Giới thiệu dự án

Tình trạng ùn tắc giao thông tại các đô thị loại I của Việt Nam như TP. Hải Phòng đang gia tăng với tốc độ trên 12%/năm về mật độ phương tiện cá nhân. Tuyến đường Lê Hồng Phong là trục giao thông huyết mạch kết nối trung tâm thành phố với Cảng hàng không Quốc tế Cát Bi, có mặt cắt ngang rộng từ 40m đến 45m với 4 làn xe cơ giới. Dọc tuyến đường tập trung các trung tâm thương mại lớn (Parkson), khu đô thị (Lô 22, Đông Khê, Đằng Lâm) và nút giao trọng điểm Nguyễn Bỉnh Khiêm - nơi có lưu lượng xe tải, xe container và ô tô con di chuyển dày đặc.

Hiện trạng các cụm đèn tín hiệu hoạt động độc lập (Isolated Fixed-Time Control) dẫn đến nghịch lý: dù hạ tầng đường rất rộng nhưng phương tiện liên tục phải dừng chờ đèn đỏ tại từng ngã tư kế tiếp. Ùn tắc cục bộ xảy ra nghiêm trọng vào các khung giờ cao điểm (7h20 sáng, 11h40 trưa, 17h40 chiều), làm tăng 35-40% lượng phát thải khí $\text{CO}_2$, lãng phí nhiên liệu và giảm vận tốc hành trình trung bình xuống dưới 15 km/h.

Tốc độ: 25 km/h (6.94 m/s)          Delta_t = 44s                Delta_t = 44s                  Delta_t = 174s (~4x44s)
Pha đèn: Chu kỳ Tck = 51s           Đồng bộ Xanh                 Đồng bộ Xanh                   Đồng bộ Xanh

Mục tiêu dự án

  1. Thiết kế giải pháp phối hợp tín hiệu liên nút theo nguyên lý "Làn sóng xanh" (Green Wave Coordination) cho toàn tuyến Lê Hồng Phong nhằm triệt tiêu điểm nghẽn dừng xe liên hoàn.
  2. Xây dựng thuật toán tính toán chu kỳ đèn chung ($T_{ck}$), phân bổ pha đèn tối ưu ($T_x, T_v, T_d$) và xác định độ lệch pha thời gian ($\Delta t$) chuẩn xác dựa trên vận tốc thiết kế $V_t = 25\text{ km/h}$ ($6.94\text{ m/s}$).
  3. Phát triển chương trình điều khiển logic khả trình trên nền tảng PLC Siemens S7-200 (CPU 214) với độ ổn định công nghiệp, khả năng vận hành 24/7 và chuẩn hóa ghép nối mạng truyền thông công nghiệp.
  4. Chế tạo mô hình thực nghiệm (Hardware-in-the-Loop Testbench) kích thước $260\text{cm} \times 60\text{cm}$ kiểm chứng hoạt động đồng pha thực tế của 48 đèn tín hiệu tại 4 cụm nút giao chính.

Phạm vi và giới hạn

  • Phạm vi nghiên cứu: Tuyến đường Lê Hồng Phong (đoạn từ Lô 22 đến ngã tư Sân bay Cát Bi - Ngô Gia Tự) gồm 4 nút giao tiêu biểu: Lô 22, Parkson, Cầu vượt Nguyễn Bỉnh Khiêm, Ngô Gia Tự.
  • Giới hạn kỹ thuật: Hệ thống thiết kế theo cơ chế chu kỳ cố định có phối hợp pha (Coordinated Fixed-Time Offset). Chưa tích hợp vòng từ cảm ứng (Inductive Loop) hoặc Camera AI để tự động thay đổi chu kỳ thích nghi theo thời gian thực (Adaptive Control).

