Luận văn Thạc sĩ Hệ thống thông tin: Biểu diễn tình trạng giao thông trên đường đô thị có nhiều loại phương tiện đang di chuyển

Chia sẻ: Matroinho | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:47

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 5
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Luận văn "Biểu diễn tình trạng giao thông trên đường đô thị có nhiều loại phương tiện đang di chuyển" được hoàn thành với mục tiêu nhằm xây dựng mô hình dòng giao thông biểu diễn tình trạng giao thông trên đường đô thị dựa trên phân bố diện tích mặt đường bị chiếm dụng theo không gian và thời gian. Áp dụng cho đường đô thị ở Thành phố Hồ Chí Minh.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Luận văn Thạc sĩ Hệ thống thông tin: Biểu diễn tình trạng giao thông trên đường đô thị có nhiều loại phương tiện đang di chuyển

UBND TỈNH BÌNH DƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT NGUYỄN HẢI ĐĂNG BIỂU DIỄN TÌNH TRẠNG GIAO THÔNG TRÊN ĐƢỜNG ĐÔ THỊ CÓ NHIỀU LOẠI PHƢƠNG TIỆN ĐANG DI CHUYỂN CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG THÔNG TIN MÃ SỐ: 8480104 LUẬN VĂN THẠC SỸ BÌNH DƢƠNG – 2019 1
UBND TỈNH BÌNH DƢƠNG TRƢỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT NGUYỄN HẢI ĐĂNG BIỂU DIỄN TÌNH TRẠNG GIAO THÔNG TRÊN ĐƢỜNG ĐÔ THỊ CÓ NHIỀU LOẠI PHƢƠNG TIỆN ĐANG DI CHUYỂN CHUYÊN NGÀNH: HỆ THỐNG THÔNG TIN MÃ SỐ: 8480104 LUẬN VĂN THẠC SỸ NGƢỜI HƢỚNG DẪN KHOA HỌC: PGS.TS TRẦN VĨNH PHƢỚC BÌNH DƢƠNG – 2019
LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan luận văn này là công trình nghiên cứu của riêng tôi. Các số liệu, kết quả nêu trong luận văn là trung thực và các thông tin trích dẫn trong luận văn đã đƣợc chỉ rõ nguồn gốc. Tôi xin cam đoan rằng mọi sự giúp đỡ cho quá trình thực hiện luận văn này đã đƣợc cảm ơn. Bình Dƣơng, ngày 12 tháng 4 năm 2019 Ngƣời thực hiện Nguyễn Hải Đăng i
LỜI CẢM ƠN  Sau thời gian thực hiện đề tài nghiên cứu, luận văn đã đạt được những kết quả nhất định. Để đạt được điều này thì ngoài sự cố gắng và nỗ lực của bản thân, tôi còn nhận được rất nhiều sự quan tâm giúp đỡ và chỉ bảo của Nhà trường, quý Thầy, Cô, gia đình, bạn bè. Tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành, lòng biết ơn sâu sắc đến tất cả quý Thầy, Cô đã giảng dạy bằng tất cả sự nhiệt tình trong quá trình tôi tham gia chương trình cao học hệ thống thông tin tại trường Đại học Thủ Dầu Một. Đặc biệt tôi xin gởi lời cảm ơn chân thành nhất và sâu sắc nhất đến PGS.TS. Trần Vĩnh Phước vì đã tận tình, tận tâm hướng dẫn và giúp đỡ tôi trong quá trình làm luận văn. Xin cảm ơn Cha, Mẹ đã sinh ra con, nuôi nấng và dạy dỗ con, động viên con trong học tập cũng như công việc. Cảm ơn vợ và các con của tôi đã luôn động viên và là động lực cho tôi hoàn thành luận văn này. Xin cảm ơn các đồng nghiệp của tôi ở Văn phòng Thị ủy Bến Cát đã giúp đỡ, hỗ trợ để tôi hoàn thành nhiệm vụ được giao trong suốt thời gian tôi tham gia chương trình cao học hệ thống thông tin tại trường Đại học Thủ Dầu Một. Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn đến các bạn của tôi ở lớp cao học khóa 01 đại học Thủ Dầu Một đã giúp đỡ rất nhiều để tôi có thể hoàn thành được luận văn này. ii
