بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
روشهای کنترل چراغ راهنمایی مبتنی بر منطق فازی
چکیده
امروزه ترافیک یکی از مهمترین مسائلی است که اکثر شهرهای جهان با آن روبرو هستند. از اینرو امر کنترل ترافیک مکانیزه از جمله مباحث بسیار مهم و حیاتی است که مستلزم بکارگیری افراد متخصص و با تجربه میباشد. از جمله روشهای کنترل اتوماتیک و مکانیزه ترافیک شهری ،روشهای بر مبنای منطق فازی هستند. یک کنترلکننده ترافیک مبتنی بر منطق فازی میتواند برای کنترل بهینه حجمهای ترافیکی بالا به کار برده شود . قوانین کنترل ننده منطق فازی به پیروی از پروتکلهای مشابهی که در آنها عوامل انسانی از کنترل بازههای زمانی چراغ راهنمایی استفاده می کنند، تعریف شده است . طول فاز سبز (چراغ سبز ) میتواند بسته به رسیدن، یعنی تعداد وسایل نقلیه ای که در فاز سبز قرار دارند و صفی که متناظر با تعداد وسایل نقلیه موجود در فاز قرمز است، افزایش یا کاهش داده شود . در این مقاله به بررسی برخی از روشهای رائه شده در زمینه چراغ راهنمایی با استفاده از منطق فازی پرداخته شده و مقایسهای بین آنها صورت گرفته است.
کلمات کلیدی: کنترل هوشمند ترافیک، کنترل چراغ راهنمایی، منطق فازی.
-1 مقدمه
چراغ راهنمایی از آشناترین و مهمترین وسایل کنترل و تنظیم عبور و مرور وسایل نقلیه و افزایش ایمنی در تقاطعها است. اولین چراغ راهنمایی در سال 1920 و در لندن راه اندازی گردید. از آن زمان تا کنون، روشهای مختلفی جهت کنترل بهینه چراغهای راهنمایی در دنیا، پیاده سازی شده است. روش-های کنترل چراغ راهنمایی به یکی از چهار صورت سیستم زمان ثابت، سیستم زمان متغیر، سیستم هوشمند محلی ، و سیستم هوشمند و مرکزی است. کنترل چراغ راهنماییهایی با سیستم هوشمند، از پیشرفته ترین روشهای کنترل بوده و زمان بندی و فازبندی تقاطع را برمبنای شرایط واقعی ترافیک و به صورت لحظه ای، تنظیم مینماید. از جمله روشهای کنترل هوشمند چراغ راهنمایی، کنترل آن با منطق فازی میباشد. کنترلر فازی برای کنترل چراغ راهنمایی، اولین بار در سال 1997 توسط ممدانی1 و پاپیس2 به کار گرفته شد .[1]
در کنترل چراغ راهنمایی با منطق فازی، اطلاعات جریان ترافیک، توسط سیستم دریافت گردیده و پس از پردازش، میزان زمان سبز اضافه مورد نیازدر هریک از رویکردهای تقاطع بر حسب مشخصات ترافیک کل تقاطع، تعیین میشود. مزیت عمده زمان بندی فازی در چراغ راهنمایی، نسبت به سایر روشهای کلاسیک در شباهت آن به روش استدلال بشری بر پایه قوانین منطق فازی میباشد. در منطق فازی، قطعیتی برای پارامترهای ورودی و یا
خروجی وجود ندارد و هر عبارتی بر حسب درجهای از صحت بیان میگردد. وجود پارامترهای تقریبی در زمانبندی چراغهای راهنمایی، عمدهترین علت بررسی کاربرد روش منطق فازی در این زمینه بوده است .[2]
هدف این تحقیق، ارائه مختصری از برخی روشهای ارائه شده در زمینه کنترل چراغ راهنمایی مبتنی برمنطق فازی است. بهاین منظور در بخش 2 به منطق فازی و سیستم کنترلر فازی پرداخته، در بخش 3، برخی روشهای ارائه شده در زمینه کنترل ترافیک مبتنی برمنطق فازی را مورد بررسی قرار میدهیم. سپس در بخش4 به مقایسه روشها پرداخته و در بخش 5 نیز به نتیجهگیری خواهیم پرداخت.
-2 منطق فازی [3]
در منطق کلاسیک عضویت در یک مجموعه به صورت صفر و یک در نظر گرفته میشود؛ بدین صورت که در صورتی که عضوی در یک مجموعه وجود داشته باشد با 1 و در غیر این صورت با 0 نشان داده می شود. و در حقیقت درجه عضویت تابعی است که برد آن عضو مجموعه 1}،{0 است. اما از طرف دیگر در منطق فازی، مفهوم درجه عضویت در یک مجموعه به بازه [0,1] گسترش مییابد. مفهوم منطق فازی از آن جهت مورد توجه قرار می-گیرد که در جهان واقع نیز بسیاری از استدلالها و دلایل بشر، جنبه عدم قطعیت و تقریبی دارد.