Phân tích và thiết kế giải pháp

Phân tích hiện trạng

Phương pháp điều khiển Ưu điểm Nhược điểm Chi phí triển khai Độ tin cậy công nghiệp
Đèn hẹn giờ độc lập (Timer IC 555/Vi điều khiển rời) Chi phí phần cứng thấp, thiết kế mạch đơn giản Không có liên kết giữa các nút, xe dừng đèn đỏ liên tục, khó hiệu chỉnh khi thay đổi giao thông Rất thấp (~5-10 triệu VNĐ/nút) Kém, dễ nhiễu nguồn và xung áp sét lan truyền
Hệ thống điều phối trung tâm bằng SCADA/Máy tính Giám sát toàn diện, phân tích lưu lượng trực quan Chi phí phần mềm bản quyền cao, phụ thuộc đường truyền mạng liên tục, cấu hình phức tạp Rất cao (>500 triệu VNĐ/tuyến) Phụ thuộc máy chủ trung tâm
Hệ thống PLC phối hợp Làn sóng xanh (Đề xuất) Độ bền chuẩn công nghiệp (MTBF cao), hỗ trợ mở rộng module, lập trình linh hoạt, đồng bộ pha chuẩn xác Cần tính toán hình học tuyến đường kỹ lưỡng Tối ưu (~50-80 triệu VNĐ/tuyến) Rất cao, hoạt động bền bỉ trong môi trường khắc nghiệt

Phân loại yêu cầu hệ thống (MoSCoW)

  • Must have (Bắt buộc): Đồng bộ pha xanh liên nút với chu kỳ $T_{ck} = 51\text{s}$; thời gian trễ dịch chuyển $\Delta t = 44\text{s}$ trên từng phân đoạn 300m; tích hợp đèn phụ rẽ phải cho hướng Ngô Gia Tự và Parkson.
  • Should have (Nên có): Tách biệt mạch lực 24VDC thông qua rơ le trung gian cách ly quang; bảo vệ lưu dữ liệu qua tụ dung non-volatile lên tới 190 giờ khi mất điện lưới.
  • Could have (Có thể mở rộng): Tích hợp module analog/truyền thông mở rộng qua mạng RS-485 PPI để kết nối về trung tâm điều hành tập trung.
  • Won't have (Chưa thực hiện ở pha này): Cảm biến quang đếm mật độ lưu lượng xe tự động tại thời điểm thực.

Thiết kế hệ thống

Cấu hình phần cứng và công nghệ

  • Bộ điều khiển trung tâm: Siemens S7-200 CPU 214 (14 ngõ vào Digital Input 24VDC, 10 ngõ ra Digital Output Relay/Transistor, bộ nhớ 4KB non-volatile, 128 Timers, 128 Counters, 688 bit nhớ đặc biệt SM).
  • Phần mềm lập trình: STEP 7-Micro/WIN v4.0 SP9.
  • Giao thức truyền thông: Cổng nối tiếp RS-485 chuẩn PPI (Point-to-Point Interface), tốc độ truyền baud rate 9600 bps.
  • Thiết bị mạch lực: Biến áp hạ áp cách ly 220VAC/24VAC 5A; Cầu diode chỉnh lưu lọc phẳng ripple; 6 rơ le trung gian 24VDC chịu dòng 10A/250VAC.
  • Hệ thống hiển thị: 48 bóng LED tín hiệu giao thông công suất cao (16 Xanh, 16 Vàng, 16 Đỏ) chia đều cho 4 nút.

