PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG ĐÈN TÍN HIỆU GIAO THÔNG
ỨNG DỤNG LÝ THUYẾT ĐẠI SỐ GIA TỬ ThS. HOÀNG VĂN THÔNG
Bộ môn Khoa học Máy tính
Khoa Công nghệ Thông tin
Trường Đại học Giao thông Vận tải

Tóm tắt: Bài báo trình bầy các phương pháp điều khiển đèn tín hiệu giao thông và đề
xuất một phương pháp điều khiển cải tiến để đạt được hiệu quả cao hơn. Phương pháp điều
khiển mới sử dụng Đại số gia tử để định lượng các thông tin ngôn ngữ. Bài báo trình bầy
phương pháp xây dựng quy trình điều khiển tại một nút giao giao thông cụ thể.
Summary: The article presents methods of controlling traffic signals and proposes an
advanced method to obtain better performance. This advanced method uses the hedge
algebras to quantify linguistic information. The article also proposes a method to make a
controlling process at a specific traffic intersection.

I. ĐẶT VẤN ĐỀ
Chúng ta biết rằng, vấn đề ùn tắc giao thông tại các điểm nút giao thông, giao cắt đồng mức
trong các thành phố lớn của nước ta và trên thế giới ngày càng nghiêm trọng. Để giải quyết vấn
đề này các nhà khoa học và các nhà quản lý đã nghiên cứu và áp dụng nhiều biện pháp điều
khiển nhằm làm giảm thiểu sự ùn tắc tại các nút giao thông. Hiện tại, tại các điểm nút giao cắt
đồng cấp được điều khiển bằng đèn tín hiệu hoặc cảnh sát giao thông. Điều khiển bởi cảnh sát
mang lại hiệu quả cao, bởi nó có tính mềm dẻo và linh hoạt, thời gian của các pha được người
cảnh sát xác định phụ thuộc vào mật độ phương tiện hiện có tại nút. Tuy nhiên với phương pháp
này tốn nhiều nhân lực và chi phí cao. Điều khiển các nút giao thông bằng đèn tín hiệu cũng đã
mang lại hiệu quả với những nút có mật độ phương tiện tham gia vừa phải. Các phương pháp
điều khiển bằng đèn tín hiệu hiện tại còn nhiều nhược điểm. Phương pháp điều khiển đèn với
chu kỳ cố định rất cứng nhắc, có nhiều thời gian chết. Đèn xanh vẫn được bật ngay cả khi trên

AX được gọi là đại số gia tử
tuyến tính.
Hai phần tử sinh của biến ngôn ngữ có khuynh hướng ngữ nghĩa trái ngược nhau: crowded
có khuynh hướng “đi lên” còn gọi là hướng dương ký hiệu c
+
, uncrowded có khuynh hướng “đi
xuống” còn gọi là hướng âm, ký hiệu c
-
. Theo quan hệ thứ tự ngữ nghĩa ta có: c
+
>c
−
.
CT 2
Về trực giác, mỗi gia tử có khuynh hướng làm tăng hoặc giảm ngữ nghĩa của phần tử sinh
nguyên thủy. Chẳng hạn như very crowed > crowded và very uncrowded < uncrowded điều này
có nghĩa gia tử very làm mạnh thêm ngữ nghĩa của cả hai phần tử sinh crowded, uncrowded.
Nhưng little crowded < crowded, little uncrowded > uncrowded vì thế little có khuynh hướng
làm yếu đi ngữ nghĩa của phần tử sinh. Ta nói very là gia tử dương và little là gia tử âm. Ta ký
hiệu H
−
là tập các gia tử âm, H
+
là tập các gia tử dương và H = H
-
∪ H
+
. Nếu cả hai gia tử h và k
cùng thuộc H
+

-
, c
+
}∪{0, 1, W}. H = H
-
∪H
+
, H
-
= {h
-1
, h
-2
, , h
-q
} thỏa h
-1
< h
-2
< < h
-q
và H
+
={h
1
,
h
2
, , h
p