تعریف مجموعه فازی : یک مجموعه فازی روی یک مجموعه مبداX 3 مجموعه ای از جفتهای
است به صورتی که تابع درجه عضویت4 عضو فازی مجموعه A نامیده میشود.
تابع درجه عضویت میتواند هر یک از مقادیر حقیقی بین 0 و 1 را بپذیرد.
: بیانگر این است که x قطعا به مجموعه فازی A تعلق ندارد.
:بیانگر این است که x قطعا به مجموعه فازی A تعلق دارد.
در ادامه، مهمترین خصوصیات منطق فازی آمده است :
· در منطق فازی، استدلال دقیق یا منطق معمولی حالت خاصی از استدلال تقریبی است.
· هر سیستم منطقی قابل تبدیل به منطق فازی است.
· در منطق فازی، دانش به عنوان مجموعه ای از محدودیت های فازی یا انعطاف پذیر روی متغیر ها در نظر گرفته میشود.
· استنتاج به عنوان فرآیند انتشار این محدودیت ها در نظر گرفته میشود.
· در منطق فازی تمام مسائل دارای راه حلی هستند که درجه مطلوبیت (امکان) را نشان میدهد.
برای توابع عضویت، انتخاب های متفاوتی وجود دارد که بسته به کاربرد مد نظر می توان یکی از آنها را انتخاب نمود. در یک تقسیم بندی کلی که توسط زاده ارائه شد می توان توایع فازی را به دو دسته خطی و غیر خطی (منحنی) تقسیم بندی کرد. توابع مثلثی، یکه، L، گاما، ذوزنقه، S، گاوسی، شبه
نمایی، از جمله معروفترین توابعی هستند که برای مدل کردن درجه عضویت در مجموعه های فازی برای کاربردهای متفاوت مورد استفاده قرار گرفته-اند.
در روشهای کنترل چراغ راهنمایی با منطق فازی، از یک سیستم کنترلر فازی استفاده میگردد. یک سیستم کنترلر فازی معمولا شامل بخش های اصلی زیر می باشد:[3]
• فازی ساز:5 این بخش داده حقیقی را به عنوان ورودی سیستم دریافت کرده و آن را به مجموعه های فازی تبدیل میکند.
• پایگاه قانون:6 این بخش شامل قوانینی می باشد که از فرد خبره بهدست آمده است. در ضمن میتوان به هر قانون وزنی بین 0 و 1 اختصاص داد که بیانگر درجه ایمان و باور ما به آن قانون است.
• موتور استنتاج:7 موتور استنتاج بر اساس خروجی فازی ساز که یک مجموعه فازی است و همچنین بوسیله پایگاه قانون، استنتاج خود را انجام داده و خروجی را باز به صورت یک مجموعه فازی تولید می کند.
• غیرفازی ساز:8 این بخش مجموعه های فازی را که خروجی موتور استنتاج میباشند به داده حقیقی تبدیل میکند که این داده حقیقی همان خروجی نهایی سیستم است.
-3 روشهای کنترل چراغ راهنمایی مبتنی بر منطق فازی
در جهان پیشرفته امروزی ارتباطات، حمل و نقل و جابهجایی انسانها و کالاها از اهمیت بسزایی برخوردار بوده و انجام این امر در کوتاهترین زمان ممکن امری مهم و حیاتی است. در دهه حاضر با توجه به افزایش قابل ملاحظه تعداد مسافرین و وسایل نقلیه در کنار محدودیتهای ظرفیت شریانهای ارتباطی، بهکارگیری روشهای هوشمند را در زمینه کنترل ترافیک، امری الزامی نموده است. کنترل چراغ راهنمایی به شیوه مناسب، تأثیر سودمندی در کنترل جریان ترافیک دارد. بهدلیل غیرخطی و غیرقطعی بودن کنترل چراغ راهنماییی با هدف کنترل سیستم ترافیک از یک طرف و قابلیت سیستمهای فازی در غلبه بر این مشکلات در طرف دیگر، در تحقیقات اخیر، استفاده از کنترلکنندههای هوشمند فازی با استقبال بیشتری مواجه شدهاند..
دراین بخش به بررسی چند روش ارائه شده در زمینه کنترل هوشمند چراغ راهنمایی برمبنای منطق فازی میپردازیم. در این مقاله، نام این روشها به نام نویسندگان آن مورد خطاب قرار گرفته است.
