Một giải pháp nâng cao hiệu quả phân luồng cho các phương tiện giao thông tại nút giao

Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông Đ. H. Du, N. H. Việt, “Một giải pháp nâng cao hiệu quả giao thông tại nút giao.” 146 MỘT GIẢI PHÁP NÂNG CAO HIỆU QUẢ PHÂN LUỒNG CHO CÁC PHƯƠNG TIỆN GIAO THÔNG TẠI NÚT GIAO Đào Huy Du*, Nguyễn Hoàng Việt Tóm tắt: Trong những năm gầy đây, sự gia tăng nhanh chóng về các phương tiện giao thông khi cơ sở hạ tầng chưa đáp ứng kịp đã nảy sinh rất nhiều vấn đề như: Sự ùn tắc giao thông, tai nạn giao thông gia tăng Để khắc phục vấn đề này cần sự góp sức chung của xã hội, ngoài việc nâng cao ý thức tham gia giao thông việc áp dụng khoa học kỹ thuật cũng giảm thiểu các vấn đề này. Phân luồng giao thông bằng các đèn báo là một giải pháp nhằm giảm thiểu ùn tắc, giảm tai nạn giao thông, tiết kiệm thời gian và nhiên liệu của người tham gia giao thông. Tuy nhiên, đèn giao thông hiện nay áp dụng điều khiển thời gian cố định, tức là mỗi luồng xe khi tham gia giao thông có thời gian đừng hoặc đi ở mỗi nút giao thông cố định, do vậy còn hạn chế trong việc tiết kiệm thời gian lưu thông của các xe. Từ thực tế đó, nhóm tác giả đưa ra ý tưởng điều khiển tín hiệu đèn giao thông thay đổi theo mật độ các phương tiện khi tham gia giao thông. Từ khóa: Mật độ, Giao thông, Xử lý tín hiệu, Phương tiện, Điều khiển. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Hiện nay, việc điều khiển các đèn giao thông tại các nút giao thông theo thời gian cố định, tức là mỗi luồng xe khi tham gia giao thông có thời gian đừng hoặc đi ở mỗi nút giao thông cố định. Việc định sẵn các thời gian của mỗi luồng xe dựa trên khảo sát về mật độ giao thông từng khoảng giờ hoặc trung bình của ngày. Tuy nhiên, luồng giao thông thay đổi không theo quy luật, có thể tăng hoặc giảm bất thường khiến cho việc điều khiển các đèn giao thông theo thời gian định trước bị hạn chế. Ví dụ trong nhiều trường hợp luồng giao thông có tín hiệu cho phép đi (đèn xanh) nhưng không có người đi, trong khi đó luồng giao thông khác có mật độ người tham gia lớn thì phải dừng lại. Ngoài ra, một vài nhóm tác giả đã nghiên cứu việc sử dụng mạng cảm biến trong giao thông nhưng đòi hỏi phải xây dựng lại cơ sở hạ tầng nên chỉ phù hợp với tuyến giao thông xây mới [1]. Điều này làm lãng phí thời gian, tăng chí phí vận chuyển của mỗi phương tiện tham gia giao thông, lãng phí tiền của xã hội. Từ thực tế đó, nhóm tác giả đưa ra ý tưởng nghiên cứu, thiết kế bộ điều khiển đèn giao có thời gian điều khiển đèn thay đổi linh động theo mật độ luồng tham giao giao thông (điều khiển giao thông thông minh) để khắc phục nhược điểm trên. Thời gian cho phép đi hay dừng ở mỗi luồng giao thông phục thuộc vào mật độ phương tiện tham gia giao thông tại mỗi luồng giao thông đó, từ đó giảm thiểu thời gian chờ, tiết kiệm kinh phí khi tham gia giao thông. Một khó khăn khi áp dụng các hệ thống điều khiển đèn giao thông thông minh thông thường