1. Một
số
vấn
đề
cơ
bản
của
bài
toán
giao
thông
đô
thị
PGS.TS.
Trần
Văn
Lăng
VIỆN
HÀN
LÂM
KHOA
HỌC
VÀ
CÔNG
NGHỆ
VIỆT
NAM
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
S
1
2. Nội
dung
S Mô
hình
hóa
S Phương
pháp
giải
S Trao
đổi
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
2
3. Đặc
tính
và
quan
niệm
về
sự
chuyển
động
của
dòng
xe
S Dòng
xe
đông
là
dòng
xe
trong
đó
S các
xe
có
tác
động
qua
lại
lẫn
nhau
một
cách
chặt
chẽ;
S con
người
(như
một
máy
điều
khiển)
đóng
vai
trò
quyết
định
trong
sự
tác
động
đó
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
3
4. S Cụ
thể,
dòng
xe
đông
là
sự
chuyển
động
S có
tổ
chức
của
một
cột
xe
S của
một
hàng
xe
dài
S của
các
cụm
hay
nhóm
xe
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
4
5. S Có
2
cách
xây
dựng
lý
thuyết
về
sự
chuyển
động
của
dòng
xe
đông:
S xét
đến
sự
tác
động
qua
lại
giữa
từng
chiếc
xe
riêng
biệt
(quan
điểm
vi
mô)
S miêu
tả
sự
chuyển
động
của
dòng
xe
như
là
một
môi
trường
liên
tục
(quan
điểm
vĩ
mô)
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
5
6. Mô
hình
vĩ
mô
(Macroscopic
Model)
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
S
6
7. Quan
niệm
vĩ
mô
S Mô
hình
này
coi
dòng
xe
như
một
môi
trường
liên
tục
gồm
một
số
lớn
xe
chạy
gần
nhau.
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
7
8. S Sử
dụng
các
định
luật
cơ
bản:
S phương
trình
trạng
thái
dòng
xe
S phương
trình
liên
tục
S phương
trình
động
lượng
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
8
9. Phương
trình
trạng
thái
dòng
xe
S Trạng
thái
dòng
xe
như
một
môi
trường
liên
tục
liên
hệ
giữa:
S cường
độ
(số
xe
chạy)
N,
[xe/h]
S mật
độ
xe
ρ
[xe/km]
S tốc
độ
dòng
xe
v
[km/h]
N
=
ρv
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
9
10. Phương
trình
liên
tục
(Continuity
Equation)
S Dựa
trên
nguyên
lý
của
định
luật
bảo
toàn
khối
lượng.
S Có
nghĩa:
tổng
số
xe
không
đổi
theo
thời
gian
khi
dòng
xe
đi
qua
một
đoạn
đường
nào
đó.
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
10
11. S Sự
thay
đổi
tổng
số
xe
trên
đoạn
đường
có
thể
sinh
ra
do:
S sự
thay
đổi
mật
độ
ρ
theo
thời
gian,
và
S cường
độ
N
theo
đoạn
đường
x.
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
11
12. S Xét
đoạn
đường
có
chiều
dài
dx
trong
khoảng
thời
gian
dt.
S Sự
thay
đổi
lượng
xe
đi
vào
đoạn
đường
dx
trong
khoảng
thời
gian
dt
chính
là
hiệu
giữa
số
xe
đi
vào
đoạn
x
và
số
xe
ra
khỏi
đoạn
x
+
dx.
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
12
13. S Số
xe
đi
vào
đoạn
dx
trong
khoảng
thời
gian
dt
là
Ndt.
S Suy
ra
số
xe
đi
ra
khỏi
đoạn
dx
là:
∂N
Ndt +
dxdt
∂x
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
13
14. S Từ
đây,
ta
có
sự
biến
thiên
lượng
xe
trong
đoạn
dx
là
∂N
− dxdt
∂x
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
14
15. S Mặt
khác,
số
xe
trên
đoạn
dx
ở
thời
điểm
t
bằng
ρdx.
