ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP. HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA
--------------------

TRẦN TRUNG TÍN

XÂY DỰNG GIẢI PHÁP TÍNH VẬN TỐC CỦA LUỒNG XE
SỬ DỤNG DỮ LIỆU GPS

Chuyên ngành : Khoa học máy tính.
Mã số: 604801

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP Hồ Chí Minh, tháng 06 năm 2013


Xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe sử dụng dữ liệu GPS
CƠNG TRÌNH ĐƯỢC HỒN THÀNH TẠI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA –ĐHQG -HCM
Cán bộ hướng dẫn khoa học : TS. Phạm Trần Vũ.
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 1 : TS. Nguyễn Anh Tuấn
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Cán bộ chấm nhận xét 2 : TS. Lê Thanh Vân
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị và chữ ký)
Luận văn thạc sĩ được bảo vệ tại Trường Đại học Bách Khoa, ĐHQG Tp.
HCM ngày 22 tháng 07 năm 2013
Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm:
(Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ)
1. TS. Huỳnh Tường Nguyên.

2. TS. Võ Thị Ngọc Châu.
3. TS. Phạm Trần Vũ.
4. TS. Nguyễn Anh Tuấn.
5. TS. Lê Thanh Vân.
Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá LV và Trưởng Khoa quản lý
chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có).
CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

Trần Trung Tín

TRƯỞNG KHOA

2


Xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe sử dụng dữ liệu GPS
ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP.HCM
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập - Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ
Họ tên học viên: Trần Trung Tín ............................................ MSHV: 09070470 ..........
Ngày, tháng, năm sinh: 20-10-1984 ......................................... Nơi sinh: Tiền Giang ......
Chuyên ngành: Khoa học máy tính .......................................... Mã số : 604801 ..............
I. TÊN ĐỀ TÀI: Xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe sử dụng dữ liệu GPS ...............
II. NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: Trình bày các cơ sở xây dựng giải pháp tính vận
tốc của luồng xe dựa trên dữ liệu GPS thu thập được từ các xe buýt đang lưu
thông trên đường. Xây dựng kiến trúc của một hệ thống thu nhận thông tin vận

tốc, xử lý thông tin dựa vào bản đồ nền, và lưu trữ kết quả tính tốn. Luận văn
đề xuất các hàm tính tốn vận tốc đại diện. Cuối cùng, luận văn cũng nêu ra kết
quả chạy thử nghiệm trên một tập dữ liệu mẫu và so sánh, đánh giá các kết quả
chạy thử này. ..............................................................................................................
III. NGÀY GIAO NHIỆM VỤ : 21-01-2013
IV. NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: 20-06-2013
V. CÁN BỘ HƯỚNG DẪN (Ghi rõ học hàm, học vị, họ, tên): .....................................
TS. Phạm Trần Vũ ..........................................................................................................

Tp. HCM, ngày 21 tháng 06 năm 2013
CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

(Họ tên và chữ ký)

(Họ tên và chữ ký)

TRƯỞNG KHOA KHOA KH&KT MÁY TÍNH
(Họ tên và chữ ký)

Trần Trung Tín

3


Xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe sử dụng dữ liệu GPS

LỜI CẢM ƠN


Để hoàn thành luận văn này, tôi đã nhận được sự hướng dẫn tận tình của nhiều
thầy cơ, những lời góp ý, nhận xét của các bạn, và những lời động viên từ người
thân, gia đình.
Tơi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến thầy Phạm Trần Vũ vì đã hướng dẫn tồn
bộ luận văn này, thầy đã đưa ra những gợi ý ban đầu, hướng dẫn quá trình xây dựng
và đánh giá, nhận xét, chỉnh sửa từng phần trong luận văn này.
Tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến các thầy cô khoa Khoa học và kỹ thuật máy
tính trường ĐH Bách Khoa, đã cung cấp cho tôi những kiến thức nền tảng, những
khơi gợi về ý tưởng và phương pháp khoa học để có thể hồn thành được luận văn
này.
Tơi xin cảm ơn các bạn, các đồng nghiệp của tôi đã quan tâm, trao đổi ý kiến,
động viên tơi hồn thành được luận văn này.
TP. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 06 năm 2013.
Trần Trung Tín.

Trần Trung Tín

4


Xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe sử dụng dữ liệu GPS
TÓM TẮT LUẬN VĂN THẠC SĨ.
Luận văn này trình bày các cơ sở xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe dựa
trên dữ liệu GPS thu thập được từ các xe buýt đang lưu thơng trên đường. Sau đó,
luận văn đề xuất kiến trúc của một hệ thống thu nhận thông tin vận tốc, xử lý thông
tin dựa vào bản đồ nền, và lưu trữ kết quả tính tốn. Luận văn đề xuất các hàm tính
tốn vận tốc đại diện. Cuối cùng, luận văn cũng nêu ra kết quả chạy thử nghiệm trên
một tập dữ liệu mẫu và so sánh, đánh giá các kết quả chạy thử này.

This thesis presents the basis for developing solutions to the flow velocity of the

vehicle based on GPS data collected from the bus on the road. Then, the thesis
proposed a architecture of system which can collect information of speed,
information processing with database of map, and store, show the results. The thesis
proposes some functions representing the way of calculation. Finally, the thesis also
describes the test results run on a sample data set and compare the test results.