MỤC LỤC LỜI CAM ĐOAN ...................................................................................... i LỜI CẢM ƠN ........................................................................................... ii MỤC LỤC ............................................................................................... iii DANH MỤC CÁC HÌNH ....................................................................... iv TÓM TẮT ................................................................................................ vi Chƣơng 1 GIỚI THIỆU ............................................................................ 1 1.1. Đặt vấn đề .......................................................................................... 1 1.2. Mục tiêu đề tài ................................................................................... 5 1.3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu ..................................................... 5 1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu ................................................................... 5 1.5. Cấu trúc luận văn ............................................................................... 5 Chƣơng 2 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN MÔ HÌNH BIỂU DIỄN GIAO THÔNG ......................................................... 7 2.1. Giới thiệu ........................................................................................... 7 2.2. Mô hình giao thông vi mô ................................................................. 7 2.3. Mô hình giao thông vĩ mô ................................................................. 9 2.4. Mô hình giao thông tế bào tự động (automaton cellular) ................ 11 2.5. Mô hình giao thông 3 pha: ............................................................... 12 2.6. Kết luận chƣơng 2............................................................................ 14 Chƣơng 3 MÔ HÌNH THỐNG KÊ GIAO THÔNG THEO KHÔNG GIAN – THỜI GIAN .............................................................................. 16 3.1. Bản đồ không gian – thời gian để biểu diễn giao thông .................. 16 3.2. Mô hình thông kê giao thông theo không gian – thời gian.............. 17 3.3. Kết luận chƣơng 3............................................................................ 23 Chƣơng 4 ÁP DỤNG MÔ HÌNH THỐNG KÊ GIAO THÔNG THEO KHÔNG GIAN - THỜI GIAN ............................................................... 25 4.1. Đặc điểm giao thông đô thị Thành phố Hồ Chí Minh ..................... 25 4.2. Áp dụng mô hình thống kê giao thông theo không gian – thời gian để biểu diễn giao thông trên một số đoạn đƣờng Tp. Hồ Chí Minh ....... 26 4.2.1. Xử lý dữ liệu giao thông ............................................................... 26 4.2.2. Kết quả .......................................................................................... 27 4.3. Kết luận chƣơng 4............................................................................ 32 Chƣơng 5 KẾT LUẬN ........................................................................... 33 5.1. Kết luận ............................................................................................ 33 5.2. Hƣớng phát triển .............................................................................. 35 TÀI LIỆU THAM KHẢO ...................................................................... 36 PHỤ LỤC ............................................................................................... 37 iii
