بخشی از مقاله
چکیده
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 روش های نوینی در جهت کنترل زمان بندی تقاطع های منفرد گام بر می دارند . در این نوشتار به بررسی نحوه عملکرد سیستم کنترلر منطق فازی در شرایط مختلف ترافیکی و نقش آن در بهبود تاخیر کلی و طول صف وسایل نقلیه در مقایسه با سیستم کنترل زمان ثابت و عملکرد واقعی سیستم کنترل SCATS ، می پردازیم .
.1 مقدمه
یکی از سیستم های کنترل تقاطع های چراغ دار ، سیستم SCATS می باشد که در آن از پارامتر حجم برای تخصیص زمان بندی چراغ راهنمایی استفاده می شود . سیستم SCATS این پارامتر را برای هر فاز تقاطع در موقع سبز بودن چراغ راهنمایی برای آن فاز محاسبه می کند .
این سیستم در موقع سبز بودن هر فاز با استفاده از سنسورهای القایی اقدام به شمارش ماشین هایی که در آن فاز از تقاطع عبور می کنند ، می نماید . این کار برای همه فازها در طول یک سیکل چراغ به طور جداگانه انجام می شود و اعداد به دست آمده به عنوان حجم آن فاز منظور می شود با این وجود سیستم SCATS فقط در فاز سبز اقدام به جمع آوری اطلاعات از وضعیت ترافیکی تقاطع می کند و عملا در فاز قرمز کاری انجام نمی دهد به همین خاطر این سیستم قادر به اندازه گیری دقیق طول صف چراغ قرمز نمی باشد .
در سیستم جدیدی که در ادامه این مقاله بر پایه منطق فازی معرفی می شود ، ترافیک عبوری از فاز سبز و طول صف چراغ قرمز به طور همزمان در اختیار سیستم قرار می گیرد و سیستم قادر است در یک سیکل اقدام به تخصیص زمان بندی کند که از این جنبه بر سیستم SCATS برتری دارد . هم چنین این سیستم به دلیل استفاده از قوانین انسانی به مراتب ساده تر از سیستم SCATS می باشد .
در [1] ، اولین بار یک کنترل کننده فازی برای کنترل زمان بندی چراغ راهنمایی در یک تقاطع منفرد متشکل از دو مسیر یک طرفه 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 حجم های ورودی هر مسیر ، رضایت بخش گزارش شده است . در [2] ، یک کنترلر فازی برای کنترل زمان بندی چراغ راهنمایی در تقاطع دو فازی 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 می توان در مدل غیر واقعی و نداشتن الگوریتم مناسب یافت .
.2 مدل تقاطع منفرد
-1-2 زمان بندی چراغ های راهنمایی
در ابتدا لازم است که تعدادی از اصطلاحات اساسی مربوط به زمان بندی چراغ های 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 می یابد
طول فاز : - Split - درصدی از طول سیکل که به هر یک از فارهای مختلف اختصاص می یابد .
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 .
افست : - Offset - اختلاف زمان بین شروع نمایش سبز در یک تقاطع نسبت به یک مرجع زمانی سیستم .
توالی فاز بندی - Phase Sequence - چراغ های راهنمایی : یک حرکت ترافیکی می تواند یا حرکت تنها وسایل نقلیه ، حرکت تنها عابرین پیاده و یا ترکیبی از حرکت عابرین پیاده و وسایل نقلیه باشد . لازم به ذکر است که فهرست دقیقی جهت تعریف فاز بندی های متنوع ترافیک تقاطع توسط NEMA - National Electrical Manufacturers Association - اقتباس و انتشار یافته اند .
-2-2مدل ریاضی رفتار تقاطع منفرد
در این بخش مدل ریاضی رفتار ترافیک در یک تقاطع را به کمک معادلات فضای حالت به دست می آوریم . در این مدل سازی یک تقاطع منفرد دو فازی مورد توجه قرار گرفته است که فاز 1 مربوط به بازو - Leg - های 1 و 3 و فاز 2 مربوط به بازوهای 2 و 4 است .
