مقاله کنترل هوشمند ترافیک ( چراغهای راهنمایی ) با الگوریتم مبتنی برFPGA

بخشی از مقاله

*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***

کنترل هوشمند ترافیک (چراغهاي راهنمایی) با الگوریتم مبتنی برFPGA

چکیده

در این مقاله یکی از راهکارهاي پیشبرد طرحهاي مربوط به شهر الکترونیک، با محوریت کنترل هوشمند ترافیک مـورد بررسـی قرار می گیرد. هدف در این مقاله ارائه ي یک روش سریع و ساده براي کنترل ترافیک با تنظیم زمان حرکت و توقف خـودرو هـا در مسیر مربوطه، بدون نیاز به حضور دائمی نیروهاي انسانی در محل، در یک چهارراه پرتردد، با توجه به داده هاي ترافیکـی در ایـران می باشد. این مقاله که در مقابل سایر الگوریتم هايارائه شده داراي سادگی قابل توجهی می باشد، کاملاً با شرایط حاکم بر شهرهاي ایران منطبق می باشد و قابل پیاده سازیست. پیاده سازي این الگوریتم تحت FPGA از دیگر مزیت هاي این طرح می باشد.

FPGA، نوعی پردازشگر بلادرنگ است که با ایجاد قابلیت پردازش موازي، براي بررسی مداوم شرایط ترافیکی و تصـمیمگیـري براساس داده هاي فیزیکی و الگوریتمی، بسیار مناسب می باشد. سرعت بالاي این پردازشگر از دیگر ویژگی هاي بارز آن اسـت کـه تصمیم گیري بهینه را تسهیل می نماید.

کلمات کلیدي

کنترل هوشمند، چراغ هاي راهنمایی هوشمند، مدارات منطقی برنامه پذیر، پردازشگر موازي، فرماندهی مرکزي.

-1 معرفی

با نگرش به روند پیشرفت شهرهاي کوچک و بزرگ در چند دهـهي اخیر، به وضوح می توان دریافت که رشد جمعیـت و افـزایش نیازهـاي گوناگون میان افراد، گاهاً موجب بروز برخی مشـکلات شـده اسـت. بـا ارزیابی و بررسی علل و تلاش در راستاي حل این مشکلات بسـیاري از نیاز هاي مردم بدرستی شناخته و برطرف خواهند شد. یکی از بنیـادي ترین مسائل پیش رو، مسئله کنترل و رفع مشکلات ترافیکی می باشد. براي حل این قبیل مشکلات راهکارهایی همچون افزایش تعداد راههاي عبوري، کمربندي ها، وسیع نمودن راهها و افزایش علائم و چـراغهـاي راهنمایی وجود دارد [2]اما. مطمئناً شرایط فیزیکـی شـهرها اجـازهي بکارگیري این راهکارها را به انسان نمیدهد. از طرفی به دلیل طاقـت-فرسا بودن کنترل ترافیک به روشهاي سابق، اینگونه به نظر می رسـد که اگر هوشمندسازي شهرها در دستور کار قرار گیـرد، هوشمندسـازي سیستم هاي ترافیکی سطح شهر، میبایست جزو ابتداییترین فعالیت-

هاي انجام شده در این حیطه باشد.

در این بـین، کنتـرل چـراغهـاي راهنمـایی در چهـارراههـاي پرتـردد شهرهاي بزرگ، مدتهاست که ذهن متفکران را به خود مشغول کـرده و طرح هاي متعددي نیز ارائه گشته اسـت. بارهـا در شـهرهاي بـزرگ ایران، مشاهده شده است که جهت رفع مشکلات ترافیکی چهـارراههـا، یک یا چند نفر (از پلیس راهنمایی) به صورت دستی کنترل چراغها رابه دست می گیرند. این شیوه نه تنها موجب هـدررفـتن نیـروي منـابع انسانی می گردد، بلکه به دلیل بهینه نبودن تصمیمهـاي اتخـاذ شـده، گاهاً موجب بروز بینظمی و آشفتگی نیز مـی گـردد. لـذا، بکـارگیـري روشهاي هوشمند و خودکار، بسیار مفید خواهند بود.

