Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển tự động đèn tín hiệu giao thông

MỞ ĐẦU
Ở nước ta ứng dụng và phát triển công nghệ thông tin nhằm góp phần
giải phóng sức mạnh vật chất, trí tuệ và tinh thần, thúc đẩy công cuộc đổi
mới, phát triển nhanh và hiện đại hóa các ngành kinh tế, tăng cường năng
lực cạnh tranh của các doanh nghiệp, hỗ trợ có hiệu quả cho quá trình chủ
động hội nhập kinh tế quốc tế, nâng cao chất lượng cuộc sống của nhân dân,
đảm bảo an ninh quốc phòng và tạo khả năng đi tắt đón đầu để thực hiện
thắng lợi sự nghiệp công nghiệp hoá, hiện đại hoá.
Có thể nói, CNTT đi vào vào thực tế sản xuất thông qua 3 con đường
chính:
+ Xây dựng các phần mềm ứng dụng (kế toán, thiết kế, điều khiển…)
+ Chế tạo các thiết bị phần cứng như các vi mạch, các chip điện tử,…
+ Chế tạo các thiết bị, máy móc sử dụng cả phần cứng và phần mềm.
Hiện nay có nhiều suy nghĩ giản đơn thường đồng nhất CNTT với các
sản phẩm phần mềm, sở dĩ như vậy là vì nền tảng công nghệ phần cứng
trong nước ta còn yếu. Tuy nhiên trong tương lai, điều này không còn đúng
nữa khi một loạt các doanh nghiệp lớn nước ngoài đã và đang đầu tư vào VN
như Intel, Compal… Điều này sẽ làm tăng ý nghĩa phương thức ứng dụng
CNTT thứ ba, đó là tạo ra các sản phẩm công nghiệp chứa đựng cả phần
cứng và phần mềm. Chính những sản phẩm này sẽ trực tiếp góp phần quan
trong cho sự nghiệp công nghiệp hóa - hiện đại hóa, tạo ra hiệu quả sản xuất
và năng lực cạnh tranh trong điều kiện hội nhập.
Ngành GTVT có một vai trò quan trọng trong nền kinh tế quốc dân,
đó là vai trò đi trước một bước, làm nền tảng cho sự phát triển các ngành
khác. Trong điều kiện phát triển và hội nhập hiện nay, ứng dụng CNTT
thành công trong GTVT là một điều kiện không thể thiếu được để ngành
GTVT làm tròn trách nhiệm của mình.
Là sinh viên của ngành CNTT trong trường đại học GTVT, ngoài việc
đảm bảo chương trình học tập em luôn mong muốn tìm hiểu các khả năng

Ở phương thức điều khiển theo không gian, đó là tách các dòng giao thông
thông qua các biện pháp thiết kế hình học như làm cầu vượt, đường hầm,
hay các đảo, v.v… Còn ở phương thức điều khiển theo thời gian, người ta
chia thời gian thành những khoảng dành riêng cho sự lưu thông của một
dòng hoặc một nhóm dòng nhất định, trong khi cấm các dòng khác. Điều
khiển đèn tín hiệu giao thông thuộc về phương thức này.
Đèn tín hiệu giao thông (ĐTHGT) là thiết bị phát sáng để báo hiệu
hoặc điều khiển giao thông, được sử dụng trong tất cả các loại hình giao
thông: đường bộ, đường sắt, đường sông, đường biển và đường hàng không.
Mỗi loại hình giao thông có quy định về sử dụng ĐTHGT khác nhau. Trong
giao thông đường bộ, ĐTHGT được dùng chủ yếu để điều khiển giao thông.
Các loại đèn tín hiệu điều khiển giao thông đường bộ gồm 3 màu: xanh,
vàng, đỏ. Tín hiệu xanh: cho phép đi. Tín hiệu vàng: chú ý, báo hiệu sự thay
đổi của tín hiệu đèn; khi tín hiệu vàng bật sáng, người điều khiển phương
tiện phải cho xe dừng lại trước vạch dừng lại, phương tiện và người đi bộ đã
vượt quá vạch dừng phải nhanh chóng ra khỏi nút giao thông; tín hiệu vàng
nhấp nháy là được đi nhưng phải chú ý thận trọng. Tín hiệu đỏ: cấm đi.
2. Sơ lược lịch sử đèn tín hiệu giao thông
Ban đầu, đèn xanh đèn đỏ chỉ dành cho tàu hỏa. Lúc đầu, nó thắp sáng
bằng khí gas. Sau 43 năm, chúng mới chạy điện nhưng vẫn cần người điều
khiển cho tới khi hoàn toàn tự động năm 1950. Ban đầu, tín hiệu giao thông
này chưa có đèn vàng và thay thế nó là chiếc còi hú vang khi cần.
Page 2


Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển tự động đèn tín hiệu giao thông

Lịch sử đèn tín hiệu có từ tháng 10/1868, khi người ta đặt hệ thống
đèn ngay bên ngoài tòa nhà Quốc hội Anh ở Luân Đôn. Chúng được lắp để
báo hiệu cho những đoàn tàu hỏa đi ngang qua đây. Trên cây cột kiểu hình

là do tình trạng tai nạn xảy ra nhiều trên đường phố Mỹ trong những năm
đó. Ông thấy cần phải có một tiêu chuẩn thống nhất để hệ thống tín hiệu sẵn
có hoạt động thật hiệu quả. Sau khi nghiên cứu, Morgan thiết kế cột tín hiệu
hình chữ T, trong đó có các tín hiệu như "dừng lại", "đi" và "dừng lại ở tất cả
các hướng". Khi đèn báo "dừng lại ở tất cả các hướng", người đi bộ mới
được phép đi qua đường.
Sau năm 1923, hệ thống đèn tín hiệu vẫn phải có người vận hành.
Tính riêng tại thành phố New York, hơn 100 cảnh sát phải làm việc 16 giờ
một ngày và tổng tiền lương ở mức 250.000 USD mỗi năm. Do những khó
khăn nói trên, các kỹ sư được lệnh thiết lập và phát triển hệ thống đèn tín
hiệu điều khiển tự động.
Năm 1950, đèn tín hiệu xanh - đỏ tự động được sử dụng rộng rãi ở
Canada và phát triển nhanh chóng trên thế giới. Ngày nay, hệ thống đèn tín
hiệu hiện đại hơn rất nhiều, tích hợp nhiều tính năng như tự động chụp hình
xe vượt đèn đỏ. Bên cạnh đó, nhiều nước có phát minh hết sức thú vị như
đèn 4 chế độ ở Anh, New Zealand, Phần Lan... Đèn sẽ chuyển từ "đỏ" sang
"đỏ và vàng" rồi mới đến "xanh" và về lại "vàng". Trạng thái đỏ và vàng
nhằm báo cho tài xế biết đèn xanh sẽ sáng trong một thời gian ngắn nữa.
Tại các nước trên thế giới, kể cả Việt Nam, có đèn tín hiệu giao thông
ba màu đơn giản, ý nghĩa từng màu được quy định như sau: Tín hiệu xanh là
được đi; Tín hiệu đỏ là cấm đi; Tín hiệu vàng là báo hiệu sự thay đổi tín
hiệu. Khi đèn vàng bật sáng, người điều khiển phương tiện phải cho xe dừng
lại trước vạch dừng, trừ trường hợp đã đi quá vạch dừng thì được đi tiếp. Tín
hiệu vàng nhấp nháy là được đi nhưng cần chú ý.
3. Các phương pháp điều khiển đèn tín hiệu giao thông
Thông thường có 2 góc độ phân loại hệ thống điều khiển đèn tín hiệu:
theo nguyên lý hoạt động và theo loại bộ điều khiển.
3.1. Theo nguyên lý điều khiển:
Dựa theo cách thức đưa ra các giá trị tham số thời gian các đèn trong chu
kỳ ta có các phương pháp sau.