Trần Trung Tín

5


Xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe sử dụng dữ liệu GPS
LỜI CAM ĐOAN.
Tôi cam đoan rằng ngoại trừ các kết quả tham khảo từ các công trình khác như đã
ghi rõ trong luận văn, các cơng việc trình bày trong luận văn này là do chính tơi
thực hiện và chưa có phần nội dung nào của luận văn này được nộp để lấy một bằng
cấp ở trường đại học nào khác.

TP. Hồ Chí Minh, ngày 10 tháng 06 năm 2013.

Trần Trung Tín.

Trần Trung Tín

6


Xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe sử dụng dữ liệu GPS
MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ................................................................................................................... 11

NỘI DUNG ................................................................................................................ 16
Chương 1. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI ..................................................................... 16
1.1. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài. ..................................................................... 16
1.2. Sản phẩm. ..................................................................................................... 17
Chương 2. CƠ SỞ CỦA ĐỀ TÀI. ........................................................................... 19
2.1. Tính khả dụng của thơng tin tốc độ thu được từ GPS..................................... 19
2.2. Giám sát thời gian thực người sử dụng điện thoại tại đô thị. .......................... 21
2.3. Lý thuyết dịng xe lưu thơng.......................................................................... 23
Chương 3. THIẾT KẾ HỆ THỐNG. ....................................................................... 28
3.1 Kiến trúc hệ thống. ......................................................................................... 28
3.2. Bản đồ nền. ................................................................................................... 31
3.3. Phân đoạn đường........................................................................................... 31
3.4 Điểm thông tin tốc độ. .................................................................................... 32
3.5. Phân hoạch bản đồ nền. ................................................................................. 34
3.6. Phân hoạch khung thời gian. ......................................................................... 38
3.7. Loại bỏ các phần tử biên. .............................................................................. 41
3.8. Hàm xác định vận tốc đại diện của mỗi phân đoạn. ....................................... 42
Chương 4. Hiện thực hệ thống. ................................................................................ 44
4.1. Bản đồ nền. ................................................................................................... 44
4.2. Thông tin vận tốc xe buýt. ............................................................................. 47
4.3. Phân hoạch bản đồ. ....................................................................................... 48
4.4. Phạm vi quan sát. .......................................................................................... 49
4.5. Kết quả thí nghiệm ........................................................................................ 50
Chương 5. Kết luận. ................................................................................................ 60
5.1. Kết quả đạt được. .......................................................................................... 60
5.2. Mục tiêu không đạt được. .............................................................................. 60
5.3. Đề xuất hướng phát triển đề tài. .................................................................... 60

Trần Trung Tín


7


Xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe sử dụng dữ liệu GPS
DANH MỤC HÌNH.
Hình 1. Đoạn đường Cách Mạng Tháng 8 .................................................................. 13
Hình 2. Đoạn đường Lý Thường Kiệt ......................................................................... 14
Hình 3. Lược đồ chia đoạn trong thí nghiệm. .............................................................. 20
Hình 4. Thống kê từ dữ liệu GPS. ............................................................................... 20
Hình 5. Thống kê từ dữ liệu đo vịng tua bánh xe. ...................................................... 21
Hình 6. Thuật tốn định vị DFL(màu đỏ)và bộ lộc theo dõi (màu xanh). .................... 22
Hình 7. Mơ phỏng mật độ máy điện thoại trên bản đồ thành phố Rome. ..................... 22
Hình 8. Quan hệ vận tốc xe – Lưu lượng xe................................................................ 24
Hình 9.: Quan hệ số lượng xe – Lưu lượng xe. ........................................................... 25
Hình 10. Quan hệ vận tốc xe – Số lượng xe. ............................................................... 26
Hình 11. Thiết kế kiến trúc của hệ thống. ................................................................... 30
Hình 12. Mơ tả một phân đoạn đường. ....................................................................... 31
Hình 13. Con đường 2 chiều được phân đoạn đường. ................................................. 32
Hình 14. Điểm thơng tin tốc độ nằm ngồi phân đoạn đường. .................................... 33
Hình 15. Điểm thơng tin tốc độ thuộc về phân đoạn đường. ....................................... 33
Hình 16. Điểm thơng tin tốc độ nằm ngồi phân đoạn đường. .................................... 33
Hình 17. Lưu đồ quá trình duyệt các phân đoạn đường và xác định điểm tốc độ. ........ 34
Hình 18. Quy trình xử lý thơng tin tốc độ nếu khơng có phân hoạch bản đồ. .............. 36
Hình 19. Quy trình xử lý thông tin tốc độ với phân hoạch bản đồ. .............................. 37
Hình 20. Phân hoạch bản đồ nền................................................................................. 38
Hình 21. Các phân đoạn đường liền kề theo các khung thời gian. ............................... 39
Hình 22. Lưu đồ phương pháp tính vận tốc đại diện dựa vào thông tin tham khảo
các phân đoạn đường liền kề....................................................................................... 41
Hình 23. Mơ tả khái niệm “Node” và “Phân đoạn đường” trên bản đồ nền. ................ 44
Hình 24. Đánh số định danh phân hoạch bản đồ. ........................................................ 49

