Đèn tín hiệu giao thông hoạt động như thế nào?

Nếu bạn sống ở một thành phố lớn, tôi có thể đoán khá chính xác một trong những điều gây ức chế phổ biến nhất đối với bạn: tắc đường. Khi lái xe trong thành phố, hành trình hiếm khi nào thú vị hơn điểm đến. Trong hầu hết các trường hợp, chúng ta chỉ muốn đến nơi mình cần. Tắc đường không chỉ gây khó chịu mà còn để lại những hệ lụy cho môi trường. Tất cả những phương tiện nổ máy chờ đợi đó đều gây ảnh hưởng đến chất lượng không khí. Khi bạn bị mắc kẹt và ngồi sau một hàng dài xe cộ, thật dễ để tâm trí bạn lang thang tìm kiếm giải pháp cho những nỗi khổ về giao thông. Tuy nhiên, quản lý giao thông ở các khu vực đô thị đông đúc là một vấn đề cực kỳ phức tạp với hàng loạt mục tiêu và thách thức mâu thuẫn nhau. Một trong những thách thức cơ bản nhất xảy ra tại các giao lộ, nơi nhiều luồng giao thông - bao gồm xe cộ, xe đạp và người đi bộ - cần phải băng qua đường của nhau một cách an toàn và nếu may mắn là hiệu quả. Qua nhiều năm, chúng ta đã phát triển khá nhiều cách để giải quyết thách thức về việc ai được đi và ai phải chờ, từ các biển báo đơn giản đến vòng xuyến, nhưng một trong những cách phổ biến nhất để kiểm soát quyền ưu tiên tại các giao lộ là đèn tín hiệu giao thông.

Có rất nhiều sự tương đồng thú vị giữa thành phố và giải phẫu cơ thể người, và đường sá cũng không ngoại lệ. Đường cao tốc giống như động mạch chủ với lưu lượng lớn và một điểm đến chính duy nhất. Các con đường gom nhỏ giống như mao mạch, không có lưu lượng lớn nhưng kết nối đến từng ngôi nhà và doanh nghiệp. Và ở giữa là các tuyến đường huyết mạch (arterial roadways) - cái tên nói lên tất cả - là những kết nối có lưu lượng trung bình giữa các trung tâm đô thị. Thay vì sử dụng đường dẫn, cầu vượt và đường nhánh để kiểm soát luồng giao thông, các tuyến đường huyết mạch sử dụng các giao lộ cùng mức, nơi chỉ một vài luồng giao thông có thể đi qua cùng một lúc. Chúng ta gọi đây là "dòng giao thông bị gián đoạn" vì những lý do rõ ràng. Trong hầu hết các trường hợp, các giao lộ này chính là giới hạn cho lưu lượng tối đa của con đường. Nói cách khác, việc tăng số làn đường hoặc giới hạn tốc độ sẽ không có bất kỳ tác động nào đến tổng công suất của con đường. Cách duy nhất để tăng số lượng phương tiện di chuyển an toàn từ điểm A đến điểm B là tăng hiệu quả của giao lộ. Ngoài ra, đây cũng là nơi xảy ra phần lớn các vụ tai nạn. Vì những lý do này, các kỹ sư giao thông dành rất nhiều tâm huyết và phân tích vào việc thiết kế các giao lộ và làm thế nào để chúng trở nên an toàn và hiệu quả nhất có thể.

Kiểm soát luồng giao thông qua một giao lộ, hay còn gọi là phân bổ quyền ưu tiên, là một thách thức to lớn và hầu như luôn đòi hỏi sự thỏa hiệp giữa nhiều yếu tố mâu thuẫn, bao gồm không gian, chi phí, tốc độ tiếp cận, thời gian chu kỳ, tầm nhìn, loại hình và lưu lượng giao thông, cùng các yếu tố con người như thói quen, kỳ vọng và thời gian phản ứng. Các giao lộ cũng cần được tiêu chuẩn hóa một cách nghiêm ngặt để khi bạn đến một nơi xa lạ, bạn đã biết vai trò của mình trong vũ điệu cẩn trọng và hỗn loạn của xe cộ và người đi bộ. Từ góc độ lưu lượng, giao lộ lý tưởng sẽ không gây ra bất kỳ sự gián đoạn nào, nhưng bạn không thể đặt một nút giao thông lập thể (high-five interchange) ở mọi khu phố. Mặt khác, các biển báo đơn giản lại tiết kiệm chi phí và không đòi hỏi thêm không gian, nhưng chúng không thể xử lý lưu lượng lớn vì chúng tạo ra sự gián đoạn cho từng phương tiện đi qua giao lộ.