Bản đồ gán địa chỉ bộ nhớ PLC (Memory & I/O Mapping)

Ký hiệu PLC Địa chỉ phần cứng Chức năng kỹ thuật Điện áp định mức
I0.0 Input Chân 1 Nút bấm Khởi động hệ thống (START) 24VDC
I0.1 Input Chân 2 Nút bấm Dừng khẩn cấp / Dừng hệ thống (STOP) 24VDC
Q0.0 Output Chân 1 Cuộn hút Rơ le 1: Đèn Xanh hướng chính Lê Hồng Phong ($DX_1$) 24VDC / 2A
Q0.1 Output Chân 2 Cuộn hút Rơ le 2: Đèn Vàng hướng chính Lê Hồng Phong ($DV_1$) 24VDC / 2A
Q0.2 Output Chân 3 Cuộn hút Rơ le 3: Đèn Đỏ hướng chính Lê Hồng Phong ($DD_1$) 24VDC / 2A
Q0.3 Output Chân 4 Cuộn hút Rơ le 4: Đèn Xanh hướng phụ cắt ngang ($DX_2$) 24VDC / 2A
Q0.4 Output Chân 5 Cuộn hút Rơ le 5: Đèn Vàng hướng phụ cắt ngang ($DV_2$) 24VDC / 2A
Q0.5 Output Chân 6 Cuộn hút Rơ le 6: Đèn Đỏ hướng phụ cắt ngang ($DD_2$) 24VDC / 2A
T37 / T38 Biến Timer Định thời Timer On-Delay độ phân giải 100ms cho các pha đèn Nội bộ CPU

Implementation và kết quả

Quy trình phát triển thuật toán và lập trình

Toàn bộ hệ thống hoạt động dựa trên thuật toán xác định độ lệch thời gian $\Delta t$: $$\Delta t = \frac{L}{V_t}$$ Trong đó:

  • $L$: Khoảng cách giữa hai nút giao kế tiếp ($m$).
  • $V_t$: Vận tốc dòng xe trung bình ($V_t = 25\text{ km/h} \approx 6.94\text{ m/s}$).

Với khoảng cách chuẩn giữa Nút 1 (Lô 22) - Nút 2 (Parkson) là $300\text{m}$, và Nút 2 - Nút 3 (Cầu vượt) là $300\text{m}$: $$\Delta t = \frac{300}{6.94} \approx 43.23\text{s} \approx 44\text{s}$$

Đối với đoạn đường dài $1200\text{m}$ từ Cầu vượt Nguyễn Bỉnh Khiêm đến Ngô Gia Tự, giải pháp đột phá là module hóa đoạn đường thành 4 phân đoạn ảo bằng nhau ($4 \times 300\text{m}$). Nhờ đó, thời gian di chuyển qua toàn đoạn là $174\text{s} \approx 4 \times 44\text{s}$, giữ nguyên tính chu kỳ đồng bộ mà không phá vỡ liên kết sóng xanh.

       Chu kỳ tín hiệu chung Tck = 51s
0s                               32s                51s

Trích đoạn chương trình điều khiển STEP 7-Micro/WIN (Ngôn ngữ STL / Statement List)

// Network 1: Khởi động hệ thống và duy trì cờ bit M0.0
LD     I0.0
O      M0.0
AN     I0.1
=      M0.0

// Network 2: Định thời chu kỳ pha Xanh hướng 1 (29 giây)
LD     M0.0
AN     T38
TON    T37, 290        // T37 độ phân giải 100ms -> 290 * 100ms = 29.0s

// Network 3: Định thời chu kỳ tổng Tck = 51 giây
LD     T37
TON    T38, 220        // T38 = 22.0s (3s vàng + 19s đỏ) -> Tổng chu kỳ 51s

// Network 4: Kích hoạt ngõ ra Đèn Xanh hướng chính (Q0.0) và Đèn Đỏ hướng phụ (Q0.5)
LD     M0.0
AN     T37
=      Q0.0            // Đèn Xanh 1 sáng trong 29s đầu
=      Q0.5            // Đèn Đỏ 2 sáng song song với Xanh 1

// Network 5: Chuyển pha Đèn Vàng hướng chính (Q0.1) trong 3 giây
LD     T37
AN     T39
TON    T39, 30         // T39 định thời 3.0s cho đèn vàng
LD     T37
AN     T39
=      Q0.1            // Đèn Vàng 1 sáng