S Suy
ra
lượng
thay
đổi
mật
độ
xe
trong
khoảng
thời
gian
dt
là
∂( ρdx)
∂ρ
dt = dxdt
∂t
∂t
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
15
16. S Như
vậy,
theo
định
luật
bảo
toàn
khối
lượng:
S Hay
∂ρ
∂N
dxdt = − dxdt
∂t
∂x
∂ρ ∂N
+
=0
∂t ∂x
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
16
17. S Thay
N
=
ρv,
ta
được:
∂ρ ∂( ρv)
+
=0
∂t
∂x
S Ý
nghĩa
của
phương
trình
liên
tục
đó
là:
số
xe
đi
vào
đoạn
đường
dx
trong
khoảng
thời
gian
dt
bằng
số
xe
đi
ra
khỏi
đoạn
đường
đó.
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
17
18. Phương
trình
chuyển
động
(Eq.
of
Motion)
S Mật
độ
ρ(x,t)
giao
thông
là
lượng
xe
trên
một
kilomet
ở
thời
điểm
t.
S v(x,t)
là
vận
tốc
của
dòng
xe.
S Động
lượng
của
một
vật
có
khối
lượng
m
chuyển
động
với
vận
tốc
v
là
đại
lượng
mv.
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
18
19. S Một
hệ
nhiều
vật
được
gọi
là
cô
lập
khi
không
có
ngoại
lực
tác
dụng
lên
hệ
hoặc
nếu
có
thì
các
ngoại
lực
đó
cân
bằng
nhau.
S Trong
hệ
cô
lập
chỉ
có
các
nội
lực
đối
nhau
theo
định
luật
III
Newton
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
19
20. S Theo
định
luật
bảo
toàn
động
lượng:
động
lượng
của
một
hệ
cô
lập
là
một
đại
lượng
bảo
toàn
(nghĩa
là
tổng
các
động
lượng
là
hằng
số)
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
20
21. S Biến
thiên
động
lượng
theo
thời
gian
chính
là
tổng
các
lực
ngoài.
S Nên
với
một
hệ
cô
lập,
đại
lượng
biến
thiên
này
bằng
không
(không
có
biến
thiên)
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
21
22. S Với
các
quy
tắc
trên,
ta
rút
ra
phương
trình
(gọi
là
phương
trình
chuyển
động):
d(mv)
dv
dv
=0⇔m =0⇔ =0
dt
dt
dt
∂v dt ∂v dx
∂v
∂v
⇔
+
=0⇔ +v =0
∂t dt ∂x dt
∂t
∂x
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
22
23. S Với
v
=
N/ρ,
suy
ra
phương
trình
chuyển
động:
∂v
∂ N
∂v
∂ 1 v ∂N
+v
= 0 ⇔ + vN
+
=0
∂t
∂x ρ
∂t
∂x ρ ρ ∂x
2
∂v vN ∂ρ v ∂N
∂v v ∂ρ v ∂N
⇔ − 2
+
=0⇔ −
+
=0
∂t ρ ∂x ρ ∂x
∂t ρ ∂x ρ ∂x
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
23
24. S Như
vậy
chúng
ta
có
3
phương
trình
để
xác
định
N,
v
và
ρ:
) ∂ρ ∂( ρv)
=0
+ +
∂x
+ ∂t
+ ∂v v # ∂N
∂ρ &
−v (=0
* + %
∂x '
+ ∂t ρ $ ∂x
+ N = ρv
+
,
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
24
25. Ưu
và
nhược
của
mô
hình
vĩ
mô
S Ưu
điểm:
ít
tham
số
để
tính
toán
nên
đơn
giản
trong
việc
xây
dựng
chương
trình.
S Nhược
điểm:
bỏ
qua
các
chi
tiết
nhỏ,
các
xe
trong
dòng
xe
hầu
như
cùng
loại,
chạy
với
cùng
vận
tốc
để
luôn
là
một
khối,
số
lượng
xe
gia
nhập
hoặc
ra
khỏi
dòng
không
có,
v.v..