=
fm(x) fm(y)
, tỷ lệ này không phụ thuộc vào x, y và được
gọi là độ đo tính mờ của gia tử h, ký hiệu là μ(h).
CT 2
Điều kiện i) có nghĩa là các phần tử sinh và các gia tử là đủ để biểu diễn ngữ nghĩa của
miền giá trị thực của các biến có giá trị trong đoạn [0, 1]. Tập gia tử H và hai phần tử sinh
nguyên thủy đủ để phủ toàn bộ miền giá trị thực của biến ngôn ngữ. Về trực giác, ta có điều
kiện ii), iii) thể hiện sự tác động của gia tử h nào đó vào các khái niệm mờ là giống nhau (không
phụ thuộc vào khái niệm mờ).
Mệnh đề 2.1. Cho fm là hàm độ đo tính mờ trên Dom(
X). Ta có:
i) fm(hx) = μ(h)fm(x),
x∀∈X;
iii) , v
i
qip,i0
fm(h c) fm(c)
−≤≤ ≠
=
∑
ới c ∈{c
−
, c
+
};
ii) fm(c
−
) + fm(c
+

Định nghĩa 2.3. Cho fm là hàm độ đo tính mờ trên Dom(X). Một hàm định lượng ngữ
nghĩa v:
X → [0,1] (kết hợp với fm) được định nghĩa như sau:
i) v(w) = θ = fm(c−), v(c−) = θ - αfm(c−) , v(c+) = θ +αfm(c+), với 0 <θ < 1;
ii) .
j
jjijj
i=Sign(j)
v(h x) = v(x) +sign(h x)( fm(h x) - ω(h x)fm(h x)), j [-q ^ p]∈
∑
Trong đó:
j
ω(h x)
jpj
1
= [1+ sign(h x)sign(h h x)(β -α)] {α,β}
2
∈
, [-q^p]={j: −q≤j≤p & j≠0}.
Trong đó w là phần tử trung hòa, θ là giá trị định lượng ngữ nghĩa của w đã được xác định
trước. Điều kiện i) xác định giá trị định lượng ngữ nghĩa của phần tử trung hòa, phần tử sinh c-,
c+. Điều kiện ii) xác định ngữ nghĩa của từ hjx (hj ∈H) thông qua giá trị ngữ nghĩa của từ x và
hàm độ đo tính mờ fm.
Mệnh đề 2.3. Với mọi phần tử x∈Dom(X) ta có 0 ≤ v(x) ≤ 1.
Các thông tin dự báo về lưu lượng phương tiện giao thông thường ở dạng ngôn ngữ tự
nhiên phi số (như là “crowded”, “very crowded”, “uncrowded”, ), vì việc xác định lưu lượng
tham gia giao thông chính xác là rất khó, do các phương tiện tham gia giao thông rất phức tạp.
Để các hệ thống tính toán có thể sử dụng các thông tin này chúng ta cần phải chuyển nó về dạng
số. Đại số gia tử là một công cụ hữu hiệu để thực hiện việc này. Phương pháp điều khiển này sử
dụng Đại số gia tử để định lượng thông tin ngôn ngữ, đó là những lời dự báo về mật độ phương

best
= Chọn cá thể tốt nhất từ quần thể P
k
theo hàm thích nghi
Bước 2. Thực hiện tiến hóa
- Chuyển đổi giá trị hàm mục tiêu thành giá trị thích nghi ứng với từng cá thể;
- Chọn lọc quần thể bố mẹ P
parents
= Select(P
k
);
- Tiến hành lai ghép và đột biến P
child
= mutation(crossover(P
parents
)), trong đó crossover là
hàm lai ghép các các thể và mutation là hàm thực hiện đột biết trên từng cá thể;
- Thay thế quần thể hiện tại bằng quần thể con
- k = k+1
- P
k
= P
child

- Tính hàm mục tiêu obj, nếu giá trị của hàm mục tiêu tốt nhất ứng với cá thể x
most
trong
quần thể P
k
lớn hơn giá trị hàm mục tiêu xủa x

). Thực hiện điều khiển các đèn tín hiệu sao cho nút giao thông đạt hiệu quả cao nhất,
đảm bảo:
- Một pha đèn có thời gian đèn đỏ nhỏ hơn thời gian T
đmax
nào đó, T
đmax
được xác định phụ
thuộc vào từng nút;
- Một pha đèn có thời gian đèn xanh không nhỏ hơn thời gian T
xmin
nào đó, T
đmax
được xác
định phụ thuộc vào từng nút;
- Không xảy ra tắc đường;
- Thời gian chờ trung bình của các phương tiện là nhỏ nhất.
Trong đó: T
đmax
là thời gian đèn đỏ tối đa khi một pha đèn được bật đèn đỏ, để đảm bảo các
phương tiện tham gia không phải chờ quá lâu (thông thường thời gian đèn đỏ của pha đèn nhỏ
hơn T
đmax
); T
xmin
là thời gian đèn xanh tối thiểu mà một pha đèn phải được bật đèn xanh để đảm
bảo cho phương tiện vượt qua nút (thông thường thời gian đèn xanh vượt quá T
xmin

vàng; T
đ
: thời gian đèn đỏ
2. Tính thời gian chu kỳ đèn
Hiện nay, người ta thường sử dụng phương pháp xác định chu kỳ đèn tối ưu của WEBTER
như sau:

