SCATS và SCOOT là hai hệ thống đèn tín hiệu thích ứng lâu đời và phổ biến nhất thế giới: thay vì chạy theo thời gian biểu cố định, đèn tự đo dòng xe bằng cảm biến rồi chỉnh độ dài chu kỳ, thời gian xanh của từng hướng và độ lệch giữa các nút gần nhau. SCATS ra đời ở Sydney, Úc, từ đầu thập niên 1970; SCOOT được phát triển ở Anh và đưa vào dùng khoảng đầu thập niên 1980. Hai hệ đi theo hai triết lý khác nhau, và hiểu khác biệt đó là hiểu được cách một thành phố "nghe" dòng xe của mình.
Đèn cố định và đèn thích ứng khác nhau ở đâu
Đèn tín hiệu đời đầu chạy như đồng hồ: xanh bao nhiêu giây, vàng bao nhiêu giây, đỏ bao nhiêu giây, lặp mãi. Bước tiến đầu tiên là chia ngày thành nhiều khung giờ, mỗi khung một kế hoạch. Kỹ sư đi đếm xe, tính toán, nạp kế hoạch vào tủ điều khiển. Cách này gọi là điều khiển theo thời gian biểu.
Vấn đề là dòng xe không đọc thời gian biểu. Một trận mưa, một ngày đầu năm học, một con đường mới mở ở gần làm lượng xe lệch đi, trong khi kế hoạch đèn vẫn như cũ. Kế hoạch cố định lại cũ đi rất nhanh, trong khi thành phố hiếm khi có đủ người để đi đếm lại và tính lại thường xuyên. Kỹ sư giao thông nhiều nước có hẳn một cụm từ cho chuyện này: kế hoạch đèn "lão hoá".
Đèn thích ứng giải quyết chuyện đó bằng cách đo liên tục và tự chỉnh. Ba đại lượng nó điều chỉnh là:
- Chu kỳ: tổng thời gian để đèn quay hết một vòng qua mọi hướng. Đông xe thì chu kỳ dài hơn để mỗi lần xanh cho qua được nhiều xe, bớt thời gian mất vào chuyển pha.
- Tỉ lệ xanh (split): mỗi hướng được bao nhiêu phần của chu kỳ.
- Độ lệch (offset): nút sau bật xanh muộn hơn nút trước bao nhiêu giây, để đoàn xe vừa qua nút này tới nút kia đúng lúc đèn xanh. Đây là phần làm nên "làn sóng xanh".
SCATS: đo ở vạch dừng, chọn kế hoạch tốt nhất
SCATS là viết tắt của Sydney Coordinated Adaptive Traffic System, hệ thống điều khiển giao thông thích ứng phối hợp Sydney. Hệ thống do cơ quan đường bộ của bang New South Wales phát triển từ đầu thập niên 1970, kỹ sư Arthur Sims thường được ghi nhận là người dẫn dắt. Về sau SCATS được bán cho rất nhiều thành phố ở châu Á, Trung Đông, châu Mỹ và châu Âu.
Cách SCATS nhìn dòng xe
Cảm biến của SCATS là vòng từ đặt ngay tại vạch dừng của từng làn. Trong thời gian đèn xanh, hệ thống đo xem làn đó được dùng hiệu quả tới đâu: có khoảng trống nào mà lẽ ra xe phải chạy qua nhưng không có xe không. Từ đó nó tính ra một chỉ số gọi là mức độ bão hoà. Làn bão hoà cao là làn đã dùng gần hết thời gian xanh được cấp, cần thêm. Làn bão hoà thấp là làn đang được cho xanh thừa.
Dựa vào chỉ số đó, SCATS chỉnh chu kỳ và tỉ lệ xanh từng chút một sau mỗi chu kỳ, chọn trong một tập kế hoạch đã được kỹ sư khai báo trước. Nó không tự nghĩ ra kế hoạch hoàn toàn mới; nó chọn và pha trộn trong khung được cho phép.
Cấu trúc nhiều tầng
SCATS chia thành phố thành các tiểu hệ, mỗi tiểu hệ gồm một nút "chính" và vài nút lân cận. Các tiểu hệ có thể tự "kết hôn" với nhau, tức là chạy chung một chu kỳ, khi dòng xe giữa chúng đủ lớn, rồi "ly hôn" khi dòng xe thưa đi. Tủ điều khiển ở nút, máy tính khu vực và máy tính trung tâm chia nhau việc. Nếu mất liên lạc với trung tâm, tủ ở nút vẫn chạy được theo chế độ dự phòng.
