IV)àXem xét quan hệ P-B, Lchờ cần thiết. 4. Mật độ DX: Đề nghị: q(xe/m2) với 5 lý do(dòng hh, V thấp, cơ động, chia và không chia làn) Trước nút: xe q=(15-20)xe/(20-22)m2 - 1xe hai bánh/ (1.3-1.5)m2 Trong nút: V tăng, d tăng à q=(16-20)xe/(30-35)m2 - 1xe 2bánh/ (1.5-1.7)m2 :nhóm III,IV, q=(30-40)xe/(70-100)m2 : nhóm I,II Ngoài nút: V,d tiếp tục tăngà q=(8-12)xe/30m2 [III,IV], q=(15-20)xe/(60-70)m2 nhóm [I,II] 5. Tốc độ: Vt PP TN: 3 đoạn, vạch sơn, Nmẫu=36 - 40, a=50% và a =95% KẾT QUẢ: bảng 2.6, 2.7, 2.8, 2.9 và hình 2.4, 2.5, 2.6 và 2.7 (hình dạng đồ thị) AH của xe rẽ trái KẾT LUẬN CHUNG ( 4 ) THÀNH PHẦN DÒNG XE pi(%) LLXC TRÊN CÁC NHÁNH DẪN, LCHỜ (m) MẬT ĐỘ q(xe/m2), QUÃNG CÁCH Dt (Ds), không gian động D(m2). THAY ĐỔI VTBi TRƯỚC, TRONG VÀ SAU NÚT THEO CÁC HƯỚNG RẼ. 10 10 20 21,40 20 30 19,70 16,30 20,05 75 L (m) 105 24,50 V (Km/h) Dßng xe con 20 10 10 20 30 105 75 21,95 20,35 19,75 16,15 24,45 L (m) V (Km/h) Dßng xe m¸y 10 20 10 13,80 20 30 V (Km/h) 13,70 11,30 13,25 75 Dßng xe ®¹p 14,10 L (m) 105 : Dßng ph­¬ng tiÖn tr­íc hoÆc sau nót : Dßng ph­¬ng tiÖn rÏ ph¶i trong nót : Dßng ph­¬ng tiÖn ®i th¼ng trong nót : Dßng ph­¬ng tiÖn rÏ tr¸i trong nót Hình 2.4 Biểu đồ tốc độ trung bình của dòng xe trên NGT nhóm II PHƯƠNG PHÁP LUẬN VÀ CÁC KẾT QUẢ NC VỀ KNTH CỦA NGTĐKBTHĐ 0 10 20 30 40 50 60 thời gian xanh (s) 2000 1500 1000 500 0 Dòng bão hòa (xc/hx) CƠ SỞ PP LUẬN: (TG, trong nước) Hình 3.1: Quan niệm về DBH (__), (---) KHÁI NIỆM: S (xcthẳng/hx/làn) CÁC ẢNH HƯỞNG --> S0, STTÊ, STTOÁN (Mỹ: 8 fi trong đó B,prẽ, p% được quan tâm hơn) S0 Dòng có thể chạy liên tục ổn định trong tx ở đklt (chuẩn) --> 19kqnc/18 tác giả trên TG Nhận xét ( DBH phục vụ tính P, S0 =(1800-2000), Sttế=f(đkđ,gt,th), phải đổi xe, pp Kh.sát, NC TN là khả thi) NGHIÊN CỨU QUI ĐỔI DX 5 PP qui đổi (PDÒNG , V, DT; q, phân tích N của 2 dòng). Phân tích đánh giá 20 kqnc/ 19nước (TG và ta) bảng 3.2 (trang 81) + TTế DX ta ---> sử dụng 3 PP đầu: 1. Theo KNTH: a=0.17-0.25 khi Vtb = 17-21km/h, a=0.25-0.31 khi Vtb = 21-30km/h, ứng với pxm= 65-75% 2. Theo VTB: bảng 3.3 ( p 82) so sánh tỷ số V của các loại ph.tiện: Vxc= (0.91- 1.05) Vxm =17-21km/h, Vxđ= (0.61- 0.70) Vxm =11-14km/h 3. Theo D: Bảng 3.4 (p 84) so sánh DLT với DTTế Lý thuyết: Dxm : Dxđ : Dxc= 1: 0.67: 1.67 Thực tế : Dxm : Dxđ : Dxc= 1: 0.72: 3.90 Kiến nghị điều kiện qui đổi ă Các nút nhóm III, IV có pôtô < 15% à nên qui đổi dhh về xmqđ, ă Các nút nhóm I,II, III có pôtô > 15% à nên qui đổi dhh về xcqđ, Bảng 3.5 Kiến nghị các hệ số qui đổi DX thực tế Phương tiện Hệ số qui đổi về dòng xe con qui đổi (xcqđ) Hệ số qui đổi về dòng xe máy qui đổi (xmqđ) Xe con Xe đạp Xe máy Xe tải, buýt 1.00 0.20 0.20 - 0.25 theo 20TCN 104-83 4.00 – 5.00 0.80 1.00 theo 20TCN 104-83 0 N(x) Số lượng xe vượt qua vạch STOP trong từng t = 2 giây Mod Tần xuất x.hiện % 2 3 4 5 7 8 9 11 13 14 NC THỰC NGHIỆM VỀ DÒNG BÃO HOÀ PP tiến hành: (ng.tắc, kỹ thuật đo) NMẪU = (30 -36). Dòng đạt LLBH tính N1, N2 Dòng chưa LLBH (hình 3.4) Xác định lượng xe TB thoát qua vạch trong t=2s Hình 3.4 : Biểu đồ phân bố số xe qua vạch STOP trong từng khoảng thời gian 2 giây xanh. Hình 3.5: Mô phỏng tổng quát dòng bão hoà thuần ô tô. N (xe) 3 2 1 0 B Chế độ khởi động Chế độ ổn định txch t (giây) tx td tv Tck A A1 r (xe) rbão hoà 0 tx (giây) tL2 txch tL1 txsd tx td tv Hình 3.6 : Biểu đồ quan hệ giữa lưu lượng xe chạy qua vạch STOP và thời gian xanh trong 1 chu kỳ đèn. txch theo tổng tL(s), Y= 0.42t -1.5 dòng thuần Canada, tL1 =1-2(s) Kết quả (16 nút - 30 n.dẫn, 4,5/2001 và 3,12/2003) PHẦN MỀM MÔ PHỎNG SỰ HĐ CỦA NGT ĐKBTHĐ: TRAFFIC BRAIN (C++) BẮT ĐẦU Nhập các thông số: Điều kiện đường Điều kiện giao thông Điều kiện tín hiệu. Đề xuất chu kỳ điều khiển Phương án i Mô hình hoá hoạt động của dòng xe trên nút giao thông ứng với phương án i. Phương án i+1 So sánh, đánh giá kết quả các phương án Xuất ra kết quả KẾT THÚC BẮT ĐẦU t = t1 i=1 Phát sinh các phương tiện giao thông, xác định vị trí trong hàng chờ trên nhánh dẫn Kiểm tra hàng chờ trước vạch STOP. Kiểm tra t. thái THĐ.Xử lý các phương tiện giao thông theo các hướng if J<M KẾT THÚC Hiệu chỉnh thời gian cho pha đèn. Đánh dấu xe cuối cùng xuất hiện ở cuối thời gianT đỏ. Dọn sạch nút. Lưu kết quả lượt thử trước... t= t 2 Xuất ra kết quả j=1 J= J + 1 i= i + 1 if i< N no Mô tả các tham số và kết quả chương trình Traffic Brain (tham số tĩnh, động, tín hiệu) VD kiểm chứng. Dòng xe con đi thẳng, r = 0.5 xe/s, B=3.5m,Vtb=30km/h, d= 10-11mà Stb = 1827 xctc/hx, Pnd= 1010 xc/h So sánh: T.giới S0= 1800-1900xctc/hx, STN (Anh, Nga) =1837xcqđ/hx à Hợp lý Đối với dòng hh 2 làn(phổ biến). Pnd1= 2145/8580, Pnd2= 1965/7860 Top= 60s, tx1 = 29s; tx2= 28s, xuất hiện “Xxm”, Lchờ=55m Dòng thuần xe máy đi thẳng: r = 1.62xe/s, 3.5m,Vtb=27km/h àStb = 9721xm/hx, Pnd= 4942xm/h (> 1265B =4428xmqđ/h) à Hợp lý Kết luận: Ngẫu nhiên (n lớn), NMAX-TOPT nút cụ thể Quan hệ P=f(B,p%,ptr...) --> files text. NC ẢNH HƯỞNG MỘT SỐ YẾU TỐ ĐẾN KNTH 1. Quan hệ P-B (Lea Squ) P =395 B (xcqđ/h) B = 7-15 m, r=0.95 P = 1315 B (xmqđ/h) B = 3-10 m, r=0.92 Biểu đồ Quan hệ P-B (hình 3.17) 2. ẢNH HƯỞNG XE RẼ TRÁI 0 5 10 15 20 25 ptr(%) Ktr 1.0 0.75 0.5 0 5 10 15 20 25 ptr(%) Ktr 