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
25
26. Mô
hình
vi
mô
(Microscopic
Model)
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
S
26
27. Quan
niệm
vi
mô
S Mô
hình
vi
mô
nhằm
mô
hình
hóa
chuyển
động
của
từng
chiếc
xe
trong
một
hệ
thống.
S Quan
tâm
vị
trí,
vận
tốc
và
gia
tốc
của
xe.
S Được
xây
dựng
từ
phương
trình
mô
tả
trạng
thái
chuyển
động
của
mỗi
chiếc
xe.
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
27
28. S Mô
hình
vi
mô
thường
được
quyết
định
bởi
một
chiếc
xe
dẫn
đầu,
gọi
là
mô
hình
"xe
sau”
hay
“xe
bám
xe”
(car-‐following).
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
28
29. S Mô
hình
vi
mô
cố
gắng
làm
cho
giống
cách
thức
ứng
xử
của
con
người
khi
tham
gia
giao
thông.
S Để
thực
hiện
điều
này,
phải
mô
hình
hóa
được
phản
ứng
lái
xe
tiêu
biểu
khi
gặp
tình
huống
bất
thường.
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
29
30. Trạng
thái
lái
xe
S Có
3
trạng
thái
lái
xe
(Driving
State):
S Free
Trafšic
State
S Following
State
S Trạng
thái
phanh
(Braking
State)
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
30
31. S Trạng
thái
Free
Trafšic:
Tình
huống
này
xãy
ra
khi:
S mật
độ
xe
thấp,
người
lái
xe
có
thể
tăng
tốc
để
đạt
được
tốc
độ
mong
muốn
S không
có
chiếc
xe
phía
trước
làm
ảnh
hưởng
đến
vị
trí,
vận
tốc
và
gia
tốc
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
31
32. S Trạng
thái
có
xe
phía
trước,
hay
là
trạng
thái
theo
sau
(Following
State):
S Đây
là
trạng
thái
gặp
phải
thường
xuyên
khi
mà
mật
độ
xe
từ
trung
bình
đến
cao.
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
32
33. S Trong
trạng
thái
này,
vận
tốc
và
gia
tốc
của
chiếc
xe
chủ
yếu
được
xác
định
bởi
các
xe
phía
trước.
S Người
lái
xe
phải
cố
gắng
duy
trì
một
khoảng
cách
tối
thiểu
và
tối
đa
(chính
là
khoảng
cách
thời
gian
–
time
gap)
giữa
xe
của
họ
và
xe
phía
trước
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
33
34. S Trạng
thái
phanh
(Braking
State):
Coi
như
là
một
sự
ứng
cứu
khẩn
cấp.
S Trạng
thái
này
xãy
ra
khi
xe
đến
gần
một
chiếc
xe
đã
dừng
lại,
hoặc
chiếc
xe
phía
trước
chạy
với
tốc
độ
chậm
hơn
một
cách
đáng
kể.
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
34
35. S Người
lái
xe
cố
gắng
thắng
xe
lại
theo
một
mức
độ
nào
đó
để
tránh
va
chạm
với
đối
tượng
phía
trước.
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
35
36. Ưu
và
nhược
của
mô
hình
vi
mô
S Ưu
điểm:
S Chính
yếu
đó
là
nghiên
cứu
khả
năng
chuyển
động
của
từng
chiếc
xe
riêng
S Mô
hình
vĩ
mô
(vận
tốc
và
mật
độ)
cũng
có
thể
dùng
cho
mô
hình
vi
mô
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
36
37. S Bất
lợi:
S Lớn
nhất
đó
là
mỗi
phương
tiện
vận
chuyển
được
mô
hình
hóa
bởi
một
phương
trình
vi
phân.
S Từ
đó
làm
tăng
chi
phí
tính
toán,
đòi
hỏi
máy
tính
có
công
suất
tính
toán
mạnh.
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
37
38. S Tác
động
qua
lại
giữa
các
xe
trong
một
dòng
xe
đông
phụ
thuộc
vào
hành
vi
của
lái
xe.
