Bối cảnh và vấn đề nghiên cứu

Sự gia tăng nhanh chóng của các phương tiện giao thông tại các đô thị lớn kéo theo tình trạng ùn tắc giao thông cục bộ diễn ra thường xuyên tại các nút giao cắt. Tuyến đường Lê Hồng Phong (thành phố Hải Phòng) là trục giao thông huyết mạch kết nối trung tâm thành phố với khu vực Sân bay Cát Bi và các khu dân cư, trung tâm thương mại. Mặc dù là tuyến đường mới với mặt cắt ngang rộng (từ 40m đến 45m gồm 4 làn xe), tình trạng ách tắc vẫn diễn ra vào các khung giờ cao điểm, đặc biệt tại khu vực nút giao Cầu vượt Nguyễn Bỉnh Khiêm và nút giao Ngô Gia Tự – Lê Hồng Phong.

Thực trạng tổ chức đèn tín hiệu độc lập tại từng ngã tư bộc lộ hạn chế khi phương tiện phải dừng đỗ nhiều lần, làm gia tăng thời gian chờ, tiêu hao nhiên liệu và tăng nguy cơ xung đột giao thông. Việc phối hợp điều khiển tín hiệu liên nút theo giải pháp "làn sóng xanh" (Green Wave) thông qua bộ điều khiển lập trình PLC (Programmable Logic Controller) được tác giả lựa chọn nhằm giải quyết bài toán đồng bộ luồng xe trên toàn tuyến.

Nhiệm vụ và mục tiêu nghiên cứu của đồ án được xác định gồm các nội dung chính sau:

  1. Khảo sát hiện trạng hình học và đặc điểm lưu thông tại các nút giao thông trọng điểm trên trục đường Lê Hồng Phong.
  2. Nghiên cứu cấu trúc phần cứng, tập lệnh và phương pháp lập trình trên dòng PLC Siemens S7-200 (CPU 214).
  3. Thiết lập thuật toán tính toán chu kỳ đèn và thời gian lệch pha ($\Delta t$) giữa các nút giao kề nhau nhằm thiết lập làn sóng xanh với vận tốc di chuyển tính toán $V_t = 25\text{ km/h}$.
  4. Thiết kế, lắp ráp và lập trình mô hình thực nghiệm điều khiển hệ thống đèn tín hiệu giao thông liên nút sử dụng PLC S7-200.

Đối tượng nghiên cứu là hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông trên trục đường Lê Hồng Phong. Phạm vi không gian của nghiên cứu tập trung vào chuỗi các nút giao thông: Ngã tư Lô 22 – Parkson, Parkson – Cầu vượt Nguyễn Bỉnh Khiêm, và Cầu vượt Nguyễn Bỉnh Khiêm – Ngã tư Ngô Gia Tự (Sân bay Cát Bi).

Cơ sở lý thuyết và phương pháp

Đồ án sử dụng phương pháp tính toán tham số giao thông kết hợp với kỹ thuật thiết kế hệ thống điều khiển tự động hóa bằng PLC:

Nguyên lý tổ chức làn sóng xanh

Tổ chức giao thông theo làn sóng xanh là phương pháp điều khiển liên kết các nút giao trên cùng một tuyến đường, sao cho đoàn xe xuất phát khi có tín hiệu đèn xanh tại nút thứ nhất với vận tốc thiết kế xác định ($V_t$) sẽ liên tục gặp tín hiệu đèn xanh tại các nút giao tiếp theo.

Độ lệch thời gian khởi động đèn xanh giữa hai ngã tư liền kề ($\Delta t$) được tính theo công thức: $$\Delta t = \frac{L}{V_t}$$ Trong đó:

  • $\Delta t$: Thời gian chênh lệch bật đèn xanh giữa hai nút kề nhau (giây).
  • $L$: Khoảng cách giữa hai nút giao (mét).
  • $V_t$: Vận tốc trung bình của dòng phương tiện ($V_t = 25\text{ km/h} \approx 6{,}94\text{ m/s}$).

Để làn sóng xanh duy trì tính tuần hoàn, chu kỳ làm việc ($T_{ck}$) của tất cả các nút giao trên tuyến phải đồng nhất ($T_{ck1} = T_{ck2} = \dots = T_{ckn}$).

