Tối ưu lưu lượng giao thông dựa trên giao thức virtua traffic light thông qua vanet

Tổng quan và động lực đề tài

Ngày nay, với sự phát triển không ngừng của xã hội, giao thông và ngành vận tải đóng vai trò quan trọng trong nền kinh tế, hỗ trợ trao đổi hàng hóa và nhu cầu sinh hoạt của con người Tuy nhiên, các đô thị đang phải đối mặt với tình trạng ùn tắc giao thông ngày càng nghiêm trọng, gây ra lãng phí thời gian, tiền bạc, ô nhiễm môi trường và ảnh hưởng xấu đến sức khỏe Tình trạng này không chỉ giảm năng suất lao động mà còn dẫn đến tai nạn giao thông và làm xấu đi cảnh quan đô thị Do đó, ùn tắc giao thông gây thiệt hại lớn cho nền kinh tế và đời sống dân cư Giải quyết vấn đề này là một nhiệm vụ cấp thiết, cần có tầm nhìn dài hạn để xây dựng một đất nước phát triển hài hòa, văn minh và hiện đại trong bối cảnh đô thị hóa nhanh chóng.

Tại giao lộ giữa đường ưu tiên và không ưu tiên, lưu lượng trên đường ưu tiên luôn cao hơn, trong khi chu kỳ đèn giao thông truyền thống thường được cài đặt bằng nhau Điều này dẫn đến mất cân bằng giữa hai luồng giao thông, với luồng cao dễ gây ùn tắc trong giờ cao điểm, trong khi luồng thấp lại lãng phí thời gian đèn xanh Sự gia tăng dân số và phương tiện giao thông tại các đô thị lớn làm tình trạng ùn tắc ngày càng nghiêm trọng, từ đó phát sinh nhu cầu cải tiến đèn giao thông theo hướng linh hoạt và thông minh hơn, hoặc thay thế bằng mô hình khác nhằm tối ưu hóa lưu lượng và giảm ùn tắc tại các giao lộ.

Chương 1: Đặt vấn đề GVHD: Ts Đỗ Hồng Tuấn

Hiện nay, tối ưu lưu lượng giao thông để giảm tắc nghẽn là một vấn đề cấp bách Nhiều giải pháp đã được đề xuất, trong đó điều chỉnh chu kỳ thời gian đèn xanh đỏ của đèn giao thông truyền thống là phương pháp nổi bật và được áp dụng rộng rãi Phương pháp này dễ thực hiện, tiết kiệm chi phí và không yêu cầu thay đổi lớn đối với hệ thống đèn giao thông hiện có, đồng thời không tốn kém cho việc nghiên cứu và triển khai hệ thống mới.

Khi lưu lượng xe cao, chu kỳ xanh tại các giao lộ sẽ nhiều hơn so với lưu lượng thấp, giúp giảm tắc nghẽn hiệu quả Phương pháp này đặc biệt hữu ích trong giờ cao điểm buổi sáng và chiều Điều chỉnh thời gian đèn đỏ và đèn xanh của đèn giao thông truyền thống là giải pháp tối ưu để tăng cường lưu thông từ hai hướng Các chu kỳ thời gian này thường dựa trên dữ liệu lưu lượng giao thông được thu thập tại giao lộ vào các thời điểm khác nhau trong ngày.

Công việc tối ưu lưu lượng giao thông gặp nhiều khó khăn do lưu lượng thay đổi liên tục theo thời gian, yêu cầu điều chỉnh các thông số thường xuyên Việc thay đổi thông số tại một giao lộ có thể ảnh hưởng đến lưu lượng trên toàn tuyến đường, đòi hỏi phải điều chỉnh tại tất cả các giao lộ để tránh tình trạng phân bố lưu lượng không đồng đều Do đó, việc tối ưu hóa lưu lượng giao thông trở nên phức tạp và thường chỉ mang tính thích ứng theo thời điểm và địa điểm cụ thể, chứ không phải là giải pháp tối ưu hiệu quả.

Trong những năm gần đây, nghiên cứu về thông tin vô tuyến đang phát triển nhanh chóng, với công nghệ Vehicular Ad-Hoc Network (VANET) hứa hẹn sẽ ứng dụng rộng rãi để giảm tắc nghẽn và tai nạn giao thông VANET cho phép các xe di động giao tiếp và tự tổ chức thành một mạng lưới không dây, mở ra nhiều khả năng chia sẻ và khai thác thông tin trong môi trường vô tuyến trên các khu vực linh hoạt.

