۱. تعریف مسئله
چراغ راهنمایی هوشمند، سیستمی است که با توجه به حجم خودروهای ورودی به یک تقاطع هم‌سطح، چراغ‌های راهنمایی را به صورت عادلانه مدیریت می‌کند. SCATS یکی از چندین سیستم موفق کنترل هوشمند مرکزی در دنیا می باشد که پس از بررسی های کارشناسی و مطابق با نیاز کلان شهر تهران توسط شرکت کنترل ترافیک در سال 1372 خریداری شده و مورد بهره برداری قرار گرفته است و هم‌اکنون نیز در 440 تقاطع تهران فعال می‌باشد. هدف این سیستم، جمع‌آوری اطلاعات ترافیکی تقاطع، تجزیه و تحلیل اطلاعات و تصمیم‌گیری بر اساس آن‌هاست.
۲. مقدمه
از آنجایی که در طول یک شبانه‌روز شاهد انواع ترافیک‌ها در یک تقاطع خاص هستیم (مانند ترافیک صبح‌گاهی یا Inbound و ترافیک عصرگاهی Outbound)، استفاده از یک زمانبندی ثابت و ازپیش‌تعیین‌شده برای یک چراغ راهنمایی، نه‌تنها باعث کنترل ترافیکی نمی‌شود، بلکه به‌نوعی عامل افزایش آن نیز خواهد بود. امروزه با پیشرفت تکنولوژی، با نصب چند سنسور در یک تقاطع و یک سیستم رایانه‌ای، به ارحتی می‌توان مدیریت چراغ‌های راهنمایی را به یک سیستم هوشمند سپرد و از به‌هدررفتن زمان افراد و سوخت خودروها در پشت چراغ قرمزها و هم‌چنین آفزایش آلودگی هوا جلوگیری کرد.
در بعضی از چراغ‌های راهنمایی، شاهد برخی از ناهماهنگی‌ها در شمارشگرها هستیم. به‌عنوان مثال در شمارش معکوس چراغ سبز، به‌یکباره پرشی در اعداد رخ می‌دهد؛ یا شمارشگر بر روی یک عدد به مدت چند ثانیه ثابت باقی می‌ماند. این نوع اتفاقات نه‌تنها مبنی بر اشکال در سیستم چراغ راهنمایی نیست، بلکه دلیل بر عملکرد صحیح چراغ راهنماییی است. در ادامه، روش عملکرد سیستم چراغ راهنمایی هوشمند به‌طور کامل شرح داده شده است.
نحوه عملکرد چراغ راهنمایی هوشمند
این سیستم به این صورت پیاده‌سازی شده است که در ابتدا با نصب چند سنسور (مانند سنسورهای مغناطیسی) یا استفاده از دوربین (که نیازمند عملیات پردازش تصویر است)، داده‌ها وارد سیستم می‌شوند. سیستم بر اساس حجم خودروهایی که در هر خیابان منتهی به تقاطع حضور دارند، تصمیم‌گیری می‌کند. اگر حجم خودروها خیلی کم باشد (مانند نیمه شب)، چراغ‌ها به صورت چشمک‌زن روشن و خاموش خواهند شد. در یک حالت ایده‌آل نیز انتظار می‌رود که چراغ‌ها به صورت منظم و مساوی روشن و خاموش می‌شوند. اما در مواقعی پیش می‌آید که خودروهای ورودی از سمت یک خیابان نسبت به خیابان‌های دیگر بیشتر است و منصفانه نیست که چراغ‌ها با زمانبندی مساوی روشن و خاموش شوند (در این صورت در یک طرف، خودروها با ترافیک مواجه می‌شوند در صورتی که اگر چراغ سبز آن خیابان، زمان بیشتری سبز بماند، مشکل ترافیک به سادگی حل می‌شود).