Hình 25. Các phân đoạn đường thuộc đường Cách Mạng Tháng 8. ............................ 49
Hình 26. Đường Cách Mạng Tháng 8 vào lúc 7 giờ 15 ngày 09-11-2012 ................... 50
Hình 28. Đường Cách Mạng Tháng 8 vào lúc 7 giờ 15 ngày 09-11-2012 ................... 53
Hình 30. Đường Cách Mạng Tháng 8 vào lúc 7 giờ 15 ngày 09-11-2012 ................... 56

Trần Trung Tín

8


Xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe sử dụng dữ liệu GPS
DANH MỤC BẢNG.
Bảng 1. Tính tốn vận tốc đại diện bằng thông tin các phân đoạn đường liền kề. ........ 40
Bảng 2. Tính tốn vận đốc đại diện bằng khung thời gian trong quá khứ. ................... 40
Bảng 3. Bảng Q trong phương pháp loại biên Q-Test của Dixon................................. 42
Bảng 4. Thành phần thông tin của một node. .............................................................. 45
Bảng 5. Thành phần thông tin của một con đường. ..................................................... 45
Bảng 6. Độ rộng quy ước của các con đường trong bản đồ nền. .................................. 46
Bảng 7. Bảng “Street” trong CSDL của hệ thống ........................................................ 46
Bảng 8. Bảng “Segment” trong CSDL của hệ thống. .................................................. 47
Bảng 9. Bảng “Node” trong CSDL của hệ thống. ....................................................... 47
Bảng 10. Các thành phần dữ liệu trong tập tin giám sát hành trình xe buýt. ................ 48
Bảng 11. Bảng “SegmentDetails” trong CSDL của hệ thống. ..................................... 48

Trần Trung Tín

9


Xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe sử dụng dữ liệu GPS

DANH MỤC BIỂU ĐỒ
Biểu đồ 1. PP Trung bình cộng - Phân đoạn đường 2290, 2291, 2292......................... 51
Biểu đồ 2. PP Trung bình cộng – Diễn biến vận tốc đường CMT8 qua thời gian 7
giờ 30 đến 8 giờ 15. .................................................................................................... 52
Biểu đồ 3. PP Hàm điều hoà - Phân đoạn đường 2261, 2263 2264.............................. 54
Biểu đồ 4. PP Hàm điều hoà – Diễn biến vận tốc đường CMT8 qua thời gian 7 giờ
30 đến 8 giờ 15. .......................................................................................................... 55
Biểu đồ 5. PP Số trung vị - Phân đoạn đường 2268, 2269, 2271. ................................ 57
Biểu đồ 6. PP Số trung vị – Diễn biến vận tốc đường CMT8 qua thời gian 8 giờ 30
đến 9 giờ 00. ............................................................................................................... 58
Biểu đồ 7. So sánh 3 phương pháp vào lúc 7 giờ 30.................................................... 59
Biểu đồ 8. So sánh 3 phương pháp vào lúc 12 giờ 00. ................................................. 59

Trần Trung Tín

10


Xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe sử dụng dữ liệu GPS
MỞ ĐẦU
Giới thiệu bài toán.
Đánh giá tình trạng giao thơng của một khu vực hay một mạng lưới đường
xá là bài toán quan trọng của giao thông Việt Nam. Trong các phương pháp ghi
nhận dữ liệu, các hệ thống GPS kết hợp mạng dữ liệu GPRS/3G chiếm ưu thế do cơ
sở hạ tầng GPRS/3G sẵn có, độ phủ gần như toàn bộ lãnh thổ Việt Nam, thiết bị
GPS khơng mất phí th bao và hoạt động trên mọi địa hình, vị trí. Mặt khác, tại các
đơ thị của Việt Nam, số lượng điện thoại tích hợp GPS đang gia tăng số lượng bán
ra với tốc độ rất cao. Người sử dụng điện thoại không những ghi nhận được vị trí
của họ và gửi về trung tâm, mà cịn có thể nhận dữ liệu cảnh báo từ trung tâm, qua
đó sẽ biết được các khu vực ùn tắc, hoặc lộ trình đi nhanh nhất.