phải sử dụng các bộ xử lý có cấu hình cao để đáp ứng thời gian điều khiển thực. Với hệ thống sử dụng bộ điều khiển mờ (fuzzy control) [2] thông thường cần áp dụng máy tính, điều đó gây khó khăn trong việc áp dụng, triển khai trong thực tế. Tuy nhiên, hiện nay tại một số thành phố đã sử dụng hệ thống camera, máy tính trong theo rõi, giám sát phương tiện giao thông, đây là cơ sở để áp dụng các bộ điều khiển thông minh trong việc điều khiển đèn giao thông [3, 4, 5, 6]. Bài báo trình bày nghiên cứu của nhóm tác giả dựa trên dữ liệu cung cấp từ các camera tại các nút giao thông để điều khiển phân luồng theo mật độ phương tiện tham gia giao thông. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2016 147 2. ĐIỀU KHIỂN ĐÈN GIAO THÔNG CÓ THỜI GIAN CỐ ĐỊNH Điều khiển đèn giao thông có thời gian cố định [7] dựa trên cơ sở phân tích năng lực thông hành và thời gian chậm của nút xe. Hình 1 đưa ra giản đồ thời gian điều khiển đèn giao thông tại một ngã tư. Hình 1. Thời gian điều khiển hai luồng giao thông giờ cao điểm ở ngã tư. Hiện nay, điều khiển đèn giao thông thường chia các khoảng thời gian: giờ cao điểm, giờ bình thường và thấp điểm (22h00 – 5h00). 1 3 2 4 1 3 2 4 1 2 3 41 2 3 4 2 2 21 1 1 71; 42; 46 74 1,3 ; 2,4 33 120120 X X X X Đ Đ Đ Đ V V V VV V V V Đ V XĐ V X t t t t t t t t t t t t st t t t s t t t T constt t t T const                                  (1) trong đó: tĐi: là thời gian sáng các đèn đỏ, tVj: là thời gian sáng các vàng, tXk: là thời gian sáng các xanh, T: Chu kỳ điều khiển các đèn giao thông. Với cả ba khoảng thời gian điều khiển trên, nếu các phương tiện tham gia giao thông có lưu lượng ổn định như trong quá trình khảo sát thì hiệu quả của việc điều khiển đèn cao. Nhưng nếu mật độ giao thông của các luồng không như khảo sát thì hiệu quả điều khiển phương tiện giao thông thấp, đôi khi mang tính chất cản trở giao thông. 3. ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU ĐÈN GIAO THÔNG CÓ THỜI GIAN THAY ĐỔI THEO LƯU LƯỢNG XE THAM GIA GIAO THÔNG Để khắc phục các nhược điểm đã đưa ở trên nhóm tác giả đã đưa ra giải pháp sử dụng thị giác máy tính để điều khiển thời gian điều khiển đèn. Thời gian bật hay tắt đèn ở mỗi luồng giao thông phụ thuộc vào diện tích chiếm dụng lòng đường của các phương tiện trong khu vực đang chờ đèn đỏ của một luồng. Có nhiều phương pháp được sử dụng [6, 8, 9, 10] trong đó nổi bật là: Phương pháp sử dụng các đặc trưng Haar like, phương pháp trừ nền tĩnh và phương pháp trừ nền động kết hợp bám và đếm đối tượng. Mỗi phương pháp đều có những yêu nhược điểm riêng và phù hợp vào đối tượng áp dụng. Trong hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông sử dụng phương pháp trừ nền tĩnh là phù hợp hơn cả. Đối với phương pháp trừ nền tĩnh, sử dụng một ảnh nền không có phương tiện giao thông tại khu vực chờ đèn đỏ trừ đi ảnh mà hệ thống thu nhận được cùng góc nhìn đó. Khi trừ hai ảnh, các điểm ảnh có giá trị bằng 0 - hai điểm ảnh giống