به طور عمده، روشهاي هوشمند در کنترل چراغهاي راهنمایی، به دو دسته تقسیم می شوند : (1) چراغ ها با زمان هـاي ثابـت، کـه نیـاز بـه الگوریتم خاصی ندارند و گاهاً در حوزه ي کنترل هوشمند جاي نمـی-گیرند. (2) سیستم هاي قابل تطبیق با بار ترافیکی .[3] که با الگوریتم هاي خاص پردازشی، شرایط ترافیکی چهارراه را در نظر می گیرد و بـا احتساب شرایطی همچون شب یا روز بودن، یا وقوع شرایط اضطراري و امثال آنها، زمان بهینه مربوط به زمان سبز و قرمز بـودن چـراغ هـا را تعیین و به نمایشگر ارسال می نمایند.

در این مقاله سعی شده است که با در نظر داشتن رفتار ترافیکـی یـک چهارراه پرتردد شهر تهران، الگوریتمی مبتنی بـر پیـاده سـاز ي تحـت FPGA ارائه نماییم. در ادامه در بخش دوم، به شرح و بسـط ویژگـی-هـاي فیزیکـی و نحــوهي همـاهنگی میــان اتومبیـلهــا و چـراغ هــاي راهنمایی پرداخته میشود. بخش سوم شرح ریاضی و علمـی الگـوریتم ارائه شده را شامل خواهد شد. در بخش چهارم، مختصراً نحوه ي پیـاده سازي تحت FPGA، شرح داده مـیشـودنهایتـاً. در بخـش پـنجم بـه مقایسه روش ارائه شده با سایر روش هاي موجود می پردازیم.

-2 توصیف شرایط

با توجه به شرایط ارزیابی شده در برخی چهارراههاي شـهر تهـران، به این نتیجه رسیده ایم که براي هر چهارراه مـی تـوان سـه حالـت در نظر گرفت: (1) حالت شبانه ، (2) حالت اضطراري، (3) حالت معمولی. حالت اول براي این منظور در نظر گرفته میشود که در هنگـام شـب که تردد خودروها به مراتب کاهش مییابد، چراغ راهنمایی با تشخیص این شرایط، زمان مربوط به توقف خودروها را کـاهش و یـا بـه صـورت چشمک زن تبدیل نماید. به محـض اینکـه سـیگنالی مبنـی بـر عبـور وسیله نقلیه خاص (خودروهاي امدادي، سیاسی و...) که حاکی از وقوع حالت دوم است، دریافت گردد، حالت اضطراري فعال گشته و تا زمانی که رفع این شرایط بر مجموعهي کنتـرل، اثبـات نگـردد، مسـیر عبـور خودرو مزبور، سبز باقی می ماند. حالت سـوم، حالـت عـادي عبـور و مرور طی یک شبانه روز میباشد. براي بهرهگیري از سیسـتم هوشـمند در این حالت، ابتدا می بایست تعـداد خودروهـایی کـه در محـدوده ي تحت پوشش چراغهاي راهنمایی قـرار دارنـد، بـه تفکیـک مسـیرهاي قرارگیري و جهت حرکت، به فرمانـدهی مرکـزي ارسـال شـود. سـپس فرماندهی مرکزي با توجه بـه الگـوریتم موجـود و میـزان ترافیـک هـر مسیر، زمان لازم و بهینه براي سبز یا قرمز بـودن چـراغ در مسـیرهاي مختلف تعیین و دوباره به چراغ راهنمایی ارسال می گردد. با این شیوه، مسیرهاي پرترافیک، براي عدم شکلگیري ترافیک هاي طولانی مـدت، زمان توقف کمتري را تجربه خواهند کرد و به طور کلـی نـوعی تعـادل ترافیکی بین مسیر هاي پرتردد و کم تردد برقرار خواهد شد.
شکل 1، نحوه ي ارتباط چراغ هاي راهنمایی بـا فرمانـدهی مرکـزي را نشان میدهد. فرماندهی مرکزي شامل یـک CPU اسـت کـه در ایـن مقاله یک FPGA در نظر گرفته شـده اسـت. ایـن CPU بـا توجـه بـه اطلاعات دریافتی از چراغهاي راهنمایی محاسبات و دسـتورات لازم را بر اساس الگوریتم موجود، تـدوین و تولیـد مـینمایـد و دوبـاره جهـت تنظیم زمان به چراغ راهنمـایی ارسـال مـینمایـد . جهـت تسـهیل در فرآیندهاي نظارتی، برنامه ریزي مجدد و کنترل از راه دور، این سیستم می تواند، براحتی با مراکز راهنمایی و راننـدگی نیـز در ارتبـاط باشـد. گفتنی است در صورت عدم نیاز به این ارتباط، سیستم بـه راحتـی بـه صورت مستقل به فعالیت می پردازد.

