Công nghệ kết nối dữ liệu xe - giải pháp mới cho đèn giao thông

Theo Báo cáo “Traffic Signal Benchmarking and State of the Practice” năm 2019, việc dừng chờ đèn đỏ và những ảnh hưởng tới tình trạng giao thông gây ra khiến xã hội thiệt hại gần 23 tỷ đô mỗi năm.

Tệ hơn nữa, các phương tiện có thể thải ra lượng carbon monoxide, carbon dioxide, nitrogen oxide và các vi hạt cao gấp bốn lần trong điều kiện ùn tắc. Bên cạnh đó, hao mòn đối với phương tiện và lãng phí thời gian chỉ là những tác động tiêu cực nhỏ nhất do giao thông gây ra.

Các kỹ sư tại Đại học Michigan đã phát triển một phương pháp mới tạo mô hình giao thông sử dụng dữ liệu kết nối từ các phương tiện. Phương pháp này cho phép điều chỉnh và tối ưu hóa thời gian đèn giao thông vài tháng một lần, thay vì vài năm một lần như trước - và với chi phí thấp hơn nhiều.

Hầu hết các hệ thống kiểm soát giao thông đều được tối ưu hóa kém, vận hành theo thời gian được lập trình sẵn dựa trên những nghiên cứu giao thông đã lỗi thời. Chi phí thu thập dữ liệu đối với mỗi giao lộ có thể lên tới hơn 5.000 đô. Nếu con số đó không đủ lớn, cần phải tính tới số giao lộ tại mỗi quốc gia, chẳng hạn Hoa Kỳ có hơn 330.000 giao lộ sử dụng đèn tín hiệu.

Trên hết, những nghiên cứu giao thông truyền thống ghi lại những bức ảnh chụp nhanh tại các nút giao, thay vì một bức tranh hoàn chỉnh về dòng phương tiện của toàn thành phố.

Một phương án khả thi là đèn giao thông thích ứng có khả năng phát hiện phương tiện. Tuy đã tồn tại 50 năm, chi phí trang bị có thể dao động từ 15.000 đến 100.000 đô. Trong đó, phương pháp trang bị ít tốn kém nhất đối với công nghệ này là những cảm biến lắp đặt trên mỗi làn đường ở mỗi hướng ngay trong quá trình làm đường.

Phương pháp đắt đỏ nhất sẽ cần trang bị thêm camera cùng các thiết bị phát hiện tại các giao lộ nhiều làn đường. Cho dù lựa chọn phương án nào, chi phí cũng sẽ lên tới hàng tỷ đô, chưa kể việc bảo trì bảo dưỡng định kỳ.

Giáo sư Henry Liu, Giám đốc Trung tâm Giao thông Tự động và Kết nối giải thích phương pháp thu thập thông tin về luồng giao thông bằng cách sử dụng dữ liệu mà các nhà sản xuất đã sở hữu.

Thử nghiệm cho nghiên cứu này được thực hiện tại Birmingham, Michigan bằng cách sử dụng thông tin cung cấp bởi một số mẫu xe GM được liên kết. Sau khi xây dựng và phân tích các mô hình, những tính toán mới đối với thời gian đèn tín hiệu đã được triển khai giúp giảm 20% thời gian di chuyển và 30% nhu cầu dừng chờ đèn đỏ.

Tổng quan về công nghệ này, những nghiên cứu giao thông điển hình tập trung vào số lượng phương tiện đi qua từng giao lộ cụ thể. Việc này thông thường có thể được thực hiện thủ công bằng cách đếm phương tiện đi qua giao lộ, thường bởi những thực tập sinh kỹ thuật xây dựng dân dụng.

Quá trình này có thể được tự động hóa bằng cách sử dụng bộ ghi dữ liệu trong các ống đặt trên các làn đường giao thông, cảm biến cảm ứng đặt dưới bề mặt đường từ khi thi công hoặc thậm chí là sử dụng máy quay.

Phương pháp sử dụng trong nghiên cứu của Đại học Michigan đã sử dụng dữ liệu xe được kết nối, về cơ bản là thông tin về tốc độ, hướng di chuyển và vị trí mà các hệ thống định vị như OnStar liên tục giám sát.

