مقاله سیستم های حمل و نقل هوشمند

بخشی از مقاله

سیستم های حمل و نقل هوشمند

خلاصه

از زیرساخت های بهبود صنایع و رفاه هر کشوری ، حمل و نقل روان و ایمن است. آلودگی محیطی، کاهش منابع انرژی، تصادفات رانندگی، مشکلات مدیریت حمل و نقل برونشهری، رشد روز افزون تقاضا برای جابجایی به ویژه در ساعات ترافیکی به مشکلی جدی تبدیل شده است. سیستم های حمل و نقل هوشمند یا(ITS)3بیانگر مجموعه ای از تجهیزات اختصاصی همراه با مفاهیم و اصول مهندسی ترافیک، فناوری های نرم افزاری و سخت افزاری مخابراتی برای بهبودکارایی و امنیت سیستم های حمل و نقل است. این سیستم ها متشکل از تکنولوژی های به روز الکترونیکی، کامپیوتری، IT و الکترومکانیکی می باشد که نقشی کلیدی در نقل و انتقال ایفا می کنند. تلاش های بسیاری برای طراحی و توسعه این سیستم ها انجام شده، همچنین رشد سیستم های حمل و نقل زمینی و افزایش تقاضای سفر و مشکلات عرضه از سوی دیگر، باعث شده تا سیستم های ITS در برطرف کردن چالش های دولت ها کمک بزرگی باشند. برای مدیریت متمرکز و پیوسته ترافیک نیاز به مراکز کنترل احساس می شود کهITS با انواع تجهیزات آنلاین و با اطلاع رسانی به رانندگان مانند تابلوهای(VSM)4 کمک به بهسازی عملکرد جاده هاکرده است.

کلمات کلیدی: حمل و نقل هوشمند، فناوری اطلاعات، مرکز کنترل ترافیک، مهندسی ترافیـک، مـدیریت مشـکلات حمـل و نقلی

-1 مقدمه

سیستم حمل و نقل هوشمند[1] فقط یک وسیله و یا صرفا یک تکنولوژی نیست بلکه در اصل، امر یکپارچه سازی و روان سازی گردش ترافیک و شریان های حمل و نقل براساس آن امکان پذیر است. این مجموعه سیستم به طور کلی شامل اجزائی چون: وسایل نقلیه، افراد، کالا ها، راه ها و شبکه های ارتباطی می باشد که هر کدام از این اجزا ممکن است دارای مشخصات منحصربه فرد، ارگان ها و یا سازمان های زیر نظر خود و در مواردی آژانس های جداگانه دولتی باشند و از قابلیت های این سیستم هوشمند این است که می تواند تمامی این اجزا را به صورت یکپارچه و منسجم درآورد. داد و ستد اطلاعات مربوط به قسمت های مختلف این سیستم اگر به صورت آسان، ارزان و سریع انجام شود گردش راحت تر بوده و سیستم فضای بیشتری برای بهینه شدن و مناسب عمل کردن خواهد داشت، از طرف دیگر اگر اطلاعات در دسترس نباشد و یا با تاخیر جریان یابد

عملکرد سیستم دچار اختلال شده و با مشکل مواجه میشود و این حاکی از تاثیر مستقیم تبادل اطلاعات بر روی کارآمدی سیستم حمل و نقل است. سه ستون اصلی تشکیل دهنده ITS عبارتند از اطلاع رسانی، ارتباطات و هماهنگ سازی که ناظران و مسافران را در اتخاذ تصمیم بهتر یاری می کند[2] در این مقاله ضمن بررسی اجمالی این سه ستون به تشریح مزایا و نمونه های از سیستم های حمل و نقل هوشمند می پردازیم.