DANH MỤC CÁC HÌNH Hình 1.1 Một trƣờng hợp tắc nghẽn giao thông trong đô thị Việt Nam (Nguồn: baomoi.com) ...................................................................................................... 3 Hình 1.2 (a) Giao thông trên đƣờng cao tốc, (b) Các phƣơng pháp đếm số lƣợng phƣơng tiện (Nguồn: https://phys.org) .................................................... 4 Hình 2.1 Mô hình giao thông vi mô biểu diễn sự di chuyển của hai phƣơng tiện liên tiếp trên bản đồ không gian – thời gian ............................................... 8 Hình 2.2. Mô hình giao thông vĩ mô nghiên cứu sự di chuyển của nhiều xe trong miền bản đồ không gian – thời gian , xe thứ n hiện diện trong suốt thời gian trên đoạn đƣờng , n=1,2,3,… (Nguồn: Báo cáo chuyên đề của NCS. Bùi Thị Thà) .................................................................................... 10 Hình 2.3 Mối quan hệ giữa lƣu lƣợng và mật độ đƣợc biểu diễn bằng đƣờng cong q(p).. ........................................................................................................ 11 Hình 2.4 Mô hình giao thông tế bào tự động (automaton cellular) chia mặt đƣờng thành những ô trên mỗi làn đƣờng và gán vào một giá trị 0 hoặc 1. (a) Tại một thời điểm, mỗi ô mặt đƣờng bị chiếm dụng bởi phƣơng tiện sẽ đƣợc gián giá trị 1, ngƣợc lại gán giá trị 0. (b) Biểu diễn trạng thái giao thông trên làn đƣờng 3. Các giá trị của bảng thay đổi theo thời gian (t1, t2,…tn) cùng với trạng thái giao thông. ....................................................................................... 12 Hình 2.5 Mô hình giao thông 3 pha ................................................................ 12 Hình 2.6 Sự chuyển pha của luồng giao thông phía trƣớc vạch dừng (a) và sau vạch dừng (b) kết hợp với đèn tín hiệu giao thông trong mô hình giao thông 3 pha…………….. .............................................................................................. 13 Hình 3.1 Quỹ đạo không gian - thời gian của một đối tƣợng di chuyển đƣợc biểu diễn trên bản đồ không gian – thời gian gồm hai trục toạ độ vuông góc, một trục biểu diễn thời gian và một trục biểu diễn vị trí. ................................ 16 Hình 3.2 Biến đổi khung ảnh thực tế thành ảnh nhị phân .............................. 18 Hình 3.3 Ảnh nhị phân của đoạn đƣờng chiều dài L, chiều rộng w, đƣợc chia thành các phân khúc đƣờng có chiều rộng dx .................................................. 20 Hình 3.4 Biểu đồ cột thể hiện sự phân bố của tỷ lệ chiếm dụng phân khúc đƣờng dọc theo chiều dài đoạn đƣờng ............................................................. 22 Hình 3.5 Biểu đồ tỷ lệ diện tích chiếm dụng phân khúc đƣờng (cột màu đỏ) thu đƣợc sau khi làm mịn ................................................................................. 23 Hình 4.1 Phần mềm xử lý đoạn phim giao thông ........................................... 27 Hình 4.2 Biểu đồ thống kê giao thông tại một thời điểm xác định trên đoạn đƣờng Hai Bà Trƣng ........................................................................................ 27 Hình 4.3 Trƣờng hợp chuyển từ phân bố thƣa sang phân bố tích lũy thu đƣợc iv