nhau thì điểm ảnh đó được gán giá trị bằng 0 (tương đương điểm ảnh đó mầu đen). Các điểm ảnh còn lại khác giá trị 0 thì được gán giá trị là 255 (tương đương điểm ảnh đó mầu trắng). Diện tích của vùng trắng trong vùng chúng ta xét là được diện tích chiếm dụng của xe đang chờ đèn đỏ. Xét bài toán điều khiển đèn giao thông tại ngã tư như hình 2: 3 Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông Đ. H. Du, N. H. Việt, “Một giải pháp nâng cao hiệu quả giao thông tại nút giao.” 148 Trong đó: Hình 2. Mô hình điều khiển hai luồng giao thông ở ngã tư. Thời gian sáng đèn vàng để chuyển giao giữa thời gian đi (đèn xanh) và dừng lại (đèn đỏ) nên giữ cố định 3s. Dựa vào diện tích chiếm dụng của phương tiện giao thông ở mỗi luồng tại lúc chuẩn bị chuyển giao giữa đèn đỏ và đèn xanh để quyết định thời gian đèn xanh ở chu kỳ tiếp theo. Xử lý dữ liệu từ camera: Quá trình xử lý dữ liệu từ camera thực chất là quá trình định lượng diện tích lòng đường bị chiếm dụng bởi các phương tiện giao thông trong quá trình gần kết thúc đèn đỏ. Thuật toán dựa trên phương pháp trừ nền tĩnh như hình 3: Hình 3. Quá trình xử lý dữ liệu ảnh. Quá trình xử lý dữ liệu ảnh từ camera bao gồm: Bước 1: Thu thập ảnh tại thời điểm khảo sát. Bước này thu thập dữ liệu ảnh tại thời điểm đèn chuẩn bị chuyển từ đèn đỏ sang đèn xanh (đèn vàng). Bước 2: Trừ nền. Để tăng hiệu quả diện tích cần xét: Các điểm sử dụng để khoanh vùng: M1(x1,y1), M2(x2,y2), M3(x3,y3), M4(x4,y4). với y1 = y2 = y12; y3 = y4 = y34. Vùng khảo sát được tính:             23 23 14 14 3412 , ),( yy xx x yy xx yyy yx colrow (2) và 0),( ,  colrow yx với (x, y) còn lại. - Chuyển ảnh từ hệ mầu RGB sang hệ HSV: Giá trị R, G, B được phân chia bởi 255 giá trị để thay đổi dải từ 0-255 đến dải 0-1: Luồng 1 Luồng 2 Thu thập ảnh Xử lý dữ liệu ảnh Ảnh nền - S (%) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2016 149 minmax ''' min ''' max ''' ),,min();,,max( ; 255 ; 255 ; 255 CCC BGRCBGRC B B G G R R    (3) o Giá trị mầu thuần khiết HUE: ' ' 60 ( mod6) , 'max ' ' 60 ( 2) , 'max ' ' 60 ( 4) , 'max G Bo C R B RoH C G R Go C B                    (4) o Tính toán độ bão hòa S: 0 , 0 max , 0 maxmax C C C S         (5) o Độ sáng của mầu V: V=Cmax Hình 4. Ảnh chụp tại thời điểm xét. Hình 5. Diện tích được khoanh vùng. Hình 6. Ảnh gán các giá trị 0 vào điểm ảnh tại vùng không khảo sát. Ta có hai ảnh có hệ mầu HSV thì ta so sánh các điểm ảnh tương ứng của hai ảnh với nhau theo phép toán BITXOR. Giá trị cùng một điểm ảnh của hai ảnh sẽ chuyển đổi thành bít nhị phân rồi thực hiện theo quy tắc sau: A B A XOR B 0 0 0 0 1 1 1 0 1 1 1 0 Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông Đ. H. Du, N. H. Việt, “Một giải pháp nâng cao hiệu quả giao thông tại nút giao.” 150 Sau khi thực hiện xong phép XOR các bit nhị phân chuyển đổi lại sang dạng số thập phân. Kết quả sau khi thực hiện phép toán BITXOR Hình 7. Ảnh của hệ mầu HSV. Hình 8. Ảnh sau khi đã trừ nền. Để có thể