giaothongthongminhMột nút giao đổi từ đèn chạy chu kỳ cố định sang đèn thích ứng. Tuần đầu, hàng xe ở hướng chính ngắn hẳn. Tháng thứ hai, người dân phàn nàn phải chờ đèn đỏ trong khi hướng kia không có xe nào. Thuật toán không sai. Một cảm biến đã hỏng từ hôm sửa mặt đường, bộ điều khiển tưởng hướng đó lúc nào cũng có xe chờ.
Đèn tín hiệu thích ứng là đèn tự đổi thời gian xanh, đỏ theo lượng xe thực tế thay vì chạy một kịch bản cố định. Nó cần biết ba điều: hướng nào đang có xe chờ, bao nhiêu xe đang tới, và xe tới lúc nào. Mọi thông tin đó đến từ cảm biến phát hiện xe. Chọn sai cảm biến, hoặc đặt cảm biến sai chỗ, thì thuật toán tốt đến đâu cũng điều khiển theo dữ liệu sai.
Bài này so sánh ba loại cảm biến phổ biến, chỉ ra hai vùng phát hiện mà một nút giao thích ứng cần có, và vai trò của máy tính công nghiệp trong tủ đèn. Như mọi thiết bị đặt ngoài đường, yếu tố quyết định không chỉ là độ chính xác đo trong phòng thí nghiệm mà là thiết bị có còn chạy sau mùa mưa bão, sét và nắng nóng hay không.
Ba kiểu điều khiển đèn: cố định, kích hoạt và thích ứng
- Chu kỳ cố định (fixed-time): mỗi pha có thời gian xanh đặt sẵn, có thể đổi theo khung giờ. Không cần cảm biến. Rẻ, nhưng lãng phí thời gian xanh khi lượng xe thay đổi.
- Kích hoạt theo xe (actuated): cảm biến ở vạch dừng báo có xe chờ thì mới cấp pha xanh, kéo dài pha xanh khi vẫn còn xe tới. Cần cảm biến có mặt (presence) ở từng làn.
- Thích ứng (adaptive): phần mềm tính lại thời gian chu kỳ và phân bổ pha liên tục từ số liệu đếm xe, thường phối hợp nhiều nút giao liền nhau. Cần số liệu đếm theo làn, theo hướng rẽ và thời điểm xe tới.
Càng lên mức cao, hệ thống càng phụ thuộc vào cảm biến. Nút giao chu kỳ cố định mất một cảm biến cũng không sao. Nút giao thích ứng mất một cảm biến thì hướng đó bị tính sai ngay lập tức, như ví dụ ở đầu bài. Cách bộ điều khiển đèn đọc cảm biến và chuyển pha được trình bày trong bài ứng dụng của máy tính kỹ thuật số trong hệ thống tín hiệu giao thông.
So sánh vòng từ, radar và camera
Vòng từ (inductive loop)
Vòng dây chôn dưới mặt đường, xe kim loại đi qua làm thay đổi điện cảm của vòng. Đây là cách lâu đời nhất, đếm ổn định với ô tô. Nhược điểm nằm ở chỗ lắp: phải cắt mặt đường, và mỗi lần sửa đường, cào bóc thảm lại là vòng bị đứt. Vòng từ cũng chỉ thấy một điểm cố định, muốn đo hàng xe dài phải chôn nhiều vòng.
Radar
Radar gắn trên cột, không đụng tới mặt đường. Lấy ví dụ dòng SmartSensor của Wavetronix, hãng có sản phẩm cho cả hai vị trí trên một hướng:
- SmartSensor Matrix cho vạch dừng: tài liệu hãng ghi gồm 16 radar tạo vùng phủ hai chiều, góc nhìn 90°, tầm 140 ft (42,7 m), theo dõi xe theo làn tới 10 làn, tới 16 vùng và 16 kênh đầu ra. Nó báo cả xe đang chạy lẫn xe đứng yên, qua giao diện tiếp điểm (contact closure) chuẩn của giá đầu dò trong tủ.
- SmartSensor Advance cho vùng tiếp cận: radar một chùm bắn thẳng về phía xe tới, tầm phát hiện tiêu chuẩn 600 ft (khoảng 183 m), mở rộng tới 900 ft (khoảng 274 m) cho xe lớn như xe đầu kéo, xe buýt, phủ tới ba làn mỗi hướng. Nó ước thời điểm xe tới vạch dừng.