từ thực tế.. ........................................................................................................ 29 Hình 4.4 Một trƣờng hợp chuyển từ phân bố tích lũy sang phân bố Poisson, từ phân bố Poisson sang phân bố thƣa thu đƣợc từ thực tế .................................. 30 Hình 4.5 Dạng phân bố tích lũy từ vạch dừng phía trƣớc giao lộ. ................. 31 Hình 4.6 Dạng phân bố Poisson. .................................................................... 31 Hình 4.7 Dạng phân bố thƣa. .......................................................................... 32 v
TÓM TẮT Mô hình giao thông có ý nghĩa quan trọng đối với việc trên nghiên cứu, phân tích, đánh giá, dự báo tình trạng giao thông và đề ra các biện pháp giải quyết các vấn đề giao thông. Với mong muốn góp phần giải quyết các vấn đề đối với giao thông đô thị Việt Nam, xây dựng mô hình giao thông phù hợp với đặc điểm của giao thông đô thị Việt Nam là nội dung đƣợc tập trung nghiên cứu trong luận văn. Các phƣơng pháp nghiên cứu đƣợc sử dụng trong quá trình thực hiện luận văn là phƣơng pháp tra cứu tài liệu, phƣơng pháp toán và phƣơng pháp thực nghiệm. Luận văn đã nghiên cứu mô hình thống kê giao thông theo không gian – thời gian để khảo sát tình trạng giao thông tại một số đoạn đƣờng ở thành phố Hồ Chí Minh. Dựa vào kết quả thực tế áp dụng mô hình, luận văn đã trình bày các dạng phân bố giao thông, đặc trƣng, tính chất của từng dạng phân bố giao thông và sự thay đổi của các dạng phân bố giao thông theo tín hiệu đèn giao thông. Bên cạnh đó, luận văn đã nghiên cứu và trình bày tóm tắt lý thuyết về các mô hình giao thông kinh điển nhƣ: mô hình dòng giao thông vi mô, mô hình dòng giao thông vĩ mô, mô hình dòng giao thông tế bào tự động, và mô hình dòng giao thông 3 pha, phân tích, đánh giá khả năng áp dụng của các mô hình đối với đô thị Việt Nam. Qua kết quả nghiên cứu, luận văn đã thể hiện tính cần thiết và phù hợp của mô hình thống kê giao thông theo không gian – thời gian để biễu diễn tình trạng giao thông đô thị có nhiều loại phƣơng tiện di chuyển nhƣ đô thị Việt Nam về phƣơng diện khoa học lẫn ứng dụng. Trên thực tế, mô hình đã phản ánh đƣợc tình trạng giao thông tại một số thời điểm trên các tuyến đƣờng đƣợc khảo sát. Do đó, mô hình thống kê giao thông theo không gian – thời gian sẽ tiếp tục đƣợc phát triển để góp phần vào công tác nghiên cứu, đánh giá, phân tích và để ra các biện pháp nâng cao hiệu quả giao thông và giảm ùn tắc giao thông hiện nay. vi
Chương 1 GIỚI THIỆU 1.1. Đặt vấn đề Tắc nghẽn giao thông đô thị là vấn đề của các nƣớc phát triển và đang phát triển; là thách thức đối với sự phát triển bền vững của mỗi quốc gia. Nguyên nhân dẫn đến tắt nghẽn giao thông ở các quốc gia và các khu vực không hoàn toàn giống nhau, phụ thuộc vào đặc điểm giao thông của mỗi nơi. Để giải quyết vấn đề này, tại nhiều nƣớc, đã xây dựng mô hình toán học phản ánh giao thông của thế giới thực hay gọi chung là mô hình giao thông nhằm phục vụ cho việc nghiên cứu và quản lý. Mô hình giao thông đƣợc thiết lập để nghiên cứu tình trạng giao thông của thế giới thực. Trong phạm vi giao thông đƣờng bộ, mô hình giao thông tập trung vào các nền tảng lý thuyết nhƣ mạng lƣới giao thông, dòng giao thông và trạng thái giao thông. Mô hình giao