dừng ở các nút (luôn gặp đèn xanh).
Ưu điểm: mạng lại hiệu quả cho các xe di chuyển theo hướng chính.
Nhược điểm: các xe chuyển động trong các dòng phụ có thể phải chịu
tác động chu kỳ đèn bất hợp lý.
d) Điều khiển tích cực:
Ở các phương pháp trên, người tham gia giao thông không được
tác động trực tiếp vào thay đổi chu kỳ đèn. Nhưng trong thực tế, có
những trường hợp cần đến sự thay đổi này kịp thời phục vụ nhu cầu
đặc biệt, chẳng hạn cho người đi bộ qua đường, xe cứu thương, xe
buýt, … Để đạt được mục đích này, người ta bố trí các nút bấm cho
người đi bộ qua đường ở các nút hoặc lắp đặt các thiết bị cảm ứng
điện tử trên các xe đặc biệt.
Page 5


Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển tự động đèn tín hiệu giao thông
3.2. Theo nguyên lý bộ điều khiển:
Với bộ điều khiển có thể sử dụng các loại thiết bị sau: vi điều
khiển, bộ điều khiển logic lập trình PLC (programmable logic
controller), máy tính (công nghiệp), …
Hình 1.1 sau là hình ảnh minh họa một tủ điều khiển đèn tín
hiệu giao thông sử dụng máy tính.

H.1.1. Tủ điều khiển đèn tín hiệu giao thông sử dụng máy tính
Trong khuôn khổ đề tài, em sẽ xem xét phương pháp điều khiển
đèn tín hiệu bằng máy tính và tính toán chu kỳ đèn cưỡng bức.

Page 6



sạch và thời gian chuyển của dòng đang xét.
Tín hiệu giao thông có thể hoạt động ở các chế độ khác nhau như miêu
tả dưới đây:
• Chế độ định thời (Pretimed Operation): ở chế độ này độ dài chu kì,
pha, và tất cả các khoảng thời gian nói trên được xác định trước.
• Chế độ nửa tích cực (Semi-Actuated Operation): các thiết bị phát
hiện xe được bố trí trên các lối vào nút của đường phụ. Tín hiệu giao
Page 7


Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển tự động đèn tín hiệu giao thông
thông trên đường chính sẽ luôn xanh cho đến khi phát hiện có xe
chờ qua nút ở ít nhất một lối vào của đường phụ.
• Chế độ tích cực (Full-Actuated Operation): thiết bị phát hiện xe
được đặt ở tất cả các lối vào nút. Trong chế độ tích cực các chu kì
đèn đều khác nhau, thứ tự và độ dài các khoảng thời gian và pha
thay đổi tùy theo yêu cầu được phát hiện.
• Chế độ điều khiển bằng máy tính (Computer Controlled): thuật ngữ
này được sử dụng để miêu tả việc điều khiển tín hiệu đèn không chỉ
được tính toán và thực hiện cho một nút mà cho cả một mạng các
nút, trong đó sự liên lạc, phối hợp giữa các nút được máy tính đảm
nhiệm.
2. Mô hình trễ Webster:
2.1. Khái niệm trễ:
Các nút giao thông có tầm quan trọng lớn trong mạng lưới các
đường giao thông. Vì vậy rất cần có các chỉ tiêu đánh giá năng lực và
hiệu quả các nút. Chỉ tiêu thông dụng nhất là thời gian chậm trễ
(Delay) khi qua nút. Thời gian này có nhiều dạng như các định nghĩa
dưới đây:
a. Trễ do dừng (Stopped Time Delay): là thời gian xe dừng để

Trong đó: C0 – chu kì tối ưu đển tối thiểu hóa trễ (s)
L – thời gian mất mát trong chu kì (s)
Σ(v/s)c – tổng các tỉ lệ lưu lượng trên lưu lượng bão hòa
2.3. Phương pháp tính toán chu kì tối ưu đèn tín hiệu giao thông:
Mục tiêu của phương pháp là tìm ra thời gian xanh, vàng, đỏ của
đèn nhằm tối thiểu hóa thời gian trễ theo công thức Webster.
Giả sử sử dụng phương án điều khiển 2 pha như hình vẽ:

Pha 1

(H.2.1)