Nền tảng điều khiển PLC Siemens S7-200 (CPU 214)

Hệ thống sử dụng bộ điều khiển logic khả trình PLC S7-200 với khối vi xử lý CPU 214 của hãng Siemens, có các đặc tính kỹ thuật:

  • Ngõ vào/ra tích hợp: 14 ngõ vào số (Digital Input) và 10 ngõ ra số (Digital Output); khả năng mở rộng tối đa 7 module.
  • Bộ nhớ: Vùng nhớ chương trình và tham số kiểu non-volatile; bộ nhớ dữ liệu duy trì bằng tụ điện lưu trữ trong 190 giờ khi mất nguồn.
  • Bộ định thời và bộ đếm: 128 Timer (gồm 4 Timer 1ms, 16 Timer 10ms, 108 Timer 100ms) và 128 Counter.
  • Truyền thông: Cổng nối tiếp RS-485 chuẩn PPI tốc độ 9600 baud, hỗ trợ ghép nối PC qua cáp chuyển đổi PC/PPI.
  • Phương pháp lập trình: Ngôn ngữ hình thang (Ladder Diagram - LAD) và danh sách lệnh (Statement List - STL) hoạt động theo chu trình quét (Scan Cycle: Đọc dữ liệu ngõ vào $\rightarrow$ Thực hiện chương trình $\rightarrow$ Truyền thông và tự kiểm tra lỗi $\rightarrow$ Xuất dữ liệu ra cổng ngoại vi).

Thiết kế và triển khai hệ thống mô hình

Hệ thống điều khiển thực nghiệm được thiết kế bao gồm mạch điều khiển trung tâm và mạch động lực cấp nguồn cho cơ cấu chấp hành:

Cấu hình thiết bị phần cứng

  • Bộ điều khiển trung tâm: 01 PLC Siemens S7-200 CPU 214 sử dụng nguồn cấp 24V DC.
  • Khối nguồn và chỉnh lưu: 01 Biến áp 5A hạ áp từ lưới điện 220V AC xuống 24V AC, kết hợp bộ chỉnh lưu chuyển đổi thành điện áp một chiều 24V DC cấp nguồn nuôi cho PLC và tải đèn.
  • Khối chấp hành trung gian: 06 rơ le trung gian cuộn hút 24V DC đóng vai trò cách ly và đóng cắt dòng điện trực tiếp cho các cụm đèn tín hiệu.
  • Hệ thống đèn hiển thị: 48 đèn tín hiệu LED công nghiệp 24V DC, bao gồm 16 đèn xanh, 16 đèn vàng và 16 đèn đỏ bố trí cho các hướng lưu thông của phương tiện và người đi bộ.

Thông số kết cấu mô hình thực nghiệm

Mô hình bàn thí nghiệm được gia công với kích thước tổng thể: chiều dài 260 cm, chiều rộng 60 cm. Tỷ lệ khoảng cách giữa các ngã tư trên mô hình được thiết kế theo tỷ lệ không gian thực tế $1 : 1 : 4$, tương ứng với các phân đoạn thực địa:

  • Đoạn Lô 22 – Parkson: 300 m (tỷ lệ mô hình 1).
  • Đoạn Parkson – Cầu vượt Nguyễn Bỉnh Khiêm: 300 m (tỷ lệ mô hình 1).
  • Đoạn Cầu vượt Nguyễn Bỉnh Khiêm – Ngô Gia Tự: 1200 m (tỷ lệ mô hình 4).

Nội dung chính theo từng chương

Chương 1: Hiện trạng các nút giao thông tuyến đường Lê Hồng Phong

Chương 1 khảo sát chi tiết đặc điểm hình học, luồng phương tiện và tình trạng tổ chức giao thông tại các nút giao trọng điểm trên tuyến:

  • Nút giao Lê Hồng Phong – Ngô Gia Tự (khu vực Sân bay Cát Bi): Mặt đường phía Lê Hồng Phong rộng từ 40m đến 45m, phía Ngô Gia Tự rộng 20m. Khoảng cách giữa 2 vạch đi bộ theo trục Lê Hồng Phong là 43m, trục Ngô Gia Tự là 20m. Do gần sân bay, chợ Cát Bi và các trường học, nút giao thường xảy ra ùn tắc vào các khung giờ 7h20, 11h40 và 17h40. Tại hướng Ngô Gia Tự, bố trí đèn phụ cho phép rẽ phải khi đèn đỏ mắc song song với đèn đỏ để giảm áp lực dòng xe.
  • Nút giao Cầu vượt Nguyễn Bỉnh Khiêm (Lê Hồng Phong – Nguyễn Bỉnh Khiêm): Mặt đường mỗi hướng rộng 40m đến 45m, lề đường trung bình 20m, khoảng cách giữa 2 vạch đi bộ là 40m. Nút có vòng xuyến lớn và nhánh rẽ phải độc lập. Xe tải trọng lớn trên 15 tấn và luồng xe đi thẳng trên đường Nguyễn Bỉnh Khiêm được phân luồng qua cầu vượt. Hệ thống đèn bố trí 4 cột cao 3,8m kết hợp các cụm đèn phụ cho người đi bộ.
  • Nút giao Parkson (Lê Hồng Phong – Lô 22): Mặt đường Lê Hồng Phong rộng 40–45m (lề đường 10m), đường nội bộ Lô 22 và Lô 7 rộng 20m (lề đường 10m). Vạch người đi bộ trục Lê Hồng Phong cách nhau 40m, trục nội bộ cách nhau 25m. Làn xe máy hẹp kết hợp mật độ trung tâm thương mại cao dẫn đến ùn ứ cục bộ. Hệ thống có bố trí đèn phụ rẽ phải đồng pha với đèn đỏ trên trục Lê Hồng Phong.
  • Các nút giao khác: Các nút giao Đông Khê, Đằng Lâm, Lô 22 và Sân bay Cát Bi giao cắt với các đường nội bộ 2 làn xe, lưu lượng thấp hơn và ít xảy ra xung đột nghiêm trọng.

Chương 2: Ứng dụng PLC xây dựng hệ thống điều khiển tín hiệu đèn giao thông theo làn sóng xanh

Chương 2 trình bày cơ sở lý thuyết về PLC S7-200 và phương pháp tính toán xác lập thông số vận hành của làn sóng xanh:

  • Tính toán chu kỳ chung ($T_{ck}$): Lựa chọn 4 nút giao thông chính có lưu lượng lớn để tính toán thời gian pha trung bình:

    • Thời gian xanh hướng 1 (trục chính Lê Hồng Phong): $T_{x1} = \frac{28 + 32 + 24 + 30}{4} = 28{,}5\text{ s}$.
    • Thời gian xanh hướng 2 (trục cắt ngang): $T_{x2} = \frac{18 + 24 + 18 + 16}{4} = 19\text{ s}$.
    • Chu kỳ đèn trung bình: $T_{cktb} = \frac{52 + 52 + 48 + 52}{4} = 51\text{ s}$.

  • Xử lý bất đối xứng khoảng cách: Khoảng cách giữa các nút trên tuyến không đồng đều (đoạn Lô 22 – Parkson và Parkson – Cầu vượt dài 300m, nhưng đoạn Cầu vượt – Ngô Gia Tự dài 1200m). Tác giả đề xuất giải pháp chia đoạn 1200m thành 4 đoạn ảo bằng nhau, mỗi đoạn dài 300m. Khi đó, thời gian hành trình chuẩn qua mỗi đoạn 300m với vận tốc $V_t = 6{,}94\text{ m/s}$ ($25\text{ km/h}$) là: $$S_{ttb} = \frac{300}{6{,}94} \approx 44\text{ s}$$

  • Phân bổ thời gian pha chu kỳ 51 giây:

Thông số pha tín hiệu Hướng 1 (Trục chính Lê Hồng Phong) Hướng 2 (Trục đường giao cắt)
Thời gian đèn Xanh ($T_{xanh}$) 29 s (hiệu chỉnh 27,5 s) 20 s (hiệu chỉnh 19 s)
Thời gian đèn Vàng ($T_{vàng}$) 3 s (hiệu chỉnh 2,91 s) 3 s (hiệu chỉnh 2,91 s)
Thời gian đèn Đỏ ($T_{đỏ}$) 19 s 28 s
Tổng thời gian chu kỳ ($T_{ck}$) 51 s 51 s

Chương 3: Mô hình điều khiển tín hiệu đèn giao thông theo làn đèn xanh tuyến đường Lê Hồng Phong

Chương 3 chi tiết hóa việc hiện thực hóa mô hình phần cứng và giải thuật điều khiển:

