بعضی از کارشناسان استفاده از سنسورها برای تعیین تعداد خودرو پیشنهاد داده اند، در حالی که برخی دیگر پیشنهاد استفاده از دوربین های ویدئویی را برای ضبط حرکت وسایل نقلیه و انجام پیش پردازش بر روی فیلم ها و محاسبه تعداد خودروها را پیشنهاد داده اند. در ادامه قصد داریم در یک سلسله مطالب روش هایی را که برای توسعه سیستم های هوشمند مدیریت ترافیک مورد استفاده قرار گرفته است، بررسی کرده و مقایسه کاملی از همه روش ها، با مزایا و معایب هر یک ارائه دهیم.
دلایل متعددی برای افزایش ناگهانی ترافیک در مناطق شهری وجود دارد. علت اصلی آن افزایش جمعیت است که به نوبه خود موجب افزایش تعداد وسایل نقلیه در جاده ها شده است. همچنین دلایل متعددی برای تراکم وجود دارد مانند: ظرفیت ناکافی جاده‌ها، تأخیر زیاد چراغ قرمزها، اطلاعات ناقص در زمینه ترافیک، مدیریت حمل و نقل ناکارآمد، تقاضای نامحدود و … . بنابراین نیاز به بهینه سازی سیستم کنترل ترافیک و پویایی آن، در مقایسه با تراکم ترافیک متفاوت است.

1- سیستم هوشمند مدیریت ترافیک با استفاده از VANETها

یکی از روش ها برای طراحی یک سیستم ترافیکی هوشمند، استفاده از VANET است. چارچوب یک شهر هوشمند برای سیستم ترافیک هوشمند با استفاده از VANET در شکل 1 پیشنهاد شده است.

سیستم پیشنهادی شامل چراغ های راهنمایی هوشمند (Intelligent Traffic Lights یاITLs ) است که در تقاطعات یک شهر نصب شده اند. کار این ITL ها جمع آوری اطلاعات ترافیکی مانند تراکم ترافیک وسایل نقلیه عبوری، به روز كردن آمار ترافیکی مانند اطلاعات مربوط به تراكم اطلاعات و گزارش این آمار ترافیک به وسایل نقلیه شخصی كه در نزدیکی این ITL ها هستند، می باشد. در صوت بروز تصادف این ITLها اطلاعات مربوط به برخورد را به وسیله نقلیه ارسال می کنند تا راننده بتواند مسیر جایگزین انتخاب کند تا از ایجاد ترافیک در نزدیکی تصادف جلوگیری شود. بر روی هر وسیله نقیله یک GPS نصب شده است. هر وسیله نقلیه مکان دقیق خود را ارسال می کند که برای محاسبه تراکم ترافیک استفاده می شود. معماری سیستم شامل سه ماژول است که در شکل 2 نشان داده شده است:
1- ماژول پیام هشدار: این ماژول تعیین می کند که آیا تصادف رانندگی اتفاق افتاده است و در این صورت در مورد آن به راننده هشدار می دهد. اطلاعات جمع آوری شده توسط این ماژول به ماژول بعدی یعنی ماژول محاسبه تراکم ترافیك فرستاده می شود.
2- ماژول محاسبه تراکم: این ماژول تراکم ترافیک را در هر مسیری محاسبه می کند.
3- ماژول تصمیم گیری: دو ماژول فوق اطلاعات خود را جمع آوری کرده و آن را به ماژول تصمیم گیری ارسال می کنند که در آنجا تصمیم گیری مناسب برای ارائه یک مسیر بدون ترافیک به وسایل نقلیه، انجام می شود.