Dữ liệu GPS nhận được từ một thiết bị bao gồm thông tin địa lý và thời điểm
thu nhận thiết bị đó, tần suất nhận dữ liệu này có thể dày hoặc thưa tuỳ và thiết bị cụ
thể hoặc cài đặt của người dùng. Với dữ liệu nhận từ 2 thời điểm, chúng ta có thể
tính ra khoảng cách và vận tốc tức thời của quãng đường giữa 2 thời điểm nói trên.
Một luồng xe di chuyển được định nghĩa là nhiều phương tiện đang di chuyển và
cùng thuộc một giới hạn không gian là một đoạn của một con đường cụ thể. Chúng
tôi cho rằng, với nhiều nguồn thông tin từ nhiều thiết bị xuất hiện tại cùng môt
không gian và thời gian, thì có thể tính tốn để biết được vận tốc trung bình chung
của luồng đi chuyển này. Tuy nhiên, nguồn dữ liệu này có một hoặc nhiều khuyết
điểm: độ tin cậy thấp, bị nhiễu, tần suất ghi nhận thông tin khác nhau, dữ liệu ghi
không liên tục theo thời gian, …. Những khuyết điểm này xảy ra do thiết bị có thể
có độ tin cậy kém, thời tiết tại nơi nhận tín hiệu khơng quang đãng, luồng xe di
chuyển với tốc độ không đều nhau, …
Khi ghi nhận được đầy đủ các giá trị vận tốc trung bình của mọi đoạn đường
trong một mạng đường giao thông trong một khu vực, chúng ta có thể kết luận về
tình trạng giao thơng của khu vực đó.
Mục tiêu của đề tài là đề ra những phương thức để xử lý từ dữ liệu nhận về
đến kết luận một giá trị vận tốc của một đoạn đường nhất định tại một thời điểm
nhất định, đồng thời đánh giá độ tin cậy của kết luận này. Dữ liệu kết luận được từ
quá khứ và một số quy tắc phân xử cũng được sử dụng cùng với dữ liệu thu nhận.
Mặt khác, với một yêu cầu về độ tin cậy cho trước, đề tài cũng chỉ ra cách thức xác
định yêu cầu độ lớn của mẫu và cấu trúc mãu cần phải ghi nhận dữ liệu.
Chúng tôi đặt giả thuyết rằng trong một giới hạn về khơng gian, khi có một
số lượng người sử dụng cùng lúc chuyển dữ liệu tốc độ của từng người về trung
tâm; thì chúng tơi có thể tính tốn để đi đến kết luận về tốc độ trung bình chung của
luồng xe đang di chuyển (hoặc đứng yên) trong không gian đã nêu. Chúng tôi cũng
đặt giả thuyết về một hàm liên quan giữa độ tin cậy của phép tính tốc độ trung bình
và số lượng mẫu tín hiệu thu được đã sử dụng để tính tốn.
Phương pháp chính của đề tài là kiểm chứng thực nghiệm và thống kê tốn
học. Chúng tơi sẽ tiến hành các thí nghiệm thu nhận mẫu từ nhiều thiết bị khác

nhau, trên nhiều con đường và và vào các thời điểm khác nhau. Và sử dụng kết quả
thực nghiệm để đánh giá phương pháp xử lý dữ liệu đã đề ra. Các lý thuyết về thống
kê toán học sẽ sử dụng vào vấn đề tính tốn số lượng mẫu, cấu trúc mẫu và đánh giá
Trần Trung Tín

11


Xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe sử dụng dữ liệu GPS
độ tin cậy của các kết luận. Chúng tơi cũng trình bày các phương pháp tiền xử lý dữ
liệu và cơ sở lý luận của các quy tắc phân xử.
Tính cấp thiết của đề tài.
Một trong những vấn đề nổi bật của bài tốn giao thơng tại các đô thị hiện
này là làm sao xác định được vận tốc di chuyển của luồng xe tại nhiều vị trí khác
nhau của hệ thống đường giao thơng trong cùng một thời điểm. Từ đó có thể đưa ra
các dự báo ùn tắc; hoặc làm thông tin đầu vào cho các chương trình tính tốn lộ
trình nhanh nhất theo thời gian. Để xác định vận tốc di chuyển của luồng xe, có
nhiều phương pháp đã được đề xuất hoặc áp dụng: camera quan sát gắn cố định gửi
hình ảnh về trung tâm và người điều hành đưa ra kết luận; nhận thông tin từ người
đi đường qua điện thoại và phát cảnh báo qua sóng FM; lắp đặt các trạm cảm biến
để ghi nhận tốc độ luồng xe. Những phương pháp trên đều đòi hỏi các hệ thống mới
phải được lắp đặt cố định, hoặc là thông tin về tốc độ chưa cụ thể mà chỉ bằng cảm
quan.
Hiện nay, số lượng điện thoại di động tích hợp GPS đang tăng mạnh, cũng
như định vị và bản đồ đang trở thành một tiêu chuẩn của các thiết bị cá nhân. Với
phần cứng GPS có sẵn, các thiết bị này có thể xác định vận tốc với tần suất cao.
Thông qua mạng GSM/3G, một thiết bị cũng có thể truyền và nhận dữ liệu về tốc
độ di chuyển với một trung tâm. Ngồi ra, các thiết bị có thể tái hiện lại thơng tin
vận tốc của tất cả vị trí. Từ đó thơng tin cho người sử dụng các khu vực nên tránh đi
vào.

Theo báo cáo của Khu quản lý giao thơng đơ thị thành phố Hồ Chí Minh, ùn
tắc giao thông đã gây ra thiệt hại lên đến 170 tỉ đồng / 1 năm. Kéo theo đó là những
ảnh hưởng xấu đến môi trường và sức khoẻ của người tham gia giao thông. Do vậy,
việc xây dựng những hệ thống cảnh báo, không những giúp cho hệ thống giao thông
an tồn, hiệu quả hơn mà cịn chống những lãng phí, thất thốt từ ùn tắc giao thơng
gây ra.
Với những lý do nêu trên, chúng tôi đã chọn đề tài “Đánh giá việc sử dụng
dữ liệu GPS từ thiết bị di động
Mục đích nghiên cứu.
_ Đề xuất các hàm tính tốn, luật phân giải để kết luận giá trị vận tốc trung
bình từ dữ liệu thu nhận. Do các nguồn dữ liệu nhận được là khơng có kiểm sốt,
tức là các thiết bị, điện thoại đều của người dùng, kể cả phần cài đặt, ghi nhận thong
tin GPS. Các tín hiệu thu về có thể bị đứt đoạn, do khơng có cơ chế nào đảm bảo
rằng người sử dụng sẽ bật máy và gửi dữ liệu về trung tâm trong suốt q trình di
chuyển.
_ Xây dựng phần mềm tính ra giá trị vận tốc của luồng xe tại một thời điểm
và vị trí cụ thể, dựa vào các hàm đã đề xuất. Đồng thời tính tốn độ tin cậy của các
kết luận đã đưa ra. Phần mềm này sẽ ghi nhận tất cả dữ liệu gửi về, thực hiện tiền
xử lý, đánh giá dữ liệu. Sau đó phân tách từ điểm dữ liệu, xác định đoạn đường
chứa điểm đó. Và cuối cùng là tính tốn ra vận tốc trung bình của một đoạn đường
trong một thời gian nhất định.
Trần Trung Tín

