بخشی از مقاله
چکیده
سیستمهای حملونقل هوشمندکه هدف اصلی آن بهبود فعالیتهای حملونقل از لحاظ ایمنی و کارایی میباشد به سرعت در حال پیشرفت است. تجهیزات و فنآوریهای گستردهای جهت شناسایی خودروها مورد بهرهبرداری قرار گرفته است که میتوان به پردازش تصویر، مایکروویو، رادار، لیزر، مادون قرمز و حلقههای الکترومغناطیسی اشاره نمود. اخیرا، ارتباطات خودرو به خودرو و خودرو به زیرساخت بخش پراهمیتی از معماری سیستمهای حملونقل هوشمند به شمار میآید. ارتباط هوشمند بین وسائل نقلیه عمومی - به ویژه اتوبوس - و چراغ راهنمایی برای اولویتدهی و افزایش راندمان بسیار موثر میباشد.
در این مقاله ابتدا به شبیهسازی اولویتدهی با استفاده از فنآوری ارتباطی برد کوتاه اختصاص یافته پرداختهایم. از یک برنامه توسعه یافته پایتون مبتنی بر نرم افزار SUMO برای شبیهسازی شرایط میکروسکوپی ترافیک یک شهر با چراغهای هوشمند استفاده گردیده است. برای به دست آوردن یک نتیجه نزدیک به واقعیت از نقشه واقعی شهر و تقاضای واقعی ترافیک استفاده شده است. سپس الگوریتمی تطبیقی برای کاهش شاخصهای زمانی و آلایندگی حملونقل عمومی پیشنهاد شده است که نسبت به حالت پایه بهبود چشمگیری را ارائه میدهد.
-1 مقدمه
شکل غالب در حملونقل عمومی شهری در اکثر شهرها و کلان شهرها اتوبوسها میباشند.[1] اتوبوسها با ظرفیت حملونقل زیاد، از فضای جاده ای محدود استفاده میکنند و بنابراین میتواند سهم قابل توجهی در کاهش تراکم ترافیک داشته باشند.[2] باتوجه به اینکه سیستمهای اولویتدهی در حوزه حملونقل عمومی شهری از اهمیت ویژه ای برخوردار است لذا ارتقاء کیفیت و نحوه سرویسدهی باعث مزیتهای فراوانی همچون صرفه جویی در زمان سفر و مصرف سوخت میگردد. ارتقاء کیفیت در امر اولویتدهی میتواند محیط زیست پاکتر و کیفیت زندگی بالاتر را به همراه داشته باشد.[11]
در تقاطعهای مجهز به چراغ راهنمایی هوشمند، اولویت میتواند با تغییر دادن زمانبندیهای سیگنال به نفع اتوبوسهایی که نزدیک میشوند و یا فراخوانی فاز سبز مطلوب، در حالتی که چراغ راهنمایی برای اتوبوس قرمز باشد، اختصاص داده شود.[3] ارتباط بین اتومبیل و چراغ راهنمایی یکی از برنامههای کاربردی مهم V2I1 است که کمک میکند تا چراغهای ترافیکی در رابطه با موضوع اولویتدهی به خودروهای حملونقل عمومی بصورت تطبیقی و پویا عمل نمایند.
بدلیل هزینههای بالا و خطرات ناشی از آزمایش فنآوریهای جدید در حوزه حملونقل و دنیای واقعی، شبیهسازی نقش برجستهای در میزان دریافت تاثیرگذاری و سودمندی این فنآوریها قبل از پیادهسازی آن در دنیای واقعی دارد. در دهه اخیر، شبیهسازهای متعددی توسعه یافتهاند تا بتوانند ترافیک واقعی خودروها را شبیهسازی نمایند اما شبیهسازی اولویتدهی به شبکه اتوبوسرانی یک شهر واقعی هنوز مشکل به نظر میرسد.
