Nhờ công nghệ, đèn giao thông thông minh có khả năng hiển thị dựa trên tình hình giao thông thực tế. Từ đó, hệ thống giảm thiểu tình trạng ùn tắc và tai nạn giao thông đường bộ.

Đèn giao thông thông thường được điều khiển dựa trên quy tắc có sẵn. Nhưng cách tiếp cận cứng nhắc này hiện đã không còn hiệu quả cho tất cả các tình huống giao thông, đặc biệt là tại các thành phố lớn.

Ngoài ra, tại một số thành phố hiện nay, cảm biến hiện đang được sử dụng là công nghệ vòng lặp cảm ứng được nhúng vào mặt đường - chỉ cung cấp những thông tin sơ bộ về tình hình giao thông thực tế.

Do bộc lộ nhiều vấn đề trong quá trình quản lý và vận hành, những thành phố thông minh (Smart city) đang dần thay thế đèn giao thông truyền thống bằng đèn giao thông thông minh.

1. Hệ thống đèn giao thông thông minh là gì?

Đèn giao thông thông minh là hệ thống đèn tín hiệu điều khiển phương tiện được tích hợp công nghệ. Hệ thống có thể điều chỉnh khả năng hiển thị của đèn giao thông dựa trên thông tin được thu thập từ các cảm biến, thiết bị biên và hệ thống video.

Tại giao lộ, đèn giao thông thông minh có thiết kế tương tự đèn giao thông thông thường ngoại trừ các yếu tố phần cứng phụ như cảm biến Internet vạn vật (IoT - Internet of Thing) và/hoặc camera thông minh quan sát tình hình giao thông thực tế.

Hệ thống đèn giao thông thông minh được kết nối với một nền tảng đám mây để phục vụ cho quá trình quản lý. Chúng thường cung cấp các thuật toán dự đoán để tự động điều chỉnh động các tín hiệu giao thông.

2. Lợi ích của hệ thống đèn giao thông thông minh

Trong thực tế, hệ thống đèn giao thông thông minh không thể khắc phục hoàn toàn tất cả các vấn đề giao thông đường bộ như tắc nghẽn, tai nạn và vi phạm. Tuy nhiên, chúng là một biện pháp phòng ngừa tốt hơn nhiều so với đèn giao thông truyền thống.

Đối với các thành phố thông minh, công nghệ đèn giao thông thông minh mang lại những lợi ích như:

• Giảm thời gian đi lại: Người Mỹ chi tiêu trung bình 58 giờ mỗi năm để chờ đèn giao thông. Các biện pháp kiểm soát thông minh hơn có thể giúp người dân và các tiện vận chuyển hàng hóa di chuyển nhanh hơn, thuận tiện hơn qua các tuyến đường trong thành phố.

• Giảm thiểu ô nhiễm môi trường do khí thải: Trung bình, mỗi chiếc ô tô chạy không tải phát ra 30 triệu tấn CO2 vào khí quyển hàng năm. Thời gian chờ đợi và ùn tắc giao thông giảm xuống giúp góp phần hạn chế ô nhiễm không khí.

• Ít tai nạn trên đường: 90% tai nạn đường bộ xảy ra chủ yếu do vi phạm an toàn giao thông (ATGT). Hệ thống đèn giao thông thông minh giúp đi lại thuận tiện hơn, đồng thời ghi nhận các trường hợp vi phạm, góp phần nâng cao ý thức người tham gia giao thông.

• Tăng lượng người sử dụng phương tiện công cộng: Các làn đường, tín hiệu ưu tiên cho giao thông công cộng sẽ thu hút nhiều cư dân sử dụng dịch vụ hơn.

Đèn giao thông thông minh tích hợp nhiều công nghệ, mang lại lợi ích to lớn cho thành phố - Ảnh: Internet

3. Đèn giao thông thông minh hoạt động như thế nào?

Đèn giao thông thông minh được trang bị các công nghệ cảm biến, camera quay video, ghi nhận hình ảnh, kết nối với trung tâm điều hành để thu thập dữ liệu thời gian thực.

Dữ liệu thu về sẽ được xử lý, phân tích trước trên thiết bị hoặc được truyền tới nền tảng đám mây tại trung tâm quản lý và điều hành giao thông, từ đó đưa ra dự đoán để điều chỉnh tín hiệu đèn sao cho phù hợp.

Một hệ thống đèn giao thông thông minh tiêu chuẩn có hai yếu tố: Cột đèn giao thông trên đường và trung tâm điều khiển đám mây.

Đèn giao thông thông minh bên đường vẫn có giao diện ba đèn quen thuộc - và một số tính năng bổ sung.

Cột đèn giao thông

Đèn giao thông thông minh bên đường vẫn có giao diện ba đèn màu quen thuộc nhưng được bổ sung một số tính năng khác như:

• Mô-đun kết nối - Wi-Fi, 4G/5G, V2X, GPS

• Cảm biến: Radar/LiDAR; Phát hiện tốc độ; Cảm biến thời tiết; Cảm biến khí thải

• Camera thông minh phát hiện, ghi nhận sự kiện trong thời gian thực: Giám sát tín hiệu đèn; Đo lường lưu lượng giao thông; Phát hiện loại phương tiện giao thông, người đi bộ; Phát hiện tai nạn

• Thiết bị tích hợp thông tin: Đèn giao thông thông minh có khả năng thu thập, xử lý tại biên và trao đổi dữ liệu trên các kênh khác nhau như trung tâm giám sát và điều hành giao thông thông minh, radio trên xe, ứng dụng lái xe hoặc du lịch trên thiết bị di động,...

Trung tâm điều khiển đám mây

Về mặt phần mềm, một hệ thống đèn giao thông thông minh có thể xử lý dữ liệu theo hai cách: Trên thiết bị (tại biên) hoặc trên đám mây.

Xử lý trước dữ liệu tại biên giúp giảm độ trễ, cung cấp thông tin nhanh chóng nhất so với thời gian thực. Với phần cứng phù hợp, đèn giao thông thông minh có thể phân tích điều kiện giao thông cơ bản trên đường. Ví dụ:

• Phân tích chuyển động của phương tiện tại các giao lộ để phát hiện các hành vi vi phạm.

• Đo đếm, phân tích lưu lượng phương tiện để điều chỉnh thời gian hiển thị đèn tín hiệu.

• Ước tính mức độ khí thải, thông báo cho các nhà quy hoạch đô thị.

Quá trình xử lý tại biên trên cột đèn giao thông thông minh hỗ trợ hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông thích ứng (Adaptive traffic signals control - ATSC) theo thời gian thực dựa trên tình hình đường hiện tại.

Theo Đại học Carnegie Mellon, hệ thống ATSC có thể giảm 25% thời gian di chuyển trung bình, 40% thời gian chờ tín hiệu tại các giao lộ và 20% lượng khí thải so với đèn giao thông truyền thống.

Ngoài ra, cột đèn thông minh có thể truyền dữ liệu thô hoặc đã được xử lý đến trung tâm điều khiển dựa trên kết nối đám mây, thường là các trung tâm giám sát điều hành giao thông thông minh (ITS - Intelligent Transport System).

Tại đây, cơ quan quản lý sẽ thực hiện mô hình hóa và đưa ra phân tích dự đoán, từ đó đưa ra giải pháp nâng cao để ngăn chặn tình trạng tắc nghẽn giao thông, sắp xếp lịch trình giao thông công cộng hợp lý hơn.

Tương tự như vậy, cơ quan quản lý cũng có thể sử dụng dữ liệu lịch sử được thu thập nhằm mục đích: Dự đoán lưu lượng; quản lý bãi đậu xe; quy hoạch vận tải đa phương thức; Phát triển các giải pháp Mobility as a service - MaaS (Nền tảng tích hợp nhiều hình thức dịch vụ vận tải khác nhau vào một dịch vụ di động có thể truy cập theo yêu cầu).

Cấu trúc của hệ thống đèn giao thông thông minh - Ảnh: Internet

4. Các tính năng cần có ở đèn giao thông thông minh

Để cung cấp những lợi ích trên cho các nhà quy hoạch đô thị, đèn giao thông trong tương lai cần được trang bị những tính năng sau:

Hệ thống điều khiển tín hiệu giao thông thích ứng (ATSC)

Các thuật toán dự đoán của hệ thống đèn giao thông thông minh có thể tìm ra giải pháp hiệu quả cho các vấn đề giao thông. Hệ thống tự động thu thập thông tin, tìm ra sự tương đồng giữa quy tắc báo hiệu giao thông với tỷ lệ vi phạm/tai nạn.

Đèn giao thông thông minh dựa vào các cảm biến và dữ liệu trực quan để đưa ra quyết định tại chỗ và kiểm soát chuyển động của giao thông. Sau đó, hệ thống lập mô hình, dự đoán các tình huống rủi ro với độ chính xác cao hơn mức con người có thể làm tại thời gian thực. 

Ví dụ, một nhóm các nhà nghiên cứu Đức đã hợp tác với các nhà quy hoạch thành phố ở Lemgo trong một chương trình trí tuệ nhân tạo (AI - Artificial Intelligence) để quản lý đèn giao thông. Nhóm nghiên cứu đã sử dụng một bộ camera độ phân giải cao và cảm biến radar để thu thập dữ liệu.

