پایان نامه طراحی، تحلیل و ارزیابی زمان بندی تقاطع های چراغ دار با استفاده ار منطق فازی

پایان نامه برای دریافت درجه کارشناسی ارشد "M.Sc" 

 عمران- برنامه ریزی و حمل و نقل

چکیده 

رشد جمعیت، توسعه کاربریها و بالا رفتن مالکیت وسایل نقلیه در شهرها، موجب افزایش روز افزونتقاضای سفر و حجم وسایل عبوری از معابر شهری شده است . مساله زمان سفر در شبکه معابر شهری بهدلیل افزایش تراکم، یکی از مهمترین مسائل کلان شهر هاست. با توجه به اینکه بخش عمده ای از زمانسفرمربوط به زمان تاخیر در تقاطعات است، پرداختن به مساله روشهای کنترل تقاطعات از اهمیت فوقالعاده ای برخوردار است. روشهای کنترل هوشمند نوین که رفته رفته بر تنوع وتوانایی آن افزوده می شود،نتیجه سرمایه گذاری در مطالعه نحوه کنترل تقاطعات چراغدار است.  استفاده از منطق فازی به عنوان مبنای کنترل در مسائل مهندسی، از سابقه مناسبیبرخوردار است. در اینپایان نامه روشی برای کنترل فازی  تقاطعات چراغدار پیشنهاد شده است. جهت ارزیابی الگوریتم پیشنهادیدر مقایسه با الگوریتم زمان بندی ثابت در تقاطع ها، یک تقاطع بعنوان مطالعه موردی انتخاب شد و نتایجمدل سازی بوسیله کنترل با روش الگوریتم فازی پیشنهاد شده با نتایج مدل سازی توسط الگوریتمزمان بندی ثابت، مقایسه و مورد بررسی قرار گرفت. برای ارزیابی روشهای جدید کنترل، نیاز به محیطیبرای آزمایش این روشها است. برای انجام این مطالعه نیز نرم افزار شبیه ساز AIMSUN NG مورداستفاده قرار گرفت. آزمایشهای گوناگون در محیط شبی هساز نشان  میدهد که برای حجم های مختلف وشرایط متفاوت، اجرای این الگوریتم می تواند بهبود قابل توجهی را در میزان کاهش تاخیر تقاطع نسبت بهالگوریتم کنترل از پیش زمانبندی شده داشته باشد. 

مقدمه 

تقاضای حمل و نقل، یک تقاضای مشتق شده است. توسعه کاربریها و افزایش جمعیت در مناطق شهری،باعث بالا رفتن حجم این تقاضا در شهرهای بزرگ شده است. ارتباط مهم بین کاربری زمین و حمل ونقل ازیک سو و اثرات ناشی از حمل ونقل از سوی دیگر، باعث اهمیت پرداختن به مقوله مهندسی حمل ونقل شدهاست. زیر ساخت مناسب در بخش حمل ونقل عملا بعنوان شرطی لازم برای رشد وتوسعه اقتصادی جوامعاست. در مقابل اثرات حمل ونقل مثل آلودگی های زیست محیطی و ایمنی نیز در دهه های اخیر در سطحجهانی، به عنوان چالش های اساسی در مساله توسعه پایدار مطرح هستند.  

بخش حمل ونقل شهری با توجه به اینکه مسائل آن مبتلابه شهرهای بزرگ و مهم در سطح جهاناست، بطور سنتی مورد توجه خاص قرار گرفته است. مسائل اجتماعی و سیاسی مرتبط با حمل ونقل شهری،حساسیت مدیران و تصمیم گیران را برمی انگیزد. بنابراین بخش مهمی از تلاشهای دست اندر  کاران بخشحمل ونقل شهری به استفاده از راهکارهایی برای کاهش زمان سفر در شبکه اختصاص می یابد. باتوجه به اینکه بخش قابل توجهی از زمان سفر تلف شده مربوط به تاخیر در تقاطع های چراغدار است، بهبود روش هایکنترل در این تقاطعها از اهمیت بالایی برخوردار است. در این مطالعه به بررسی الگوریتمی جدید برای کنترلپرداخته شده است. با توجه به روند رو به رشد استفاده از منطق فازی در مسائل مهندسی، به خصوص دربخش کنترل و اثبات کارایی کنترل بر پایه منطق فازی، اساس الگوریتم کنترل پیشنهادی بر مبنای منطقفازی بنا نهاده شده است.  