Pha 2

Kí hiệu ở pha thứ i:
− Thời gian vàng: tvi (s)
− Thời gian xanh: txi (s)
− Thời gian đỏ: tdi (s)
− Vận tốc trung bình của xe: vi (km/h)
− Lưu lượng xe lớn nhất trên 1 làn: mi (xe/h)
− Thời gian làm sạch: tzi (s)
Thời gian làm sạch được tính theo công thức sau:

Page 9


Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển tự động đèn tín hiệu giao thông
tz = 3.6

tr + tk + te + te'

m1 + m2
1−
1800

(3)

Vì lưu lượng xe qua nút tỉ lệ với thời gian xanh (số lượng xe đi qua
nút càng lớn thì thời gian xanh càng lớn) nên:
tx1 tx 2
=
m1 m2

(4)

Lại có
tx1 + tx2 = C0 – (tz1 + tz2)

(5)

Ta được hệ phương trình xác định thời gian xanh:
 tx1 tx 2
 =
 m1 m2
tx1 + tx 2 = Co − (tz1 + tz 2)

(6)

Vậy thời gian đỏ của mỗi pha là:
tdi = C0 – tvi – txi


− Chiều rộng mặt đường hướng 2 (đông – tây) tr2 = 10m
− Chiều rộng lề đường hướng 1 (nam – bắc) te1 = 7m
− Chiều rộng lề đường hướng 2 (đông – tây) te2 = 5m
− Lưu lượng xe lớn nhất pha 1 (hướng NB thẳng, rẽ phải) = 580
xe/h
− Lưu lượng xe lớn nhất pha 2 (hướng ĐT thẳng, rẽ phải) = 480
xe/h
− Vận tốc xe hướng 1 v1 = 30 km/h
− Vận tốc xe hướng 2 v2 = 25 km/h
Tính toán theo các công thức (2) – (7) ta được:
− Thời gian xanh pha 1: 22s
− Thời gian xanh pha 2: 27s
− Thời gian đỏ pha 1: 39s
− Thời gian đỏ pha 2: 34s

Page 12


Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển tự động đèn tín hiệu giao thông

CHƯƠNG III
CƠ CHẾ ĐIỀU KHIỂN THIẾT BỊ NGOẠI VI BẰNG MÁY TÍNH
[2]
1. Thiết bị ngoại vi:
a. Định nghĩa: Thiết bị ngoại vi là tên chung nói đến một số loại thiết
bị bên ngoài thùng máy được gắn kết với máy tính với tính năng nhập
xuất (IO) hoặc mở rộng khả năng lưu trữ (như một bộ nhớ phụ).
Thiết bị ngoại vi của máy tính có thể là:
• Thiết bị cấu thành lên máy tính và không thể thiếu được ở một số
loại máy tính.

Chế độ ECP (Extended Capabilities Port).
3 chế độ đầu tiên sử dụng port song song chuẩn (SPP – Standard
Parallel Port) trong khi đó chế độ 4, 5 cần thêm phần cứng để cho
phép hoạt động ở tốc độ cao hơn.
Sơ đồ chân cổng máy in như sau:

Pin SPP Signal EPP Signal In/Out
1

Strobe

2-9
10

Data 0-7
Ack

11

Busy

12
13

Paper
Out/End
Select

Function
Đường này ở mức thấp chỉ ra là ghi,


Data
Strobe

Out

Spare

In

Initialize
Select
Printer

Reset
Address
Strobe

Out

Ground

Ground

GND

15 Error/Fault
16
17
1825

xe, chiều dài mặt đường, chiều rộng lề đường, chiều dài xe.
• Đầu ra: thời gian sáng của các đèn
Thuật toán điều khiển đèn tín hiệu:
Xét với pha 1 (hướng nam bắc):
V

Đ

X

V

Đ
Page 16


Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển tự động đèn tín hiệu giao thông