V
op
1,5*T +5
T= (s)
1-Y
(3.2)

Trong đó:
n
V
i=1
T= T
Zi
∑
là tổng thời gian chuyển pha, n là số pha đèn.

nn
i
i
11

T=T- T
∑
∑
(3.5)

CT 2
Thời gian đèn xanh cho từng pha được phân bố theo lưu lượng thiết kế của pha đó theo tỉ lệ
như sau:

T
X1
: T
X2
: T
X3
= M
1
: M
2
: M
3
(3.6)
Giải hệ phương trình gồm các phương trình (3.5) và (3.6), ta sẽ được thời gian xanh của
các pha.

Phương pháp điều khiển như trên có chu kỳ cố định, như vậy trong khi có pha có rất nhiều
phương tiện thì đèn đỏ vẫn được bật lên còn pha không có hoặc có rất ít phương tiện thì đèn
xanh lại được bật. Vì vậy hiệu quả điều khiển sẽ thấp và thời gian chờ trung bình của các xe là
rất cao.
Một phương pháp cải tiến đã được đề xuất đó là điều khiển đèn dựa vào mật độ phương

Bước 1. Kiểm tra xem pha nào có thời gian đèn đỏ vượt quá thời gian T
đmax
thì ưu tiên pha
đó sẽ được bật đèn xanh. Nếu không có pha đèn nào có thời gian đèn đỏ vượt quá T
đmax
thì thực
hiện tính toán mật độ phương tiện tương ứng cho mỗi pha
F
i
với i = 1 n
Bước 2. Thực hiện so sánh các F
i
đề tìm ra giá trị lớn nhất, giả sử F
i
có giá trị lớn nhất thì
pha k sẽ được bật đèn xanh trong khoảng thời gian là T
min
sau đó quay lại bước 1.
Với phương pháp điều khiển này luôn đảm bảo rằng các phương tiện sẽ không phải đợi quá
lâu (không lớn hơn T
đmax
) và có thời gian đèn xanh không nhỏ hơn T
xmin
để đảm rằng các
phương tiện có thể vượt qua nút. Đặc biệt hệ thống luôn ưu tiên pha có mật độ phương tiện
tham gia giao thông lớn nhất, trong trường hợp các pha có ít phương tiện thì thời gian đèn xanh
được bật là tối thiểu, trực quan nhận thấy hiệu quả điều khiển tăng lên đang kể so với phương
pháp điều khiển với chu kỳ cố định.
CT 2
VII. PHƯƠNG PHÁP ĐIỀU KHIỂN ĐỘNG ĐÈN TÍN HIỆU DỰA VÀO THÔNG TIN

thì thực hiện tính toán các giá trị sau tương ứng cho mỗi pha:
P
i
= ∝*F
i
+ (1-∝)*V
i
i = 1 n , ∝∈[0, 1]
Trong đó:
∝ là hệ số ảnh hưởng của yếu tố mật độ phương tiện hiện tại của pha đến khả
năng ưu tiên bật đèn xanh của pha đó. Nếu
∝ càng lớn thì mức độ ảnh hưởng của mật độ
phương tiện hiện tại của pha càng lớn đến khả năng được bật đèn xanh của pha đó; P
i
là giá trị
thể hiện mức độ ưu tiên được bật đèn xanh của các pha, P
i
càng lớn thì mức độ ưu tiên càng cao.
Bước 2. Thực hiện so sánh các P
i
để tìm ra giá trị lớn nhất, giả sử pha k có P
k
có giá trị lớn
nhất thì pha k sẽ được bật đèn xanh trong khoảng thời gian là T
xmin
sau đó quay lại bước 1.
VIII. TÍNH TOÁN ĐIỀU KHIỂN TẠI MỘT NÚT GIAO THÔNG CỤ THỂ

= {more, very}, more <very, H= H
(-)
∪ H
(+)
;
C ={uncrowded, average, crowded} (c
-
=uncrowded, w= average, c
+
=crowded).
- Thực hiện xác định các tham số của hàm định lượng ngữ nghĩa.