thông cung cấp cho các nhà nghiên cứu, các nhà quản lý cơ sở để phân tích, đánh giá, dự báo, và tối ƣu hóa các giải pháp giao thông. Tùy theo mục đích và ngữ cảnh giao thông, các mô hình giao thông khác nhau đƣợc xây dựng và áp dụng. Trong giao thông đô thị, mô hình biểu diễn dòng giao thông là vấn đề đƣợc quan tâm nhất nhằm nghiên cứu sự tƣơng tác giữa các đối tƣợng tham gia giao thông (ngƣời tham gia giao thông, phƣơng tiện giao thông, hành vi giao thông) với nhau và sự tƣơng tác giữa đối tƣợng tham gia giao thông với hạ tầng giao thông (đƣờng, đèn giao thông, các thiết bị hỗ trợ điều khiển giao thông) nhằm đề ra giải pháp nâng cao hiệu quả phục vụ của mạng lƣới giao thông và giảm ùn tắc giao giông. 1
Tại các đô thị lớn của Việt Nam, cùng với tốc độ đô thị hóa, các vấn đề liên quan đến quản lý và phát triển giao thông ngày càng nhiều, trong đó, có những vấn đề cấp bách nhƣ tắc nghẽn giao thông (Hình 1.1), tai nạn giao thông gây ảnh hƣởng đến sự phát triển kinh tế - xã hội, chất lƣợng cuộc sống của ngƣời dân và hình ảnh của đất nƣớc. Hiện nay, chính quyền các đô thị đã đƣa ra nhiều giải pháp để hạn chế tắc nghẽn giao thông, nhƣng các giải pháp đó vẫn chỉ mang tính đối phó tạm thời mà chƣa có một giải pháp mang tính bền vững khắc phục triệt để tình trạng tắc nghẽn giao thông. Do đó, để đƣa ra đƣợc giải pháp căn cơ, hợp lý đòi hỏi có những cơ sở khoa học, lý luận vững chắc để phân tích sâu sắc, tìm rõ nguyên nhân từ đó đƣa ra giải pháp có thứ tự ƣu tiên, khi đó sẽ khắc phục đƣợc lâu dài tình trạng tắc nghẽn giao thông trong đô thị và mô hình giao thông có thể là một trong những công cụ, giải pháp hữu ích. Bên cạnh đó, giao thông đô thị Việt Nam có những đặc điểm và tính chất riêng, nổi bật là đặc điểm về hành vi, thói quen, và phƣơng thức lƣu thông trên đƣờng của ngƣời tham gia giao thông, mối quan hệ tƣơng tác giữa phƣơng tiện giao thông và hạ tầng giao thông đô thị Việt Nam. Do đó, để phục vụ việc nghiên cứu, phân tích, đánh giá và đề ra các biện pháp nâng cao hiệu quả giao thông và giảm ùn tắc giao thông, cần có một mô hình giao thông phù hợp để biểu diễn dòng giao thông trên các tuyến đƣờng đô thị, đảm bảo phù hợp với đặc điểm và tính chất của giao thông đô thị Việt Nam. Xây dựng một mô hình giao thông phù hợp sẽ tạo nền tảng thuận lợi để triển khai những giải pháp giao thông hiệu quả, ví dụ nhƣ đèn giao thông thông minh. 2
Hình 1.1 Một trường hợp tắc nghẽn giao thông trong đô thị Việt Nam (Nguồn: baomoi.com) Đến nay, đã có nhiều mô hình nghiên cứu dòng giao thông đƣợc áp dụng nhƣ: mô hình giao thông vi mô (microscopic traffic flow hay car- following), mô hình giao thông vĩ mô (macroscopic traffic flow), mô hình giao thông tế bào tự động (automaton cellular), mô hình giao thông ba pha (three-phase traffic),… Các mô hình này đã đƣợc ứng dụng rộng rãi trong nghiên cứu và quản lý giao thông trên đƣờng cao tốc (Hình 1.2a). Những mô hình này biễu diễn tình trạng giao thông dựa trên thông tin về số lƣợng phƣơng tiện đi vào những phần đƣờng mà có thể đƣợc kiểm đếm theo thực tế bằng vòng cảm ứng (induction loop), hệ thống định vị toàn cầu (GPS), sự thông tin hai chiều giữa ngƣời lái xe và tổng đài giao thông (radio, điện thoại), hoặc đếm số lƣợng phƣơng tiện bằng các camera thông minh lắp đặt trên các tuyến đƣờng hoặc tại các giao lộ (Hình 1.2b). 3
