Trong những năm qua, việc sử dụng phương tiện đã tăng lên theo cấp số nhân trên toàn thế giới. Theo nghiên cứu Thẻ điểm giao thông năm 2017 của INRIX, tổng chi phí kinh tế ước tính do tắc nghẽn giao thông ở Hoa Kỳ, Anh và Đức lên tới gần 461 tỷ đô la vào năm 2017. Liên hợp quốc gần đây dự báo dân số thế giới sẽ đạt 9,8 tỷ người vào năm 2050, nghĩa là tăng gần 2,2 tỷ người trong vòng 3 thập kỷ tới.

Tai nạn xảy ra tại các điểm giao cắt đường bộ do trục trặc trong Hệ thống điều khiển đèn giao thông (TLCS) và sự cẩu thả của người lái xe. Bằng cách cải thiện các hoạt động trong hệ thống quản lý giao thông, mức độ an toàn và hiệu quả của hệ thống giao thông sẽ tăng lên. Hệ thống kiểm soát giao thông thông thường sử dụng thời gian báo hiệu tĩnh tại các giao lộ và không ưu tiên cho các phương tiện khẩn cấp như xe cứu thương, xe cứu hỏa và xe cảnh sát, có thể gây ra thiệt hại về người, hư hỏng hoặc phá hủy tài sản, đồng thời tăng chi phí nhiên liệu, ô nhiễm và tắc nghẽn. 

    

Hình 1: Tình trạng tắc nghẽn giao thông ở các nước lớn trên thế giới

Hệ thống quản lý giao thông thông minh nhằm mục đích quản lý giao thông hiệu quả trong các trường hợp khẩn cấp thông qua việc sử dụng các công nghệ xử lý và truyền thông tiên tiến cũng như các thuật toán hệ thống thông minh thích hợp. Trong điều kiện tiên tiến hiện nay, mạng cảm biến không dây (WSN) là một công nghệ đầy hứa hẹn cung cấp giải pháp cho việc thiết kế và phát triển nhiều ứng dụng hệ thống điều khiển giao thông. 

      

Hình 2: Hình minh họa hệ thống giao thông thông minh tích hợp các phương tiện giao thông đường bộ

Đã có nghiên cứu đáng kể về hệ thống quản lý giao thông sử dụng WSN để tránh ùn tắc, đảm bảo ưu tiên cho các phương tiện khẩn cấp và cắt giảm thời gian chờ trung bình (AWT) của các phương tiện tại các giao lộ. Trong những thập kỷ gần đây, các nhà nghiên cứu đã bắt đầu theo dõi lưu lượng truy cập thời gian thực bằng cách sử dụng WSN, RFID, ZigBee, VANET, thiết bị Bluetooth, camera và tín hiệu hồng ngoại. 

Mạng cảm biến bao gồm một cảm biến và các nút cổng. Nhiệm vụ của nút cảm biến là giám sát lưu lượng truy cập trong một khu vực được phân bổ, sử dụng các thiết bị khác nhau có thể đo một số thông số giao thông vật lý như lưu lượng, mật độ, khối lượng, tốc độ, thời gian chờ cũng như sự ô nhiễm. Nút cổng thu thập thông tin lưu lượng từ tất cả các nút và chuyển đến trạm gốc.

 

Hình 3: Hệ thống Quản lý Giao thông Đô thị dựa trên WSN

WSN đã thu hút sự quan tâm rộng rãi từ các nhà nghiên cứu học thuật và công nghiệp do khả năng bảo trì thấp hơn, giá thành rẻ và được sử dụng trong các lĩnh vực ứng dụng rộng rãi, chẳng hạn như y tế, quân sự, công nghiệp và gia đình. Các đặc tính độc quyền của WSN bao gồm tính di động của các nút cảm biến, khả năng chịu đựng các điều kiện môi trường khắc nghiệt, sự cố của nút, công suất thấp và khả năng mở rộng. 

Một Hệ thống quản lý giao thông đô thị (W-UTMS) dựa trên WSN điển hình được mô tả trong hình 3. Một ứng dụng W-UTMS phân tán đạt được bốn chức năng: (1) thu thập thông tin; (2) phổ biến dữ liệu; (3) xử lý dữ liệu để lập kế hoạch cho các hoạt động cần thiết; và (4) thực hiện các hành động phù hợp. Để thực hiện các chức năng này một cách tự động, UTMS được trang bị các cảm biến không dây, Trung tâm quản lý giao thông (TMC), Thiết bị bên đường (RSU) và Thiết bị gắn trên xe (OBU). 