- Lấy 50 mẫu dự báo mật phương tiện đến các pha của các chuyên gia, kết quả thống kê
trong bảng dưới đây.
Bảng 8.2. Thống kê đánh giá của các chuyên gia về mật độ tham gia giao thông
Pha 1 Định tính
Định
lượng
Pha 2 Định tính
Định
lượng
Pha 3 Định tính
Định
lượng
1
more
crowded
0.88 1
very
crowded

uncrowded
0.34
Với các mẫu trên, chúng ta thực hiện xác định các tham số μ
1
, μ
2
, μ
3
, μ
4
(độ đo tính mờ
tương ứng của các gia tử:
μ
1
= fm(little), μ
2
= fm(poss), μ
3
= fm(more), μ
4
= fm(very) theo mệnh
đề 2.1) từ đó xác định hàm độ đo tính mờ fm và hàm định lượng ngữ nghĩa
ν. Bằng việc áp
dụng thuật toán di truyền với hàm mục tiêu ứng với mỗi pha là:
50
2
ii1234

W Fmin
1 0.12 0.39 0.18 0.28 0.52 0.13
2 0.12 0.39 0.18 0.30 0.51 0.09
3 0.30 0.18 0.36 0.14 0.49 0.09
Khi đó V
i
được tính theo công thức trong định nghĩa 2.3.
- Tham số
α
thường được lấy là 0.85, tham số này thường được lấy gần với 1 vì mật độ
hiện tại xung quanh nút có ảnh hướng lớn tới thời gian đèn xanh tại pha đèn. Chúng ta có thể
xác định tham số
α
tối ưu nhưng trong bài bào báo này chúng ta chưa xét tới.
- Tham số
λ
= 5 giây;
CT 2
- Tham số T
đmax
= 120 giây;
- Tham số T
xmin
= 20 giây.
Khi đó ta có: P
i
= 0.85*F
i
+ (1-0.85)*V
i

hiện có trên pha đó và dự báo phương tiện sẽ đến pha đó. Qua đó cho thấy hệ thống điều khiển
có tính mềm dẻo và linh hoạt cao.
IX. KẾT LUẬN
Điều khiển đèn tín hiệu giao thông là một vấn đề phức tạp cần được nghiên cứu và đưa ra
các giải pháp điều khiển hiệu quả hơn. Bài báo đã đề xuất một phương pháp điều khiển cải tiến,
trực quan cho thây hiệu quả điều khiển tốt hơn các phương pháp hiện có. Tuy nhiên phương
pháp điều khiển vẫn còn hạn chế đó là tham số
α
chưa được xác định tối ưu, phương pháp điều
khiển chỉ thực hiện trên một nút đơn trong khi đó việc điều khiển cần phải tính đến hiệu quả
điều khiển của các nút có liên quan tới nó. Đây là một hướng mở để các nhà nghiên cứu phát
triển và cải tiến để đề xuất các phương pháp mới.
Tài liệu tham khảo CT 2
[1]. Nguyen Cat Ho, Fuzziness in structure of linguistic truth values: A foundation for development of
fuzzy reasoning, Proc. of ISMVL' 87, Boston, USA, IEEE Computer Society Press, New York, 1987,
326 - 335.
[2]. Nguyen Cat Ho and W. Wechler, Extended hedge algebras and their application to fuzzy logic, Fuzzy
Sets and Systems 52, 1992, 259 - 281.
[3]. Nguyen Cat Ho, H. Văn Nam, Ordered Structure-Based Semantics of Linguistic Terms of Linguistic
Variables and Approximate Reasoning, AIP conference proceedings on Computing Anticipatory Systems,
CASYS’99 Third International Conference, 98-116.
[4]. Nguyen Cat Ho, T. Đình Khang, L.Xuân. Việt, Fuzziness Measure, Quantified Semantic Mapping
And Interpolative Method of Approximate Reasoning in Medical Expert Systems, Tạp chí tin học và điều
khiển, T.18(3)(2002), 237-252.
[5]. Nguyen Cat Ho, Nguyen Văn Long, Làm đầy đủ đại số gia tử mở rộng trên cơ sở bổ sung các phần tử
giới hạn (Nhận đăng trong Tạp chí Tin học và Điều Khiển).
[6]. Nguyen Cat Ho, Nguyen Văn Long, Đại số gia tử đầy đủ tuyến tính, Tạp chí Tin học và Điều khiển