این مقاله یک برنامه جدید را توسعه داده است که به شبیهساز میکروسکوپی ترافیک[5] SUMO2 متصل گردیده و حرکت خودروها و چراغهای راهنمایی را کنترل مینماید. هدف اصلی این برنامه تمدید زمان سبز فاز جاری بر اساس فاصله، سرعت و جهت وسیله حملونقل عمومی میباشد. کاهش زمان انتظار اتوبوسها مزیتهای فراوانی از قبیل به حداقل رساندن زمان از دست رفته، کاهش مصرف سوخت و انتشار گازهای گلخانه ای و ... را به همراه خواهد داشت.[4]
این مقاله در ابتدا به شبیهسازی اختصاص اولویت بر مبنای شبکههای موردی خودروییVANET3 میپردازد و سپس دو روش ثابت و تطبیقی جهت بهبود عملکرد پیشنهاد میدهد. در انتها شاخصهای اصلی به عنوان نتایج بدست آمده از شبیهسازی ترافیک ارائه، تحلیل و جمعبندی میشود که بیانگر بهبود قابل توجه روشهای پیشنهادی خواهد بود.
هر چند در رویکرد میکروسکوپیک حرکت هر خودرو به تنهایی و رفتار هر خودرو حائز اهمیت است.[8] در شبیهسازی V2V6 و V2I از مدل میکروسکوپیک استفاده میگردد. محققان از شبیهسازهای متفاوتی مانند SUMO، VanetMobiSim ، CORSIM، CityMob، VISSIM، STRAW، PARAMICS، FreeSim و Netstream استفاده میکنند. بر اساس منبع باز بودن، سادگی در وارد کردن نقشه واقعی، ابزارهای متعدد جهت اتصال به شبیهسازهای شبکه مانند OMNET++ یا NS-2، پشتیبانی از تقاضای ترافیکی واقعی و شبیهسازی ترافیکی واقعی، SUMO بهعنوان تولید کننده تحرک در این مطالعه انتخاب گردیده است.
شبیهسازی در SUMO نیازمند دو نوع ورودی میباشد، شبکه معابر شهر - نقشه - و تقاضای ترافیکی. در این مطالعه شبکه معابر مورد شبیهسازی از پایگاه داده OSM وارد شده است.[7] تقاضای ترافیکی میتواند از منابع گوناگونی مانند تعریف جریان، تصادفی سازی، ماتریس OD7 و غیره وارد گردد. بعلاوه نرم افزار SUMO میتواند از طریق واسط کنترل ترافیک TraCI8 به سایر نرم افزارها متصل گردد.
واسط کنترل ترافیک TraCI امکان کنترل شبیهسازی یک خیابان را فراهم میآورد. بنابراین معماری بر اساس TCP از نوع کلاینت / سرور بنیان گذاری شده است بطوریکه نرم افزار SUMO بهعنوان سرور عمل میکند و کنترل کننده نیز بهعنوان کلاینت محسوب میگردد. این مطالعه یک برنامه نوشته شده به زبان پایتون را توسعه داده است که به نرم افزار SUMO متصل گردیده و شبیهسازی را کنترل مینماید.
-2 شبیهسازی ترافیک
ایجاد یک مدل تحرک واقع بینانه برای شبیهسازی VANET دارای اهمیت فراوان است. ترافیک خودرویی به طور معمول در مسیری قابل پیش بینی حرکت میکند. این حرکات بر اساس نحوه راه اندازی شبکه جاده تنظیم میشود. قرار دادن مسیر حرکت خودروها و ویژگیهای ترافیکی، برای مثال علائم ترافیک، مسیر چرخش، چراغ راهنمایی، مبدا، مقصد و رابطه با سایر خودروها معیین میکند که چگونه یک خودرو در دنیای واقعی حرکت کند. برای بدست آوردن نتایج دقیق از اینکه چگونه فنآوریهای VANET کار خواهند کرد، مهم است که این حرکات را با درجه بالایی از دقت مدلسازی کنیم.
2؛-1 نرم افزار شبیهسازی SUMO
شبیهسازهای تحرک خودرویی معمولا به دو بخش اساسی میکروسکوپیک4 و ماکروسکوپیک5 تقسیم میشوند. شبیهسازهای ماکروسکوپیک بر روی جریان تحرک خودروها تمرکز دارند و هر خودرو به تنهایی مورد بحث آنها نیست. درشبیهسازی میکروسکوپیک، تولید ترافیک خودرویی مانند چگالی ترافیک مورد تعریف قرار گرفته است.