12


Xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe sử dụng dữ liệu GPS
_ Xây dựng các hàm đánh giá số lượng tối thiểu các thiết bị cùng gửi dữ liệu
tại một đoạn đường trong một thời điểm về trung tâm, khi đã biết một độ tin cậy
nhất định.

_ Tiến hành thực nghiệm, từ đó so sánh và đánh giá các hàm tính tốn đã đề
xuất. Chúng tơi sẽ sử dụng nhiều phương tiện, thiết bị di chuyển cùng lúc trên
đường. Đồng thời ghi nhận lại tốc độ của từng phương tiện bởi một cách thức độc
lập khác, ví dụ đồng hồ đo tốc độ. Dữ liệu tính tốn và dữ liệu ghi nhận sẽ được so
sánh với nhau.
Phạm vi nghiên cứu của đề tài.
_ Không gian: các dữ liệu thu nhận và thực nghiệm trên một tuyến đường
chính tại một quận nội thành của TP. Hồ Chí Minh.
• Đường Cách Mạng Tháng 8: đoạn từ ngã tư Bảy Hiền đến vịng xoay
Cơng trường dân chủ. Đặc điểm tuyến đường:
_ Là một trục giao thơng chính, dài 3.500 mét, lưu thơng hai chiều,
khơng có dãy phân cách cứng.
_ Có nhiều loại xe thường xuyên lưu thông: xe bus, xe taxi, xe máy,
xe hơi.
_ Thường xuyên xảy ra ùn tắc giao thông vào các giờ cao điểm.
_ Độ rộng đường thay đổi, từ 12 mét đến 25 mét tuỳ phân đoạn.
_ Có trang bị camera quan sát giao thơng của VOV, có thể xem trực
tuyến.

Hình 1. Đoạn đường Cách Mạng Tháng 8
• Đường Lý Thường Kiệt: đoạn từ ngã tư Bảy Hiền đến giao lộ với đường
Hồng Bàng. Đặc điểm tuyến đường:
Trần Trung Tín

13


Xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe sử dụng dữ liệu GPS
_ Là một trục giao thông chính, dài 4.400 mét, lưu thơng hai chiều, có
dãy phân cách cứng.

_ Có nhiều loại xe thường xun lưu thơng: xe bus, xe taxi, xe máy, xe
hơi.
_ Đôi khi ùn tắc giao thông vào các giờ cao điểm.
_ Độ rộng đường gần như cố định.
_ Có trang bị camera quan sát giao thơng của VOV, có thể xem trực
tuyến.

Hình 2. Đoạn đường Lý Thường Kiệt
• Hoặc các tuyến đường khác có các tính chất nên trên.
_ Thời gian: Thời gian thực nghiệm được chia thành giờ cao điểm và giờ
thấp điểm. Các luật phân giải có xét đến ngày cuối tuần và ngày làm việc. Dữ liệu
thống kê từ GPS sẽ tiến hành với khoảng 15 đến 30 thiết bị trong vòng 1 tháng, mỗi
ngày 1 lượt đi và về theo các thời gian ngẫu nhiên.
_ Loại xe: đề tài không dựa trên loại xe mà dựa trên dữ liệu từ một thiết bị di
động gửi về trung tâm.

Trần Trung Tín

14


Xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe sử dụng dữ liệu GPS
Phương pháp nghiên cứu.
_ Quan sát mẫu: từ nhiều thiết bị di động khác nhau, chúng tôi sẽ cùng lúc di
chuyển trên cùng tuyến đường. Từng thiết bị sẽ ghi nhận lại lộ trình, bao gồm thơng
tin vận tốc của từng chặng. Các lộ trình sẽ được thể hiện trên cùng một biểu đồ vận
tốc, kể cả vận tốc trung bình chung được tính tốn từ các hàm đề nghị. Bằng các lý
thuyết về thống kê, chúng tôi sẽ đánh giá cấu trúc không gian mẫu thu nhận, cũng
như tìm ra các tần suất lấy mẫu, tiêu chuẩn thiết bị, tiêu chuẩn dữ liệu thu nhận
được.