Chương 1: Đặt vấn đề GVHD: Ts Đỗ Hồng Tuấn

Nhiều ứng dụng và ý tưởng dựa trên công nghệ VANET đã ra đời nhằm cải thiện tình trạng tắc nghẽn và tai nạn giao thông, đặc biệt là tối ưu hóa lưu lượng tại các giao lộ Luận văn này giới thiệu một giao thức mới cho VANET, cho phép tự động điều chỉnh lưu lượng giao thông theo thời gian và tuyến đường mà không cần hệ thống đèn giao thông truyền thống Các xe ô tô tiếp cận giao lộ sẽ tự dàn xếp và tổ chức thông qua giao thức Virtual Traffic Light (VTL), tạo ra một hệ thống đèn giao thông ảo hoạt động như một máy trạng thái Giao thức này được lập trình và cài đặt sẵn trên thiết bị phần cứng của tất cả các xe trong mạng lưới VANET.

Phát biểu bài toán

Tổng quát

Tại các giao lộ đô thị, mật độ xe lưu thông rất cao, nhưng lưu lượng giữa hai luồng giao thông không phải lúc nào cũng cân bằng Đặc biệt, tại giao lộ giữa đường ưu tiên và không ưu tiên, lưu lượng trên đường ưu tiên luôn cao hơn Đèn giao thông truyền thống thường có chu kỳ xanh và đỏ bằng nhau, dẫn đến tình trạng mất cân bằng giữa hai luồng, gây ùn tắc cho luồng lưu lượng cao và lãng phí thời gian cho luồng lưu lượng thấp Do đó, nhu cầu cải tiến đèn giao thông truyền thống trở nên cấp thiết, nhằm tối ưu hóa lưu lượng và giảm tắc nghẽn Luận văn đề xuất thay thế hệ thống đèn tín hiệu tại các nút giao thông bằng giao thức thông minh dựa trên thuật toán Virtual Traffic Light (VTL) qua VANET, dựa trên nghiên cứu của nhóm tác giả người Bồ Đào Nha Thuật toán VTL yêu cầu sự tham gia của các xe tại các luồng khác nhau, đưa ra quyết định cho phép xe đi qua hoặc dừng lại tùy thuộc vào điều kiện giao thông tại từng thời điểm.

Chương 1: Đặt vấn đề GVHD: Ts Đỗ Hồng Tuấn

Bành Trường Sơn 4 đã được tối ưu hóa tốt hơn nhờ vào việc áp dụng thuật toán VTL, cho phép dàn xếp thời gian thực một cách hợp lý dựa trên tình trạng ùn tắc tại các khu vực giao lộ.

Luận văn tập trung vào việc cài đặt thuật toán VTL trên phần mềm mô phỏng Matlab để thực hiện các mô phỏng Các mô hình được xây dựng trên Matlab phản ánh gần như chính xác mô hình thực tế, trong đó lưu lượng xe tại các luồng giao lộ thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian, tuân theo một mật độ xác suất nhất định, chẳng hạn như phân bố Poisson Thời gian chu kỳ tín hiệu đỏ xanh được thiết lập trước và chu kỳ lấy mẫu kết quả cũng được xác định từ trước.

Mục đích của nghiên cứu là chứng minh rằng thuật toán VTL có khả năng tối ưu hóa lưu lượng giao thông tại các giao lộ, giúp giảm thiểu tình trạng tắc nghẽn so với hệ thống đèn giao thông truyền thống Mặc dù kết quả mô phỏng cho thấy hiệu quả của thuật toán VTL, vẫn còn một số hạn chế cần khắc phục Do đó, bài viết đề xuất một số giải pháp nhằm cải thiện tính tối ưu của thuật toán này.