tính được diện tích miền chiếm dụng thì chúng ta cần chuyển đổi sang hệ nhị phân. Hệ mầu HSV không thể chuyển sang hệ nhị phân nên ta cần chuyển đổi HSV- >RGB->GRAY->BINARY. Hình 9. Ảnh trong hệ mầu RGB. Hình 10. Ảnh trong hệ mầu GRAY. - HSV sang RGB: Giả sử ta có không gian mầu HSV với [0,360]H  , [0,1]S  , [0,1]V  . Khi đó, ta tính C V S  ; ' 60 H H  ; (1 | 'mod 2 1|)X C H   . Ta biểu diễn hệ R1, G1, B1 như sau: 1 1 1 (0,0,0), ( , , ), 0 ' 1 ( , ,0), 1 ' 2 ( , , ) (0, , ), 2 ' 3 (0, , ), 3 ' 4 ( ,0, ), 4 ' 5 ( ,0, ), 5 ' 6 H khong xac dinh C X O H X C H R G B C X H X C H X C H C X H                     (6) Đặt m = V – C, ta có kết quả cuối cùng: 1 1 1( , , ) ( , , )R G B R m G m B m    (7) - RGB sang GRAY: ow [ , ] 30 0 R G Br col ij ij ij Gray i j i j            (8) Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2016 151 - GRAY sang BIN: :1 :1 [ , ] 3 ij ij ij i row j col R G B Gray i j      (9) Bước 3: Khử nhiễu. Đây là bước rất quan trọng để việc tính toán diện tích được chính xác cao. Có rất nhiều phương pháp khử nhiễu như: phương pháp lọc Median, bộ lọc Bilateral, Bộ lọc Gaussian, Bộ lọc FFT, bộ lock Sobel... Với bài toán này chúng ta cần loại bỏ các nhiễu dạng cụm pixcel nhỏ nên ta dùng bộ lọc trung bình. Hình 11. Ảnh trong hệ mầu nhị phân. Hình 12. Sau khi thực hiện khử nhiễu. Sau đó chúng ta sử dụng yếu tố cấu trúc hình thái học (Morphological structuring element) thực hiền làm giản nở và mòn mép cạnh của ảnh nhị phân Hình 13. Ảnh sử dụng yếu tố cấu trúc hình thái. Bước 4: Tính diện tích vùng sai lệch. Sau bước 3 thì chúng ta sẽ có ảnh nhị phận BINARY với bít 0 (mầu trắng) và bít 1 (mầu đen). Để tính được diện tích thì ta tính gián tiếp thông qua số bít 0 có trong miền khảo sát. Khi tính được số bít thì ta quy đổi sang diện tích chiếm dụng tùy vào hệ thống khác nhau. Tùy thuộc vào vị trí lắp đặt camera, khoảng cách từ camera đến vật cần khảo sát. Thuật toán điều khiển: Tín hiệu nhận được từ bộ xử lý dữ liệu từ camera sẽ đưa vào bộ điều khiển để tính toán thời gian điều khiển đèn. Thuật toán điều khiển thời gian đèn như hình 14. Trong đó, luồng 1 điều khiển các đèn xanh, vàng và đỏ ở nhánh (1) và nhánh (3); luồng 2 điều khiển các đèn xanh, vàng và đỏ ở nhánh (2) và nhánh (4). Theo quy luật điều khiển đèn giao thông, ta có: 3)1()1()1()1( 3)1()1()1()1( )(3 1112 2221 21    itititit itititit conststt XVXĐ XVXĐ VV (10) Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông Đ. H. Du, N. H. Việt, “Một giải pháp nâng cao hiệu quả giao thông tại nút giao.” 152 với thời gian tX1(i+1) và tX2(i+1) được thay đổi qua mỗi chu kỳ dựa vào mật độ người tham gia giao thông, thời gian điều khiển các đèn xanh này được lấy từ bộ đọc và xử lý dữ liệu từ camera. Hình 14. Thuật toán điều khiển thời gian đèn. Bộ đọc và xử lý dữ liệu từ camera có nhiệm vụ thu nhận ảnh tại thời điểm trước khi kết thúc đèn đỏ 5s (thời gian để xử lý dữ liệu), sau đó ước lượng thời gian đèn xanh ở chu kỳ điều