_ Phương pháp thống kê: với tất cả kết luận về vận tốc của luồng xe, chúng
tôi sẽ thống kê và so sánh các kết quả này, để đánh giá độ tin cậy của từng kết luận.
_ Phương pháp thực nghiệm: để xác định vận tốc trung bình của một luồng
xe, có thể dựa vào đồng hồ báo tốc độ của xe đó. Hoặc quan sát từ một vị trí cố định
trên đoạn đường và đánh giá tình trạng, vận tốc của dịng xe.

Trần Trung Tín

15


Xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe sử dụng dữ liệu GPS
NỘI DUNG
Chương 1. MỤC TIÊU CỦA ĐỀ TÀI
1.1. Mục tiêu nghiên cứu của đề tài.
_ Tìm hiểu và đánh giá các phương pháp chuyển thông tin thu nhận từ thiết
bị GPS sang dữ liệu giao thông. Thơng tin thu nhận từ thiết bị GPS có tính đơn lẻ,
tức thời và thể hiện dưới dạng toạ độ địa lý, do vậy có 3 yếu tố cần phải xét đến:
+ Thứ nhất: thông tin thu được từ 1 thiết bị GPS có tính đơn lẻ, nhưng
hệ thống thu nhận thông tin từ nhiều thiết bị cùng lúc. Hệ thống cần phải chuẩn hoá
định dạng của dữ liệu (do các thiết bị khác nhau có thể gửi thơng tin với định dạng
khác nhau), loại bỏ các dữ liệu không phù hợp như là nằm ngoài khu vực quan sát
hay đã bị lỗi trong quá trình truyền nhận.
+ Thứ hai: thơng tin thu được mang tính tức thời, một chu kỳ quan sát
kéo dài trong khoảng vài phút đến vài chục phút. Ngay khi chu kỳ quan sát kết thúc,
hệ thống phải tính tốn và đưa ra kết luận về hiện trang giao thơng của tồn bộ các
phân đoạn đường đã nhận được thông tin. Điều này yêu cầu hệ thống phải có khả
năng tính tốn với khối lượng dữ liệu lớn, cũng như cần phương pháp xác định
nhanh một điểm thông tin vận tốc thuộc về phân đoạn đường nào trên bản đồ.
+ Thứ ba: Để xác định vị trí của thiết bị GPS từ một toạ độ địa lý,

chúng ta cần phải có bản đồ nền và các giải thuật ánh xạ một toạ độ địa lý lên một
điểm nằm trên bản đồ.
_ Đưa ra các hàm tính toán vận tốc đại diện của một tập hợp quan sát các vận
tốc riêng lẻ trong cùng một không gian và thời gian. Đánh giá các hàm tính tốn này
dựa vào kết q tính tốn và quan sát thực tế.
_ Đưa ra các phương pháp tính tốn cho các phân đoạn đường không nhận
dược thông tin vận tốc. Do các nguồn dữ liệu nhận được là khơng có kiểm sốt, tức
là các thiết bị GPS có thể bị gián đoạn ghi nhận thơng tin, hoặc lỗi đường truyền.
Khi đó, các tín hiệu thu về có thể bị đứt đoạn. Mặt khác, có thể một phân đoạn
đường nào đó khơng có thơng tin về vận tốc do khơng có bất cứ xe buýt nào đi qua
phân đoạn đường này trong thời gian quan sát.
_ Xây dựng các hàm đánh giá số lượng tối thiểu các thiết bị cùng gửi dữ liệu
tại một đoạn đường trong một thời điểm về trung tâm, khi đã biết một độ tin cậy
nhất định.
_ Tiến hành thực nghiệm, từ đó so sánh và đánh giá các hàm tính tốn đã đề
xuất. Chúng tơi sẽ sử dụng nhiều phương tiện, thiết bị di chuyển cùng lúc trên
đường. Đồng thời ghi nhận lại tốc độ của từng phương tiện bởi một cách thức độc
lập khác, ví dụ đồng hồ đo tốc độ. Dữ liệu tính tốn và dữ liệu ghi nhận sẽ được so
sánh với nhau.

Trần Trung Tín

16


Xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe sử dụng dữ liệu GPS
1.2. Sản phẩm.
Chức năng.
Hệ thống sau khi hồn thiện có chức năng:
_ Thu nhận tất cả mẫu thông tin tốc độ được gửi về từ thiết bị theo dõi hành