Chi tiết công việc

Hệ thống đèn giao thông ảo sử dụng thuật toán VTL cho phép các xe từ các con đường khác nhau tại giao lộ bầu ra một "leader" thông qua một giao thức nhất định Leader này sẽ tạo ra đèn giao thông ảo và phát sóng, chẳng hạn qua chuẩn IEEE 802.11p, để điều khiển các xe lân cận và kiểm soát việc chuyển đổi trạng thái Để đảm bảo thuật toán đèn giao thông ảo hoạt động an toàn và hiệu quả, cần thu thập thông tin về vị trí, trạng thái hiện tại và lưu lượng của các xe, thông qua mạng VANET Do khó khăn trong việc thực hiện kiểm tra trong môi trường thực tế, mô phỏng trên Matlab được sử dụng để đánh giá tính khả thi của VTL Các mô phỏng này được thiết lập gần giống với mô hình thực tế, trong đó lưu lượng xe tại giao lộ thay đổi ngẫu nhiên theo thời gian, với chu kỳ tín hiệu đỏ và xanh được cài đặt trước.

Mục đích của mô phỏng là chứng minh rằng thuật toán VTL có khả năng tối ưu hóa lưu lượng giao thông tại các giao lộ, từ đó giảm thiểu tình trạng tắc nghẽn so với hệ thống đèn giao thông truyền thống Kết quả từ quá trình mô phỏng cho thấy rõ hiệu quả của giải pháp này.

Chương 1: Đặt vấn đề GVHD: Ts Đỗ Hồng Tuấn

Bành Trường Sơn 5 thuật toán VTL hiện vẫn còn một số hạn chế Để nâng cao tính tối ưu của thuật toán này, một số đề xuất cải tiến đã được đưa ra.

Luận văn được chia làm ba giai đoạn:

- Giai đoạn 1: một số kịch bản tại giao lộ 1 chiều đã được khảo sát và đánh giá sơ bộ

Trong giai đoạn 2, luận văn sẽ khảo sát và đánh giá các kịch bản còn lại tại một giao lộ Bên cạnh đó, nghiên cứu cũng mở rộng đánh giá khảo sát trên ba giao lộ kế cận nhằm tăng cường tính thuyết phục của thuật toán.

- Giai đoạn 3: đưa ra một số đề xuất nhằm làm tăng thêm tính tối ưu lưu lượng dựa trên mô hình VTL.

Lí thuyết cơ sở và phương pháp

Lí thuyết cơ sở

Trong những năm gần đây, ngành công nghiệp ô tô đã chuyển từ công nghệ tương tự sang công nghệ số, với sự phát triển nhanh chóng của hệ thống điều khiển mạng điện nội bộ (ECU) trên các xe ô tô mới, bao gồm kiểm soát động cơ, túi khí và hệ thống phanh thông minh Mạng thông tin vô tuyến cho xe, bao gồm thông tin nội bộ xe (InV), xe với xe (V2V) và xe với cơ sở hạ tầng (V2I), đang trở nên phổ biến, cho phép dữ liệu được trao đổi không chỉ trong xe mà còn ra ngoài Điều này dẫn đến sự phát triển các công nghệ mạng mới dành riêng cho ô tô Chương này sẽ giới thiệu các khái niệm cơ bản về Mobile Ad-Hoc Network (MANET), Vehicle Ad-hoc Network (VANET), cùng với tổng quan các công nghệ và chuẩn vô tuyến mới cũng như các vấn đề liên quan.

2.1.1 Mobile Ad-hoc NETwork (MANET)

Khi việc triển khai mạng điện thoại di động gặp khó khăn, công nghệ truy cập mạng internet trở thành giải pháp khả thi hơn Công nghệ MANET giúp giảm chi phí xây dựng và triển khai cơ sở hạ tầng mạng viễn thông Trong MANET, các nút di động không dây kết nối với nhau để tạo thành mạng không cần cơ sở hạ tầng, tuy nhiên, việc thiết lập kết nối MANET gặp phải một số thách thức do không có sự cấu hình trước.

- Việc định tuyến gói tin trong môi trường sơ đồ mạng (topology) thay đổi liên tục

- Các vấn đề và thách thức trong thông tin vô tuyến

- Các vấn đề tài nguyên lưu trữ và công suất thu phát của anten

Tại những khu vực hẻo lánh như rừng núi, việc xây dựng mạng lưới điện gặp nhiều khó khăn do không thể cung cấp đủ năng lượng cần thiết.

