Đèn giao thông trong thành phố được căn giờ như thế nào: Bên trong hệ thống điều khiển tín hiệu

Hãy đứng đủ lâu ở bất kỳ nút giao lớn nào, bạn sẽ nhận ra một nhịp điệu: một "làn sóng xanh" đưa cả đoàn xe đi qua ba ngã tư liên tiếp, hay một mũi tên rẽ trái chỉ xuất hiện vào những giờ nhất định. Không có điều gì trong số đó là ngẫu nhiên. Đằng sau mỗi đèn tín hiệu là một phương án căn giờ được thiết kế kỹ lưỡng — và ngày càng có nhiều phương án như vậy.

Căn giờ đèn giao thông là xương sống thầm lặng của giao thông đô thị. Nó quyết định ai phải chờ, ai được đi, và trong bao lâu. Hiểu cách các thành phố thiết lập tín hiệu sẽ giải thích rất nhiều về tình trạng ùn tắc chúng ta gặp mỗi ngày — và nơi có cơ hội cải thiện lớn nhất.

Đơn vị cốt lõi: chu kỳ

Một đèn tín hiệu hoạt động theo các chu kỳ lặp lại, mỗi chu kỳ chia thành các pha — những khoảng thời gian riêng biệt mà trong đó một tập hợp di chuyển cụ thể (đi thẳng, rẽ trái, người đi bộ) được quyền ưu tiên.

Ba con số quan trọng nhất:

• Độ dài chu kỳ — thời gian đèn chạy hết tất cả các pha một lần. Chu kỳ đô thị điển hình chạy từ 60 đến 120 giây.
• Tỷ lệ đèn xanh — mỗi hướng tiếp cận hoặc mỗi hướng di chuyển nhận bao nhiêu phần của chu kỳ.
• Độ lệch pha — mối quan hệ thời gian giữa các đèn liền kề, quyết định tài xế gặp đèn xanh hay đèn đỏ dọc theo hành lang.

Làm đúng ba yếu tố này thì giao thông trôi chảy. Làm sai thì bạn gặp cảnh chạy-rồi-dừng, xe nổ máy chờ và tài xế bực bội.

Căn giờ được quyết định như thế nào

Các thành phố thường dùng một số cách tiếp cận quen thuộc, thường kết hợp với nhau:

1. Điều khiển giờ cố định (pre-timed). Đèn chạy một chu kỳ và tỷ lệ cố định bất kể điều gì xảy ra trên đường. Các phương án này được tính từ dữ liệu đếm xe lịch sử, đơn giản, rẻ và dễ dự đoán — nhưng không thể phản ứng với điều kiện trực tiếp.

2. Điều khiển linh hoạt theo cảm biến (actuated). Cảm biến (vòng cảm ứng, radar hoặc camera) phát hiện xe đang chờ ở một hướng và kéo dài hoặc rút ngắn đèn xanh tương ứng. Đèn linh hoạt bỏ qua pha khi không có ai chờ và giữ đèn xanh cho hướng đông xe — phản ứng nhanh hơn nhiều so với giờ cố định.

3. Phương án theo thời gian trong ngày (TOD). Thay vì một phương án cả ngày, đèn chuyển giữa nhiều phương án được căn chỉnh sẵn trong ngày. Một nút giao đô thị điển hình có thể chạy từ năm phương án trở lên: giờ cao điểm sáng, giữa trưa, giờ cao điểm chiều, buổi tối và phương án "thoáng" ban đêm với chu kỳ rất ngắn.

Điều khiển theo thời gian trong ngày: công cụ chủ lực của các thành phố hiện đại

Hầu hết các đèn đô thị ngày nay là linh hoạt theo thời gian trong ngày: bộ điều khiển giữ một thư viện các phương án căn giờ, mỗi phương án điều chỉnh cho một mô hình nhu cầu riêng, và một đồng hồ tự động chuyển đổi giữa chúng.

• Giờ cao điểm sáng — ưu tiên đèn xanh cho hướng vào trung tâm và các hành lang trường học/công sở.
• Giữa trưa — tỷ lệ cân bằng, chu kỳ vừa phải.
• Giờ cao điểm chiều — ưu tiên đèn xanh cho hướng ra ngoài và hành lang thương mại; thường là chu kỳ dài nhất trong ngày.
• Ban đêm — chu kỳ ngắn, đèn xanh thường xuyên cho đường chính, đôi khi nhấp nháy vàng trên đường phụ.
• Cuối tuần và ngày lễ — nhu cầu nhẹ và cân bằng hơn; nhiều hệ thống chạy lịch cuối tuần riêng.

Các lịch này thường được thiết kế từ dữ liệu đếm xe thủ công hoặc cảm biến thu thập trong nhiều ngày hoặc nhiều tuần, sau đó tinh chỉnh qua quan sát và phản hồi của người dân. Một khi đã đặt, chúng có thể không được xem xét lại trong nhiều năm.

Giới hạn của cách tiếp cận hiện tại

Các phương án theo thời gian trong ngày hoạt động tốt với nhu cầu có thể dự đoán. Nhưng giao thông thực tế thì phức tạp hơn nhiều:

• Sự cố và sự kiện làm lệch lịch — một vụ va chạm hay một sự kiện sân vận động có thể làm phương án vô hiệu trong vài phút.
• Phương án bị lỗi thời. Khi thành phố phát triển và mô hình đi lại thay đổi, một phương án căn giờ ba năm trước có thể không còn khớp với thực tế.
• Thu thập dữ liệu tốn kém. Đếm thủ công tốn nhân lực, còn thiết bị phát hiện lắp cố định thì đắt để xây dựng và bảo trì — nên nhiều đèn chạy trên những giả định đã lỗi thời.

Kết quả là khoảng trống mà hầu hết chúng ta đều cảm nhận: đèn xanh nhưng không có xe trong làn, hay một pha rẽ trái ùn dài trong khi dòng đi thẳng phải chờ.

Hướng đi tiếp theo

Bước tiếp theo là điều khiển tín hiệu thích ứng — những hệ thống liên tục đo nhu cầu theo thời gian thực và điều chỉnh độ dài chu kỳ, tỷ lệ đèn xanh và độ lệch pha ngay lập tức, thay vì chỉ chuyển giữa một số ít phương án cài sẵn. Trí tuệ giao thông dựa trên camera chính là yếu tố then chốt ở đây, cung cấp số lượng xe và dòng xe rẽ trực tiếp vào hệ thống điều khiển từng phút một.

Còn lúc này, hầu hết các nút giao trên thế giới vẫn vận hành theo kịch bản thời gian trong ngày: một chiếc đồng hồ, một vài phương án được căn chỉnh kỹ lưỡng, và những phán đoán kỹ thuật đặt vào đó. Nó hoạt động — nhưng dư địa để cải thiện là rất lớn.