trình gắn trên các xe buýt. Chuẩn hoá định dạng dữ liệu.
_ Cho phép định nghĩa, chỉnh sửa bản đồ nền. Tức là có thể định nghĩa các
phân đoạn đường theo nhu cầu quan sát. Việc chỉnh sửa bản đồ nên cũng giúp cho
quá trình loại bỏ dữ liệu và tính tốn vận tốc đại diện được thực hiện một cách hiệu
quả cao hơn.
_ Cho phép định nghĩa, chỉnh sửa khung thời gian. Tức là có thể định nghĩa
một khoảng thời gian là khung thời gian quan sát. Đây là chu kỳ mà ngay sau khi
hoàn tất thu nhận thông tin vận tốc tại cuối chu kỳ, thì hệ thống lập tức tính tốn ra
các tốc độ đại diện cho các phân đoạn đường.
_ Hệ thống tự động tính tốn tốc độ cho các phân đoạn đường không thu
nhận được bất kỳ thông tin vận tốc nào, dựa trên các phân đoạn đường liền kề với
nó, hoặc dựa trên thơng tin vận tốc của chính phân đoạn đường đó mà đã thu nhận
từ các khung thời gian trong quá khứ.
_ Hệ thống cho phép cả hai cách xem kết quả là trích xuất thơng tin đã tính
tốn cho từng con đường, hoặc xem trên toàn bản đồ.
_ Hệ thống cho phép lưu trữ lại các kết quả tính tốn để sử dụng tham khảo
trong tương lai.
_ Hệ thống hoạt động trong thời gian thực. Sau mỗi chu kỳ quan sát, hệ
thống tính tốn và kết luận vận tốc đại diện cho từng phân đoạn đường trong chu kỳ
vừa kết thúc, và tiếp tục thu nhận thông tin quan sát cho chu kỳ tiếp theo.
Trong giai đoạn xây dựng và thử nghiệm hệ thống, chúng tôi chỉ sử dụng dữ
liệu đã ghi nhận của Trung tâm điều hành xe bt vào ngày 09-11-2012.
Vai trị.
_ Kết quả tính tốn của hệ thống trong thời gian thực được biểu diễn trên bản
đồ và có thể đánh giá trực quan các khu vực ùn tắc giao thông. Với kết quả này,
người sử dụng có thể phát hiện các khu vực ùn tắc giao thơng hay thơng thống một
cách trực quan.
_ Kết quả tính tốn của hệ thống là dữ liệu đầu vào cho các hệ thống cảnh
báo kẹt xe, hệ thống tìm lộ trình có khả năng tránh các điểm kẹt xe. Vì vậy, kết quả
và độ chính xác của hệ thống quyết định cho sự đúng đắn của nhiều hệ thống khác.


Trần Trung Tín

17


Xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe sử dụng dữ liệu GPS
_ Hệ thống mang tính thống kê, vì vậy có khả năng kết luận bản chất vận tốc
của nhiều con đường, sau khi đã quan sát trong một thời gian dài. Dữ liệu có thể
dùng để tham khảo, tìm ra nguyên nhân của các điểm kẹt xe diễn ra thường xuyên.

Trần Trung Tín

18


Xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe sử dụng dữ liệu GPS
Chương 2. CƠ SỞ CỦA ĐỀ TÀI.
2.1. Tính khả dụng của thơng tin tốc độ thu được từ GPS.
Với thiết bị GPS tích hợp trong thiết bị di động, tần suất ghi nhận tín hiệu vị
trí là từ 2 lần / 1 giây đến 1 lần / vài giây. Từ thơng tin vị trí và thời điểm ghi nhận
tín hiệu, vận tốc tức thời được tính tốn theo cơng thức.
=

∆x
∆t

Tuy nhiên, đồng hồ báo vận tốc của phương tiện giao thông thể hiện trị số đo
được bằng phương pháp đếm vịng tua, có tần suất ghi nhận rất cao và chính xác.
Theo nghiên cứu của Wenjuan Zhao (Đại học Washington) [4], tốc độ ghi

nhận được từ GPS vẫn có tính khả dụng tương đương và thay thế được với vận tốc
ghi nhận từ vòng tua bánh xe. Chi tiết của nghiên cứu như sau:
Mơ tả thí nghiệm
Con đường từ Renton đến Tacoma dài 33.000 km được chia làm 10 đoạn.
Nhóm tác giả đã đồng thời ghi nhận vận tốc GPS của từng đoạn và vận tốc đo từ
vòng tua bánh xe. Tần suất ghi nhận tốc độ GPS là 1lần / 1 giờ đồng hồ, còn ghi
nhận vận tốc đo từ vòng tua bánh xe là 5 phút / 1 lần. Thống kê các kết quả ghi
nhận trong vịng 1 tháng.

Trần Trung Tín

19


Xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe sử dụng dữ liệu GPS

Hình 3. Lược đồ chia đoạn trong thí nghiệm.

Hình 4. Thống kê từ dữ liệu GPS.

Trần Trung Tín

20


Xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe sử dụng dữ liệu GPS

Hình 5. Thống kê từ dữ liệu đo vòng tua bánh xe.

Phương pháp nghiên cứu

Tác giả sử dụng phương pháp thông kê dữ liệu đo độc lập theo tốc độ lấy từ
GPS và tốc độ lấy từ vịng tua bánh xe. Sau đó đối chiếu, so sánh và kết luận.
Kết luận.
Nghiên cứu trên đã chỉ ra rằng, vận tốc đo được từ GPS là khả dụng. Tuy
nhiên những điểm khác biệt giữa nghiên cứu của và đề cương này là:
_ Độ dài phân chia đoạn: Một đoạn chia trong nghiên cứu trên là hơn 3.000
km, trong khi phân đoạn trong đề cương dự kiến chỉ từ 300 mét – 2 km. Điều này sẽ
dẫn đến trung bình vận tốc đo GPS có độ lệch chuẩn rất lớn.
_ Loại xe: xe trong thí nghiệm là xe tải, có những đặc điểm di chuyển rất
khác với xe máy, xe hơi, xe bus.
_ Loại đường: đường trong thí nghiệm là xa lộ, khác với trục đường chính
trong nội thị.