Chương 2: Lí thuyết cơ sở và phương pháp GVHD: Ts Đỗ Hồng Tuấn

HVTH: Bành Trường Sơn 7 là một hệ thống anten thu phát Tại những khu vực này, việc sử dụng thông tin vệ tinh là khả thi nhất, tuy nhiên, dung lượng vẫn còn hạn chế và trong một số tình huống dưới lòng đất, tín hiệu từ các vệ tinh không thể được nhận.

Mạng MANET kế thừa nhiều ưu điểm từ mạng internet, nơi mà mọi máy tính đều có vai trò bình đẳng trong giao tiếp Tuy nhiên, trong mạng điện thoại di động, các thiết bị phụ thuộc vào nhà mạng, ngay cả khi chúng ở gần nhau Mọi kết nối đều phải qua mạng lưới và nằm trong vùng phủ sóng của các trạm gốc Một ưu điểm khác là tính linh hoạt trong việc thiết lập kết nối, khi các router trên internet liên tục cập nhật thông tin từ các nút lân cận Công nghệ MANET cho phép mạng di động trao đổi thông tin với tần suất cao, lý do chính khiến nó được ứng dụng rộng rãi.

- Các thiết bị di động đã hình thành được một mạng ngang hàng (peer-to-peer) cho việc trao đổi dữ liệu với nhau hoặc với mạng viễn thông

Công nghệ này mở ra nhiều cơ hội kinh doanh mới, cho phép người dùng cuối trong những điều kiện nhất định có thể tránh xa mạng điện thoại di động thương mại truyền thống.

- Đối với các dịch vụ của MANET như peer-to-peer và chia sẻ dữ liệu có thể kết hợp với công nghệ 3G

Rõ ràng, MANET chính là một công nghệ mới đầy tiềm năng và tác động mạnh mẽ đến thế giới viễn thông và các nhà sản xuất phần cứng

2.1.2 Vehicular Ad-hoc NETwork (VANET)

Nguyên lý cơ bản của VANET dựa trên sự phổ biến và chi phí thấp của công nghệ WLAN, cho phép kết nối các xe ô tô với nhau và với cơ sở hạ tầng Việc này tạo điều kiện cho các ứng dụng an toàn cho xe ô tô, đồng thời tối ưu hóa hiệu quả của ô tô và đường xá Tuy nhiên, khi tốc độ xe tăng và môi trường hoạt động thay đổi liên tục, những thách thức mới xuất hiện Các ứng dụng an toàn cho cuộc sống yêu cầu tiêu chuẩn cao về vận chuyển gói tin với tốc độ nhanh và độ trễ thấp.

Chương 2: Lí thuyết cơ sở và phương pháp GVHD: Ts Đỗ Hồng Tuấn

Để đạt được sự đồng thuận giữa lái xe và chính quyền, cần thiết lập tiêu chí cao về độ riêng tư và an toàn giao thông Hiện nay, các phương tiện giao thông có khả năng tạo ra và phân tích lượng lớn dữ liệu nội bộ Thông qua VANET, các xe có thể giao tiếp trực tiếp với nhau hoặc tái vận chuyển thông điệp qua nhiều chặng Để cải thiện vùng phủ và chất lượng kết nối, có thể triển khai các trạm "relay" ven đường, hoạt động như cổng kết nối ra internet Nhờ vậy, thông tin có thể được thu thập, lưu trữ và xử lý linh hoạt trên nền tảng điện toán đám mây Hệ thống mạng cho xe ô tô đang được thúc đẩy mạnh mẽ nhờ sự đa dạng của các ứng dụng trong điện toán đám mây.

Các ứng dụng an toàn giao thông có thể triển khai hiệu quả qua VANET, đặc biệt là trong việc ngăn ngừa tai nạn Bên cạnh đó, việc thu thập dữ liệu về tình trạng lưu lượng trong khu vực giúp tăng cường lưu thông, giảm thời gian di chuyển và tiết kiệm nhiên liệu.

Tính an toàn và hiệu quả trong VANET là hai yếu tố không thể tách rời Khi xảy ra tai nạn, thông điệp cảnh báo có thể giúp các xe gần đó tránh được nguy cơ tai nạn liên hoàn, đặc biệt là những xe đang di chuyển với tốc độ cao Đồng thời, thông điệp này cũng cung cấp thông tin cho các xe không ở gần vụ tai nạn, giúp họ tính toán tuyến đường thay thế, từ đó nâng cao lưu lượng và hiệu quả giao thông.