شکل - 1 تقاطع منفرد دو فازی
طول صف وسایل نقلیه در این تقاطع یکی از متغیرهای مهم است که در رابطه - 1 - بیان می شود .
فرض می شود 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 وسایل نقلیه مسافری مانند ون و مینی بوس است [3] ؛ q - n - نرخ متوسط ورود ترافیک در بازوی i ام در n امین گام زمانی بر حسب واحد PCU بر گام زمانی ؛ d - n - نرخ متوسط خروج ترافیک در بازوی i ام در n امین گام زمانی بر حسب واحد PCU بر گام زمانی و S {0 , 1} حالت یا وضعیت سیگنال i امین بازوی ورودی است - یک به معنی حالت سبز و اجازه خروج وسایل نقلیه از تقاطع و صفر به معنی حالت قرمز چراغ و توقف وسایل نقلیه می باشد . پس از سبز شدن سیگنال چراغ راهنمایی ، با تاخیری به میزان randi - 4 - مقدار S از صفر به یک تغییر وضعیت می دهد تا تاخیر ناشی از عکس العمل راننده اعمال شود .
با مجتمع سازی طول صف و با رعایت زمان ، تاخیر کلی وسایل نقلیه در صف به دست می آید . T گام زمانی است که اگر به اندازه کافی کوچک باشد ، در نتیجه مجتمع سازی معادله طول صف - 1 - ، معادله - 2 - را به همراه دارد .
در رابطه - 2 - ، W - n - تاخیر کلی مجموع وسایل نقلیهi امین بازو از شروع گام زمانی تا آغاز n امین گام زمانی است
تاخیر کلی و طول صف وسایل نقلیه بعنوان شاخص عملکرد استفاده می شود . بنابراین هدف برآورده کردن شرایط مقدار مینیمم این دو پارامتر می باشد .
-3 کنترل کننده های فازی
به طور معمول از دو کنترلر فازی برای کنترل زمان بندی چراغ راهنمایی تقاطع منفرد دو فازی استفاده می شود به این صورت که کنترلر فازی 1 برای کنترل فاز 1 و کنترلر فازی 2 برای کنترل فاز 2 کاربرد دارد .
هر دو کنترلر به صورت سیستم چند متغییره MISO بوده و از سیستم فازی ممدانی استفاده می نمایند .
ورودی های هر دو کنترلر فازی شامل : طول صف وسایل نقلیه در فاز - Q₁ - n - + Q₃ - N - - 1 بر حسب PCU ، طول صف وسایل نقلیه در فاز - Q₂ - n - + Q₄ - n - - 2 بر حسب PCU ، نرخ ورود وسایل نقلیه به فاز 1 - q₁ - n - + q₃ - n - - بر حسب PCU بر گام زمانی و نرخ ورود وسایل به فاز - q₂ - n - + q ₄ - n - - 2 بر حسب PCU بر گام زمانی است . خروجی هر دو کنترلر فازی ، زمان تمدید شده در فاز سبز بر حسب ثانیه است .
به عنوان مثال ، نمونه ای از قوانین فازی کنترلر 1 در جدول - 1 - آورده شده است .
جدول - 1 نمونه ای از قوانین به کار رفته در کنترلر 1
-4 شبیه سازی
نرخ متوسط خروج ترافیک در بازوی i ام در n امین گام زمانی بر حسب واحد PCU بر گام زمانی از فرمول - 3 - به دست می آید .
به طوریکه - T - n GVL - Q - GFWH - L - + نرخ جریان اشباع - نرخ دشارژ صف - در بازوی i ام بر حسب PCU بر گام زمانی می باشد . مقادیر ثابت dcte - i - بزرگتر یا مساوی صفر در نظر گرفته می شوند و تغییر آن ها می تواند موجب تغییر در پاسخ نهایی سیستم گردد ؛ به طوریکه هرچه این مقدار کوچکتر انتخاب شود ، عمل تخلیه بازو کندتر صورت می گیرد . dsi - n - حداکثر تعداد وسایل نقلیه بر حسب PCU بر ثانیه است که در حالت عادی و هنگام سبز بودن چراغ می تواند از تقاطع خارج شوند . پارامتری بین صفر و یک است که جدول - 2 - مقادیر پارامتر را در شرایط مختلف ترافیک نشان می دهد .