SCOOT: đo từ xa, đoán trước đoàn xe
SCOOT là viết tắt của Split Cycle Offset Optimisation Technique, kỹ thuật tối ưu tỉ lệ xanh, chu kỳ và độ lệch. Hệ thống được phát triển bởi Phòng thí nghiệm nghiên cứu giao thông đường bộ của Anh (TRRL, nay là TRL) cùng các hãng điện tử của Anh, thử nghiệm ở Glasgow và Coventry rồi bán thương mại từ khoảng đầu thập niên 1980.
Cách SCOOT nhìn dòng xe
Khác SCATS, cảm biến của SCOOT đặt ở xa phía trước, thường gần lối ra của nút giao phía thượng lưu. Mỗi giây, nó ghi nhận có xe đi qua hay không, dựng ra một "hồ sơ dòng xe theo chu kỳ": đoàn xe đang tới gồm bao nhiêu xe, tới lúc nào. Từ đó nó mô phỏng hàng chờ sẽ hình thành ở vạch dừng phía trước, trước khi xe thật tới nơi.
Gốc của SCOOT là mô hình TRANSYT do nhà nghiên cứu Dennis Robertson ở TRRL xây dựng từ thập niên 1960 để tính kế hoạch đèn ngoại tuyến. SCOOT về bản chất là đưa phép tính đó lên mạng và cho chạy liên tục.
Chỉnh nhỏ nhưng chỉnh thường xuyên
SCOOT nổi tiếng với những thay đổi rất nhỏ nhưng dày đặc: mỗi lần chuyển pha, nó có thể dời thời điểm đổi đèn sớm hay muộn vài giây; mỗi chu kỳ, nó nhích độ lệch một chút; vài phút một lần, nó xét lại chu kỳ cho cả vùng. Không bước nào đủ lớn để người đi đường cảm nhận được, nhưng cộng dồn lại thì kế hoạch đèn luôn bám theo dòng xe thật.
Đặt hai hệ cạnh nhau
| Tiêu chí | SCATS | SCOOT |
|---|---|---|
| Nơi ra đời | Sydney, Úc, từ đầu thập niên 1970 | Anh, thương mại hoá khoảng đầu thập niên 1980 |
| Vị trí cảm biến | Tại vạch dừng | Phía thượng lưu, cách vạch dừng một đoạn |
| Cách ra quyết định | Đo mức dùng thời gian xanh, chọn trong các kế hoạch khai báo sẵn | Mô phỏng hàng chờ dựa trên đoàn xe đang tới, tối ưu liên tục |
| Điểm mạnh hay được nhắc | Bền, dễ triển khai, chịu được mất liên lạc | Phản ứng tốt với đoàn xe, làn sóng xanh mượt trên mạng lưới dày |
| Điểm yếu hay được nhắc | Phản ứng sau khi xe đã tới vạch, phụ thuộc kế hoạch nền | Cần nhiều cảm biến, cần hiệu chỉnh kỹ từng đoạn đường |
Ngoài hai hệ này còn nhiều hệ thích ứng khác do các nước và các hãng phát triển, cùng thế hệ mới dùng camera và dữ liệu định vị từ xe. Nhưng phần lớn vẫn mượn ý tưởng từ một trong hai cách nhìn: đo ở vạch dừng, hay đo từ xa để đoán trước.
Đèn thích ứng làm được gì, không làm được gì
Các báo cáo đánh giá ở nhiều thành phố thường ghi nhận đèn thích ứng giảm thời gian chờ và số lần dừng so với kế hoạch cố định đã cũ, mức cải thiện dao động rất rộng tuỳ nơi. Con số đẹp nhất thường đến từ chỗ kế hoạch cũ quá lỗi thời; nơi kế hoạch cố định được bảo trì tốt thì khoảng cách nhỏ hơn.
Điểm hay nhất của đèn thích ứng thật ra là chuyện bảo trì. Nó tự cập nhật, nên kế hoạch không "mục" theo năm tháng. Với thành phố thiếu người đi đếm xe, đó là lợi ích lớn.
Nhưng có ba giới hạn cần biết:
- Khi mạng đã quá tải, thích ứng cũng hết đường. Hàng chờ tràn từ nút này sang nút kia thì không còn khoảng trống nào để tối ưu. Lúc đó người điều khiển phải chuyển sang chiến lược khác: giữ xe ở ngoài vành, ưu tiên cho dòng xe thoát ra.