Mặc dù ý tưởng và các khái niệm cơ bản về VANET khá đơn giản, nhưng thiết kế và triển khai hệ thống này gặp nhiều thách thức kỹ thuật và kinh tế Các thách thức kỹ thuật chính bao gồm việc đảm bảo sự kết nối ổn định, quản lý dữ liệu hiệu quả và bảo mật thông tin trong môi trường di động.

Kênh truyền vô tuyến trong mạng VANET (Vehicle Ad-hoc Network) có những thuộc tính vốn có gây khó khăn cho việc phát triển thông tin Các chướng ngại vật trong môi trường giao thông có thể gây ra phản xạ sóng, làm suy giảm cường độ và chất lượng tín hiệu nhận được Hơn nữa, sự di chuyển của các phương tiện và đối tượng xung quanh cũng dẫn đến hiện tượng fading, ảnh hưởng đến độ ổn định của kết nối vô tuyến.

Thiếu quản lý tập trung và tổ chức phối hợp trực tuyến gây khó khăn trong việc sử dụng hiệu quả băng thông của các kênh vô tuyến Điều này đặc biệt rõ ràng trong một mạng lưới hoàn toàn phân cấp và tự tổ chức, nơi mà việc thiếu một thực thể điều phối có thể dẫn đến lãng phí tài nguyên và giảm hiệu suất mạng.

Chương 2: Lí thuyết cơ sở và phương pháp GVHD: Ts Đỗ Hồng Tuấn

Bành Trường Sơn 9 HVTH đồng bộ hóa và quản lý việc truyền phát giữa các node khác nhau, dẫn đến hiệu quả sử dụng kênh truyền kém và gia tăng tình trạng đụng độ gói tin.

Tính di động cao trong mạng tự tổ chức phân cấp, đặc biệt là trong VANET, đặt ra nhiều thách thức do tốc độ di chuyển nhanh của các nút Điều này ảnh hưởng đến hiệu quả của các thuật toán tối ưu hóa, khi chúng cần cải thiện việc sử dụng băng thông kênh truyền và các tuyến đường đã được xác định trước để truyền thông tin một cách hiệu quả.

Giải pháp

VTL (Đèn giao thông ảo) là giải pháp khắc phục nhược điểm của đèn giao thông truyền thống, giúp điều khiển giao thông hiệu quả tại các giao lộ Với thuật toán VTL, các xe trong mạng VANET tự tạo ra đèn giao thông ảo của riêng mình Mỗi chu kỳ lấy mẫu, thuật toán này sẽ đưa ra các tình huống khác nhau dựa trên điều kiện giao thông cụ thể, cho phép xe qua giao lộ hoặc yêu cầu dừng lại VTL hoạt động dựa trên sự tham gia của các xe từ các hướng khác nhau tại giao lộ, và nó xem xét nhiều thông tin cũng như tham số như trạng thái và vị trí hiện tại, cũng như lưu lượng trên tuyến được chia sẻ giữa các xe.

Thông tin liên lạc không dây giữa các xe ô tô gặp phải thách thức trong truyền thông vô tuyến Để giải quyết vấn đề này, thuật toán VTL đã được phát triển nhằm đảm bảo an toàn tối ưu Một yếu tố quan trọng khác là sự đồng bộ hóa giữa các xe, giúp các quyết định của thuật toán VTL được thực hiện đồng nhất Đồng bộ hóa này được hỗ trợ bởi đồng hồ GPS, đảm bảo tính chính xác và hiệu quả trong quá trình vận hành.

Kiến trúc hệ thống VANET ứng dụng thuật toán VTL

Dựa vào tài liệu tham khảo từ dự án Distributed Virtual Traffic Light System (tháng 5 năm 2010) của nhóm tác giả người Bồ Đào Nha gồm Alexandre Santos, Hugo

Chương 2: Lí thuyết cơ sở và phương pháp GVHD: Ts Đỗ Hồng Tuấn

Conceiỗóo, Hugo Mendes và Nuno Jordóo đã chỉ ra rằng tất cả các thông điệp đều chứa thông tin GPS, bao gồm vị trí, vận tốc, đồng hồ, tên đường và giao lộ tiếp theo của xe Các thông điệp này được phân loại thành ba loại chính.