1- ادبیات تحقیق 

 1- ادبیات تحقیق

    توزیع مکانی کاربری ها، باعث بوجود آمدن تقاضای حمل و نقل است. توسعه کاربری ها و افزایش جمعیتدر مناطق شهری، باعث بالا رفتن حجم این تقاضا در شهرهای بزرگ شده است. تامین سیستم مناسببرای پاسخگویی به این تقاضا، وظیفه گردانندگان سیستم حمل و نقل می باشد. ارتباط مهم بین کاربریزمین و حمل ونقل از یک سو و اثرات ناشی از حمل و نقل[1] از سوی دیگر، باعث اهمیت بیش از پیشمهندسی حمل و نقل شده است. زیر ساخت مناسب در بخش حمل و نقل عملا بعنوان شرطی لازم برای رشدوتوسعه اقتصادی جوامع مطرح است. در مقابل، اثرات حمل و نقل مثل آلودگی های زیست محیطی و ایمنینیز در دهه های اخیر در سطح جهانی، به عنوان چالش های اساسی در مساله توسعه پایدار مطرح می باشند.  بخش حمل و نقل شهری با توجه به اینکه مسائل آن مبتلابه شهرهای بزرگ و مهم در سطح جهان است،بطور سنتی مورد توجه خاص قرار گرفته است. مسائل اجتماعی و سیاسی مرتبط با حمل و نقل شهری،

حساسیت مدیران و تصمیم گیران را برمی انگیزد. بنابراین بخش مهمی از تلاشهای دست اندر کاران بخشحمل و نقل شهری به استفاده از راهکارهایی برای کاهش زمان سفر در شبکه اختصاص می یابد. باتوجه بهاین که بخش قابل توجهی از زمان سفر تلف شده مربوط به تاخیر در تقاطع های چراغدار است، بهبودروش های کنترل در این تقاطعها از اهمیت بالایی برخوردار است.  

1-1-  تعریف مساله 

     طراحی عملکرد چراغ راهنمایی فرآیندی پیچیده بوده که شامل 3 تصمیم مهم است و عبارتند از: تعیین نوع کنترل گر مورد استفاده، فازبندی مناسب، تخصیص زمان سبز بین فازهای مختلف. کنترل گرها

به دو صورت  زمان بندی ثابت و هوشمند مورد استفاده قرار می گیرند.  

در کنترل گر با زمان بندی ثابت، کلیۀ فازها با نظم خاص به دنبال یکدیگر آشکار می شود و هر فاز دارای

زمان سبز و بین سبز ثابت و در نتیجه طول چرخه ثابت است. زمان بندی در کنترل گرهای هوشمند تحت

تأثیر شناساگرهای عبور وسیلۀ نقلیه قرار دارد. هر فاز شامل زمان سبز حداقل و حداکثر است و تعدادی از

فازها به علت عدم وجود تقاضا ممکن است حذف شوند. طول چرخه در این نوع کنترل گر در هر چرخه متفاوت است. 

امروزه تحقیقات گسترده ای در زمینه طراحی کنترل گرهای هوشمند در حال انجام است. هدف از انجام اینتحقیق، طراحی یک الگوریتم کنترل هوشمند برای تقاطعات چراغدار بر مبنای منطق فازی[2] است. استفادهموفق از منطق فازی در مسائلی که کنترل در آنها مطرح بوده، عامل مهمی در استفاده از آن برای کنترلتقاطع بوده است. چند نمونه از این مطالع هها در فصل دوم این تحقیق، کاربرد سیست مهای فازی درمهندسی ترافیک، آورده شده است. هر چند این مساله توسط محققین دیگری نیز مورد بررسی قرار گرفتهاست، با این حال تنوع متغی رهای ورودی و توابع عضویت مربوط به آنها و قوانین مورد استفاده برایکنترل، باعث ایجاد انواع متفاوتی از الگوریتم های کنترل فازی می شود. 

1-2-  روش تحقیق 

در این تحقیق یک الگوریتم کنترل بر مبنای منطق فازی برای کنترل تقاط ع های چراغدار طراحی و

پیشنهاد شده است. جهت ارزیابی الگوریتم پیشنهادی در مقایسه با الگوریتم زمان بندی ثابت در تقاطع ها،یک تقاطع بعنوان مطالعه موردی انتخاب شد و نتایج مدل سازی بوسیله کنترل با روش الگوریتم فازیپیشنهاد شده با نتایج مدل سازی توسط الگوریتم زمان بندی ثابت، مقایسه و مورد بررسی قرار گرفت. برایارزیابی روشهای جدید کنترل، نیاز به محیطی برای آزمایش این روشها است. برای انجام این مطالعه نیزنرم افزار شبیه ساز AIMSUN NG  مورد استفاده قرار گرفته شده است.  