Cách dữ liệu được thu thập đóng vai trò quan trọng trong quá trình mô hình hóa dữ liệu. Luồng giao thông có thể được mô hình hóa giống như chất lỏng, như phân tích khí động học của xe.

Nếu cần tối ưu hóa một khu vực địa lý nhất định nhưng chỉ có dữ liệu về các giao lộ riêng lẻ, việc mô hình hóa dữ liệu sẽ sử dụng tọa độ Euler (Eulerian coordinates). Quá trình này chia những khu vực với diện tích lớn, chẳng hạn vị trí quanh phương tiện hoặc thậm chí là toàn bộ thành phố, thành những diện tích nhỏ hơn.

Đối với một chiếc xe, nơi mui xe tiếp xúc với kính chắn gió cũng tương tự như một giao lộ trên đường. Kích thước và chuyển động của hạt được phân tích trong từng diện tích nhỏ. Vì chỉ xem xét luồng giao thông qua các vị trí chọn trước không bao gồm dòng xe giữa các giao lộ, cách phân tích này không đem lại bức tranh toàn cảnh về tình hình giao thông.

Ngược lại, phương pháp khác có thể sử dụng tọa độ Lagrange (Lagrangian coordinates). Khi đó, ta cần theo dõi các hạt riêng lẻ trong suốt hành trình di chuyển qua toàn bộ khu vực bằng cách sử dụng một hệ tọa độ dựa trên một điểm tham chiếu duy nhất.

Đối với giao thông, điều này đòi hỏi khả năng theo dõi từng phương tiện trên toàn tuyến di chuyển. Giải pháp này cung cấp thông tin vị trí dựa trên thời gian, nhưng những thay đổi về tốc độ và hướng di chuyển cũng cần được tính toán.

Những nghiên cứu với tọa độ Lagrange đã được thực hiện bằng cách sử dụng dữ liệu di động, vốn không liên tục và không chính xác. Vì vậy, kết quả là lượng dữ liệu khổng lồ đến từ lượng phương tiện trong quá trình thử và lấy dữ liệu chính xác trên toàn thành phố.

Các kỹ sư tại Đại học Michigan (UM) đã sử dụng phương pháp tọa độ Newell (Newellian coordinates), theo dõi quỹ đạo của xe trên toàn bộ khu vực nghiên cứu nhưng có thể dễ dàng lấy dữ liệu tại từng khu vực cụ thể. Giải pháp này cũng cung cấp thông tin về tốc độ, định hướng, độ trễ và điểm dừng.

Trong khi hầu hết các hình thức giám sát giao thông truyền thống chỉ hiển thị lượng xe di chuyển qua một giao lộ với tốc độ ước tính, phương pháp mới cho phép các nhà nghiên cứu xem và so sánh tốc độ và độ trễ giữa các giao lộ. Điều này không chỉ cung cấp một mô hình tinh gọn hơn về tình hình thực tế mà dữ liệu còn được thao tác dễ dàng hơn trong quá trình mô phỏng nhằm kiểm tra những chiến lược tính thời gian khác nhau.

Birmingham, Michigan không phải đô thị lớn. Thành phố chỉ có 34 đèn giao thông, nhưng hệ thống mới có thể mở rộng tới các thành phố ở mọi quy mô.

Trong một số trường hợp, lưu lượng giao thông quá lớn và không cho phép quá trình di chuyển liền mạch. Khi đó, những lựa chọn khác như cơ sở hạ tầng dành cho xe đạp, giao thông công cộng cải tiến và các giải pháp giảm lưu lượng giao thông có thể được tính tới. Dù sao, mọi thành phố đều nên cân nhắc những phương án đó, bất kể quy mô.

Tuy nhiên, tại những nơi giao thông bị hạn chế do hệ thống đèn kém hiệu quả, giờ đây một hệ thống mới đã xuất hiện, đem lại cách hiệu quả giúp tiết kiệm thời gian và chi phí cho người tham gia giao thông, đồng thời giảm đáng kể tình trạng ô nhiễm.