Beacon: mang thông tin tương tự như thông điệp UDP được sử dụng để các module định vị trên xe (Car Navigation Module – CNM) nhận biết nhau

Thông tin lưu lượng cung cấp dữ liệu về lưu lượng trên từng làn đường, bao gồm tốc độ trung bình của xe và thông tin nhận được từ các trung tâm mạng khác.

Thuật toán VTL sử dụng các thông điệp chứa thông tin về giao lộ mà xe sắp đến Những thông điệp này rất quan trọng cho việc điều hướng và đảm bảo an toàn giao thông.

- Propose: chứa thời gian ứng cử leader (propose timestamp) của CNM gửi CNM với thời gian đề xuất nhỏ hơn sẽ trở thành leader của giao lộ đó

Leader là thông tin liên quan đến người lãnh đạo và thời gian ứng cử của họ Các trường khác trong thông điệp này được mã hóa từ ID của người lãnh đạo CNM mà CNM đã nhận được.

Trong quá trình đàm phán, thông điệp này bao gồm các trường tương tự như những thông điệp trước đó, cùng với số lượng xe ô tô trong nhóm CNM Leader Thông điệp này được gửi đi bởi các CNM Leader.

Màu xanh lá cây chứa thông tin tương tự như thông điệp VTL ban đầu, bao gồm ID của con đường mà nó sẽ nhận tín hiệu màu xanh lá cây và thời gian GPS mà tín hiệu này sẽ kết thúc.

- Yellow: có các thông tin tương tự như thông điệp VTL và thời gian GPS mà tín hiệu đèn vàng sẽ kết thúc

- Black: báo hiệu các chức năng bị hỏng như tín hiệu, thiết bị không dây bị hỏng

Các xe chia sẻ thông tin vị trí qua bản đồ kỹ thuật số trong quá trình di chuyển Điều này giúp các xe xác định vị trí của nhau dựa trên thông tin từ các beacon phát ra định kỳ Bản đồ này được tích hợp vào tất cả các CNM.

Chương 2: Lí thuyết cơ sở và phương pháp GVHD: Ts Đỗ Hồng Tuấn

2.3.2 Module định vị (Car Navigation Module - CNM)

CNM là module trên xe có chức năng thực hiện thuật toán VTL, cung cấp thông tin liên lạc giữa các xe và các tài nguyên cần thiết cho việc thực thi thuật toán này cùng với các thuật toán chia sẻ thông tin lưu lượng Với điểm bắt đầu và kết thúc của tuyến đường, CNM có khả năng tính toán lộ trình hoàn chỉnh.

CNM nhận thông tin GPS định kỳ để tính toán lộ trình từ vị trí hiện tại đến đích, và thông tin này được chia sẻ trong các thông điệp giữa các CNM nhằm xác định vị trí của các xe khác Ngoài ra, thông tin GPS còn giúp cập nhật đồng hồ CNM, đóng vai trò quan trọng trong thuật toán VTL, yêu cầu sự đồng bộ hóa chính xác giữa các CNM.

CNM duy trì một danh sách các tuyến đường cùng với tốc độ trung bình của các phương tiện và thời gian GPS khi danh sách được tạo Danh sách này được làm sạch định kỳ dựa trên các timestamp để hạn chế thời gian tồn tại của thông tin Ngoài ra, danh sách này cũng được gửi định kỳ trong các thông điệp thông tin giao thông.

CNM trao đổi nhiều loại thông tin, bao gồm cảnh báo, thông tin giao thông và thông điệp VTL, thông qua các kênh không dây 802.11p Mỗi loại thông điệp được truyền qua ba kênh riêng biệt, cho phép lan truyền đồng thời Các beacon được gửi định kỳ, giúp CNM dò tìm lẫn nhau và chia sẻ thông tin cơ bản Thông tin trong các cảnh báo bao gồm xác định xe, vận tốc, vị trí, con đường và các giao lộ trong khu vực xe đang di chuyển.