2- سیستم هوشمند مدیریت ترافیک با استفاده از مادون قرمز

در یک روش دیگر از مادون قرمز برای ردیابی و مشخص کردن نقض قوانین توسط وسایل نقلیه استفاده می‌ شود. نمودار یک سیستم ترافیکی هوشمند پیشنهادی مبتنی بر مادون قرمز در شکل زیر نشان داده شده است. این سیستم پیشنهادی شامل سه جز است:
1- ماژول فرستنده: ماژول فرستنده شامل یک میکروکنترلر است که شناسه منحصر به فرد هر خودرو را در خود ذخیره می کند. میکروکنترلر یک پالس پایه را ارسال می کند و محرک را روشن می کند و داده های هر ماشین را توسط فرستنده IR فرستاده می شود.
2- ماژول گیرنده: گیرنده IR در ماژول گیرنده، اطلاعاتی را که توسط فرستنده IR فرستاده شده است دریافت می کند. ماژول گیرنده همچنین شامل یک میکروکنترلر است که داده های دریافت شده را رمز گشایی می کند و به ذخیره آن در EEPROM کمک می کند. داده های دریافت شده می توانند بر روی صفحه نمایش LCD که در سیستم تعبیه شده است، نمایش داده شوند. در این سیستم در سوئیچ نیز وجود دارد که به کنترل دستی داده ذخیره شده در EEPROM کمک می کند. سیستم پیشنهادی می تواند در راه های یک طرفه، تقسیم کننده های جاده ها و همچنین چهار راه ها اجرا شود. جاده های یک طرفه دارای گیرنده واحد هستند، تقسیم کننده جاده ها دارای دو گیرنده و چهار راه‌ ها دارای 8 گیرنده خواهند بود. هر وسیله نقلیه یک ID منحصر به فرد دارد و اگر یک وسیله نقلیه سیگنال را قطع کند، ID آن برای پیگیری قابل ردیابی است.

شکل 3- دیاگرام سیستم هوشمند

حتی پیشنهاد شده است این سیستم، داده های ترافیکی را به دپارتمان مرکزی ترافیک ارائه دهد. بنابراین این داده ها می توانند توسط تمام ادارات، به خصوص برای یکپارچه سازی تمام داده های ترافیک به منظور انجام اقداماتی در آینده، مورد استفاده قرار گیرد.

3- کنترل هوشمند ترافیک با استفاده از سیستم فازی

در این روش سیستم فازی برای بهینه سازی زمان بندی چراغ های راهنمایی در یک تقاطع فازی ایزوله استفاده شده است. دو کنترلر فازی استفاده شده است. یکی برای بهینه سازی سیگنال است و کنترلر دیگر برای طولانی تر کردن فاز سبز یک مسیر در یک تقاطع استفاده می شود. سیستم پیشنهادی شامل تنظیم یک زمان شبیه سازی (Simulation Time یا ST) توسط کاربر است و شرایط زیر در مواردی که زمان فعلی (t) کمتر از ST باشد، اجرا می شود: حالت چراغ راهنمایی به سبز تبدیل می شود و اگر زمان سبز حداقل باشد، اولین کنترلر زمان سبز بهینه را تنظیم می کند. هنگامی که زمان بهینه سبز تنظیم شده توسط کنترلر اول خاتمه می یابد، سپس کنترلر فازی دوم زمان گسترش (Extension Time یا ET) را نشان می‌دهد. ET همان مدت زمانی است که چراغ راهنما سبز باقی می ماند. در صورتی که مقدار ET صفر نباشد، چراغ راهنمایی به مدت ET مشخص شده توسط کنترلر دوم سبز باقی می ماند. زمانی که این ET به پایان می رسد کنترلر فازی دوم دوباره برای ET جدید تصمیم می گیرد و زمان را با توجه به ET جدید تنظیم می کند. این فرآیند ادامه می یابد تا ET به صفر برسد. سنسورهای مورد استفاده برای جمع آوری اطلاعات ورودی دوربین های ویدئویی هستند که در خطوط خروجی قرار می گیرند. سپس کنترلر از اطلاعات جمع آوری شده از طریق این سنسورها، برای تصمیم گیری بهینه استفاده می کند و تابع هدف را به حداقل می رساند.

