بخشی از مقاله
چکیده
لازمه شهر الکترونیک، کنترل هوشمند زمانبندی چراغ راهنمایی برای کنترل رفت و آمد وسایل نقلیه است. در این مقاله، یک کنترلکننده منطق فازی برای کنترل ترافیک در یک تقاطع منفرد طراحی شده است. کنترلکننده فازی در شرایط مختلف ترافیکی مورد آزمایش قرار گرفته و نتایج آن در مقایسه با سیستم کنترل زمان ثابت و عملکرد واقعی سیستم کنترل SCATS بهبود زیادی در کاهش طول صف وسایلنقلیه و تاخیر کلی آنها داشته است.
-1 مقدمه
افزایش جمعیت و به دنبال آن افزایش وسایل نقلیه بخصوص در شهرهای بزرگ به یک معضل مهم تبدیل شده است که ساکنان این چنین شهرهایی بیشتر آن را لمس می کنند. به منظور حل این معضل، محققین روز به روز به سمت روشهای نوینی در جهت کنترل زمانبندی تقاطعهای منفرد گام برمیدارند.
در [1]، اولین بار یک کنترل کننده فازی برای کنترل زمان بندی چراغ راهنمایی در یک تقاطع منفرد متشکل از دو مسیر یکطرفه طراحی شد. در این کنترلر فازی، از مدل ماکروسکوپیک - Macroscopic - جهت مدل سازی طول صف و برآورد تاخیر استفاده شده است.
تاخیر وسایل نقلیه بدست آمده از اعمال کنترلر فازی فوق در مقایسه با یک کنترلر زمان ثابت - و در محدوده وسیعی از حجمهای ورودی هر مسیر - رضایت بخش گزارش شده است. در [2]، یک کنترلر فازی برای کنترل زمان بندی چراغ راهنمایی در تقاطع دو فاز طراحی شده است. در این مدل، تاخیر وسایل نقلیه ناشی از اثر عکس العمل راننده در نظر گرفته نشده است. نتایج این مقاله عجیب و غیر واقعی بوده و علت آن را میتوان در مدل غیر واقعی و نداشتن الگوریتم مناسب، یافت.
کارهای زیادی در خصوص زمان بندی چراغ راهنمایی با استفاده از کنترل کننده منطق فازی صورت گرفته است. - برای مطالعه بیشتر آنها به مراجع [3]-[11] مراجعه نمایید. - در الگوریتم های مقالات قبلی، مقدار حداکثر زمان سبز بعنوان یک عامل محدود کننده در نظر گرفته می شد. با این وجود، در پایان این زمان، علی رغم وجود تقاضای بیشتر در فاز سبز فعلی و تصمیم کنترلر مبنی بر ادامه فاز سبز، تنها بعلت پایان حداکثر زمان سبز، فاز سبز فعلی به پایان می رسید. - برای مطالعه بیشتر به مراجع 1]، [2، -[16] [12] مراجعه نمایید - .
در این مقاله، یک مدل واقعی از شبکه ترافیک شهری ارائه می شود، این مدل تاخیر ناشی از اثر عکس العمل راننده هنگام سبز شدن چراغ راهنمایی را در نظر گرفته و قابلیت تغییر شرایط ترافیکی اعم از قطعی و غیر قطعی را دارد. برای این مدل، یک الگوریتم بدیع طراحی شده تا بتواند زمان بندی چراغ راهنمایی در یک تقاطع منفرد دو فاز را بهینه کند. سپس از دو کنترلر فازی چند متغیره چهار ورودی، یک خروجی - Many Input Many Output - MISO برای برآوردن نیاز الگوریتم، استفاده شد.
-2 مدل تقاطع منفرد
-1-2 زمانبندی چراغهای راهنمایی
در ابتدا لازم است که تعدادی از اصطلاحات اساسی مربوط به زمانبندی چراغهای راهنمایی معرفی گردند:
طول سیکل : - Cycle length - زمان لازم برای یک توالی - Sequence - کامل از فازهای عمل یک چراغ.
فاز : - Phase - بخشی از طول سیکل یک چراغ که به هر ترکیب منفرد از یک یا چند حرکت همزمان ترافیک اختصاص مییابد.
دوره : - Interval - بخشی مجزا از طول سیکل یک چراغ که در طی آن نمایشات چراغ - عابر پیاده یا وسیله نقلیه - بدون تغییر باقی می ماند. طول فاز : - Split - درصدی از طول سیکل که به هر یک از فازهای مختلف اختصاص یافته است.
آفست : - Offset - اختلاف زمان بین شروع نمایش سبز در یک تقاطع نسبت به یک مرجع زمانی سیستم.
توالی فازبندی - Phase Sequence - چراغهای راهنمایی: یک حرکت ترافیکی میتواند یا حرکت تنها وسایلنقلیه، حرکت تنها عابرین پیاده و یا ترکیبی از حرکت عابرین پیاده و وسایل نقلیه باشد. لازم به تذکر است که فهرست دقیقی جهت تعریف فازبندی های متنوع ترافیک تقاطع توسط National Electrical Manufacturers - NEMA - Association اقتفاس و انتشار یافته اند. شکل - 1 - نمونه یک فازبندی تقاطع - شامل یک حلقه و دوفاز - که در این مقاله مورد توجه قرار گرفته است، نشان میدهد:
شکل : - 1 - ترکیب تک حلقهای چراغ راهنمایی دو فاز
در شکل - 1 - ، حرکات مستقیم و گردشی بعنوان یک فاز در نظر گرفته شده اند. پس از اتمام زمان سبز فاز1 ، فاز2 سبز می شود؛ پس از اتمام زمان سبز فاز2، فاز1 سبز شده و این حلقه ادامه مییابد.