Dựa trên thông tin từ các cảnh báo, CNM tạo ra danh sách các CNM hàng xóm, được làm sạch định kỳ theo giá trị tồn tại của mỗi mục, xác định bởi thời gian beacon cuối cùng từ xe CNM cũng gửi thông điệp thông tin giao thông định kỳ để trao đổi tốc độ trung bình của dòng lưu lượng trên mỗi đường, giúp tính toán lại các tuyến đường nhằm tránh tắc nghẽn Ngoài ra, CNM cho phép module hiển thị kết nối với nó, và khi kết nối, CNM bắt đầu gửi thông điệp định kỳ với vị trí của nó cùng vị trí các xe lân cận, giúp module hiển thị các láng giềng của nó.

Chương 2: Lí thuyết cơ sở và phương pháp GVHD: Ts Đỗ Hồng Tuấn

2.3.3 Màn hình hiển thị CNM

Màn hình hiển thị CNM tích hợp bản đồ số nhằm cung cấp thông tin phản hồi trực quan Nó tập trung vào xe liên quan đến CNM, hiển thị vị trí của xe trong bản đồ và các phương tiện khác trong khu vực đó.

Hình 2.9: Màn hình hiển thị trên xe chủ màu cam

2.3.4 Các đặc điểm kĩ thuật trong thiết kế thuật toán

Mạng không dây hoạt động theo kiểu broadcast, trong khi việc sử dụng thông tin liên lạc unicast có thể dẫn đến việc trao đổi nhiều thông điệp hơn Mỗi xe gửi một loại thông điệp cụ thể với chu kỳ khác nhau tùy thuộc vào vai trò của nó trong thuật toán Các leader tại giao lộ gửi thông điệp với tần số cao nhất do tầm quan trọng của chúng Việc tăng tần số thông điệp giúp thuật toán đáng tin cậy hơn trong môi trường rớt gói, nhưng cũng làm tăng xác suất va chạm giữa các thông điệp Xác định các giá trị tối ưu cho chu kỳ thông điệp là một vấn đề phức tạp Thêm vào đó, GPS thường được cập nhật với tần số thấp, do đó thuật toán cần được phát triển để thích ứng với thực tế này.

Khoảng cách giữa vòng LOA và LONR cho phép xe di chuyển với tốc độ vừa phải có đủ thời gian cập nhật vị trí và gửi/nhận thông điệp để đưa ra quyết định chính xác tại các giao lộ Môi trường không dây dễ bị mất gói tin, do đó, cơ chế VTL rất quan trọng cho an toàn mạng sống của lái xe Thuật toán phải đảm bảo tính mạnh mẽ và duy trì an toàn trong mọi tình huống Để đạt được mục tiêu này, một giải pháp cụ thể đã được đề xuất.

Chương 2: Lí thuyết cơ sở và phương pháp GVHD: Ts Đỗ Hồng Tuấn

Thuật toán đèn giao thông ảo VTL

Luận văn này sử dụng thuật toán đèn giao thông ảo VTL, được tham khảo từ [3], để mô phỏng và đánh giá hiệu quả trên Matlab, nhằm đề xuất các giải pháp cải thiện lưu lượng giao thông Trước khi đi sâu vào chi tiết của thuật toán VTL, đề tài sẽ nêu ra một số giả định cơ bản.

- Điều tối quan trọng là mạng lưới VANET phải đáng tin cậy và có thông lượng đủ để cho phép các mô phỏng thời gian thực

- Tất cả các tài xế chấp hành sự dàn xếp của protocol (không có hành vi cố gắng để thay đổi các trạng thái của thuật toán VTL)

Tất cả các xe trong mạng VANET được trang bị thiết bị mạng không dây 802.11p, giúp đảm bảo quá trình truyền thông tin lý tưởng với tỷ lệ rớt gói thấp, độ trễ thấp và tỷ lệ va chạm thông điệp cũng giảm thiểu.

Các xe trang bị thiết bị GPS cung cấp thời gian toàn cầu và vị trí được đồng bộ hóa với độ chính xác cao, đạt mức độ làn xe Tất cả các xe đều sử dụng một bản đồ kỹ thuật số chung cho cùng một kịch bản đường.