1.0 0.75 0.5 Hình 3.19 Quan hệ Ktr với ptr dòng thuần xe con làn chung (ptr= 0-25%) Hình 3.20 Quan hệ Ktr với ptr dòng hh 2 làn (ptr = 0-25%) KẾT LUẬN: Hình 3.17 Quan hệ KNTH thực tế và bề rộng của nhánh dẫn 3. ẢNH HƯỞNG CỦA L(M) GIỮA CÁC NÚT 200 0 150 100 15 20 500 350 250 300 400 450 L (m) 35 25 30 40 45 V (km/h) 4 1 2 3 6 5 7 Hình 3.22: Đồ thị khoảng cách tối thiểu nên dùng giữa các nút giao thông điều khiển bằng tín hiệu đèn ở đô thị nước ta TCK=50s 3. TCK=60s 5. TCK =70s 7. TCK=80s TCK=55s 4. TCK=65s 6. TCK =75s Bảng 3.15. Khoảng cách tối thiểu L(m) nên dùng giữa các nút giao thông điều khiển bằng tín hiệu đèn trong đô thị nước ta. VTB (km/h) Chu kỳ đèn TCK (s) 50 55 60 65 70 75 80 15 150 163 177 190 206 220 234 20 172 187 203 219 235 252 268 25 196 214 232 251 270 289 306 30 224 244 266 287 308 330 350 35 250 273 295 318 342 366 390 40 284 310 335 363 390 418 445 KẾT LUẬN (8 KL) KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG XÁC ĐỊNH MPV HIỆU QUẢ CỦA NGTĐKBTHĐ LỰA CHỌN CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ MPV: CHỌN d VÀ Z (5 CƠ SỞ). CHỈ TIÊU THỜI GIAN CHẬM XE d: Trªn c¬ së c¸c NC cho dßng thuÇn c¬ giíi: Beckman 1956, Mc Neil 1968,Darroch, Miller, Webster, Newll - Allsop --> §Ò nghÞ m« h×nh tÝnh to¸n d dùa theo Webster (®¬n gi¶n, phæ biÕn). N (xe) Dòng bão hòa S P đi A đi P txch tđch txch t0 TCK-txch t (s) TCK TCK đến A B B TCK- txch t0 TCK NMax NTB t(s) t(s) N(xe) Lchờ (m) A Hình 4.1 Mô phỏng dòng Đến và Đi ở NGTĐKBTHĐ Hình 4.2 Mô phỏng quá trình phát triển hàng chờ trên nhánh dẫn ở NGTĐKBTHĐ. Thời gian tiêu tán DX trong hàng chờ t0 x P = N (TCK - txch + t0) l = txch/ TCK tỷ số t.gian xanh có hiệu CHỈ TIÊU HỆ SỐ MĐPV Z =N/P (0 -1.0) Kết quả tính toán TN 16 nút 30 nh.dẫn Phương trình tương ứng dgh = 25 -55 xác định MĐPV tới hạn Zc: 0.9Z2 + 2dN. Z + [0.9 TCK N (1-l)2 - 2dN] = 0 (4.9) Kết quả --> MPV hq NGTĐKBTHĐ B=7-15m, dòng xcqđ d = 25 -55 (s); Z = 0.69 - 0.89 B=3-10m, dòng xmqđ d = 25 -55 (s); Z = 0.67 - 0.90 2.TÍNH TOÁN CHU KỲ VÀ PHÂN PHA TÍN HIỆU N (xcqđ/h); (xmqđ/h) Pn.d pôtô(%) B n.dẫn B = (7-15)m P =1315B (xmqđ/h) P = 395B (xcqđ/h) B n.dẫn B = (3-10)m pôtô>15% pôtô <15% Hệ số MĐPV Z Chậm xe trung bình d TCK(s), txch(s) Điều kiện giao thông Đánh giá hiệu quả khai thác qua MPV Thiết kế tối ưu chu kỳ và phân pha No Kết thúc Ví dụ: Nút giao thông Lê Duẩn - Lê Lợi Đà Nẵng Lê Duẩn hướng SH Lê Duẩn Lê Lợi X V Đ Đ V X Đ V X Đ X V I II III IV Thực tế hiện nay : TCK= 58s Tác giả theo (3.11): TCKTối ưu = 50s (tx=24s, tv=3s, tđ= 23s) theo TBr : TCKTối ưu = 50,5s (tx=25s, tv=3s, tđ= 22,5s)