khiển đèn thiếp theo. Gọi S1(i), S2(i), S3(i), S4(i) là phần trăm các phương tiện giao thông chiếm diện tích lòng đường của các camera đọc được ở chu kỳ thứ i. Thời gian lưu thông tối ưu luồng 1 là ước lượng trung bình giữa hai nhánh (1) và nhánh (3), thời gian lưu thông tối ưu luồng 2 là ước lượng trung bình giữa hai nhánh (2) và nhánh (4). Để ước lượng thời gian điều khiển đèn xanh theo mật độ các phương tiện tham gia giao thông của chu kỳ điều khiển thứ (i+1) ta ước lượng như sau: Tính phần trăm trung bình diện tích các phương tiện giao thông chiếm lòng đường của mỗi luồng: 1 3 2 4 1 2 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ; ( ) 2 2 TB TB S i S i S i S i S i S i     (11) Thời gian đèn xanh các luồng được ước lượng như sau:                             %100)(%7550 %75)(%5535 %55)(%2525 %25)(%515 %5)(5 )1( ; %100)(%7550 %75)(%5535 %55)(%2525 %25)(%515 %5)(5 )1( 2 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1 iSs iSs iSs iSs iSs it iSs iSs iSs iSs iSs it TB TB TB TB TB X TB TB TB TB TB X (12) 3s Ti 3s Luồng 1 Luồng 2 tX1(i) tĐ1(i) tĐ2(i) tX2(i) TX1(i+1) TĐ2(i+1) Đọc và xử lý ảnh 5s tX2(i+1) Đọc và xử lý ảnh 5s tĐ1(i+1) Ti+1 Start t t 3s Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san ACMEC, 07 - 2016 153 3. MÔ PHỎNG, TÍNH TOÁN, THẢO LUẬN Số pixel=9.2013e+05 S = 61.35% Số pixel =7.2984e+05 S = 47.63% Hình 15. Kết quả tính toán diện tích chiếm dụng trong từ 2 ảnh gốc. Dựa vào ảnh gốc và kết quả xử lý đưa ra diện tích lòng đường bị chiếm dụng ta thấy kết quả đưa ra tương đối chính xác, ta có thể dựa vào kết quả xử lý này để ước lượng thời gian điều khiển đèn giao thông. Với giả thiết hai ảnh đo được trong thời gian chờ đèn đỏ như trên thì thời gian đèn xanh tương ứng 35s và 25s. Như vậy là phù hợp với lưu lượng trong thời gian đó. 4. KẾT LUẬN Bài báo đã nghiên cứu điều khiển tín hiệu đèn giao thông cho một nút giao (cụ thể trong bài này chọn một ngã tư) dựa trên mật độ các phương tiện giao thông. Việc áp dụng bài toán xử lý ảnh trong điều khiển tín hiệu đèn giao thông sẽ thay đổi linh động thời gian đèn xanh của các luồng qua mỗi chu kỳ điều khiển. Qua ví dụ phân tích cho thấy khoảng thời gian tín hiệu đèn thay đổi liên tục phụ thuộc vào mật độ của các phương tiện trong thời gian đó. Ứng dụng kết quả của bài báo là cơ sở để điều khiển các phương tiện lưu thông một cách nhanh chóng, rút ngắn thời gian chờ, tiết kiệm nhiên liệu cho phương tiện và giảm ức chế cho người tham gia giao thông. TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Shreyta Kulkarni, Vikesh Dass and Aseem Sharma, “Intelligent Traffic Light Control with Wireless Sensor Networks”, International Journal of Innovative Research in Computer Science & Technology, 2014. [2]. Nguyễn Chí Ngôn, “Nghiên cứu thiết kế hệ thống đèn giao thông thông minh”, Tạp chí khoa học Đại học Cần Thơ, 2010 [3]. Khalil M.Yousef, Jamal N.Al-Karaki and Ali M. Shatnawi, “Intelligent traffic light flow