2؛-2 برنامه توسعه یافته
برنامه ذکر شده قادر به شبیهسازی یک شهر با چراغراهنمایی هوشمند میباشد. شکل - - 1 نقشه شهر و تقاطعهای هوشمند را در محیط گرافیکی نرم افزار SUMO نشان میدهد. شکل - - 2 موقعیت فاصله اتوبوس از خط توقف و درخواست تمدید زمان سبز جهت عبور بدون توقف را نشان میهد. در طی مراحل شبیهسازی حجمهای ترافیکی متفاوتی از خودرو به شبیهسازی اضافه گردیده است.
درهنگام شبیهسازی درخواست عبور اتوبوس در فاصله 60 متری قبل از خط توقف ثبت میگردد و شناسه اتوبوس کنترل میگردد، چنانچه اتوبوس دارای شناسه مجاز جهت دریافت اولویت در مسیر باشد و وضعیت چراغ راهنمایی در حالت سبز باشد، اولویتدهی به اتوبوس بصورت تمدید زمان سبز انجام خواهد پذیرفت.
این برنامه چندین شاخص خروجی را که در جدول - - 1 مهمترین آنها بیان شده است را تولید مینماید.
علاوه بر این وضعیت چراغ راهنمایی را در هر لحظه از زمان میتوان مشاهده کرد. همانطور که قبلا توضیح داده شده است هدف اصلی این مقاله کاهش زمان انتظار و کاهش آلایندگی وسایل نقلیه عمومی با تمدید وضعیت سبز چراغ راهنمایی در تقاطعهای هوشمند میباشد.[11] برای رسیدن به یک نتیجه واقع بینانه و قابل اعتماد، نقشه واقعی و ترافیک واقعی اتومبیلها دارای اهمیت میباشد. بخش بعدی به منظور دستیابی به نتیجه مطلوب در شبیهسازی، نقشه و ترافیک واقعی را توصیف میکند.
-3 شبیهسازی ترافیک توسط نرم افزار SUMO
در این بخش به توصیف نقشه و جریان ترافیکی واقعی، شرایط حاکم بر شبیهسازی و طرحهای پیشنهادی خواهیم پرداخت.
3؛-1 نقشه و جریان ترافیکی واقعی
برای شبکه معابر شهر و تقاضای ترافیکی، یک مجموعه داده از [6] مورد استفاده قرار گرفته است. تقاضای ترافیک واقعی برای شهر، با نقشه واقعی برای این شهر در [6] ارائه شده است. مجموعه دادههای سفر خودرو عمدتا بر اساس دادههای پروژه Bologna small، از ترافیک اتومبیلهای واقعی در شهر بلونیا تعیین گردیده است. همچنین شبکه خیابانی شهر از پایگاه داده OpenStreetMap - OSM - وارد شده است.[7] سفر اتومبیلها از این دو مجموعه داده به SUMO وارد شده است. شکل - - 3 نقشه پاسیبیو بلونیا در SUMO را نشان میدهد که از پایگاه داده OSM وارد شده است.
3؛-2 شرایط حاکم بر شبیهسازی
3؛2؛-1 تراکم ترافیکی شبیهسازی
شبیهسازی در حالتهای مختلف از تراکم ترافیکی انجام گرفته است. در این شبیهسازی از تعداد550، 2170، 4350، 6300، 8700 خودرو در مراحل مختلف از شبیهسازی استفاده گردیده است که از تراکم ترافیکی بسیار کم تا تراکم ترافیکی بسیار فشرده را شامل میشود. مدت زمان شبیهسازی در کلیه حالتها یک ساعت در نظر گرفته شده است.
3؛2؛-2 حرکت وسایل نقلیه عمومی شهری
حرکت وسایل نقلیه عمومی شهری در شبیهسازی بر اساس جدول زمانی و مکانی صورت گرفته است بنابراین حرکت اتوبوسها از مسیرهای تعریف شده و مطابق با جدول صورت میگیرد. تعداد ثابتی از ایستگاههای اتوبوس در شبیهسازی تعریف گردیده است و مدت زمان توقف هر اتوبوس در هر ایستگاه به مدت 20 ثانیه میباشد که در حالتهای متفاوت تراکم ترافیکی ثابت میباشد. تعداد اتوبوسهای تعریف شده در شبیهساز ترافیک 110 عدد میباشد.