Hãng quảng bá radar không bị ảnh hưởng bởi thay đổi nhiệt độ, ánh sáng và thời tiết. Đổi lại, radar không cho hình ảnh để người vận hành kiểm tra bằng mắt, và giá mỗi cảm biến cao hơn camera.
Camera phát hiện video
Camera gắn trên cột, phần mềm vẽ vùng ảo trên hình, xe đi vào vùng thì báo có xe. Lợi thế là lắp nhanh, người vận hành nhìn thấy hình để kiểm tra, cùng một camera có thể vừa đếm xe vừa giám sát. Hạn chế thường gặp là ngược sáng lúc mặt trời thấp, mưa to, sương mù, đèn pha xe ban đêm và bóng đổ của xe cao che xe bên cạnh.
Bảng so sánh
| Tiêu chí | Vòng từ | Radar | Camera |
|---|---|---|---|
| Lắp đặt | Cắt mặt đường, cấm làn | Gắn cột | Gắn cột |
| Hỏng khi sửa đường | Có | Không | Không |
| Ảnh hưởng ánh sáng, mưa | Ít | Ít (theo hãng) | Nhiều |
| Đo hàng xe dài | Cần nhiều vòng | Được (vùng dài, radar tiếp cận) | Được trong tầm nhìn |
| Có hình để kiểm tra | Không | Không | Có |
Lưu ý riêng cho giao thông hỗn hợp
Phần lớn cảm biến trên thị trường được thiết kế và kiểm chứng cho dòng xe ô tô đi theo làn. Ở nút giao Việt Nam, xe máy chiếm phần lớn, không đi theo làn và dồn lên sát vạch dừng. Trước khi mua số lượng lớn, nên lắp thử một bộ ở nút giao thật, đếm tay đối chiếu vào giờ cao điểm và buổi tối, rồi mới chốt loại cảm biến. Con số độ chính xác trên tài liệu hãng thường đo với điều kiện khác.
Hai vùng phát hiện mà nút giao thích ứng cần có
Nhìn sơ đồ trên, mỗi hướng có hai vùng khác nhau:
- Vùng vạch dừng: có xe đang chờ hay không, ở làn nào, hàng chờ dài tới đâu. Thông tin này quyết định có cấp pha xanh cho hướng đó không và có cần pha rẽ trái bảo vệ không.
- Vùng tiếp cận xa: xe nào đang tới, tốc độ bao nhiêu, bao giờ tới vạch. Thông tin này dùng để kéo dài pha xanh cho xe đang ở "vùng lưỡng lự" (dilemma zone), tức khoảng cách mà khi đèn chuyển vàng, tài xế không chắc nên phanh hay đi tiếp. Wavetronix ghi xe lớn có vùng lưỡng lự dài hơn nhiều so với xe con, nên cần phát hiện xa hơn.
Chỉ có vùng vạch dừng thì đèn biết "có xe chờ" nhưng không biết "còn xe đang tới". Kết quả là pha xanh cắt đúng lúc một xe tải đang lao tới, tài xế phải phanh gấp hoặc vượt đèn vàng.
Máy tính trong tủ đèn làm gì?
Cảm biến có thể nối thẳng vào bộ điều khiển đèn bằng tiếp điểm. Nhưng muốn chạy điều khiển thích ứng, đo chỉ số hiệu quả nút giao (ATSPM, Automated Traffic Signal Performance Measures, như tỷ lệ xe tới khi đèn xanh hay đèn đỏ) và gửi số liệu về trung tâm, tủ đèn cần thêm một máy tính gom dữ liệu. Máy này đọc cảm biến, ghi số đếm theo làn, theo phút, chạy thuật toán hoặc chuyển số liệu cho phần mềm trung tâm.
Các tiêu chí khi chọn máy cho vị trí này, lấy Advantech UNO-148 làm ví dụ đối chiếu với datasheet:
- Đầu vào số cách ly, nhận tiếp điểm khô. UNO-148 có 8 kênh DI cách ly 2500 VDC, nhận cả tiếp điểm khô (dry contact) lẫn tiếp điểm ướt 10–30 VDC, cùng 8 kênh DO. Đủ đọc trực tiếp đầu ra tiếp điểm của cảm biến và trạng thái pha từ bộ điều khiển.
- Cổng nối tiếp cách ly. 4 cổng RS-232/422/485 cách ly 2500 VDC, dùng để đọc bộ điều khiển đèn hoặc cảm biến có giao thức nối tiếp. Cách ly quan trọng vì cáp tín hiệu chạy dọc cột ra ngoài trời.