این تحقیق مشتمل بر هفت فصل می باشد: در فصل اول به ادبیات تحقیق پرداخته شده است.  

در فصل دوم مطالعات پیشین در زمینه استفاده از منطق فازی در کنترل تقاطع های چراغدار مورد بررسی قرار می گیرد. 

در فصل سوم مبانی نظری منطق فازی مورد بحث قرار می گیرد. مفاهیم کلی و تعاریف اولیه منطق و

سیستم های فازی آورده شده است. 

 در فصل چهارم ضمن بررسی اولیه تقاطعات چرا غدار و چگونگی ارزیابی آنها، بصورت خلاصه مبانی

شبیه سازی در مهندسی ترافیک مطرح و سپس نر مافزار شبیه ساز مورد استفاده در این تحقیق، معرفی می گردد. 

 در فصل پنجم به ارائه متدلوژی حل مساله پرداخته می شود. الگوریتم پیشنهادی کنترل فازی نیز در این بخش ارائه می گردد.  

در فصل ششم مطالعه موردی شامل برداشت پارامترهای وضع موجود تقاطع مورد مطالعه و اعتباریابی

نرم افزار شبیه ساز در مدل سازی وضع موجود ارائه می گردد. سپس آزمونهای مختلف جهت بهینه کردن

پارامترهای کنترل گر پیشنهادی آورده می شود. 

Abstract

Population growth, land-use development, and car ownership increasing in cities would enhance trip demand and volume of passing vehicles in urban streets dramatically. In case of traffic congestion, travel time in urban transportation network is one of the major problems of mega cities. It is noteworthy that an important portion of travel time is caused by control delay at signalized intersections, so study of control strategies and methods is necessary. Furthermore, intelligent control methods would increase variety & ability which is result of investing on the manner of signalized intersection control.

Using fuzzy logic as a means of control in engineering problems has a successful history. In this study, a new method based on fuzzy control is proposed. To evaluate proposed fuzzy algorithm in comparison by pretime control algorithm, an intersection for case study was chosen and results of modeling by fuzzy and pre-time control algorithm, comprised and evaluated. In this study AIMSUN NG, a Micro simulator traffic software was used. Various tests in this simulation environment shows that in different volumes and conditions, using proposed fuzzy algorithm decreases average delay for selected intersection in comparison using pretime algorithm. 

Key words: fuzzy control, signalized intersection, control algorithm, simulation 

در فصل هفتم به ارائه خلاصه از مطالعه انجام شده، نتیجه گیری و پیشنهادهایی برای ادامه کار تحقیقات پرداخته می شود.  

2- کاربرد سیستم های فازی در کنترل ترافیک 

 2- کاربرد سیستم های فازی در مهندسی ترافیک

سیستم های فازی، سیستم هایی مبتنی بر دانش یا قواعد می باشند. یک سیستم فازی، سیستمی بوده که از

قواعد اگر- آنگاه تشکیل شده است. در نتیجه نقطه شروع طراحی یک سیستم فازی، بدست آوردن

مجموعه ای از قواعد اگر-نگاه فازی می باشد. 

از سال 1965 که پروفسور لط فیزاده در مقاله ای به نام ((مجموعه های فازی)) به معرفی منطق فازی

پرداخت، تا به امروز؛ استفاده های زیادی از کاربرد منطق فازی برای مسائل علمی مهندسی حمل و نقل انجام شده است. 

پاپیس و ممدانی نخستین مقاله را در زمینۀ کاربرد منطق فازی برای حل مسائل عملی مهندسی حمل و نقل

منتشر کردند [6]. در اواسط و اواخر دهۀ 1980، گروهی از نویسندگان ژاپنی، به نوشتن مقالات متعددی در

زمینۀ کاربردهای حمل ونقلی نظریۀ مجموعه های فازی پرداختند. ناکاتسویاما و همکاران[17]، سوگنو و

نیشیدا [18]  مسائل پیچیده   حملونقلی را با درک  تواناییهای فراوان روش های مبتنی بر نظریۀ مجموعه های فازی حل کردند. 