  • Thiết kế mạch nguyên lý liên kết giữa cổng ra số (Digital Output) của CPU 214 với 6 rơ le trung gian 24V DC để điều khiển cụm 48 đèn tín hiệu.
  • Xây dựng sơ đồ thuật toán và chương trình LAD trên phần mềm STEP 7-Micro/WIN, sử dụng các khối Timer (TON/TONR) để tạo trễ thời gian lệch pha $\Delta t = 44\text{s}$ giữa các nút.
  • Vận hành thử nghiệm mô hình thực nghiệm $260\text{ cm} \times 60\text{ cm}$, kiểm chứng sự đồng bộ tín hiệu xanh liên tục khi dòng phương tiện giả định di chuyển dọc tuyến Lê Hồng Phong.

Kết quả và đóng góp

Kết quả tính toán và thực nghiệm

  1. Thông số kỹ thuật tuyến: Xác lập vận tốc dòng xe đồng bộ trên tuyến $V_t = 25\text{ km/h}$ ($6{,}94\text{ m/s}$), tính toán chính xác độ lệch thời gian $\Delta t$ giữa các nút giao:
Đoạn tuyến giao thông Chiều dài $L$ (m) Vận tốc thiết kế $V_t$ (m/s) Thời gian lệch pha $\Delta t$ (s)
Lô 22 – Parkson 300 6,94 44
Parkson – Cầu vượt Nguyễn Bỉnh Khiêm 300 6,94 44
Cầu vượt Nguyễn Bỉnh Khiêm – Ngô Gia Tự 1200 6,94 174 (chia 4 phân đoạn $\approx 44\text{ s}$)
  1. Chế độ làm việc tối ưu: Hệ thống đồng bộ chu kỳ đèn thống nhất 51 giây cho tất cả các nút giao, ưu tiên trục chính Lê Hồng Phong với thời gian đèn xanh 27,5–29 giây, giải phóng nhanh luồng phương tiện chính mà vẫn đảm bảo 19–20 giây đèn xanh cho các tuyến nhánh.
  2. Mô hình phần cứng hoàn chỉnh: Chế tạo thành công mô hình sa bàn kích thước $260\text{ cm} \times 60\text{ cm}$, tích hợp PLC S7-200 CPU 214, biến áp 5A, bộ chỉnh lưu, 6 rơ le trung gian và 48 đèn LED hiển thị, đáp ứng chính xác giải thuật điều khiển thời gian thực.

Đóng góp của đề tài

  • Đưa ra phương án chia nhỏ phân đoạn không gian (chia đoạn dài 1200m thành các phân đoạn 300m tương đương) để khắc phục tình trạng cự ly không đồng đều giữa các ngã tư, tạo điều kiện đồng bộ hóa chu kỳ làn sóng xanh.
  • Ứng dụng giải pháp tự động hóa công nghiệp bằng PLC thay thế các mạch điều khiển rời rạc hoặc vi điều khiển đơn lẻ, nâng cao tính linh hoạt và độ ổn định cho hệ thống điều khiển giao thông đô thị.

Hạn chế và hướng nghiên cứu tiếp

Hạn chế ghi nhận trong văn bản

  • Phụ thuộc vào tính đồng nhất của dòng xe: Giải pháp làn sóng xanh đòi hỏi các phương tiện phải duy trì vận tốc ổn định quanh mức $25\text{ km/h}$. Trong điều kiện dòng giao thông hỗn hợp có sự chênh lệch lớn về tốc độ giữa các loại xe, hiệu quả làn sóng xanh sẽ bị suy giảm.
  • Độ nhạy với tình trạng quá tải: Thời gian đặt chu kỳ 51s là thông số tối ưu tĩnh. Khi lưu lượng xe vượt quá dung lượng thông hành dẫn đến tắc nghẽn nghiêm trọng, hệ thống đèn cố định không thể tự giải tỏa mà bắt buộc phải có sự điều tiết trực tiếp từ lực lượng cảnh sát giao thông.

Hướng phát triển

  • Mở rộng kết nối mạng truyền thông công nghiệp giữa các trạm PLC đặt tại từng ngã tư về trung tâm điều hành giao thông thành phố.
  • Tích hợp thêm các cảm biến giám sát lưu lượng và camera giao thông để thu thập dữ liệu thời gian thực, tiến tới điều khiển chu kỳ đèn thích nghi theo mật độ xe.