a) b) Hình 1.2 (a) Giao thông trên đường cao tốc, (b) Các phương pháp đếm số lượng phương tiện (Nguồn: https://phys.org) Tuy nhiên, trên thực tế, giao thông đƣờng bộ trong các đô thị của Việt Nam có tính chất và đặc điểm riêng, rất khác so với giao thông trên cao tốc và các đô thị lớn trên thế giới. Đặc điểm nổi bật của giao thông trong đô thị Việt Nam là số lƣợng xe mô tô, xe hai bánh, chiếm phần lớn trong các phƣơng tiện, thậm chí có cả xe bán hàng rong. Hầu hết những phƣơng tiện này di chuyển rất hỗn độn, phổ biến với các hành vi nhƣ xe hai bánh chạy trên các làn đƣờng xe ô tô hoặc cố chen vào khoảng trống trên đƣờng mà không quan tâm đến khoảng cách an toàn quy định giữa các phƣơng tiện,… Do vậy, số lƣợng phƣơng tiện đang di chuyển rất khó đƣợc xác định chính xác để biểu diễn dòng giao thông theo các mô hình kinh điển trên. Mô hình biễu diễn tình trạng giao thông trên đƣờng đô thị có nhiều loại phƣơng tiện đang di chuyển san sát, hỗn độn rất cần thiết trong các nghiên cứu về tình trạng giao thông đô thị Việt Nam. Luận văn nhằm xây dựng mô hình giao thông phù hợp với tính chất, đặc điểm của giao thông đô thị Việt Nam, góp phần cung cấp những cơ sở khoa học hữu ích cho các nhà nghiên cứu, nhà quản lý giải quyết những vấn đề của hệ 4
thống giao thông hiện nay. Mô hình đƣợc xây dựng dựa trên diện tích mặt đƣờng bị chiếm dụng bởi phƣơng tiện, không phân biệt loại phƣơng tiện cũng nhƣ cách thức di chuyển của phƣơng tiện. 1.2. Mục tiêu đề tài Xây dựng mô hình dòng giao thông biễu diễn tình trạng giao thông trên đƣờng đô thị dựa trên phân bố diện tích mặt đƣờng bị chiếm dụng theo không gian và thời gian. Áp dụng cho đƣờng đô thị ở Thành phố Hồ Chí Minh. 1.3. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Giao thông trên đƣờng đô thị Phạm vi nghiên cứu: Một số tuyến đƣờng đô thị ở Thành phố Hồ Chí Minh 1.4. Phƣơng pháp nghiên cứu - Phương pháp tra cứu tài liệu: Phƣơng pháp tra cứu tài liệu đƣợc áp dụng để nghiên cứu các mô hình dòng giao thông đang áp dụng. - Phương pháp toán: Phƣơng pháp toán đƣợc áp dụng trong luận văn gồm toán hình học và toán thống kê để thiết lập và trình bày phân bố diện tích mặt đƣờng bị chiếm dụng. - Phương pháp thực nghiệm: Phƣơng pháp thực nghiệm gồm đi thực tế để thu video về tình trạng giao thông tại một số đoạn đƣờng ở Thành phố Hồ Chí Minh bằng flycam, và xử lý ảnh để tính diện tích mặt đƣờng bị chiếm dụng, biểu diễn thành các biểu đồ phân bố giao thông. 1.5. Cấu trúc luận văn Luận văn gồm 5 chƣơng đƣợc cấu trúc nhƣ sau: - Chương 1: Chƣơng một trình bày mục tiêu, động lực để nghiên cứu mô hình giao thông đô thị dựa trên phân bố thống kê giao thông theo không gian – thời gian, đối tƣợng, phạm vi, và phƣơng 5
pháp nghiên cứu. - Chương 2: Chƣơng hai trình bày tổng quan về các nghiên cứu liên quan đến mô hình biểu diễn giao thông. Trong đó các mô hình giao thông vi mô, mô hình giao thông vĩ mô, mô hình giao thông tế bào tự động (automaton cellular), và mô hình giao thông ba pha đƣợc trình bày tổng hợp và có phân tích, đánh giá. - Chương 3: Chƣơng ba xây dựng mô hình thống kê giao thông theo không gian - thời gian. Trong đó, các lý thuyết và các bƣớc xây dựng mô hình thống kê theo không gian – thời gian diện tích mặt đƣờng bị chiếm dụng bởi phƣơng