 در اواخر دهۀ 1980 و اوایل دهۀ1990، استفاده از رو شهای مجموعه های فازی در مسائل حمل ونقل به

شدت در دانشگاه های آمریکا رواج پیدا کرد. در اوایل و اواسط دهه 1990، تمایل  به کاربردهای  منطق

             فازی در ترافیک و  حملونقل در بقیۀ دانشگا ههای دنیا نیز ایجاد شد. درطول این دوره مسائل بسیار

پیچیده ای ازمهندسی حمل ونقل، به طور موفقیت آمیزی با استفاده از روش های فازی حل شدند. 

در این فصل به بررسی مطالعات پیشین در زمینه استفاده از منطق فازی در کنترل ترافیک و تقاطعات

چراغدار پرداخته می شود. مطالعات انجام شده در این زمینه ها تاکنون، نشان داد هاند که این ابزارها

راه حل های ریاضی بسیار امیدوار کننده ای برای حل مسائل پیچیده حمل و نقلی، فراهم  میکنند. 

2-1- بررسی مطالعات پیشین در زمینه استفاده از منطق فازی در کنترل ترافیک  

2-1-1- مطالعه جکیوز، نیت یماکی و پرسولا  

در این مطالعه[7]، 5 مدل مختلف پیشنهادی برای کنترل تقاطعات چراغدار از 1977 تا 2000 بررسی شده

است و به عنوان مورد مطالعه 2 طرح مربوط به کنترل تقاطع(مدل های 1و5) به وسیله نرم افزار شبیه ساز HUTSIM مورد بررسی قرار گرفته است. این 5 مدل عبارتند از:  

پاپیس و ممدانی[3] [6] 

کیم[4]، 1994 [8] 

فاویلا، ماکن و گوماید[5]  [9] 

ترابیا، کاسکو و آنده[6] [10] 

نیتی ماکی و پرسولا[7] [11] 

مدل اول برای کنترل یک تقاطع ایزوله که از برخورد 2 معبر یکطرفه تشکیل شده، توسعه یافته است. در

این مدل فرض بر این است که توزیع رسیدن وسایل یکنواخت است. مؤلفان به این نکته تأکید  میکنند که

نتایج حاصله به توزیع رسیدن ورودیها بستگی دارد. چراغ به صورت 2 فازه کنترل می شود و الگوریتم

کنترل هر 10 ثانیه در زمان سبز فعال  میشود (شرایط رویکردی که چراغ آن قرمز است در تصمیم گیری

بی تاثیر می باشد). اولین بار 7 ثانیه پس از شروع زمان سبز، این سیستم فعال می شود (کمترین زمان سبز) و دفعات فعال شدن حداکثر 5 بار است. بنابراین مقدار بیشینه زمان سبز هر فاز 57 ثانیه می باشد. اگر در

هر یک از مراحل، میزان افزایش زمان سبز به عدی کمتر از 10 ثانیه برسد، پس از پایان این زمان، تغییر فاز صورت می پذیرد.  

مدل دوم علاوه بر تقاطع ایزوله، تقاطعات هماهنگ شده را نیز مورد بررسی قرار میدهد. کنترل کننده

طراحی شده حداکثر تا 4 فاز را می تواند پشتیبانی کند که شامل گردش به چپ های اختصاصی نیز است. تقاطع های مورد بررسی شامل 2 خط اصلی و یک انباره برای حرکتهای گردش به چپ است. شبیه به مدل 1 پس از گذر زمان سبز حداقل، کنترل کننده حداکثر 5 بار فعال می شود و میزان ادامه فاز در هر بار فعال

شدن بین صفر تا 10 ثانیه تغییر می کند. مقدار ماکزیمم زمان سبز نیز به این ترتیب مشخص شده است.  

در مدل 3، تقاطع ایزوله ای که از برخورد 2 معبر شریانی تشکیل شده، مورد بررسی قرار گرفته است. رویکردها 2 و 3 خط عبوری دارند. یک توالی مشخص از فازها وجود دارد و در صورتیکه تقاضا برای عبور در یک فاز وجود نداشت، این فاز قابل پرش است. زمان سبز مربوط به فاز فعال قابل افزایش بین 0 تا 10

ثانیه در هر کنترل است. این افزایش تا زمانی که دیگر نیازی به ادامه نباشد و یا زمان سبز به حداکثر خود

برسد، ادامه می یابد. حس گرهای موجود در تقاطع اطلاعات مربوط به حجمی که در 10 ثانیه بعد به خط

ایست می رسند را در اختیار کنترل کننده قرار می دهد.