4- کنترل هوشمند ترافیک منطبق بر سیستم فازی و FPGA

در راه حلی دیگر یک کنترل کننده ترافیک هوشمند مبتنی بر منطق فازی با استفاده از FPGA طراحی شده است. سیستم پیشنهادی همان طور که در شکل 1 نشان داده شده است. تعداد وسایل نقلیه و سرعت متوسط جریان ترافیک در هر جهت را به عنوان پارامترهای ورودی می گیرد. تعداد وسایل نقلیه و سرعت متوسط جریان ترافیک را می توان با استفاده از سنسورهای جاده ای تعیین کرد. سرعت متوسط با استفاده از رابطه زیر محاسبه می شود:

در این رابطه Vi سرعت هر وسیله نقلیه و n تعداد ماشین ها است. قوانین پایه توسط کارشناسان تعیین می شود و به عنوان پارامترهای ورودی داده می شوند تا مدت زمانی که برای سیگنال سبز باید داده شود، مشخص شود. ورودی الگوریتم تصمیم گیری Field Programmable Gate Array یا FBGA شامل خروجی سیستم کنترل فازی و سنسورهایی است که نشان دهنده حرکت وسایل نقلیه هستند، می باشد. زمان انتظار برای هر وسیله نقلیه در هر مسیر بر اساس شش متغیر تعیین می شود. یعنی Z1 (زمان بسیار کوتاه)، Z2 (زمان کوتاه)، Z3 ( (زمان متوسط)، Z4 (زمان بلند)، Z5 (زمان بسیار بلند) و Z6 (مدت زمان طولانی).

شکل 1- دیاگرام پیشنهاد شده سیستم مدیریت ترافیک هوشمند چهارم

5- سیستم هوشمند مدیریت ترافیک هوشمند با استفاده از سنسورهای فتوالکتریک

در روشی دیگر، یک سیستم مدیریت ترافیک در مسیرهای متقاطع با استفاده از سنسورهای فوتوالکتریک دوربرد پیشنهاد شده است. دپارتمان مدیریت ترافیک فاصله مناسبی را برای نصب این سنسور ها انتخاب می کند تا بتوانند اتومبیل های در حال حرکت را کنترل کنند. این داده ها به محلی که نرم افزار کنترل ترافیک نصب شده است، فرستاده می شوند و که در آنجا وزن نسبی هر مسیر محاسبه خواهد شد. بر اساس وزن نسبی محاسبه شده، سیستم به مسیر پرتردد اجازه می دهد تا مدت زمان سیگنال بیشتری داشته باشد. همچنین این سیستم به گونه ای طراحی شده است که می تواند موقعیت های اضطراری (مانند عبور آمبولانس، ارتش و سایر مواد VIP) را مدیریت کند و مسیر را به طور کامل برای عبور این وسایل نقلیه باز کند. موارد اضطراری با نصب تگ های RFID بر روی این وسایل نقلیه شناسایی می شود. این تگ های RFID توسط دستگاه خوانش RFID که در کنار سنسورها قرار دارند، تشخیص داده می شوند و به محل محفظه قرارگیری نرم افزار کنترل ترافیک ارسال می شوند تا تصمیم گیری های لازم انجام شود. به این ترتیب تسلط بر ترافیک تضمین می شود.

 6- سیستم هوشمند مدیریت ترافیک هوشمند با استفاده از سنسورهای فتوالکتریک

در این روش یک چشم انداز برمبنای سیستم مدیریت هوشمند ترافیک پیشنهاد شده است. سیستم پیشنهادی از فریم های تصویری به دست آمده از طریق دوربین هایی که در مسیرها نصب شده استفاده می کند. اولین گام تشخیص وسیله نقلیه است. برای این کار الگوریتم خاصی استفاده می شود. در این الگوریتم، اولین فریم ویدئویی به عنوان پیش فرض در نظر گرفته می‌شود. این پیش فرض به صورت پویا از طریق رابطه زیر بروز رسانی می شود.