-2-2 مدل ریاضی رفتار تقاطع منفرد
در این بخش مدل ریاضی رفتار ترافیک در یک تقاطع را به کمک معادلات فضای حالت بدست می آوریم. شکل - 2 - تقاطع منفرد دو فاز که در این مدل سازی مورد توجه قرار گرفته است، نشان میدهد. در این شکل، فاز1 مربوط به بازو - Leg - های1 و 3 و فاز2 مربوط به بازوهای2 و 4 است.
شکل : - 2 - یک تقاطع چراغدار دو فاز
طول صف وسایل نقلیه در این تقاطع یکی از متغیرهای مهم است که در رابطه - 1 - بیان میشود.
در رابطه - 1 - ، داریم:
i 1,2,3,... ,M اندیس بازوهای ورودی به تقاطع؛ n 0,1,2,...,N 1 اندیس گام زمانی گسسته شده و N افق شبیه سازی؛ Qi - n - طول صف تشکیل شده از تعدادی وسیله نقلیه برحسب واحد - Passenger Car Units - PCU در i امین صف از شروع گام زمانی تا آغاز n امین گام زمانی است. - فرض میشود که وسایل نقلیه از نظر واحد شمارش وسیله نقلیه - PCU - مشابه باشند. بنابراین طول اتوبوس ها برابر 2/25، طول وسایل نقلیه سنگین و نیمه سنگین مانند:
کامیون و واگن باری 1/75 برابر طول وسایلنقلیه مسافری مانند ون و مینیبوس است - [17]؛ qi - n - نرخ متوسط ورود ترافیک در بازوی i ام در n امین گام زمانی برحسب واحد PCU بر گام زمانی؛ di - n - نرخ متوسط خروج ترافیک در بازوی i ام در n امین گام زمانی بر حسب واحد PCU بر گام زمانی و 0,1 Si حالت یا
وضعیت سیگنال i امین بازوی ورودی است - یک بمعنی حالت سبز و اجازه خروج وسایل نقلیه از تقاطع و صفر بمعنی حالت قرمز چراغ و توقف وسایل نقلیه می باشد - . - بعنوان مثال در فاز1 متغیرهای کنترل بصورت - S1, S2 , S3 ,S - - 1,0,1,0 - هستند - . پس از سبز شدن سیگنال چراغ راهنمایی، با تاخیری به میزان randi - 4 - مقدار Si از صفر به یک تغییر وضعیت می دهد، تا تاخیر ناشی از اثر عکسالعمل راننده اعمال شود.
با مجتمع سازی طول صف و با رعایت زمان، تاخیر کلی وسایلنقلیه در صف بدست می آید. T گام زمانی است که اگر به اندازه کافی کوچک باشد، در نتیجه مجتمعسازی معادله طول صف - 1 - ، معادله - 2 - را به همراه دارد.
در رابطه - 2 - ، Wi - n - تاخیر کلی مجموع وسایل نقلیه i امین بازو از شروع گام زمانی تا آغاز n امین گام زمانی است.
تاخیر کلی و طول صف وسایلنقلیه بعنوان شاخص عملکرد - Performance Index - استفاده میشود. بنابراین هدف برآورده کردن شرایط - 3 - و - 4 - است.
معادلات - 1 - و - 2 - معادلات فضای حالت هستند که وضعیت ترافیک را در یک تقاطع منفرد توصیف می کنند. برای آسان کردن فهم فرمولها، معادلات فضای حالت و هدف بهینهسازی در شکل ماتریسی بصورت روابط - 5 - و - 6 - نوشته میشوند.
-3 سیستم کنترلر فازی
-1-3 الگوریتم بدیع سیستم کنترلر فازی
در این مقاله از یک الگوریتم بدیع در کنترل سیگنال تقاطع منفرد دو فاز استفاده شده است. در این الگوریتم از دو کنترلر فازی برای کنترل زمان بندی چراغ راهنمایی تقاطع منفرد دو فاز استفاده شده است. از کنترلر فازی1 برای کنترل فاز1 و از کنترلر فازی2 برای کنترل فاز2 استفاده شده است. شکل - 3 - فلوچارت برنامه آن را نشان میدهد.
در فلوچارت شکل - 3 - ، ST مخفف Simulation Time زمان شبیه-سازی است. ET مخفف Extension Time زمان تمدید فاز سبز است. PI مخفف Phase Index شاخص فاز است، که PI 0,1 برای مشخص کردن فاز جاری در نظر گرفته شده است. 1 بمعنی سبز بودن فاز1 و صفر بمعنی سبز بودن فاز2 است.
در این مقاله که عبور عابرین پیاده نیز مدنظر است، مینیمم زمان سبز باید حداقل زمان مناسب برای عبور عابرین پیاده را تضمین نماید.
-2-3 کنترلکننده های فازی
بلوک دیاگرام سیستم کنترلر فازی که با استفاده از نرم افزار سیمیولینک MATLAB 7.10 پیاده سازی شده است، در شکل - 4 - نشان داده شده است.