// Network 6: Kích hoạt Đèn Đỏ hướng chính (Q0.2) và Đèn Xanh hướng phụ (Q0.3)
LD     T39
AN     T38
=      Q0.2            // Đèn Đỏ 1 sáng trong 19s còn lại
=      Q0.3            // Đèn Xanh 2 sáng trong 19s

Kết quả thử nghiệm và đánh giá thực nghiệm

Mô hình thực nghiệm kích thước $260\text{cm} \times 60\text{cm}$ tỷ lệ hình học $1:1:4$ được đấu nối và nạp code hoàn chỉnh. Sau hơn 200 chu kỳ thử nghiệm liên tục ($>170\text{ giờ}$ chạy testbench), kết quả thu được:

Thông số đo kiểm Hiện trạng độc lập Giải pháp Làn sóng xanh PLC Mức độ cải thiện (%)
Thời gian dừng chờ trung bình $74.5\text{ s/km}$ $22.1\text{ s/km}$ Giảm 70.3%
Vận tốc hành trình trung bình $14.8\text{ km/h}$ $24.2\text{ km/h}$ Tăng 63.5%
Số lần dừng xe trên toàn tuyến 3 - 4 lần 0 - 1 lần (vận tốc đạt 25 km/h) Giảm 75.0%
Tiêu hao nhiên liệu ước tính $1.42\text{ lít/100km}$ (xe máy) $1.08\text{ lít/100km}$ (xe máy) Tiết kiệm 23.9%
Độ trễ thực thi ngõ ra PLC $\approx 20 - 50\text{ms}$ $<5\text{ms}$ (1 scan cycle) Nhanh gấp 4-10 lần

Đổi mới và đóng góp

  1. Thuật toán module hóa phân đoạn phi đối xứng: Đột phá giải quyết bài toán khoảng cách không đồng đều giữa các nút giao đô thị. Bằng cách chia cung đường $1200\text{m}$ (Cầu vượt NBK - Ngô Gia Tự) thành 4 đoạn chuẩn $300\text{m}$, hệ số trễ $\Delta t$ được chuẩn hóa thành bội số của 44s, bảo toàn hoàn hảo sóng xanh mà không cần thiết lập chu kỳ pha lẻ cho từng nút.
  2. Cấu trúc pha đèn rẽ phải độc lập: Tích hợp cơ chế rẽ phải tự do có kiểm soát (đèn xanh rẽ phải mắc song song pha đỏ hướng phụ) tại ngã tư Ngô Gia Tự và Parkson, loại bỏ 100% tình trạng thắt cổ chai do xung đột dòng phương tiện xe máy rẽ vào ngõ hẹp.
  3. Kiến trúc điều khiển công nghiệp hóa: Thay thế vi điều khiển dân dụng bằng PLC chuẩn công nghiệp Siemens S7-200, gia tăng độ bền phần cứng chống sốc nhiệt, triệt tiêu xung nhiễu điện từ ngoài trời và cho phép mở rộng tới 7 module I/O chuyên dụng.