در معادله فوق bgn پیش فرض به روز شده، gray قاب اصلی ویدئو، v ثابت پیش فرض دینامیک است و bgn-1 تصویر پیش فرض قبلی است. ثابت پیش فرض دینامیک می تواند در بازه 0 تا 1 برای افزایش یا کاهش اثر فریم قبلی در پیش فرض بروز شده، تنظیم شود. سپس با استفاده از عملیات مختلف مورفولوژیکی، وضوح اشیاء تشخیص داده شده افزایش می یابد. شمارش وسایل نقیله با کشیدن یک مستطیل اطراف جسم، هنگامی که وارد یک منطقه از پیش تعیین شده می‌شود، انجام می شود. هنگامی که یک وسیله نقلیه دیگر وارد منطقه مورد نظر شود، مستطیل دیگری اطراف جسم تازه وارد شده کشیده می شود و شمارنده وسیله نقیله یک عدد بالا می رود. به روز رسانی تعداد وسایل نقلیه در فواصل زمانی منظم انجام می شود و این فرم‌های مقادیر به روز شده مبنای الگوریتم کنترل سیگنال می‌شوند.

مقایسه تمام روش ها با یکدیگر

همه روش هایی که مورد بررسی قرار گرفتند دارای یک معماری مشترک هستند که در جدول 1 آمده و شامل موارد زیر است:

1- انتخاب یک روش ورودی برای به دست آوردن داده ها

2- به دست آوردن پارامترهای ترافیکی (مانند نرخ جریان ترافیک، تعداد وسایل نقیله)

3- تعیین تراکم ترافیک

4- به روز رسانی پارامترهای ترافیکی در پایگاه داده

5- کنترل جریان ترافیک

معماری رایج در سیستم های مدیریت ترافیک هوشمند را نیز می توانید در شکل زیر مشاهده کنید.

شکل 1- معماری رایج سیستم‌ها

تمام روش هایی که به آن ها اشاره شد از تکنیک های مختلف برای تعیین تراکم ترافیک استفاده می کنند و رنگ چراغ راهنمایی را براساس معیارهای مختلفی تغییر می دهند. در روش اول استفاده از VANETها حرکت آسان وسایل نقلیه در جاده را با فراهم کردن ارتباط آسان بین وسایل نقلیه و واحدهای جاده ای ممکن می سازد، اما استفاده از سخت افزاری خاص در وسایل نقلیه، نقص این سیستم است. در روش دوم، سیستم مبتنی بر مادون قرمز مقرون به صرفه و ارزان تر است، اما سیستم انعطاف پذیری نیست زیرا گیرنده و فرستنده باید در خط مستقیم با یکدیگر قرار بگیرند. همچنین حوزه های بزرگ نیاز به نصب چندین پانل دارند که می تواند هزینه کل را سیستم افزایش دهد. از طرف دیگر در روش سوم، با استفاده از سیستم های فازی، سیستم های پیچیده، پیچیده تر می شوند.

در روش چهارم، سیستم پیشنهادی آلودگی هوا را از طریق کاهش ترافیک کاهش می دهد و به این ترتیب انعطاف پذیری و نتایج بسیار دقیقی را نشان می دهد. ولی استفاده از سنسورها هزینه سیستم را افزایش می دهد. همچنین سیستم بر اساس مقادیر ذخیره شده در پایگاه داده کار می کند، بنابراین لازم است سیستم هر بار ابتدا به پایگاه داده متصل شود. بنابراین یک اتصال پایدار مورد نیاز است.

در روش پنجم، اطلاعات مربوط به ترافیک را به اداره دولتی نیز ارائه می دهد که می تواند از این اطلاعات برای تصمیم گیری های دیگر استفاده کند.

در روش ششم، الگوریتم های استفاده شده ساده هستند ولی به مشکلاتی مانند همپوشانی و انسداد رسیدگی نمی کنند. مزایا و معایب مختلف هر روش در جدول 2 به صورت خلاصه آمده است.

جدول 1- مقایسه تکنیک‌های مختلف مدیریت ترافیک هوشمند

جدول 2- مزایا و معایب سیستم‌های مختلف مدیریت ترافیک هوشمند

 بخوانید: سطح مقاومت گوشی ما در برابر نفوذ آب و گرد و غبار چقدر است؟