S Hành
vi
này
thể
hiện
qua
sự
biến
đổi
khoảng
cách
giữa
các
xe.
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
38
39. S Từ
đây,
lý
thuyết
cơ
bản
cần
đạt
đó
là
xây
dựng
mô
hình
để
tính
toán
cự
ly
trung
bình
giữa
các
xe
với
các
tốc
độ
chạy
khác
nhau.
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
39
40. Phương
trình
chuyển
động
S Trong
quan
niệm
vi
mô,
mô
hình
Car-‐
following
là
quyết
định.
S Giả
thiết:
các
xe
chạy
trong
một
dòng
xe
(trong
một
cột)
phải
cách
nhau
một
khoảng
cách
do
luật
quy
định.
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
40
41. S Gọi
xn
và
xn+1
là
tọa
độ
của
vị
trí
xe
thứ
n
(xe
chạy
sau)
và
n+1
xe
chạy
trước
S Ta
có:
xn+1 = xn +(l0 +t pvn )+ ln+1
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
41
42. S Trong
đó
S l0
là
khoảng
cách
tối
thiểu
giữa
2
xe
S ln
là
chiều
dài
xe
thứ
n
S tpvn
khoảng
cách
giữa
các
xe,
tùy
thuộc
tốc
độ
xe
chạy.
S tp
thời
gian
phản
ứng
tâm
lý
của
người
lái,
vn
vận
tốc
xe
sau
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
42
43. S Lấy
vi
phân
theo
thời
gian,
suy
ra
phương
trình
dxn+1
dt
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
=
dxn
dt
+t p
dvn
dt
,n = 1,2,...
Vietnam Academy of Science and Technology
43
44. S Nếu
biểu
diễn
qua
vận
tốc
vn =
dxn
dt
S Phương
trình
trên
có
thể
viết
lại
dvn
vn+1 = vn +t p
dt
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
44
45. S Từ
đây
suy
ra
!!!!!vn+1 − vn = t p
dvn
dt
,
Hay
dvn 1
!!!!!
= (vn+1 − vn )
dt t p
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
45
46. S Từ
phương
trình
này
có
thể
phát
biểu
quy
tắc:
S Khi
2
xe
bám
nhau
với
một
cự
ly
khá
gần
có
thể
ảnh
hưởng
lẫn
nhau;
thì
gia
tốc
của
xe
chạy
sau
tỷ
lệ
thuận
với
hiệu
tốc
độ
giữa
xe
chạy
trước
và
xe
chạy
sau.
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
46
47. S Thường
ký
hiệu
α
=
1/tp
là
hệ
số
tỷ
lệ
hay
độ
nhạy
cảm
của
người
lái
xe;
quy
luật
cơ
bản
của
Car
–
Following
được
viết:
dvn
dt
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
= α(vn+1 − vn )
Vietnam Academy of Science and Technology
47
48. Độ
nhạy
cảm
α
S Phụ
thuộc
S (C1)
giữa
khoảng
cách
giữa
2
xe.
S (C2)
tốc
độ
người
lái
xe
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
48
49. S Với
(C1),
hệ
số
này
tỷ
lệ
nghịch
với
khoảng
cách
d
giữa
2
xe.
Nên
có
thể
biểu
diễn
v0
α=
d
Trong
đó,
v0
là
vận
tốc
đặc
trưng
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
49
50. S Khi
đó
ta
có
quy
luật
Car-‐Following:
gia
tốc
của
xe
chạy
sau
tỷ
lệ
thuận
với
hiệu
vận
tốc
của
xe
trước
và
xe
sau,
đồng
thời
tỷ
lệ
nghịch
với
khoảng
cách
giữa
2
xe.