control system using wireless sensor netwworks”, Journal of information sience and engineering 26, 2010. [4]. Muhammad Arshad Khattak, “PLC Based Intelligent Traffic Control System”, Điều khiển – Cơ điện tử - Truyền thông Đ. H. Du, N. H. Việt, “Một giải pháp nâng cao hiệu quả giao thông tại nút giao.” 154 International Journal of Electrical & Computer Sciences IJECS-IJENS, 2011. [5]. Suvarna Nandyall and Pushpalata Patil, "Vehicle Detection and Traffic Assessment Using Images", International Journal of Computer Science and Mobile Computing, vol. 2, no. 9, pp. 8-17, 2013. [6]. Uma Nagaraj, Jinendra Rathod, Prachi Patil,Sayali Thakur,Utsav Sharma, “Traffic Jam Detection Using Image Processing”, International Journal of Engineering Research and Applications, 2013. [7]. Abhijiit Singh Sandhu, Naman Jain, Aditya Gaurav and N. Ch. Sriman, “Agent Based Intelligent Traffic Management System for Smart Cities”, International Journal of Smart Home, Vol. 9, No. 12, 2015. [8]. M. F. Hashmi and A. G., "Analysis and monitoring of a high density traffic flow at T-intersection using statistical computer vision based approach", Intelligent Systems Design and Applications (ISDA), 2012. [9]. Bin-Feng Lin, Yi-Ming Chan, Li-Chen Fu, Pei-Yung Hsiao, Li-An Chuang, Shin- Shinh Huang and Min-Fang Lo, "Integrating Appearance and Edge Features for Sedan Vehicle Detection in the Blind-Spot Area", Intelligent Transportation Systems, IEEE Transactions on, vol. 13, no. 2, pp. 737-747, 2012. [10]. Chieh-Ling Huang and Heng-Ning Ma, "A Moving Object Detection Algorithm for Vehicle Localization", Genetic and Evolutionary Computing (ICGEC), 2012. ABSTRACT A SOLUTION TO EFFECTIVELY IMPROVE THE RAMIFICATION FOR TRAFFIC VEHICLES AT TRAFFIC LIGHT NODE In recent years, the rapid increase of traffic vehicles when the infrastructure has not been responding yet, which has arised a lot of problems such as: the traffic jams, the increases of traffic accidents... To overcome problems, the whole society should be focused on. Beside raising awareness of traffic participants, the application of science and technology also minimize these propblems. Traffic management by the traffic lights is a solution to reduce congestion and traffic accidents and save time as well as fuel of traffic participants. However, the current traffic light controller applies fixed time. That means, each vehicle stream has red time and green time that are fixed, so there are still limits in time saving of vehicle traffic. From the fact, the idea to control signal traffic light changing according to the density of the stream of vehicles is put forward. Keywords: The density, Traffic, Sinal process, Vehicle, Control signals. Nhận bài ngày 12 tháng 05 năm 2016 Hoàn thiện ngày 23 tháng 06 năm 2016 Chấp nhận đăng ngày 04 tháng 07 năm 2016 Địa chỉ: Khoa Điện tử, Trường Đại học Kỹ thuật Công nghiệp Thái Nguyên. *Email: daohuydu@tnut.edu.vn ; Mobile: 0912.347.222