Các bộ cảm biến thu thập thông tin giao thông theo thời gian thực, như mật độ phương tiện, loại phương tiện, thời gian chờ trung bình và mức độ ô nhiễm và chuyển tiếp dữ liệu giao thông tới RSU. Khi một phương tiện khẩn cấp đến gần giao lộ, OBU hướng thông tin đó đến RSU. RSU thu thập dữ liệu từ tất cả các nút cảm biến và OBU, chuyển tiếp dữ liệu đó đến TMC. Sơ đồ của một TMC điển hình được trình bày trong hình 4. Phân hệ thu thập dữ liệu của TMC tập hợp dữ liệu, phân tích các thông số giao thông và sau đó gửi đến phân hệ điều khiển tín hiệu giao thông của TMC. Mô-đun điều khiển đánh giá dữ liệu và đưa ra các quyết định thông minh để đưa ra mức độ ưu tiên phát tín hiệu cho các phương tiện khẩn cấp. Sau khi xe ưu tiên được đi qua, hệ thống sẽ tiếp tục hoạt động bình thường. Hệ thống này sẽ quản lý tối ưu tình trạng tắc nghẽn giao thông đô thị, mức độ ưu tiên của xe khẩn cấp, thời gian chờ của xe, mức tiêu hao nhiên liệu và độ an toàn.

 

Hình 4. Sơ đồ một trung tâm quản lý giao thông.

Các vấn đề chính trong hệ thống quản lý giao thông đô thị ùn tắc giao thông đang là một vấn đề nhức nhối ở nhiều thành phố do sự gia tăng theo cấp số nhân của các phương tiện đang chạy. Về cơ bản có hai loại tắc nghẽn giao thông. Đầu tiên là tắc nghẽn giao thông tái diễn, xuất hiện ở cùng một địa điểm trong cùng một thời điểm mỗi ngày. Loại thứ hai là tắc nghẽn giao thông không lặp lại, xảy ra ngẫu nhiên giống như một sự kiện không có kế hoạch. Tác động không lặp lại này có thể khiến lưu lượng truy cập tăng đột ngột. Việc phát hiện tắc nghẽn giao thông không lặp lại là rất quan trọng so với loại định kỳ, vì nó yêu cầu thông tin giao thông thời gian thực và đánh giá thông tin đó với các quyết định quản lý giao thông phù hợp.

 

Hình 5. Các nguồn gây ùn tắc giao thông đô thị.

Để đáp ứng các yêu cầu về quản lý giao thông thời gian thực, các nhà nghiên cứu đã đề xuất một số kiến trúc rõ ràng, sơ đồ thu thập dữ liệu và thuật toán định tuyến cho quản lý giao thông đô thị dựa trên WSN. 

 

Hình 6. Vị trí các TOs và dải ảo từ lối vào của đường cao tốc bốn làn xe

Giám sát giao thông động sử dụng mạng xe cộ (DTMon) đã được sử dụng để thu thập thời gian di chuyển chất lượng cao. Các thành phần chính của kiến trúc DTMon là: Bộ tổ chức tác vụ (TO) và Dải ảo (VS). DTMon sử dụng Công cụ tổ chức (TO) để kết nối với các phương tiện đang di chuyển. Dải ảo (VSs) là các điểm thu thập dữ liệu giao thông trên đường. Vị trí của TOs và VSs từ lối vào của đường cao tốc bốn làn xe được thể hiện trong hình 6. Xe được trang bị một mô-đun giao tiếp kết nối với VS và kiểm soát giám sát giao thông (TMC). Họ đã kiểm tra khả năng của DTMon bằng cách sử dụng các mô-đun VANET. Bằng cách phân công các nhiệm vụ khác nhau và với các vị trí khác nhau, tỷ lệ tiếp nhận thông báo (MRR) và tỷ lệ tiếp nhận thông tin (IRR) được đánh giá. Kết quả mô phỏng cho thấy hiệu suất của DTMon tốt hơn hệ thống dịnh vị xe tự động (AVL) về mặt giám sát. Việc sử dụng các dải ảo trong DTMon có thể được mở rộng để phát hiện và theo dõi việc xếp hàng cuối gây ra bởi tắc nghẽn.

 

Hình 7. Hệ thống quản lý giao thông thông minh dựa trên mức độ ưu tiên.

Xe cấp cứu hoặc bất kỳ phương tiện nào được chỉ định và ủy quyền cho dịch vụ khẩn cấp (chẳng hạn như cảnh sát, xe cứu thương và cứu hỏa). Tín hiệu dựa trên mức độ ưu tiên sẽ ưu tiên cho các phương tiện khẩn cấp và do đó có thể cứu được tính mạng và tài sản. Một số phương pháp và kế hoạch quản lý giao thông dựa trên WSN đã được thiết kế và phát triển để ưu tiên các phương tiện khẩn cấp và đã được báo cáo trong tài liệu. 

Hệ thống quản lý giao thông thông minh dựa trên mức độ ưu tiên được thể hiện trong hình 7. Các cảm biến được đặt trên các tín hiệu giao thông sẽ phát hiện ra tín hiệu RF và mã được truyền từ các phương tiện. Cảm biến gửi dữ liệu đến bộ điều khiển đèn giao thông. Bộ điều khiển kiểm tra mức độ ưu tiên và quản lý tín hiệu. Sau khi xe cấp cứu đi qua, hệ thống điều khiển giao thông sẽ trở lại hoạt động bình thường. Nếu hai xe cấp cứu cùng quyền ưu tiên đến giao lộ cùng lúc, thì tín hiệu đèn xanh được phát ra dựa trên số đo khoảng cách của các xe cấp cứu từ giao lộ. Xe cách điểm giao cắt ít hơn sẽ được ưu tiên hơn.