Bạn có thể hiểu tại sao đèn tín hiệu giao thông lại phổ biến đến vậy. Chúng không phải là liều thuốc vạn năng cho mọi vấn đề giao thông, nhưng chúng mang lại sự cân bằng rất tốt giữa các yếu tố mà chúng ta đã thảo luận trước đó: Chi phí tương đối thấp, yêu cầu không gian tối thiểu và khả năng xử lý lưu lượng giao thông lớn với chỉ một chút gián đoạn. Ở dạng đơn giản nhất, đèn tín hiệu giao thông là một bộ ba đèn đối diện với mỗi làn đường của giao lộ. Khi đèn xanh, làn đường đó có quyền ưu tiên để đi qua. Khi đèn đỏ, họ không được phép. Đèn vàng cảnh báo rằng tín hiệu sắp chuyển từ xanh sang đỏ. Ngoài chức năng cơ bản này, đèn tín hiệu giao thông có thể trở nên phức tạp vô cùng để thích ứng với mọi tình huống. Hãy cùng xem xét một giao lộ điển hình ở Hoa Kỳ để thấy cách chúng hoạt động.

Tại mỗi hướng tiếp cận giao lộ, có ba hướng xe có thể đi gọi là các luồng di chuyển: rẽ phải, đi thẳng hoặc rẽ trái. Rẽ phải và đi thẳng thường được nhóm lại thành một luồng di chuyển duy nhất, vì vậy một giao lộ bốn hướng điển hình có 8 luồng xe và 4 luồng người đi bộ. Các luồng này có thể được nhóm thành các pha (phases) của đèn tín hiệu giao thông. Ví dụ, các luồng rẽ trái ở các hướng đối diện có thể được nhóm thành một pha duy nhất vì cả hai đều có thể đi cùng lúc mà không gây xung đột. Các kỹ sư giao thông sử dụng sơ đồ vòng và rào chắn (ring-and-barrier diagram) để phác thảo cách các pha tín hiệu khác nhau được phép hoạt động. Đây là sơ đồ vòng và rào chắn cho giao lộ ví dụ của chúng ta. Pha đầu tiên là rẽ trái ở đường lớn, sau đó là xe cộ và người đi bộ đi thẳng ở đường lớn, một "rào chắn" để giải tỏa giao lộ, tiếp đến là rẽ trái ở đường nhỏ, xe cộ và người đi bộ đi thẳng ở đường nhỏ, và cuối cùng là một "rào chắn" khác trước khi chu kỳ bắt đầu lại. Có vô số cách sắp xếp pha mà các kỹ sư giao thông sử dụng để đáp ứng các cấu hình giao lộ và lưu lượng giao thông khác nhau cho từng luồng di chuyển. Ngay cả quyết định đơn giản về việc sử dụng rẽ trái có bảo vệ hay không bảo vệ cũng đòi hỏi một lượng lớn phân tích và cân nhắc.

Một quyết định quan trọng khác là mỗi trình tự của một pha nên kéo dài bao lâu. Lý tưởng nhất, đèn xanh nên kéo dài ít nhất đủ lâu để giải tỏa hàng đợi đã tích tụ trong lúc đèn đỏ. Điều này không phải lúc nào cũng khả thi, đặc biệt là trong giờ cao điểm tại các giao lộ đông đúc. Trong những trường hợp giao lộ bị bão hòa, đèn xanh có thể được kéo dài cho mỗi pha để giảm thiểu thời gian khởi động và giải tỏa, vốn là những khoảng thời gian mà giao lộ không được sử dụng hết công suất tối đa. Đèn vàng cần kéo dài đủ lâu để người lái xe nhận biết cảnh báo và giảm tốc độ xe đến mức dừng lại một cách thoải mái. Một giây cho mỗi 10 dặm/giờ hoặc 16 km/giờ trên giới hạn tốc độ là quy tắc chung, nhưng các kỹ sư giao thông cũng tính đến độ dốc của đường tiếp cận và các yếu tố địa phương khác khi thiết lập thời gian cho đèn vàng. Ở hầu hết các nơi tại Bắc Mỹ, bạn được phép đi vào giao lộ trong suốt thời gian đèn vàng, điều đó có nghĩa là cần có một khoảng thời gian khi tất cả các pha đều có đèn đỏ để cho phép giao lộ được giải tỏa. Khoảng thời gian giải tỏa này thường khoảng một giây nhưng có thể được điều chỉnh tăng hoặc giảm dựa trên giới hạn tốc độ và kích thước giao lộ.