dvn
dt
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
= v0
vn+1 − vn
d
Vietnam Academy of Science and Technology
50
51. S Với
(C2),
xe
chạy
càng
nhanh
thì
độ
nhạy
cảm
càng
lớn,
và
khi
xe
trước
càng
gần
thì
độ
nhạy
cảm
càng
cao
β vn
α=
d
Trong
đó
β
là
tham
số
điều
chỉnh
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
51
52. S Quy
luật
trong
trường
hợp
này
có
thể
viết
dvn+1
dt
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
= β vn
vn+1 − vn
d
,∀i = 1,...,N
Vietnam Academy of Science and Technology
52
53. Một
số
nghiên
cứu
Car-‐Following
khác
S Sự
chuyển
động
của
dòng
xe
trong
chế
độ
Car-‐Following
là
một
ví
dụ
về
hệ
ngẫu
nhiên;
bởi
các
hàm
tương
tác
ngẫu
nhiên
trong
trường
hợp
này
là:
S hàm
vận
tốc
xe
trước
thay
đổi
theo
thời
gian
và
hàm
vận
tốc
xe
sau
thay
đổi
theo
thời
gian.
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
53
54. S Từ
đây
có
thể
nghiên
cứu
quan
hệ
giữa
các
hàm
vận
tốc
của
xe
chạy
trước
với
các
xe
khác
trong
dòng
xe.
S Lý
thuyết
hàm
ngẫu
nhiên
(phân
tích
phổ)
có
thể
dùng
phân
tích
sự
tác
động
qua
lại
giữa
2
xe
(hàm
tự
tương
quan,
mật
độ
phổ,
…)
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
54
55. Phương
pháp
giải
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
S
55
56. Mô
hình
vi
mô
S Vấn
đề
đặt
ra
là
tìm
vận
tốc
vn,
vn+1
của
N
chiếc
xe
vào
từng
thời
điểm
ti
=
iΔt
cụ
thể.
S Trong
đó
Δt
là
khoảng
thời
gian
giữa
2
thời
điểm.
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
56
57. S Gọi
(i
vn ) = vn (t i )= vn (iΔt)
là
vận
tốc
của
chiếc
xe
thứ
n
ở
thời
điểm
ti
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
57
58. S Sai
phân
phương
trình
vi
phân
mô
tả
chuyển
động
của
chiếc
xe
trong
mô
hình
vi
mô
theo
thời
gian,
ta
được
v
(i+1)
n+1
−v
Δt
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
(i )
n+1
≈ βv
(i )
n
v
(i+1)
n+1
Vietnam Academy of Science and Technology
−v
(i+1)
n
d
58
59. S Gom
các
đại
lượng
ở
thời
điểm
ti+1
về
một
vế,
ti
ở
vế
còn
lại:
(i
(i )
# 1 β v (i ) &
β vn ) (i+1) vn+1
n ( (i+1)
% −
vn+1 −
vn ≈
,∀i ≥ 0,n ≥ 1
% Δt
d (
d
Δt
$
'
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
59
60. S Cho
trước
t0,
ứng
với
mỗi
thời
điểm
ti+1;
đặt
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
(i
β vn )
1
(i )
a = −
Δt
d
(i
β vn )
(i )
b =−
d
(i )
vn+1
(i )
c =
Δt
Vietnam Academy of Science and Technology
60
61. S Bài
toán
được
đưa
về
hệ
phương
trình
đại
số
tuyến
tính
(i+1)
(i+1)
a(i )vn+1 + b(i )vn ≈ c(i ) ,∀n ≥ 1
S Để
tìm
vận
tốc
của
các
chiếc
xe
ở
thời
điểm
ti+1.
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
61
62. Mô
hình
vĩ
mô
S Bằng
cách
tương
tự,
tìm
N,
v
và
ρ
từ
hệ
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
) ∂ρ ∂( ρv)
=0
+ +
∂x
+ ∂t
+ ∂v v # ∂N
∂ρ &
−v (=0
* + %
∂x '
+ ∂t ρ $ ∂x
+ N = ρv
+
,
Vietnam Academy of Science and Technology
62
63. Trần
Văn
Lăng
langtv@vast.vn,
langtv@me.com
Dr. Tran Van Lang, Assoc.Prof
Vietnam Academy of Science and Technology
S
63