Sau đó, họ đào tạo một thuật toán học sâu để điều chỉnh tín hiệu tại giao lộ đông đúc. Thuật toán được giao nhiệm vụ ước tính hành vi chuyển đổi tối ưu cho đèn giao thông và trình tự pha tốt nhất nhằm giảm bớt:

• Thời gian chờ đợi ở ngã tư

• Thời gian hành trình trung bình của phương tiện

• Tiếng ồn và khí thải CO2

Tín hiệu ưu tiên phương tiện khẩn cấp

Các phương tiện khẩn cấp cần được ưu tiên đi vào các con đường. Cơ hội sống sót giảm từ 7 - 10% cho mỗi phút hỗ trợ y tế khẩn cấp bị trì hoãn. Tương tự như vậy, hậu quả của việc cảnh sát, nhân viên cứu hỏa và các dịch vụ khẩn cấp khác đến chậm trễ là rất nghiêm trọng.

Tuy nhiên, những phương tiện cứu trợ khẩn cấp vẫn có thể gặp trường hợp mắc kẹt tại các giao lộ. Hệ thống báo hiệu kết hợp với bộ thay đổi đèn tín hiệu giao thông khẩn cấp thông minh có thể giải quyết vấn đề này bằng cách:

• Cập nhật tín hiệu kịp thời giúp các phương tiện khẩn cấp di chuyển nhanh hơn.

• Thay đổi mạng lưới tín hiệu để chuyển hướng phương tiện khỏi khu vực bị ảnh hưởng

• Triển khai tín hiệu ưu tiên gần nơi đỗ xe khẩn cấp, bãi đậu xe.

• Thông báo trước cho tài xế về sự xuất hiện của phương tiện khẩn cấp họ có thêm thời gian điều động, di chuyển.

Hệ thống tín hiệu ưu tiên

Một lượng lớn phương tiện tập trung tại các nút giao tạo ra tiếng ồn và lượng lớn khí thải. Những giao lộ quá đông đúc cũng khiến cư dân e ngại khi lựa chọn địa điểm sinh sống, học tập và làm việc. Điều này ảnh hưởng phần nào đến sự phát triển kinh tế của thành phố và các khu vực lân cận. 

Tín hiệu giao thông thông minh có thể giúp giảm thời gian không tải của xe và thúc đẩy thói quen lái xe bền vững hơn.

Một nhóm các nhà nghiên cứu tại Đài Loan đã tập hợp dữ liệu từ các mô hình điều tiết đèn giao thông dựa trên cảm biến. Công nghệ này có thể phát hiện những thay đổi mô hình giao thông và đề xuất tín hiệu đèn phù hợp cho ô tô, người đi xe đạp và người đi bộ.

Chính quyền Đài Loan đã thử nghiệm mô hình này ở hai quận và cho thấy hiệu quả ấn tượng:

• Cải thiện tổng thể 7,9% thời gian di chuyển trung bình

• Giảm 12,6% sự chậm trễ đi lại vào các ngày trong tuần, dịp lễ tết

• Tiết kiệm nhiên liệu 318.269 lít mỗi năm

• Giảm 101,1 triệu tấn/năm khí thải CO và 720,2 tấn CO2/năm

Các phương tiện di chuyển vi mô như xe đạp, xe đạp điện và xe máy điện là tương lai của smart city. Tuy nhiên, chúng cũng có thể gây ra nhiều nguy hiểm trên đường. Trong nửa đầu năm 2021, các vụ tai nạn xe điện ở London đã tăng 2,800% so với năm 2018.

Peek Traffic - một công ty cung cấp hệ thống quản lý giao thông vận tải tại New York đã phát triển giải pháp di chuyển thông minh để điều tiết người đi xe đạp và người đi bộ.

Giải pháp kết nối tất cả những người tham gia giao thông với hệ thống điều khiển giao thông thông minh thông qua ứng dụng ITS. Ứng dụng gửi tín hiệu đến hệ thống điều khiển đèn giao thông thông minh.

Khi một người đi bộ hoặc phương tiện gặp khó khăn trong lúc qua đường, ứng dụng kết nối với đèn giao thông để nó tự động điều chỉnh độ dài tín hiệu. Đèn giao thông linh hoạt trên đường dành cho người đi bộ, xe đạp, xe điện làm cho việc sử dụng xe đạp trở nên hấp dẫn hơn, từ đó mang lại rất nhiều lợi ích bền vững cho xã hội.

Hệ thống đèn giao thông thông minh ưu tiên cho người đi bộ, xe đạp - Ảnh: Internet

Nhờ mang lại nhiều lợi ích thiết thực, bền vững, đèn giao thông thông minh được coi là một trong những tiện ích không thể thiếu trong hệ thống giao thông thông minh trong tương lai.