-2 هماهنگ سازی

پیش از شروع به پیاده سازی این سیستم هوشمند در هر منطقه ای باید به اصل هماهنگی میان اجزای مختلف توجه داشت. از این رو معماری ساختار سیستم به اجزای مختلف سیستم و رابطه انها با یکدیگر می پردازد و یک تصویر کلی از کنار هم قرار گرفتن قسمت ها و برهم کنش متقابل آنها با هم، فراهم می کند.[3] شرایطی که معماری این سیستم می بایست دارا باشد از قرار زیر است:

-1-2 سازگاری اطلاعات با یکدیگر و قسمت های مختلف سیستم ، که در نهایت از طریق کانال های مختلف به کاربر مسافر می رسد.

-2-2 سازگاری تجهیزات با یکدیگر و زیرساخت ها ، که منجر به سفری آسان، روان و ایمن می گردد. -3-2 به وجود آمدن مبداء جهت مقایسه و برنامه ریزی جامع بمنظور توسعه و بهبود سیستم های. ITS

-4-2 پیدایش فرصت های شغلی و درآمد زا، بازار هایی برای سرویس ها و خدمات ارائه شده ی سازگار با سیستم های .ITS

-5-2 توجه به جنبه اقتصادی قطعات تولید شده و در نتیجه به وجود آوردن حس رقابت و برگزاری مناقصه بین شرکت های سازنده آنها که در نهایت باعث کاهش قیمت تجهیزات می گردد.

به عبارتی دیگر می توان گفت که تمامی قسمت های سامانه به گفت و گو و تبادل اطلاعات با یکدیگر می پردازند و دانش یک جزء بلافاصله با تمامی اجزاء دیگر به اشتراک گذاشته می شود. این اطلاعات به ایجاد هماهنگی و انسجام در حرکت خودرو ها منجر شده و از تصادفات جلوگیری به عمل می آید[4] همچنین ایمنی و کارایی و راحتی استفاده از این سامانه افزایش می یابد.

-3 اطلاع رسانی

یکی از مهمترین بخشهای سیستم های مدیریت هوشمند جهت کنترل و مدیریت بهتر ترافیک مسائل مربوط به اطلاع رسانی می باشد، با در نظر گرفتن امکانات و قابلیت های سیستم های پیشرفته مدیریت ترافیک (ATMS)5 و استفاده از فناوری های متعدد مانند اینترنت و تابلوهای روان پیام رسان و رادیو، پیام راه ها و اطلاعات مرتبط با جای جای مسیر به منظور ارائه پیش آگهی به رانندگان وسایل نقلیه مخابره می شود و این امر مهم و ضروری است. به عنوان مثال می توان اطلاعات مربوط به تاخیر مرزها و تصاویر ارسالی از دوربین ها، ترافیک پشت چراغ ها و … را برای مدیریت گذرگاه محلی فرستاد. اداره امنیت داخلی امریکا به عنوان نمونه زمان های انتظار را برای همه گذرگاه ها ارسال می کند. به طور کلی تلاش به منظور پیاده سازی و برنامه ریزی برای سیستم های اطلاع رسانی از سوی ذینفعان و کارگذاران در هرکجا بسیار مهم است.همچنین این نوآوری باید به منظور کسب بیشترین سود و هماهنگی مناسب با توسعه زیر ساخت ها سازماندهی شود.

-4 ارتباطات

با توجه به توسعه روزافزون فناوری های ارتباطی به ویژه ارتباط بی سیم سامانه های حمل و نقل هوشمند مشارکتی (CITS6) به عنوان زیر شاخه ای از این سیستم مطرح می شوند که هدف اصلی این سامانه ایجاد قابلیت ارتباط در حمل و

نقل با به کارگیری فناوری های پیشرفته، سازگار و تاثیر گذار بی سیم است که خود به تنهایی توانایی برآورده کردن بخش عظیمی از اهداف اصلی برشمرده برای سامانه حمل و نقل هوشمند را دارد. این اهداف را می توان به این صورت در نظر گرفت:

-1-4 شهری که درون بزرگراه های آن به ندرت تصادفات و برخورد ها و سوانح رانندگی اتفاق بیفتد زیرا همه خودروها با یکدیگر و با مرکز هوشمند بزرگراه در ارتباط بوده و تمامی شرایط اطراف خود را پردازش می کنند.