Cho đến nay chúng ta chỉ nói về các tín hiệu theo trình tự thời gian cố định, nhưng hầu hết đèn tín hiệu giao thông ngày nay còn tinh vi hơn thế. Kiểm soát tín hiệu kích hoạt (actuated signal control) là thuật ngữ chúng ta dùng cho các tín hiệu có thể nhận đầu vào từ bên ngoài và sử dụng thông tin đó để đưa ra quyết định về thời gian và trình tự đèn ngay lập tức. Các loại tín hiệu này dựa vào dữ liệu từ các hệ thống phát hiện giao thông. Các thiết bị phát hiện này có thể là camera video hoặc radar, nhưng phổ biến nhất là cảm biến vòng cảm ứng (inductive loop sensors) được nhúng vào mặt đường. Về cơ bản, đây là những máy dò kim loại lớn giúp đo lường xem có xe hơi hoặc xe tải hiện diện hay không, đôi khi gây phiền toái cho xe đạp, xe tay ga và xe máy vì chúng có thể quá nhỏ để kích hoạt vòng cảm ứng. Dù là loại cảm biến nào, tất cả đều truyền dữ liệu vào một tủ thiết bị đặt gần đó. Bạn có lẽ đã thấy hàng trăm chiếc tủ như vậy mà không nhận ra mục đích của chúng.

Bên trong tủ này là bộ điều khiển tín hiệu giao thông, về cơ bản là một máy tính đơn giản được lập trình với logic cụ thể để xác định khi nào và mỗi đèn sẽ kéo dài bao lâu dựa trên thông tin từ các thiết bị phát hiện. Kiểm soát kích hoạt mang lại cho đèn tín hiệu giao thông sự linh hoạt hơn nhiều để xử lý các biến động về lưu lượng giao thông. Ví dụ, nếu một con đường gần đó bị đóng và giao thông được chuyển hướng qua một tín hiệu vốn không có lưu lượng cao như vậy, nó có thể cần được lập trình lại trước khi đóng đường. Một đèn được trang bị kiểm soát kích hoạt sẽ chỉ cần nhận diện lưu lượng bổ sung và điều chỉnh pha của nó cho phù hợp. Điều tương tự cũng xảy ra với các sự kiện đặc biệt, như các buổi hòa nhạc và trận đấu thể thao, tạo ra nhu cầu giao thông khổng lồ vào các lịch trình không thường xuyên, và thậm chí cả những thay đổi theo mùa, như ở các điểm du lịch lớn. Các hệ thống kích hoạt cũng có thể giúp bạn không phải chờ đợi ở một đèn đỏ dài khi không có ai đi từ hướng khác. Cuối cùng, kiểm soát kích hoạt có thể giúp ưu tiên cho các phương tiện khẩn cấp và phương tiện công cộng bằng cách sử dụng các thiết bị phát hiện chuyên dụng, như cảm biến hồng ngoại hoặc âm thanh, giao tiếp trực tiếp với một số loại phương tiện nhất định.