- Mạng. 3 cổng Ethernet (một cổng 2.5 GbE), hỗ trợ TSN (Time-Sensitive Networking) theo IEEE 802.1AS, thêm khe M.2 cho mô-đun di động khi không có cáp quang.
- Nhiệt độ và nguồn. Hoạt động −20 đến 60 °C với luồng gió 0,7 m/s, nguồn 10–36 VDC, công suất điển hình 31 W. Gắn thanh DIN, vừa khoang tủ đèn.
- Chống rung, sốc. Datasheet ghi chịu rung 4 Grms theo IEC 60068-2-64 (với SSD) và sốc 50 G theo IEC 60068-2-27. Tủ đèn sát làn xe tải rung liên tục cả ngày.
Máy văn phòng không có DI cách ly, không có COM cách ly, không gắn thanh DIN và không có dải nhiệt này. Đặt vào tủ đèn thì phải thêm bộ chuyển đổi, thêm điểm hỏng.
Sét, xung điện và mùa mưa
Cảm biến trên cột là thứ cao nhất quanh nút giao, cáp tín hiệu chạy từ cột xuống tủ. Mùa mưa bão, xung sét lan truyền theo dây là nguyên nhân hỏng phổ biến. Wavetronix thiết kế bộ gom cảm biến Arc6 của họ với thẻ chống sét thay được tại hiện trường (Field Replaceable Surge cards) cho mỗi cảm biến, kết nối tới 6 cảm biến. Nguyên tắc chung cho mọi tủ đèn:
- Mỗi đường cáp từ cột xuống tủ có bộ chống sét riêng, thay được mà không phải thay cả thiết bị.
- Máy tính dùng cổng I/O có cách ly, để xung không đi thẳng vào bo mạch chính.
- Tủ nối đất đúng, kiểm tra điện trở nối đất trước mùa mưa.
Lộ trình triển khai hợp lý
- Bắt đầu bằng đếm xe, chưa đổi cách điều khiển. Lắp cảm biến và máy tính gom dữ liệu, chạy vài tuần để có số liệu nền theo giờ, theo hướng.
- Chuyển sang kích hoạt theo xe ở những hướng phụ ít xe, nơi dễ thấy hiệu quả nhất.
- Lên thích ứng khi cảm biến đã chạy ổn định qua một mùa mưa, và có cơ chế phát hiện cảm biến hỏng để bộ điều khiển tự quay về chu kỳ cố định. Nếu không, trường hợp ở đầu bài sẽ lặp lại.
Phần tổng quan về cách các thành phần ITS phối hợp có trong bài hệ thống giao thông thông minh ITS hoạt động như thế nào. Phần bộ điều khiển đèn dùng PLC có trong bài ứng dụng PLC công nghiệp để điều khiển đèn giao thông thông minh.
Câu hỏi thường gặp
Dùng lại camera giám sát có sẵn để đếm xe được không?
Được nếu camera đặt đúng góc nhìn xuống làn và phần mềm hỗ trợ. Camera giám sát thường đặt để nhìn toàn cảnh, không đúng góc để tách làn, nên kết quả đếm có thể kém hơn camera đặt riêng cho mục đích đếm xe.
Cảm biến hỏng thì đèn thích ứng xử lý thế nào?
Hệ thống tốt phải phát hiện cảm biến báo "có xe" liên tục hoặc "không có xe" quá lâu bất thường, đánh dấu cảm biến lỗi và cho hướng đó chạy theo thời gian mặc định. Đây là yêu cầu nên ghi rõ trong hồ sơ mời thầu.
Có cần máy tính riêng nếu bộ điều khiển đèn đã có cổng mạng?
Không bắt buộc. Nhưng máy tính riêng cho phép lưu số liệu tại chỗ khi mất mạng, chạy thuật toán mới mà không đụng vào bộ điều khiển đèn đã được kiểm định, và gom cả cảm biến lẫn camera về một chỗ.
IPC247 hỗ trợ gì
IPC247 phân phối máy tính công nghiệp gắn thanh DIN, máy tính không quạt và switch công nghiệp cho tủ điều khiển giao thông. Chúng tôi tư vấn chọn máy theo số cảm biến, số tiếp điểm cần đọc và nhiệt độ tủ thực tế, cho mượn máy chạy thử với phần mềm của nhà tích hợp, giao hàng và hỗ trợ kỹ thuật trong quá trình lắp đặt. Gửi cho chúng tôi sơ đồ nút giao và danh sách cảm biến dự kiến để nhận đề xuất cấu hình.