Thời gian chờ trung bình là khoảng thời gian xe chờ trong hàng đợi trước khi đèn tín hiệu giao thông BẬT. Yếu tố này làm tăng thời gian di chuyển và tác động tiêu cực đến kinh tế vận tải. Để giảm thời gian chờ đợi trung bình, một số phương pháp và phương pháp dựa trên WSN đã được phát triển: đề xuất hai thuật toán điều khiển đèn giao thông thích ứng, tức là sử dụng giao lộ tối đa và làn đường trống có đèn xanh. Cấu hình sử dụng giao lộ tối đa được thể hiện trong hình 8. Làn đường trống với cấu hình đèn xanh được thể hiện trong hình 9. Các thuật toán được đề xuất trên bộ mô phỏng Green Light District (GLD). Kết quả mô phỏng cho thấy thời gian chờ trung bình (AWT) của hệ thống thông thường là 26.7, chu kỳ để sử dụng giao lộ tối đa là 22.6 và 6.5 chu kỳ đối với làn đường trống có đèn xanh.

             

           Hình 8: Cấu hình sử dụng nút giao tối đa                        Hình 9: Đường trống có đèn xanh

Để Hệ thống kiểm soát giao thông hiệu quả (EDTCS) và tiết kiệm thời gian di chuyển của phương tiện và chỉ định mức độ ưu tiên cao nhất cho các phương tiện khẩn cấp tại các giao lộ. Hệ thống EDTCS được đề xuất bao gồm Bộ điều khiển giao thông (TCU), Bộ giám sát giao thông (TMU) và Bộ bên đường (RSU). Hình 10, cho thấy quá trình tại giao lộ. Dựa trên thẻ RFID, các phương tiện khẩn cấp được xác định và tất cả các phương tiện được tính bằng phương pháp vòng quy nạp. Xe khẩn cấp giao tiếp với RSU thông qua thẻ RFID. Máy chủ giao thông tập trung thu thập số lượng xe bình thường và xe khẩn cấp và chuyển tín hiệu sang màu xanh lục trong khoảng 30 giây đối với phía có xe khẩn cấp. Mô hình đề xuất đã giải quyết được nhiều vấn đề về giao thông và tiết kiệm thời gian di chuyển. Một ăng ten thẻ RFID UHF đã được sử dụng như một cảm biến dịch chuyển, có độ nhạy cảm với sự dịch chuyển đối với dải động 40 mm.

 

Hình 10. Sơ đồ bố trí cho hệ thống điều khiển lưu lượng động hiệu quả.

• Khả năng kết nối và phạm vi phủ sóng: đây là hai yếu tố quan trọng để chứng nhận việc quản lý tài nguyên hiệu quả trong WSN. Khi nhiều nút được triển khai để có độ phủ rộng hơn, sự phối hợp hiệu quả giữa các nút và hệ thống trung tâm là một thách thức lớn. 

• Chi phí truyền thông và năng lượng: giảm thiểu chi phí truyền thông của hệ thống là điều cần thiết để tiết kiệm năng lượng và kéo dài tuổi thọ mạng. Độ tin cậy của hệ thống luôn bị ảnh hưởng bởi vấn đề tuổi thọ pin. Làm thế nào để sử dụng các cơ chế công suất thấp để giảm mức tiêu thụ điện của nút WSN? 

• Tắc nghẽn: mặc dù có nhiều kỹ thuật để tránh vấn đề tắc nghẽn, hệ thống quản lý giao thông vẫn không thể phản ứng nhanh với tắc nghẽn ngẫu nhiên. Làm thế nào để thiết kế một hệ thống quản lý giao thông để cung cấp một giải pháp cho vấn đề tắc nghẽn?

• Thông báo sự cố giao thông: làm thế nào để hệ thống quản lý giao thông có khả năng gửi thông báo sự cố đến phương tiện truyền thông địa phương, cảnh sát và văn phòng quản lý tình huống để hành động kịp thời? 

• Điều phối và thực hiện: Làm thế nào để duy trì sự phối hợp giữa các nút giao thông? Làm thế nào để thiết kế một đám mây lưu lượng truy cập thông minh để giải quyết các vấn đề thời gian thực bằng cách sử dụng điện toán đám mây?

 Kết luận: Mạng cảm biến không dây (WSN) là một công nghệ quan trọng thu hút sự quan tâm nghiên cứu đáng kể và đã có tốc độ phát triển nhanh chóng do sự tiến bộ vượt bậc trong hệ thống vi điện tử và cơ điện.Thiết kế một hệ thống quản lý giao thông thông minh đầy hứa hẹn để cung cấp luồng giao thông thông suốt trong tình huống tắc nghẽn không đệ quy có thể là một vấn đề thú vị cho các nghiên cứu trong tương lai. 

Tham khảo:   

https://www.mdpi.com/1424-8220/16/2/157/htm

https://www.cleantech.com/intelligent-traffic-systems-implementation-and-whats-down-the-road/