Tuy nhiên, kiểm soát kích hoạt chưa phải là đỉnh cao của sự phức tạp. Xét cho cùng, nó vẫn coi mỗi giao lộ là một thực thể riêng biệt, trong khi thực tế mỗi tín hiệu là một thành phần của một mạng lưới giao thông lớn hơn. Và mỗi thành phần của mạng lưới giao thông có thể có tác động, đôi khi là tác động lớn, đến các thành phần khác trong hệ thống. Hãy lấy ví dụ kinh điển về hai tín hiệu đặt gần nhau trên một tuyến đường chính. Nếu một tín hiệu bật đèn xanh nhưng tín hiệu tiếp theo thì không, xe cộ có thể bị ùn ứ. Nếu chúng ùn ứ đủ xa, chúng có thể phải chờ qua nhiều chu kỳ tại một giao lộ mà không thể đi qua cho đến khi đèn phía trước giải tỏa. Đó là một trải nghiệm gây ức chế cho bất kỳ ai: một tín hiệu vô tình, nhưng đáng kể, làm giảm công suất của một tín hiệu liền kề. Một giải pháp cho vấn đề này là phối hợp tín hiệu (signal coordination), nơi các đèn không chỉ xem xét lưu lượng đang chờ tại giao lộ của chúng mà còn cả trạng thái của các tín hiệu gần đó. Đây là cấu hình rất phổ biến trên các hành lang dài với các đường cắt ngang nhỏ nhưng thường xuyên. Các tín hiệu trên đường chính được căn thời gian để một nhóm lớn phương tiện, được các kỹ sư giao thông gọi là "trung đội" (platoon), có thể đi hết hành lang mà không bị gián đoạn. Loại phối hợp tín hiệu này có thể làm tăng đáng kể lưu lượng giao thông có thể đi qua các giao lộ, nhưng nó chỉ thực sự hiệu quả trên các đoạn đường không có các nguồn gây gián đoạn giao thông khác như lối vào nhà và doanh nghiệp. Nếu "trung đội" không thể giữ được đội hình, lợi ích của việc phối hợp tín hiệu hầu như sẽ mất đi.

Bước tiếp theo rõ ràng trong việc tăng hiệu quả là phối hợp hầu hết hoặc tất cả các tín hiệu trong một mạng lưới giao thông. Đây là công việc của các công nghệ kiểm soát tín hiệu thích ứng (adaptive signal control technologies - ASCT). Trong các hệ thống thích ứng, thay vì các nhóm đèn riêng lẻ, tất cả thông tin từ các thiết bị phát hiện được đưa vào một hệ thống tập trung có thể sử dụng các thuật toán tiên tiến, như học máy (machine learning), để tối ưu hóa luồng giao thông trên toàn thành phố. Các loại hệ thống này có thể giảm đáng kể tình trạng tắc nghẽn, nhưng chúng chỉ mới bắt đầu được triển khai ở các khu vực đô thị lớn. Khi các cảm biến trở nên phổ biến hơn và sức mạnh tính toán tăng lên, việc quản lý giao thông có thể dần dần nhưng chắc chắn sẽ được chuyển giao từ các kỹ sư dân dụng sang các nhà phát triển phần mềm và nhà khoa học dữ liệu. Nhưng điều đó cũng có nghĩa là các hệ thống ASCT có thể dễ bị tổn thương hơn trước các mối đe dọa an ninh, một suy nghĩ đáng sợ nếu chúng đang kiểm soát tín hiệu cho toàn bộ một thành phố.

Ở phía đối lập hoàn toàn với sự tập trung hóa, nhiều người tin rằng xe tự lái là cuộc cách mạng tiếp theo trong quản lý giao thông. Nếu mọi phương tiện đều có thể giao tiếp và phối hợp với mọi phương tiện khác trên đường, việc kiểm soát giao thông bị gián đoạn cuối cùng có thể trở thành dĩ vãng. Nhưng đừng quá kỳ vọng. Ở các khu vực đô thị đông đúc, tắc nghẽn giao thông thường tự giới hạn. Đặc biệt là trong giờ cao điểm, cứ mỗi người trên đường thì lại có nhiều người khác đang ở nơi làm việc hoặc ở nhà chờ tắc nghẽn giải tỏa trước khi họ khởi hành. Nhu cầu tiềm ẩn này có nghĩa là bất kỳ sự gia tăng công suất nào cũng sẽ nhanh chóng bị lấp đầy bởi lưu lượng giao thông nhiều hơn, đưa tình trạng tắc nghẽn trở lại mức cũ. Dù chúng ta giải quyết nó như thế nào bây giờ hay trong tương lai, giao thông sẽ tiếp tục là một trong những thách thức lớn nhất ở các khu vực đô thị của chúng ta và đèn tín hiệu giao thông sẽ tiếp tục là một trong những giải pháp cho vấn đề đó. Cảm ơn bạn đã ghé thăm, và hãy cho tôi biết suy nghĩ của bạn!