در اکثر تقاطع‌ها، چراغ‌ها به صورت دوزمانه عمل می‌کنند؛ یعنی خیابان‌های موازی، با هم سبز و با هم قرمز می‌شوند. اما اگر در تقاطعی به‌عنوان مثال، خودروهای ورودی از ضلع شمالی و ضلع جنوبی نسبت به دیگر اضلاع، زیاد باشند، ممکن است با وجود چراغ راهنمایی هوشمند دوزمانه، باز هم شاهد ترافیک باشیم (مخصوصا اگر مقصد اکثر خودروها نیز یک خیابان خاص مثلا ضلع شرقی باشد!). این شرایط را باید به گونه‌ای دیگر مدیریت کرد. مثلا چراغ‌ها را به‌صورت سه‌زمانه روشن و خاموش کرد؛ به این صورت که ابتدا فقط چراغ ضلع شمالی سبز شود، سپس چراغ ضلع جنوبی و در آخر نیز چراغ محور شرقی-غربی.
۳. کارهای مرتبط
در جهان پیشرفته امروزی ارتباطات، حمل و نقل و جابجایی انسانها و کالا از اهمیت بسزایی برخوردار بوده و انجام این امر در کوتاهترین زمان ممکن امری مهم و حیاتی است. در دهه حاضر با توجه به افزایش قابل ملاحظه تعداد مسافرین و وسایل نقلیه در کنار محدودیت ظرفیت شریانهای ارتباطی، بکارگیری فن آوریهای جدید را در زمینه کنترل و مدیریت هوشمند ترافیک امری کاملا الزامی نموده است. سیستم حمل ونقل هوشمند(ITS) از فن آوریهای نوین در زمینه های پردازش اطلاعات، مخابرات و کنترل الکترونیکی برای رفع نیازهای حمل و نقل بهره برداری می نماید. هدف استفاده از این سیستم ها روان سازی تردد درمسیرهای مهم و حساس و درکنار آن برقراری ایمنی تردد، امکان اطلاع رسانی، کنترل بهنگام جریان ترافیک و استفاده از ظرفیت بهینه شریانهای حمل و نقل می باشد.
سیستم کنترل مرکزی هوشمند SCATS در راستای رسیدن به مدیریت ترافیک هوشمند، بهینه، کارآمد، و متمرکز و هماهنگ با آخرین دستاوردهای فن آوری روز دنیا به عنوان راه حلی جهت کنترل تقاطعهای فرماندهی سطح شهر مشهد در نظر گرفته شده و پس از اجرا طرح مطالعات جامع توسط پارک علمی و فن آوری برای توسعه مرکز کنترل ترافیک به عنوان راه حل بهینه انتخاب شده است. در این مقاله سعی شده است که چکیده ای از قابلیتهای این سیستم به همراه نتابجی از استفاده آن در شهرهای مهم دنیا ارائه گردد.[1]
سیستم های هوشمند و مرکزی
در این سیتم ها که SCATS را نیز شامل می شود و علاوه بر استفاده از حسگرهای خودرو جهت کنترل و اعمال زمانبندی هوشمند به تقاطع، اطلاعات ترافیکی تقاطع های مختلف به یک نرم افزار مرکزی فرستاده شده و جهت کنترل بهینه شریانهای ترافیکی نیز مورد استفاده قرار می گیرد. این نوع سیستم در دسته کنترل کننده های سازگار با ترافیک کنترل قرار گرفته و به صورت شبکه ای عمل می کند. با استفاده از قابلیتهای تطبیقی می تواند راهکارهای زیر را پیاده کند: [2]
حذف یا اضافه نمودن فاز
تنظیم زمان یک فاز یا چراغ
انتخاب فازبندیهای مناسب برای شرایط مختلف و قابلیت تغییر از مرکز کنترل ترافیک
تغییر یک فاز یا چراغ زود قطع کننده و یا سبز کننده
ایجاد حالت تمام قرمز جهت تخلیه تقاطع
ایجاد موج سبز برای تقاطع های نزدیک بهم
دادن اولویت به خودرو های ویژه و اورژانس (EVP)
۴. آزمایش‌ها
پیاده‌سازی این پروژه با نرم‌افزار Qt Creator انجام گرفته و حاصل آن یک شبیه‌ساز ترافیکی است. در شکل زیر محیط برنامه به تصویر کشیده شده است:
موارد زیر از قابلیتهای این برنامه است:
تعیین مقصد خودروها در هر خیابان به صورت مجزا
تعیین حجم خودروهای ورودی به هر خیابان به صورت مجزا
تغییر سرعت خودروها
۵. کارهای آینده
امکان مدیریت چراغ‌ها به صورت Manual