-2-4 تمامی کاربران این مجموعه مانند مدیران حمل و نقل بارها و محموله ها، اپراتورهای سیستم، ناظران و قسمت های کنترلی گردش ترافیک و … در محیطی کاملا مرتبط با یکدیگر هستند و دارای اطلاعات جامع از وضعیت سفرها و خوردروها در حال تردد و همچنین تمامی جنبه های کارایی سیستم هستند.

-3-4 مسافران اطلاعات دقیق و جامعی را از سفر خویش در اختیار دارند مانند شلوغی جاده ها و میزان ازدحام ترافیکی در جاده های در مسیر سفر، ساعات شلوغی و اوج ترافیک و همچنین نحوه زمان بندی برای اجتناب از آنها و استفاده از زمان های خلوت تر و با ترافیک سبک تر و روان تر، اطلاع داشتن از مکان های ستاد های اسکان و موقعیت هتل ها و مهانسراها و داشتن توانایی ذخیره مکان های خالی، پیدا کردن کوتاه ترین و راحت ترین مسیر برای سفر و در نتیجه مدیریت سوخت و زمان و . …

از آنجا که در فرمت موجود محل مستقلی برای فهرست و تعریف همه متغیّرها پیشبینی نشده است، لازم است که کلیه متغیّرها بلافاصله پس از طرح در مقاله به شکل کامل تعریفگردند، به تعریف متغیّرها بعد از رابطه((1 رجوع شود.

برای این برقراری های ارتباطی، فناوری(DSRC)7 مورد استفاده قرار میگیرد که دارای ویژگی هایی مانند: پهنای باند نسباتا وسیع برای برقراری ارتباط، دارا بودن سرعت و نرخ بالای تبادل اطلاعات (کمتر از 100 میلی ثانیه )، برد 300 تا 500 متر و در برخی موارد پیاده سازی شده تا 1000 متر و قابلیت برقراری ارتباط یک طرفه و یا دوطرفه بین خودروها باهم و خودروها با زیرساخت است که برای این وظیفه بسیار مناسب می باشد. همین امر باعث شده که این این تکنولوژی در قالب یکی از قابل اعتمادترین فناوری های محیط های خودروهای امروزی باشد. با انجام تحقیقاتی توسط "وزارت حمل و نقل امریکا8 مشاهده شد که DSRC تنها فناوری در دسترس در حال حاضر برای این وظیفه است.[5]

-5 برخی از کاربرد های ایمنی سیستم های ارتباطی V2I و:V2V

مهمترین فناوری مورد استفاده در سامانه حمل و نقل هوشمند مشارکتی، فناوری ارتباطات خودرویی است که شامل سه دسته به صورت زیر می شود:

-1 ارتباطات خودرو با خودرو :(V2V9) در این دسته خودرو ها با کمک یک واحد الکترونیکی موسوم به وضعیت نمای درون خودرویی اطلاعاتی را از طریق امواج بی سیم با هم رد و بدل می کنند.[6]

-2 ارتباطات خودرو با زیرساخت :(V2I10) ارتباط بین خودرو و مراکز مستقر در مسیر برای کنترل و پردازش داده های ترافیکی با استفاده از سیستم ها و تجهیزات موسوم به کنارجاده ای [7].

-3 ارتباط خودرو با تجهیزات قابل حمل :(V2N11) برقراری ارتباط با وسایل قابل حمل مانند تلفن های همراه، تبلت ها، موقعیت یاب های ماهواره ای و ابزار های ناوبری در این دسته جای دارند.