-1-3 روش Collotta و همکاران
در [4] یک روش چند کنترلر پویای چراغ راهنمایی برای کاهش میانگین زمان انتظار وسایل نقلیه در صف ترافیک، ارائه شده است. این کنترلر شامل یک شبکه حسگر بیسیم برای به دست آوردن اطلاعات آنلاین، یک ماژول برای محاسبه ترتیب اجرای فازها مطابق با الویت تخصیص داده شده به هر فاز و یک کنترلر فازی برای محاسبه زمان مناسب سبز ماندن چراغ راهنمایی است.
در شکل (1)، سیستم ارائه شده چندکنترلر و در شکل (2)، معماری این سیستم نمایش داده شده است.
شکل.1 سیستم ارائه شده در [4]
شکل .2 معماری سیستم ارائه شده در [4]
شبکه حسگر بیسیم، یک سری دادههای ترافیکی مانند تعداد وسایل نقلیه در صف در هر فاز چراغ راهنمایی را جمع آوری مینماید. ماژول ترتیب فازها، در طول هر چرخه چراغ راهنمایی، ترتیب اجرای فازها را بر اساس تعدا وسایل نقلیه در صف مشخص میکند. کنترلر فازی هم زمان سبز ماندن چراغ راهنمایی را کنترل میکند. این روش از مزایای شبکه حسگر و منطق فازی استفاده نموده و این دو روش را با هم ترکیب کرده است.
-2-3 روش [5] Mehen
در این روش، یک کنترلکننده فازی برای تقاطع چهارراه، مناسب برای ترافیکهایی که شامل وسیلههای نقلیه متفاوت و دارای تعداد زیادی موتورسیکلت باشند است. این کنترلر از چهار جزء فازی کننده، قوانین فازی ایجادشده توسط انسان، استنتاج فازی و دیفازی تشکیل شده است.
در این سیستم، دو متغیر ورودی و یک متغیر خروجی درنظر گرفته شده است. متغیرهای ورودی، "میزان ترافیک از نظر ورودی" و "میزان ترافیک از نظر صف"، هستند.اگر در تقاطع چهارراه، قسمتهای شمالی و جنوبی سبز باشند، در این قسمتها، "میزان ترافیک از نظر ورودی"، به عنوان ورودی در
نظر گرفته میشود و در قسمتهای شرقی و غربی "میزان ترافیک از نظر صف" بهعنوان ورودی درنظر گرفته میشود. متغیر خروجی، "تمدید زمان سبز ماندن چراغ راهنمایی" است که براساس شرایط ترافیک جاری، افزایش یا عدم افزایش زمان سبز ماندن چراغ راهنمایی، تصمیم اتخاذ گردد. کنترلر فازی در این روش در شکل3 نشان داده شده است.
شکل.3 ساختار کنترلر فازی در روش .[5] Mehen
در این ساختار، دو ورودی وارد میشوند و براساس آنها تعیین میشود که زمان سبز ماندن چراغ راهنمایی تمدید شود یا نه. این ورودیها در ابتدا فازی سازی میشوند و سپس این پارامترها به سیستم استنتاج فازی وارد میشوند. پارامترهای فازی "کاهش"، "افزایش" و" ثابت" برای آنها درنظرگرفته می-شود و در نهایت از حالت فازی خارج میشوند و درخروجی، زمان سبز ماندن را میدهد.
توابع عضویت مورد استفاده در این روش، مثلثی و ذوذنقهای هستند. سه تابع عضویت "مقدار وسایل نقلیه در صف"، "مقدار وسایل نقلیه ورودی به چهارراه" و تابع عضویت" تمدید زمان سبز ماندن چراغ راهنمایی" درنظر گرفته شده است. متغیرهای زبانی در دو تابع عضویت اول، "خیلی کم"، "کم"، "متوسط"، "زیاد" و "خیلی زیاد" میباشند. متغیرهای زبانی مورد استفاده برای تابع عضویت سوم نیز به صورت "کاهش" و "ثابت" و "افزایش" است.
ورودیها وارد سیستم استنتاج فازی میشوند که در آن از قبل توسط کارشناسان یک سری قوانینی به صورت "اگر-آنگاه"، درنظر گرفته شده است. تعداد این قوانین 4 است. بهعنوان مثال یک قانونی که در این سیستم وجود دارد این است که اگر تعداد وسایل نقلیه منتظر در صف، متوسط و تعداد وسیله نقلیه ورودی به تقاطع، کم است آنگاه زمان سبز ماندن چراغ افزایش یابد. و قوانین دیگر بههمین ترتیب وجود دارند.
مرحله آخر در این روش، دیفازی نمودن خروجی است. دیفازی یک فرایند تبدیل مقادیر خروجی فازی از یک استنتاج فازی به مقادیر قطعی است.