tiện đƣợc trình bày. - Chương 4: Chƣơng bốn triển khai mô hình thống kê giao thông theo không gian - thời gian. Trong đó, các video clip thu đƣợc từ các tuyến đƣờng ở Thành phố Hồ Chí Minh đƣợc trích xuất thành những khung hình theo thời gian, mỗi khung hình đƣợc xử lý để thiết lập phân bố diện tích mặt đƣờng bị chiếm dụng bởi phƣơng tiện theo không gian. Những biểu đồ phân bố diện tích mặt đƣờng bị chiếm dụng của từng khung hình đƣợc trình bày theo thời gian cho thấy sự thay đổi của diện tích mặt đƣờng bị chiếm dụng theo không gian và thời gian. Kết quả đạt đƣợc từ thực nghiệm đƣợc phân tích và tổng hợp thành các mô hình thống kê phân bố tích lũy, phân bố Poisson, và phân bố thƣa. Sự chuyển hóa giữa các phân bố do tín hiệu của các đèn tín hiệu giao thông cho thấy sự tác động của hệ thống đèn giao thông đến tình trạng giao thông. - Chương 5: Trong chƣơng năm, các kết quả về lý thuyết và về thực nghiệm của luận văn đƣợc tóm tắt, đồng thời các công việc nghiên cứu tiếp theo cũng đƣợc đề xuất. 6
Chương 2 TỔNG QUAN CÁC NGHIÊN CỨU LIÊN QUAN ĐẾN MÔ HÌNH BIỂU DIỄN GIAO THÔNG 2.1. Giới thiệu Đến nay đã có nhiều nghiên cứu về các mô hình biểu diễn dòng giao thông khác nhau, phần lớn các công trình nghiên cứu này sử dụng phƣơng pháp đếm số lƣợng phƣơng tiện trên đƣờng, thu thập số liệu về vận tốc và khoảng cách để phản ánh và đánh giá tình trạng giao thông. Trong đó, đƣợc sử dụng phổ biến và đƣợc tham chiếu trong nhiều công trình nghiên cứu về biểu diễn tình trạng giao thông đô thị là mô hình giao thông vi mô, mô hình giao thông vĩ mô, mô hình giao thông tế bào tự động (automaton cellular), mô hình giao thông ba pha. Các mô hình này biễu diễn sự di chuyển của hai phƣơng tiện nối tiếp nhau (mô hình giao thông vi mô), hoặc nhiều phƣơng tiện trên một đoạn đƣờng (mô hình giao thông vĩ mô), khảo sát trạng thái giao thông trên toàn bộ mặt đƣờng theo thời gian (mô hình giao thông tế bào tự động) và biểu diễn tình trạng giao thông qua 3 trạng thái giao thông (mô hình giao thông ba pha). 2.2. Mô hình giao thông vi mô Nghiên cứu sự di chuyển của hai phƣơng tiện kế tiếp nhau, còn đƣợc gọi là mô hình xe theo sau (car-following model) [1-3]. Hành vi của phƣơng tiện (hành vi của ngƣời lái xe) phía trƣớc tác động đến phƣơng tiện phía sau. Khi xe phía trƣớc giảm tốc độ xe phía sau bắt buộc phải giảm tốc độ, nếu khoảng cách giữa đuôi xe trƣớc và đầu xe sau không phù hợp, tai nạn có thể xảy ra (Hình 2.1). 7
Hình 2.1 Mô hình giao thông vi mô biểu diễn sự di chuyển của hai phương tiện liên tiếp trên bản đồ không gian – thời gian Về phƣơng diện toán học, giả sử trƣớc thời điểm t1, hai phƣơng tiện di chuyển kế tiếp nhau với cùng vận tốc = . Từ t1 xe trƣớc giảm tốc độ từ đến , trong khi đó, vận tốc xe sau vẫn giữ do không kịp giảm tốc độ tức thì. Khoảng cách giữa hai xe: di = - (1) Tại t1: d1 = - (2) Tại t2: d2 = - =( + . )-( + . ) (3) d2 = - + . - ) (4) d2 = d1 + . - ) = d1 + . - ) (5) 8