این نوع ارتباطات دارای مزیت های زیست محیطی بوده و در کاهش گازهای گلخانه ای تولید شده نقش موثری را بازی می کنند. آلودگی های ناشی از تردد خودرو ها یکی از بزرگترین منابع تولید این نوع گازها مانند دی اکسید کربن، اکسید نیتروژن و متان است که این آلاینده های هوا باعث بروز بیماری های ریوی و مرگ زودرس و مشکلات تنفسی می شوند علاوه بر این

خودروهایی که در سطح شهر با سرعت کمی در حال حرکت هستند و یا روشن و ساکن و یا در ترافیک هستند به دلیل وجود ازدحام دود، آلودگی بیشتری را تولید و به هوا وارد می کنند. از این رو فناوری هایی که کمک به مصرف سوخت کمتر می کنند و از توقف بی جا و مکرر در ترافیک ها جلوگیری به عمل می آورند توانایی زیادی در کاهش تولید این گاز های گلخانه ای را دارا می باشند.[3] این فناوری موجب بهبود عملکرد رانندگان و روان تر شدن گردش ترافیکی شده و به موجب آن صرفه جویی در مصرف سوخت و در نهایت ورود آلاینده های کمتری به هوا را به همراه خواهد داشت. رانندگان استفاده کننده از این سامانه ها می توانند از شلوغی و ازدحام در مسیر پیش رو جلوگیری کرده و از جاده های جایگزین استفاده کرده و یا با تغییر زمان بندی برنامه سفر خود ساعات اوج ترافیکی را به برنامه های دیگر اختصاص دهند همچنین قابلیت های زیر توسط این سیستم ها برای کاربران فراهم آورده می شود:

1. هشدار برخورد از جلو وهشدار عابر پیاده
2. هشدار اعلام ترمز ناگهانی توسط خودروهای جلویی

3. اعلام رخداد تصادف در مسیر پیش رو

4. سامانه اجتناب از تصادفات در چهارراه ها
5. هشدار ورود خودرو از مسیر فرعی به جاده اصلی و تشخیص نقطه کور
6. دانستن موقعیت هر کدام از خودروها در هر لحظه

آمریکا اولین کشوری است که این برنامه را در سطح ملی مورد توجه قرار داده و و از فناوری ارتباطات در زمینه حمل و نقل بهره برده است که همین باعث ارتقای سطح کیفی، امنیتی و کارآمدی حمل و نقل در این کشور شده است، همچنینن در مورد ارتباط با زیر ساخت ها بیشتر توجه و انرژی صرف علائم راهنمایی و هشدار های ایمنی تولید شده توسط آنها برای خودروها می باشد.[9, 10] در استفاده و توسعه فناوری اطلاعات در ارتاباط خودرویی باید به یک سری از مسائل توجه ویژه شود، مسائلی از قبیل مطابقت و همخوانی دو فناوری ITS و ارتباطات خودرویی، اهمیت عامل انسانی و اپراتور های فعال در شبکه، استفاده از سیستم های قدیمی و جدید در کنار هم و ترکیب و ادغام آنها به منظور طراحی سیستمی کارآمدتر برای کاربران جاده ای، امنیت و صحت اطلاعات داده ها و دادن مقداری جزئی خود مختاری و توانایی اتخاذ تصمیم به سیستم های اتوماسیون و خودروها. استراتژی های نوین و هوشمند برای حمل و نقل شهری و بین شهری بر اساس توسعه کمی، کیفی و پایدار برای حمل و نقل عمومی در عین افزایش امکان پیاده روی با افزایش پتانسیل استفاده از سیستم های موتوری عمومی به منظور ارتقاع سطح فرهنگ ترافیک تاکید دارد. در ادامه مثال هایی برای این سیستم ها آورده شده است.
-1-5 سیستم های پیشرفته V2VI12