Giá trị tham khảo

Đồ án là tài liệu tham khảo chuyên môn cho:

  • Sinh viên ngành Kỹ thuật Điều khiển và Tự động hóa, Điện Công nghiệp: Tham khảo cấu hình phần cứng PLC S7-200 (CPU 214), kỹ thuật phân vùng bộ nhớ, phương pháp lập trình LAD điều khiển tuần tự bằng Timer và kỹ thuật ghép nối mạch lực qua rơ le trung gian.
  • Kỹ sư và cán bộ quản lý giao thông đô thị: Tham khảo phương pháp tính toán chu kỳ đèn liên nút, công thức xác định độ lệch thời gian $\Delta t$, và giải pháp phân chia phân đoạn để thiết lập làn sóng xanh trên các trục đường đô thị có khoảng cách nút không đồng đều.

Câu hỏi thường gặp

1. Tại sao đề tài lại chọn chu kỳ đèn chung là 51 giây cho tất cả các nút giao?

Chu kỳ 51 giây được xác định dựa trên trung bình cộng chu kỳ làm việc độc lập của 4 nút giao thông chính có lưu lượng lớn trên tuyến Lê Hồng Phong: $$T_{cktb} = \frac{52 + 52 + 48 + 52}{4} = 51\text{ (giây)}$$ Con số này xấp xỉ với thời gian phương tiện di chuyển qua phân đoạn khoảng cách chuẩn 300m với vận tốc $25\text{ km/h}$ ($\Delta t \approx 44\text{s}$), đảm bảo điều kiện cần để thiết lập làn sóng xanh lặp lại tuần hoàn.

2. Tác giả giải quyết bài toán khoảng cách không đều giữa đoạn Cầu vượt – Ngô Gia Tự (1200m) và các đoạn khác (300m) như thế nào?

Để tránh tình trạng chênh lệch thời gian pha quá lớn làm triệt tiêu làn sóng xanh, tác giả chia chiều dài đoạn 1200m thành 4 đoạn bằng nhau, mỗi đoạn dài 300m. Khi đó, thời gian phương tiện chạy qua mỗi phân đoạn 300m đều đồng nhất ở mức 44 giây, tương thích với chu kỳ chung 51 giây của toàn hệ thống.

3. Cấu hình phần cứng của PLC S7-200 CPU 214 trong đồ án gồm những thông số nào?

CPU 214 tích hợp 14 cổng vào số, 10 cổng ra số, khả năng mở rộng tối đa 7 module, 128 Timer (chia làm 3 cấp: 1ms, 10ms, 100ms), 128 Counter, vùng nhớ duy trì dữ liệu trong 190 giờ khi mất nguồn và cổng truyền thông nối tiếp RS-485 chuẩn PPI với tốc độ truyền mặc định 9600 baud.

4. Hệ thống mô hình thực nghiệm sử dụng những thiết bị động lực nào để điều khiển 48 đèn tín hiệu?

Mạch động lực của mô hình gồm: 01 biến áp 5A (hạ áp 220V AC xuống 24V AC), 01 bộ chỉnh lưu chuyển thành 24V DC, 06 rơ le trung gian 24V DC đóng vai trò chấp hành đóng cắt nguồn, và 48 đèn LED tín hiệu 24V DC (16 xanh, 16 vàng, 16 đỏ) phân bố trên sa bàn kích thước $260\text{ cm} \times 60\text{ cm}$.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp của sinh viên Nguyễn Trung Kiên đã giải quyết bài toán điều khiển giao thông liên nút trên trục đường Lê Hồng Phong (Hải Phòng) bằng phương pháp làn sóng xanh dựa trên PLC S7-200. Tác giả đã hoàn thành việc khảo sát hiện trạng 6 nút giao, tính toán tối ưu hóa chu kỳ đèn chung 51 giây với vận tốc thiết kế $25\text{ km/h}$, và xử lý thành công tính bất đối xứng về khoảng cách tuyến. Mô hình thực nghiệm với quy mô 48 đèn tín hiệu điều khiển qua PLC và rơ le trung gian đã chứng minh tính khả thi và độ ổn định của giải pháp trong thực tiễn tự động hóa giao thông đô thị.