Kết quả (5) chỉ ra rằng nếu tốc độ xe trƣớc giảm, < và lớn, d2 có thể tiến tới 0 (d2  0) và rủi ro va chạm giao thông xảy ra. Theo đó, độ trễ không đƣợc bằng hoặc lớn hơn độ trễ tới hạn critical . Thời gian trễ tới hạn critical của xe sau dựa trên khoảng cách hiện tại giữa xe sau và xe trƣớc và dựa trên vận tốc giảm của xe trƣớc. critical (6) Mô hình giao thông vi mô cho phép thiết kế những hệ thống hỗ trợ lái xe, hệ thống sẽ hỗ trợ điều chỉnh vận tốc phù hợp cho xe sau đối với xe trƣớc. Hệ thống sẽ thu thập vận tốc xe phía trƣớc, so sánh với khoảng cách hai xe và điều chỉnh vận tốc xe sau phù hợp. Hệ thống hỗ trợ lái xe giữ khoảng cách an toàn giữa xe sau và xe trƣớc. 2.3. Mô hình giao thông vĩ mô Mô hình giao thông vĩ mô nghiên cứu sự di chuyển của nhiều phƣơng tiện trên cao tốc, trong suốt thời gian trên đoạn đƣờng , xe thứ n hiện diện trong suốt thời gian ∂t trên đoạn đƣờng ∂x, n=1,2,3… [4, 5] (Hình 2.2), trạng thái giao thông đƣợc mô tả bởi lƣu lƣợng q và mật độ p trên một làn đƣờng. Trong đó, q là số phƣơng tiện đi qua một vạch ngang đƣờng trong một đơn vị thời gian và p là số phƣơng tiện hiện diện trên một đơn vị chiều dài của đƣờng tại một thời điểm. Mối quan hệ giữa p và q đƣợc biểu diễn nhƣ là một đƣờng cong q(p) (Hình 2.3). Đƣờng cong cho thấy rằng q tiến đến giá trị cao nhất qc khi p là pc. Khi mật độ p lớn hơn pc, trạng thái giao thông là ùn ứ, phƣơng tiện di chuyển chậm. Khi mật độ đạt tới giá trị pmax, phƣơng tiện không thể di chuyển, tắc nghẽn [6]. 9
Hình 2.2. Mô hình giao thông vĩ mô nghiên cứu sự di chuyển của nhiều xe trong miền bản đồ không gian – thời gian , xe thứ n hiện diện trong suốt thời gian trên đoạn đường , n=1,2,3,… (Nguồn: Báo cáo chuyên đề của NCS. Bùi Thị Thà) Về phƣơng diện toán học, lƣu lƣợng q = (số phƣơng tiện/giờ) Mật độ p = (số phƣơng tiện/km) Vận tốc trung bình v = (km/giờ) q = p.v (7) Trên thực tế về mặt kỹ thuật, giá trị của p và q đƣợc đo bằng các thiết bị vật lý nhƣ vòng cảm biến đƣợc lắp đặt trên mặt đƣờng hoặc thiết bị định vị GPS đƣợc lắp đặt trên các phƣơng tiện giao thông. 10
Hình 2.3 Mối quan hệ giữa lưu lượng và mật độ được biểu diễn bằng đường cong q(p) 2.4. Mô hình giao thông tế bào tự động (automaton cellular) Mô hình giao thông tế bào tự động (automaton cellular) chia mặt đƣờng thành những ô trên mỗi làn đƣờng (Hình 2.4a) và gán vào một giá trị 0 hoặc 1 (Hình 2.4b) [7]. Trong đó, giá trị 1 gán vào ô có phƣơng tiện và giá trị 0 gán vào ô trống. Giá trị của ô thay đổi theo không gian và theo thời gian [5, 6]. Sự chuyển đổi vị trí của ô đƣợc gán giá trị 1 có thể đƣợc phát hiện từ ô này đến ô khác trên cùng làn đƣờng hoặc hai làn đƣờng khác nhau, sự chuyển đổi cho phép dự báo tình trạng giao thông theo thời gian. Mô hình giao thông tế bào tự động phù hợp với giao thông trên cao tốc, với phƣơng tiện di chuyển trên mỗi làn đƣờng tách biệt. Mô hình đƣợc sử dụng để biểu diễn trạng thái giao thông trên toàn bộ mặt đƣờng theo thời gian. 11
Làn đường 1 Làn đường 2 Làn đường 3 x1 x2 x3 x4 x5 x6 x7 x8 x9 a) (b) Hình 2.4 Mô hình giao thông tế bào tự động (automaton cellular) chia mặt đường thành những ô trên mỗi làn đường và gán vào một giá trị 0 hoặc 1. (a) Tại một thời điểm, mỗi ô mặt đường bị chiếm dụng bởi phương tiện sẽ được gián giá trị 1, ngược lại gán giá trị 0. (b) Biểu diễn trạng thái giao thông trên làn đường 3. Các giá trị của bảng thay đổi theo thời gian (t1, t2,…tn) cùng với trạng thái giao thông. 2.5. Mô hình giao thông 3 pha: Hướng di chuyển Chướng ngại vật di chuyển với tốc độ tự do Di chuyển với Tốc độ đồng Tắt (Free Flow) F bộ (Synchronized Flow) S nghẽn F S Hình 2.5 Mô hình giao thông 3 pha 12