این سیستم از هر دو نقات قوت در سیستم های درخواست و پاسخ سریع V2I و هچنین معماری توزیع شده در سیستم های V2V بهره گیری کرده و هیچ نقطه شکستی در ساختار خود نشان نمی دهد. در معماری سیستم های V2V2I شبکه ارتباطی به نواحی کوچک تری تقسیم شده که در آن هر خوردرو به تنهایی تبدیل به یک ابرخودرو شده است. این ویژگی امکان ارتباط با زیر ساخت و سایر ابرخودرو ها که در محدوده شبکه آنها قرار دارند را فراهم می آورد.[13] اندازه این ناحیه قابل تنظیم و به پهنای باند و دقت مورد نیاز برای نرم افزار های مربوطه بستگی دارد. خودرو های هوشمند از تمامی خودرو های درون محدوده خود و ایستگاه های نزدیک اطلاعات دریافت کرده، آنهارا پردازش کرده و داده های پردازش شده را به سرور اصلی در همان ایستگاه و همچنین خودرو های همسایه می فرستد. اگر در ارسال داده های هر خودرو به سرور اصلی هرگونه شکست و خطا رخ دهد نرم افزار های به گونه ای هوشمند از طریق خودرو های همسایه مسیری جدید به سرور پیدا کرده و داده هارا ارسال می کنند. در شکل یک توپولوژی شبکه نمایش داده می شود. [14]

شکل :1 آرایش سیستم V2V2I

در اینجا یک الگوریتم برای تشخیص ابر خودروها مطرح می شود که چگونه یک خودرو می تواند ابرخودرویی دیگر را پیدا کرده و یا تبدیل به ابرخودرو شود و داده های مربوط به سرعت و موقعیت خود را در تعامل قرار داده و با درهمکنشی سازنده ارتباطی قابل اطمینان برقرار ساخته و در شبکه ای دقیق امنیت بیشتری را برای مسافران و محموله ها فراهم اورد.اکثریت تحقیقاتی که در زمینه حمل و نقل هوشمند انجام شده است فرض بر این داشته اند که خودرو ها توانایی ارتباط برای ارسال داده های مربوط به سرعت و موقعیت خود را به سایر خودرو ها و تجهیزات زیرساخت را دارند. یکی از کاربرد های بسیار مفید این سیستم پیدا کردن سریع ترین راه برای رسیدن از نقطه کنونی به مقصد مورد نظر با استفاده از اطلاعات ارسالی توسط خودرو های دیگر و داده های موجود در بانک اطلاعاتی سرور های زیر ساختی می باشد به این طریق که با توجه به سرعت و موقعیت کنونی خودرو و با توجه به داده های ارسالی تمامی خوردرو های در راه باقی مانده تا مقصد و شرایط ترافیک و سرعت حرکت سایر خودرو ها و انجام محاسبات مناسب تخمین نسباتا دقیقی از زمان لازم برای رسیدن به مقصد به دست می آید. تمامی خودرو های درون ناحیه داده های خود را به صورت بی سیم به ابرخودرو آن ناحیه می فرستند.ابرخودرو داده ها را پردازش کرده و انها را به سرور آن منطقه ارسال می کند. به یاد داشته باشید که ابرخودرو لزوما داده های سرعت و موقعیت مکانی خودرو هارا به مرکز ارسال نمی کند. این ارسال داده فقط بر اساس نیاز برنامه کاربردی انجام می شود. در مرکز با بررسی داده های دریافتی از قسمت های مختلف دقت آنها بررسی می شود. [15]

-2-5 الگوریتم تعیین ابرخودرو ها

از آنجایی که خودروها همواره در حال تغییر مکان در بین مرز های نواحی مختلف در شبکه هستند ابرخودر هر ناحیه مداوم در حال تغییر است. الگوریتم SVD13 را می توان برای پیدا کردن ابرخودرو در هر منطقه پیدا کرده و یا حتی اگر یک ابر خودرو در ناحیه ای وجود ندارد یک خودرو به این عنوان برای آن در نظر گرفته شود. در ابتدا هنگامی که یک خودرو وارد ناحیه می شود خود را به صورت موقت به ابرخودرو تبدیل کرده و این بدین معنی است که شروع به دریافت داده های دیگر خودرو ها کرده ولی به پیام هایی مبنی بر پیدا کردن ابرخودرو پاسخی نمی دهد. پس از این یک پیام برای مرکز پردازش زیر ساختار در آن ناحیه می فرستد تا اگر ابرخودرویی دیگر از قبل وجود دارد از آن اگاهی یابد. اگر پاسخی مبنی بر وجود ابرخودرو دریافت کند مسئولیت موقت خود را خاتمه می دهد. مادامی که منتظر دریافت پاسخ است ممکن است پیام جست و جوی برای ابرخودرو از خودرو هایی که به تازگی وارد ناحیه شده اند را دریافت کند به آن توجهی نخواهد کرد. بعد از گذشت