جدول - 2 مقادیر در شرایط مختلف ترافیک
شبیه سازی برای زمان 1200 ثانیه و با شرایط زیر انجام می شود :
T= 1 sec - 1 گام زمانی است
- 2 عبور عابرین پیاده لحاظ شده است
- 3 حداقل زمان سبز 15 ثانیه و زمان تمدید آن 1 تا 9 ثانیه ست
- 4 تقاطع مورد نظر دارای 4 بازو می باشد بنابراین i= 1,2,3,4 اندیس بازوهای ورودی به تقاطع هستند
- 5 نرخ ورود وسایل نقلیه مربوط به هر بازو می باشد . حداکثر نرخ ورود
وسایل نقلیه به مجموع بازوی شرق و غرب برابر PCU 14 بر گام زمانی و به مجموع بازوی شمال و جنوب برابر PCU 10 بر گام زمانی است .
- 6 تاخیر ناشی از عکس العمل راننده برای شروع به حرکت بین 1 تا 4 ثانیه در نظر گرفته شده است تمامی شبیه سازی ها در شرایط مختلف ترافیکی زیر انجام می شود :
شرایط بدون اشباع - None Saturation - ، که در این شرایط نرخ ورود و طول صف نیز کم است و همه وسایل نقلیه موجود در صف می توانند در حداقل زمان سبز ، تقاطع را ترک کنند .
شرایط اشباع - - Saturation ، که نرخ ورود و طول صف بیشتر از حالت بدون اشباع بوده و بعد از گذشت حداقل زمان سبز ، درصد زیادی از وسایل نقلیه تقاطع را ترک کنند .
شرایط فوق اشباع - - Super Saturation ، که نرخ ورود و طول صف بیشتر از حالت اشباع بوده و بعد از اتمام حداقل زمان سبز ، درصد متوسطی از وسایل نقلیه تقاطع را ترک می کنند .
شرایط ناپایدار - - Un Stable ، که نرخ ورود و طول صف بیشتر از حالت اشباع بوده و بعد از اتمام حداقل زمان سبز ، درصد کمی از وسایل نقلیه فرصت ترک تقاطع را می یابند .
شرایط افزایش ناگهانی وسایل نقلیه - - Suddenly Increase ، که در این شرایط نرخ ورود وسایل نقلیه به طور ناگهانی افزایش می یابد شرایط وقوع تصادف - - Accident ، که در این شرایط نرخ خروج وسایل نقلیه کاهش می یابد .
-5 مقایسه سیستم کنترل فازی ، سیستم SCATS وسیستم کنترلر زمان ثابت
این مقایسه بر اساس داده های به دست آمده از نمونه مطالعاتی واقعی تقاطع عبادی - کاشانی شهر مشهد صورت گرفته است که نتایج آن به شرح زیر می باشد:
طول صف وسایل نقلیه در سیستم کنترلر فازی نسبت به سیستم SCATS و کنترلر زمان ثابت زمانی ، به هنگام صبح در حدود 30 درصد ، به هنگام ظهر حدود 10 درصد و در شب حدود 20 درصد بهبود داشته است به همین صورت ، تاخیر کلی وسایل نقلیه نیز در سیستم کنترلر فازی نسبت به سیستم SCATS و کنترلر زمان ثابت ، به هنگام صبح در حدود 30 درصد ، به هنگام ظهر حدود 10 درصد و در شب حدود 20 درصد بهبود یافته است.
-5 نتیجه گیری و جمع بندی
در این مقاله ابتدا مدلی از رفتار وسایل نقلیه در ترافیک شهری بیان گردید سپس با استفاده از این مدل ، چگونگی مدل سازی تقاطع منفرد دو فازی توضیح داده شد . بعد از تشریح مدل سازی تقاطع منفرد دو فازی ، نحوه عملکرد و طراحی کنترلر فازی مورد بررسی قرار گرفت