- Cảm biến hỏng là hệ thống mù. Một vòng từ bị cắt khi sửa đường mà không ai báo có thể khiến một hướng bị coi như không có xe.
- Thuật toán viết cho ô tô. Ở nơi dòng xe hai bánh chiếm phần lớn như Việt Nam, vòng từ đếm xe máy kém, thời gian xe máy thoát khỏi vạch dừng cũng khác. Áp nguyên một hệ nhập khẩu mà không hiệu chỉnh thì kết quả thường kém kỳ vọng.
Người điều khiển vẫn ở đâu trong vòng lặp
Đèn thích ứng không làm biến mất người trực. Kỹ sư vẫn phải khai báo pha đèn, thời gian xanh tối thiểu cho người đi bộ qua đường, thời gian vàng và đỏ toàn phần để xe kịp thoát khỏi nút. Đây là những ràng buộc an toàn mà thuật toán không được vượt qua. Họ cũng đặt giới hạn trên của chu kỳ: chu kỳ quá dài thì người đi bộ chờ quá lâu, bắt đầu băng qua khi đèn đỏ.
Khi có sự kiện, sự cố, người trực có thể khoá một nút về kế hoạch cố định, ưu tiên một hành lang, hoặc tắt chế độ thích ứng ở vùng đang có cảnh sát điều khiển bằng tay. Thuật toán giỏi việc hằng ngày; con người giỏi việc bất thường.
Góc nhìn hôm nay và cách tìm hiểu thêm
Lần tới dừng đèn đỏ ở một thành phố lớn, nhìn xuống mặt đường ngay trước vạch dừng: những đường cắt hình chữ nhật hay hình thoi được trám nhựa chính là chỗ chôn vòng từ. Nếu đèn ở nút ấy có lúc xanh dài lúc xanh ngắn dù cùng giờ, rất có thể nó đang chạy chế độ thích ứng.
Ai muốn đọc sâu có thể tìm tài liệu kỹ thuật công khai của cơ quan đường bộ bang New South Wales về SCATS và của TRL về SCOOT, cùng các giáo trình kỹ thuật giao thông ở chương điều khiển tín hiệu. Từ khoá tiếng Anh hữu ích: "adaptive traffic signal control", "degree of saturation", "cyclic flow profile".
Câu hỏi thường gặp
SCATS là gì?
SCATS là hệ thống điều khiển đèn tín hiệu thích ứng do cơ quan đường bộ bang New South Wales ở Sydney, Úc, phát triển từ đầu thập niên 1970. Nó đo mức dùng thời gian xanh của từng làn bằng vòng từ đặt ở vạch dừng rồi chỉnh chu kỳ, tỉ lệ xanh và độ lệch giữa các nút.
SCOOT khác SCATS thế nào?
SCOOT do Anh phát triển, đặt cảm biến xa phía trước vạch dừng để thấy đoàn xe đang tới, mô phỏng hàng chờ rồi chỉnh đèn bằng những bước nhỏ, dày. SCATS đo tại vạch dừng và chọn trong các kế hoạch đã khai báo sẵn. Cả hai cùng mục tiêu, khác cách nhìn dòng xe.
Đèn tín hiệu thích ứng có hết kẹt xe không?
Không. Đèn thích ứng chia thời gian xanh hợp lý hơn và tự cập nhật theo dòng xe, nhưng không tạo thêm mặt đường. Khi lượng xe vượt khả năng thông qua, nó chỉ quyết định hướng nào chờ lâu hơn.
Làm sao biết một nút đèn đang chạy chế độ thích ứng?
Dấu hiệu dễ thấy là các vết cắt trám nhựa trên mặt đường gần vạch dừng hoặc cách nút một đoạn, nơi chôn vòng từ, và thời gian xanh thay đổi giữa các chu kỳ trong cùng khung giờ. Nhưng có nút dùng camera thay vòng từ nên nhìn mặt đường không thấy gì.
Vì sao đèn thích ứng vẫn giữ thời gian xanh tối thiểu?
Vì người đi bộ cần đủ thời gian để qua đường và xe cần thời gian vàng, đỏ toàn phần để thoát khỏi nút an toàn. Những ràng buộc này do kỹ sư khai báo và thuật toán không được vượt qua, dù lúc đó hướng kia đang đông hơn.