2.2. Giám sát thời gian thực người sử dụng điện thoại tại đơ thị.
Mơ tả thí nghiệm
Nhóm tác giả Francesco Calabrese, Massimo Colonna, Piero Lovisolo, Dario
Parata, Carlo Ratti [1] đã so sánh 2 nguồn dữ liệu biểu diễn mật độ người trong
thành phố Rome. Nguồn dữ liệu có sẵn thu nhận từ các nguồn: Mạng LosHNESSs,
các máy di động đang thực hiện cuộc gói hoặc truyền nhận dữ liệu, vị trí các xe
buýt của hãng Atac (Rome, Ý), ví trí các xe taxi của hãng Samarcanda (Rome, Ý),
dữ liệu âm thanh từ mạng “Tiếng ồn giao thông” lắp đặt tại Rome. Nguồn dữ liệu
thứ hai thu được từ vị trí các máy điện thoại di động. Mỗi máy điện thoại có một vị
trí (kinh độ, vĩ độ) được tính từ GPS tích hợp hoặc bằng trạm BTS.
Kết quả sau đó đã được so sánh với nhau, cũng như được mô phỏng lại bằng
các phần mềm của nhóm tác giả.
Trần Trung Tín

21



Xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe sử dụng dữ liệu GPS

Hình 6. Thuật tốn định vị DFL(màu đỏ)và bộ lộc theo dõi (màu xanh).

Hình 7. Mơ phỏng mật độ máy điện thoại trên bản đồ thành phố Rome.
Phương pháp nghiên cứu
Cơng trình nêu trên đã được nhóm tác giả sử dụng phương pháp thống kê từ
dữ liệu thu nhập và sử dụng các phần mềm mô phỏng để thể hiện kết quả.
Kết luận.
Nghiên cứu đã chỉ ra khả năng sử dụng vị trí của một số lượng lớn thiết bị di
động, từ đó mơ phỏng, thống kê mật độ người sử dụng trong một thành phố.
Trần Trung Tín

22


Xây dựng giải pháp tínhh vvận tốc của luồng xe sử dụng dữ liệu GPS
Với đề tài này, kh
không những vị trí của thiết bị di động là cầần thiết, mà cịn
thơng tin về vận tốc cũng
ũng được thu nhận. Vì vậy, q trình ghi nhậnn và xử lý thơng
tin theo thời gian thực có thể bị trở ngại.

2.3. Lý thuyết dịn
ịng xe lưu thơng.
Theo tác giả Giáo
áo sư L.H. Immers và S. Logghe [2] đã đưa ra một số khái
niệm, cơng thức về tính chất
ch luồng xe lưu thơng
Các khái niệm.

ợc định nghĩa là số lượng xe cho mỗi đơn
ơ vvị diện tích của
_ Mật độ (k) đượ
đường. Trong dịng xe lư
ưu thơng, hai chỉ số mật độ quan trọng nhấtt là mật độ trong
điều kiện lưu thông tự do kc (khơng có cản trở, nút thắt, kẹt xe, taii nạn),
n
và mật độ
trong điều kiện ùn tắc kj. Nghịch đảo của mật độ là khoảng cách trun
ung bình s giữa 2
trọng tâm của 2 xe cạnhh nnhau.

đoạn L của con đường tại thời điểm t1 tương
ương đương nghịch
Mật độ k trong đo
đảo của trung bình khoản
ảng cách giữa các xe.

_ Mức độ dòng xe q là số xe vượt qua một điểm nhất định tro
trong một khoảng
thời gian, đơn vị tính: xee / giờ.
q = k.v
ng xe.
_ Tốc độ của luồng
, ,

, ,
, ,

=


trong đó q(x,t,S)) là tổng quảng đường mà các phương tiện đãã đi trong không
gian S và k(x,t,S) là tổng
ng thời gian mà các phương tiện đã mất để đi
đ quảng đường
nêu trên.
Nếu xét vị trí S1,, thì
t cơng thức trên trở thành.
, ,

=

1

Các quan sát tron
ong nghiên cứu.
_ Quan hệ tốc độ luồng xe và lưu lượng xe lưu thông trong một
m giờ: qua kết
quả thống kê, tốc độ dòn
òng xe lưu thống hội tụ khi lượng xe trên đư
đường nằm trong
một giới hạn nhất định.. D
Do khi đó, khơng xảy ra ùn tắc giao thơng,, xe
x lưu thơng tự
Trần Trung Tín

23


Xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe sử dụng dữ liệu GPS

do trong tốc độ giới hạn cho phép. Khi lượng xe tăng quá một mức giới hạn, thì
dịng xe khơng cịn tính chất đồng nhất nữa.

Hình 8. Quan hệ vận tốc xe – Lưu lượng xe.

Trần Trung Tín

24


Xây dựng giải pháp tính vận tốc của luồng xe sử dụng dữ liệu GPS
_ Quan hệ lưu lượng xe giao thông trong một giờ và mật độ xe trên đường.
Thống kê cho thấy rằng trong một khoảng giới hạn mật độ xe có trên đường thì lưu
lượng xe đi qua đoạn đường đó tăng tuyến tính. Tuy nhiên khi lượng xe tăng qua
giới hạn thì lưu lượng xe khơng cịn hội tụ ở một vùng giá trị nào nữa.

Hình 9.: Quan hệ số lượng xe – Lưu lượng xe.

Trần Trung Tín

25