مدت زمانی مشخص ابرخودرو موقتی پیامی برای پیدا کردن ابرخودروی اصلی می فرستد که این پیام دومین تلاش برای پیدا کردن این خودرو می باشد. اگر خودرویی دیگر ابرخودرو باشد و یا ابرخودرو موقتی باشد به این پیام پاسخ خواهد داد که با این کار خودرو فرستنده از مسولیت موقت خود برکنار خواهد شد. اگر بعد از مدت کوتاهی پاسخی از هیچ خودرویی دریافت نشد خودروی فرستنده مسولیت خود را از حالت موقت به حالت دامی تغییر می دهد. با این حال همین خودرو با ترک ناحیه مربوطه مسولیت خود را نیز ترک خواهد کرد و خودرویی تازه وارد به ناحیه الگوریتم بالا را ادامه می دهد. در شکل 2 این طرح به نمایش درآمده است.[16]

شکل :2 تبادل داده درناحیه ابرخودرو -3-5 بررسی سیستم V2V2I

استفاده از این سیستم به جای ساختار های V2V و V2I با خود منفعت هایی مانند کاهش پهنای باند مورد نیاز برای تجهیزات زیرساختی جاده و همچنین امکان ادامه کار با وجود خطا در صورت بروز هرگونه نقص در سخت افزار یکی از مرکزها را به هماره دارد. کمتر شدن پهنای باند به معنی کمتر شدن داده های ارسالی به کامپیوتر مرکزی می باشد و این بدان معنی می باشد که به جای اینکه هر خودرو به تنهایی داده های مربوط به سرعت و موقعیت خود را به مرکز ارسال کند تنها ابرخودرویی که در هر ناحیه قرار دارد این داده ها را دریافت کرده و عمل ارسال را انجام می دهد.[17]

-6 نحوه ارتباط بین خودرو ها و مراکز زیرساخت

تجهیزارت ارتباطی خودروها با یکدیگر سخت افزار هایی هستند که منحصرا برای V2V و V2I طرحی شده اند و به صورت کاملا مستقل از سایر تجهیزات ارتباطی فعالیت می کنند. به یاد داشته باشید که خودروها در حال حاضر دارای چندین پردازنده و میکروکنترلر برای وظایف خاص مانند نظارت بر سنسور مخزن سوخت، هشدار دنده عقب، همیار پارک اتوماتیک خودرو، سنسور روغن موتور، شارژ باتری و سایر علام آگاهی دیگر و همچنین وسایل ارتباطی ای مانند مکان یاب ها و دزدگیر ها می باشند. هدف استفاده از تکنولوژی های کاملا به روز برای دست یابی به نتیجه ای مطلوب قابل انعطاف و توسعه می باشد. این تکنولوژی ها تفاوت هایی با کامپیوتر ها و لپ تاپ های شخصی دارند. سخت افزار های خودرو ها دارای مقاومت بیشتر و توانایی تطبیق در شرایط گوناگون را دارند.علاوه براین باید با واسطه کاربری درون خودرو نیز سازگاری کامل داشته باشند.[18] این تجهیزات دارای ویژگی های ازجمله نرخ ارسال داده، محدوده ارتباطی برای هردونوع تبادل V2Vو ارتباط از راه دور برای V2Iمی باشند. گزینه ای مناسب دارای این خصوصیات تکنولوژی Wi-Fi و پروتکل .IEEE 802.11[20] در جدول 2 مقایسه ای بین ویژگی های کاندیدا های مختلف برای این وظیفه انجام شده است.