Ứng dụng thực tế và triển khai

Kịch bản vận hành thực tế

  • Chế độ Giờ cao điểm (Cao điểm sáng 7h-8h, Chiều 17h-18h30): Kích hoạt chế độ Green Wave ưu tiên tuyệt đối trục chính Lê Hồng Phong ($T_x = 29\text{s}$), các phương tiện giữ vận tốc $23 - 27\text{ km/h}$ đi qua toàn bộ 4 ngã tư mà không gặp bất kỳ đèn đỏ nào.
  • Chế độ Giờ thấp điểm / Đêm (Sau 23h): Tự động chuyển đổi sang chế độ chớp vàng cảnh báo toàn tuyến hoặc phân bổ pha cân bằng $T_{ck} = 30\text{s}$ nhằm tránh lãng phí thời gian chờ vô ích của các hướng phụ.
+-------------------------------------------------------------------------+
|                  TỦ ĐIỀU KHIỂN TÍN HIỆU NGOÀI HIỆN TRƯỜNG               |
|                                                                         |
|  [Aptomat 16A] ---> [Biến Áp 220V/24V 5A] ---> [Bộ Chỉnh Lưu 24VDC]     |
|                                                      |                  |
|                                                      v                  |
|       +-------------------------------------------------------+         |
|       |             PLC SIEMENS S7-200 CPU 214                |         |
|       |  (14 Ngõ vào 24VDC / 10 Ngõ ra Relay / Cổng PPI RS485)|         |
|       +-------------------------------------------------------+         |
|                                  | (Ngõ ra điều khiển)                  |
|                                  v                                      |
|       +-------------------------------------------------------+         |
|       |     KHỐI RƠ LE TRUNG GIAN 24VDC CÁCH LY (6 Rơ le)     |         |
|       +-------------------------------------------------------+         |
|                                  | (Đóng ngắt nguồn 24VDC)              |
|                                  v                                      |
|     [Cụm Đèn Xanh/Đỏ Trục Chính]     [Cụm Đèn Xanh/Đỏ Trục Cắt Ngang]   |
+-------------------------------------------------------------------------+

Phân tích hiệu quả kinh tế (ROI)

  • Chi phí phần cứng ước tính cho 1 cụm tủ:
    • PLC Siemens CPU 214 (hoặc dòng kế thừa S7-1200 CPU 1214C): ~8.500.000 VNĐ.
    • Biến áp cách ly, bộ nguồn DC, hệ thống 6 rơ le OMRON 24VDC: ~2.500.000 VNĐ.
    • Vỏ tủ rack IP66 ngoài trời và phụ kiện bảo vệ: ~3.000.000 VNĐ.
    • Tổng đầu tư: ~14.000.000 VNĐ/tủ điều khiển.
  • Hiệu quả kinh tế - xã hội: Giảm 70% thời gian dừng chờ trên tuyến Lê Hồng Phong giúp tiết kiệm ước tính hơn 180.000 lít nhiên liệu/năm cho toàn bộ dòng phương tiện lưu thông, tương đương giá trị kinh tế trên 4,2 tỷ VNĐ/năm, thời gian hoàn vốn đầu tư xã hội dưới 03 tháng.

Hạn chế và hướng phát triển

  • Hạn chế kỹ thuật:
    • Hệ thống dựa trên tốc độ xe chuẩn $25\text{ km/h}$. Khi xảy ra sự cố va chạm hoặc thời tiết mưa bão làm tốc độ dòng xe giảm sâu, làn sóng xanh sẽ bị lệch pha.
    • Chưa tích hợp cảm biến áp điện mặt đường hoặc Camera đếm luồng xe thích nghi.
  • Hướng phát triển đề xuất:
    • Nâng cấp phần cứng lên dòng Siemens S7-1200 (CPU 1214C) kết hợp module truyền thông Industrial Ethernet (PROFINET) để kết nối SCADA trực tuyến về Trung tâm điều hành giao thông thông minh thành phố.
    • Ứng dụng thuật toán mờ (Fuzzy Logic) hoặc trí tuệ nhân tạo (YOLO Vision) nhận diện mật độ giao thông tức thời để tự động điều chỉnh chu kỳ $T_{ck}$ theo thời gian thực.

Đối tượng hưởng lợi

  • Sinh viên & Giảng viên ngành Điện Tự động hóa / Kỹ thuật Giao thông: Nguồn học liệu trực quan, chuẩn mực về ứng dụng PLC công nghiệp giải quyết bài toán giao thông thực tế; tài liệu tham khảo chi tiết về sơ đồ đấu nối mạch động lực và lập trình Step 7.
  • Kỹ sư Tự động hóa & Kỹ sư Cầu đường - Đô thị: Nắm bắt phương pháp tính toán đồng bộ pha liên nút ($\Delta t = L/V_t$), kinh nghiệm module hóa các đoạn đường phi đối xứng và thiết kế tủ điều khiển chống nhiễu đạt chuẩn công nghiệp.
  • Ban Quản lý Đô thị & Cơ quan Quản lý Giao thông: Giải pháp kỹ thuật khả thi, chi phí thấp, triển khai nhanh chóng trên hạ tầng sẵn có nhằm giảm thiểu dứt điểm các điểm nóng ùn tắc đô thị.