شکل .1 نحوه ارتباط چراغ ها با فرماندهی مرکزي

شکل شماره 2، نحوه ارتباط میان اتومبیلها و چراغ هاي راهنمایی را نشان می دهد . به این صورت که هر خودرو سیگنالی حاوي اطلاعات یکتا (شامل یک کد به عنوان آدرس) و مسیر حرکت، براي چراغ هـاي راهنمایی ارسال می کنـد (در شـکل هـر پیکـان نشـاندهنده سـیگنال ارسالی از خودرو به چراغ می باشد). بـا دریافـت ایـن سـیگنال توسـط چراغ، این خودرو به محوطه ي عبور از چهارراه وارد شـده اسـت و بـه عنوان یک خودرو متقاضی عبـور بـه فرمانـدهی مرکـزي ارسـال، و در شمارش، محاسبه خواهد شد. همانطور که از شکل 2 پیداست، مجموع تعداد خودروهاي مسیر 1 و 3 میزان تردد در یک جهت، و مسیر2 و 4 نیز تردد جهت دیگر را نشان مـی دهـد. هرچنـد مجمـوع تعـداد کـل اتومبیلها میزان شلوغی چهارراه را معین می کند، اما باز هـم نیـاز بـه تفکیک هریک از جهات به وضوح احساس می گردد. فراینـد شـمارش خوردروهاي موجود در محوطه تحت پوشش، هر یـک ثانیـه یکبـار بـه صورت بلادرنگ1 و موازي، و تغییرات، به فرماندهی مرکزي ارسال مـی گردد.

شکل .2 نحوه ي ارتباط خودرو ها با چراغ هاي راهنمایی و ارسال سیگنال به آنها

-3 تشریح الگوریتم

همانطور که گفته شـد، رفتـار هوشـمند ایـن سیسـتم در حالـت معمولی (غیر از شب و حالت اضطراري)، شروع به فعالیـت مـی نمایـد. براي این منظور و جهت کارا بـودن سیسـتم ارائـه شـده، نویسـندگان، شخصاً به بررسی آماري و مشاهده مستقیم یکی از چهارراههاي پرتردد شهر تهران نموده و با احتساب شرایط فیزیکی خودرو ها و فیزیک کلی
چهارراه، متغیرهاي جدول یک را تعریف نموده اند. با فرض اینکه عرض هر مسیر بـه گونـه باشـد کـه سـه خـودروي سواري عادي قادر به توقف در آن باشد، خواهیم داشت:

با فرض یکسان بودن طول خودروهاي سواري وتقریبـاً یکسـان بـودن شتاب آغازین حرکت آنها میتوان در نظر گرفت که هر خودرو مسـیر آغاز حرکت خود را تا قبل از خط عابر پیاده ي همان مسیر، با سـرعت ثابت طی می نماید. لذا = 2_ ، = 3_ و ... . با مشاهدات عینی دریافتیم که در صورتیکه خودروهاي متقاضی عبور از چهاراه را تا 6 سري پشت سر هم، در نظر بگیریم، بیان کننده یک وضعیت معمـول ترافیکی خواهد بود. با توجه به روابط یادشـده در بـالا، و بـا توجـه بـه الگوریتم ارائه شده که در ادامه توضیح داده خواهد شد، زمان لازم براي هر یک از مسیر هـا، بدسـت مـی آیـد و بـه عنـوان زمـان نهـایی، بـه نمایشگرها ارسال خواهد شد.

با توجه به مشخص بودن تعداد خودروها در هر مسیر، پردازشـگر، با محاسبه ي خارج قسمت و باقیمانده تعـداد خـوردو هـا بـر عـدد 3 (تعداد خودرو ها در هر ردیف)، قادر خواهد بود که محل توقف فرآینـد محاسبه زمان را تشخیص دهد . به طور مثال اگر اعلام شده باشد که در مسیر یک، 14 خودرو تقاضاي عبور دارند:

براي محاسبه ي زمان، در مرحله ي اول، خواهیم داشت:

زمان کلی= زمان عبور مسیر اول+ زمان عبور مسـیر دوم+ زمـان عبـور مسیر سوم ... +

به عبارت ریاضی، داریم:

خودروهاي متقاضی عبور از چهاراه هر ده ثانیه یکبـار، انجـام و تعـداد خودرو هاي یک مسـیر بـه فرمانـدهی مرکـزي ارسـال مـی گـردد. در صورتیکه تعداد خودروها در طول مدت تغییـر چشـمگیري نداشـته باشد (کمتر از 5 خودرو افزایش یا کاهش نیافته باشـد)، زمـان ارسـالی براي چراغهاي راهنمایی به صورت زیر خواهد بود:

روند ترافیکی عبور خودرو ها، نیازي به احتسـاب بـراي خودروهـا نمیباشد. ضریب از آن جهت انتخاب گشته است که اجازهي عبور به تعداد قابل قبولی از خودرو ها که پس از سبز شدن چـراغ وار چهـارراه میشوند نیز داده شود.

حال می بایست مشخص نمود که چه مقدار زمان براي سبز و قرمز بودن چراغها براي هر مسیر، باید در نظر گرفته شـود. بـراي ایـن کـار، مقـــادیر بیـــانگـــر میـــزان شـــلوغی مســـیرهاي روبـــرو میباشد. با توجه به این مطلب، واضـح اسـت که زمان بیشتري می بایست به چراغ سبز مسیر پرتردد تخصـیص داده شود که در آن صورت همین مقدار زمان به عنـوان زمـان قرمـز بـودن چراغ راهنمایی موجود در سمت کم تردد خواهـد بـود. پیشـنهاد مـی گردد که به سادگی،min { به عنوان مـدت سـبز بودن مسیر کمتردد وبه عنوان زمان سبز بودن مسیر پرتردد انتخاب گردد و براي چـراغهـاي راهنمـایی ارسـال شود تا در نمایشگر به صورت شمارش معکوش به نمایش درآید.

پیاده سازي در محیط FPGA

در این بخش به بیان کوتاهی در مورد پیاده سازي دیجیتال این شیوه-ي کنترل هوشمند می پردازیم. در ابتدا شماتیک نحوه ي فعال سازي حالت اضطراري و شب به ترتیب در شکل هاي 4و 5 مشاهده میشود. این دو حالت از الگوریتم هوشمند بهره اي نمی برند اما به صورت بلادرنگ و موازي با الگوریتم، قابل پیادهسازي هستند و به محض وقوع شرایط لازم، فرمان تغییر حالت را ارسال می نمایند.