Dựa vào sơ đồ ta thấy đèn xanh sáng tại các thời điểm t = 0, t =
C0, t = 2C0… Như vậy cứ sau một khoảng thời gian x = C 0 thì
đèn xanh Dựa vào sơ đồ ta thấy đèn xanh sáng tại các thời điểm
t = 0, t = C0, t = 2C0… Như vậy cứ sau một khoảng thời gian x
= C0 thì đèn xanh sáng, hay x là chu kì sáng của đèn xanh.
Tương tự chu kì sáng của đèn đỏ là d = C 0 + tx, chu kì sáng của
đèn vàng là v = C0 + tx + td. Vậy sơ đồ khối của thuật toán như
sau:

Page 17



Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển tự động đèn tín hiệu giao thông
counttime >=
v
+
Bật đèn vàng
Tắt đèn đỏ
counttime = v + C0

(H.4.1)
Các bước thực hiện:
1. Tính toán chu kì đèn, thời gian xanh, đỏ, vàng theo phương
pháp Webster.
2. Sử dụng các hàm điểu khiển để bật tắt đèn:
void OnTimer(UINT nIDEvent): dựa vào thời gian sáng của các
đèn để điều khiển đèn bật tắt theo chu kỳ.
void set_pin (lp_pin pins): đưa tín hiệu ở chân cổng máy in lên
mức cao (bật đèn).
void clear_pin (lp_pin pins): đưa tín hiệu ở chân cổng máy in
xuống mức thấp (tắt đèn).

Page 19


Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển tự động đèn tín hiệu giao thông
2 hàm trên đều sử dụng hàm Inp32 và Out32 trong thư viện liên
kết động inpout32.dll để nhập xuất dữ liệu qua cổng máy in.
Sơ đồ mạch điện:

(H.4.2)


const lp_pin LP_PIN07

=
=
=
=
=
=

0x1;
0x2;
0x4;
0x8;
0x10;
0x20;

2. Các hàm điều khiển:
a) Hàm điều khiển chân cổng máy in:
#include "stdafx.h"
#include "PaPiC.h"
#include "CPaPiC.h"
Page 21


Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển tự động đèn tín hiệu giao thông
#ifdef _DEBUG
#undef THIS_FILE
static char THIS_FILE[]=__FILE__;
#define new DEBUG_NEW
#endif


(pins

&

positive_mask_control)

^

Out32(port_control, new_reg);

// set output pins low
void CPaPiC::clear_pin(lp_pin pins){
int new_reg;
// make sure the user is only trying to set an
output pin
pins &= lp_output_pins;
new_reg = Inp32( port_data );
new_reg = new_reg & ( ( pins & 0xFF ) ^ 0xFF);
Out32(port_data, new_reg );
Page 22


Thiết kế mô hình hệ thống điều khiển tự động đèn tín hiệu giao thông
new_reg = Inp32( port_control );
pins = (pins >> 8) & 0xF;
new_reg |= pins & positive_mask_control;
new_reg
0x1FFFF;


}

nsg = counttime + cycle;

//den vang
if (counttime >= nsy)
{
set_pin(LP_PIN03);
clear_pin(LP_PIN04);
nsy = counttime + cycle;
}
//den do
if (counttime >= nsr)
{
set_pin(LP_PIN02);
clear_pin(LP_PIN03);
nsr = counttime + cycle;
}
//huong dong tay
if (counttime >= weg)
{
set_pin(LP_PIN05);
clear_pin(LP_PIN07|LP_PIN06);
}

weg = counttime + cycle;

//den vang
if (counttime >= wey)
{

(m_m1,m_m2,cycle,tz,&G_SN,&G_WE);
phuong trinh tinh thoi gian xanh

//ham

giai

he

float l1,l2,x1,x2;
l1=G_SN/cycle;
l2=G_WE/cycle;
x1=m_m1/(l1*3600);
x2=m_m2/(l2*3600);
R_SN=cycle-m_Y_SN-G_SN;
R_WE=cycle-m_Y_WE-G_WE;
nsr = G_SN+m_Y_SN;
nsy = G_SN;
nsg = 0;
wer = 0;
wey = R_WE + G_WE;
weg = R_WE;
SetTimer(1, 1000, NULL);
counttime = 0;
}

Page 24