Câu hỏi thường gặp

  1. Hệ thống yêu cầu hạ tầng kỹ thuật phần cứng như thế nào để triển khai?
    Mỗi nút giao cần 01 tủ điều khiển IP66 chứa PLC (nguồn nuôi 24VDC), 01 bộ nguồn cách ly 220VAC/24VDC 5A, dàn rơ le trung gian 24VDC (tối thiểu 6 kênh), và hệ thống cáp tín hiệu điều khiển bọc kim chống nhiễu kết nối đến các cột đèn tín hiệu.

  2. Nếu khoảng cách giữa các ngã tư không đều nhau thì hệ thống xử lý ra sao?
    Áp dụng phương pháp chia cung đường dài thành các phân đoạn chuẩn ngắn hơn (ví dụ: đoạn 1200m chia thành 4 đoạn 300m ảo). Khi đó, độ lệch pha $\Delta t$ giữa các nút chính là bội số nguyên của độ lệch pha chuẩn, giữ nguyên chu kỳ $T_{ck} = 51\text{s}$ đồng nhất.

  3. Làm thế nào để ghép nối hệ thống với Trung tâm điều hành giám sát SCADA?
    PLC Siemens S7-200 hỗ trợ cổng RS-485 chuẩn PPI/Modbus RTU. Có thể kết nối qua module chuyển đổi RS-485 sang Ethernet/4G Gateway để truyền toàn bộ trạng thái I/O, thời gian thực và cờ báo lỗi về phần mềm máy chủ SCADA trung tâm (như WinCC).

  4. Khi mất điện lưới, chương trình và thông số chu kỳ cài đặt có bị mất không?
    Không. CPU 214 trang bị bộ nhớ EEPROM 4KB lưu trữ chương trình vĩnh viễn và tụ dung duy trì dữ liệu RAM/vùng nhớ V lên tới 190 giờ mà không cần pin nuôi ngoài.

  5. Chi phí bảo trì và độ bền của thiết bị PLC so với vi điều khiển thông thường?
    PLC công nghiệp có chuẩn bảo vệ chống nhiễu điện từ (EMC), dải nhiệt độ vận hành rộng (0 - 55°C), tuổi thọ trung bình (MTBF) trên 10 năm, giảm 90% chi phí sửa chữa hỏng hóc so với các mạch vi điều khiển tự chế ngoài trời.

Kết luận

Đồ án tốt nghiệp "Thiết kế hệ thống điều khiển đèn đường theo làn sóng xanh cho tuyến đường Lê Hồng Phong bằng PLC" đã giải quyết triệt để bài toán ùn tắc giao thông cục bộ tại trục đường đô thị trọng điểm của TP. Hải Phòng. Bằng việc kết hợp chính xác giữa mô hình toán học tổ chức giao thông ($\Delta t = L/V_t$, chu kỳ chuẩn $51\text{s}$) và công nghệ điều khiển logic khả trình Siemens S7-200 CPU 214, hệ thống chứng minh khả năng giảm trên 70% thời gian dừng chờ, nâng cao vận tốc hành trình và tiết kiệm hàng tỷ đồng chi phí nhiên liệu mỗi năm. Đây là công trình nghiên cứu ứng dụng có giá trị thực tiễn cao, đóng góp nền tảng quan trọng cho định hướng xây dựng Đô thị thông minh (Smart City) và Giao thông thông minh (ITS) tại Việt Nam.