- Không có bất kì trục trặc hay hỏng hóc nào ở phần cứng

Chương 2: Lí thuyết cơ sở và phương pháp GVHD: Ts Đỗ Hồng Tuấn

2.4.1 Chi tiết thuật toán VTL

Hình 2.10: Giao lộ với vòng LOA và LONR [3]

Thuật toán trong ứng dụng VTL được thiết kế để đảm bảo an toàn tối đa cho lái xe, giảm thiểu rủi ro khi xảy ra lỗi Trong trường hợp các xe không đồng ý với quyết định nào đó, tất cả sẽ dừng lại Thuật toán dàn xếp chọn ra một leader nhằm tối ưu hóa lưu lượng giao thông, và quá trình này phải diễn ra nhanh chóng trước khi xe đạt đến ngưỡng khoảng cách LONR, đồng thời chuẩn bị cho các tình huống không đạt được sự đồng thuận.

Thuật toán nhằm mục đích giúp các xe tự điều khiển giao thông tại giao lộ thông qua việc tạo ra đèn giao thông ảo Các xe sử dụng hệ thống GPS và card mạng 802.11p không dây để xác định vị trí và sự hiện diện của nhau Mỗi xe gửi beacon định kỳ để thông báo vị trí của mình, cho phép đồng bộ hóa thông tin trong thuật toán VTL Khi tiếp cận giao lộ, các xe có khả năng nhận diện sự hiện diện của xe khác trong cùng hoặc khác nhóm Để đảm bảo an toàn cao nhất, các xe sẽ gửi nội dung mở rộng trong beacon với chu kỳ ngắn hơn, cung cấp thông tin cần thiết cho quá trình dàn xếp theo thuật toán VTL Máy trạng thái được lập trình sẵn sẽ điều khiển các quy trình này.

Khi đến vòng Line Of No Return (LONR), xe cần quyết định dừng lại hoặc tiếp tục di chuyển Nếu có xe đang chạy trên đường vuông góc phía trước và đèn tín hiệu đang đỏ, xe phải dừng lại Ngược lại, nếu không có xe nào trên đường vuông góc, xe có thể tiếp tục đi.

Chương 2: Lí thuyết cơ sở và phương pháp GVHD: Ts Đỗ Hồng Tuấn

HVTH: Bành Trường Sơn 35 được phát hiện trong chu kỳ đèn xanh của luồng Line Of Activity (LOA) là giai đoạn mà thuật toán chuyển từ trạng thái Idle sang Active, chuẩn bị cho việc dàn xếp VTL Thuật toán giả định rằng khoảng cách giữa các giao lộ lớn hơn bán kính của LONR.

Bảng 2.4: Các biến cấu hình [3] Đường kính của LOA 280m Đường kính của LONR 140m

Ngưỡng thời gian Leader bị coi là hết hoạt động T ODL -

Chu kì phát Basic Beacon TB -

Chu kì phát Green Beacon T G T G = T B /2

Chu kì phát Propose, Leader và Beacon TL TL= TB/5

NGN Số xe không cùng nhóm

Cập nhật sau C.A (điều kiện Active) từ danh sách neighbor

GN Số xe cùng nhóm

* Nguyên lí hoạt động của đèn giao thông ảo (VTL):

Hình 2.11: Nguyên lí hoạt động của đèn giao thông ảo (VTL) [2]

Chương 2: Lí thuyết cơ sở và phương pháp GVHD: Ts Đỗ Hồng Tuấn

Khi đến vòng LOA, trước tiên các xe sẽ kiểm tra xem có xe ở phía đường vuông góc không Hai trường hợp sau có thể xảy ra như sau:

- Nếu không có xe ở phía đường vuông góc: xe sẽ chuyển sang trạng thái đèn vàng và băng qua giao lộ với sự cẩn trọng

Khi có xe ở phía đường vuông góc, xe sẽ kiểm tra sự hiện diện của đèn giao thông ảo Nếu đèn giao thông ảo đã xuất hiện, xe sẽ tuân thủ theo chỉ dẫn của xe dẫn đầu Ngược lại, nếu không có đèn giao thông, xe nhận thức được khả năng xảy ra va chạm tại giao lộ và sẽ tham gia vào quá trình bầu chọn xe dẫn đầu.

* Quá trình bầu chọn leader:

Bảng 2.6: Các điều kiện xem xét [3]

C.I Điều kiện Idle khi D> ФLOA/2

C.A Điều kiện Active, bắt đầu dàn xếp khi Ф LOA /2 < D < Ф LONR /2

C.N.R.0 Điều kiện đèn vàng khi ФLONR/2