در شریان های اصلی شهری و خیابان‏ها در زمان اوج ترافیک، تقاطع های هم سطح جزو مهم ترین و اصلی ترین محل هاست که همواره علاوه بر ایجاد بی‏نظمی، باعث ایجاد خطراتی برای عابرین پیاده و وسایل نقلیه می‏گردد.کنترل بیشتر این تقاطع های همسطح در گذشته عموما با سیستم های آنالوگ و قدیمی چراغ راهنمایی بوده که در حال منسوخ شدن می‏باشد. امروزه به منظور افزایش کارایی، راندمان و امنیت در تقاطع ها از سیستم‏های هوشمندی استفاده می‏شود که تکنولوژی منحصر به فردی را نیز داراست، تمامی این سیستم ها و تجهیزات بدین منظور طراحی گردیده است که که بتوانند با تحت کنترل گرفتن جریان های ترافیکی در راستای آلودگی هوا، کاهش هزینه ها، کاهش استهلاک، کاهش سر و صدای ناشی از توقفات بیهوده، افزایش ایمنی در تقاطع در هنگام عبور و مرور وسایل نقلیه، کاهش برخورد و تصادفات با یک دیگر و عابران پیاده می باشد.

کنترل ترافیک بزرگراه ها و خیابان های شلوغ در شهرها به وسیله دستگاه‏هایی همچون حسگرهای حلقوی، دوربین های ویدئویی و تابلوهای الکترونیکی صورت می‏گیرد . این سیستم ها با گرفتن اطلاعات لحظه ای از وضعیت ترافیکی فازهای مختلف تقاطع اقدام به زمان بندی چراغ راهنمایی می‏کنند. یکی از متداول ترین روش‏های اندازه گیری پارامترهای ترافیکی مربوط به تقاطع، استفاده از سیستم های SCATS است. در این سیستم عمدتاً حسگرهای حلقوی القایی در کف خیابان ها جاگذاری می شوند و از کوچک ترین تغییرات در ولتاژ الکتریکی ایجاد شده به وسیله خودروی عبوری باخبر می شوند. اطلاعات مربوط به میزان و سرعت ترافیک به یک کامپیوتر مرکزی ارسال می شود. در این سیستم که در حال حاضر در تقاطع های چراغ دار زیادی در سطح دنیا اقدام به کنترل هوشمند چراغ راهنمایی می‏کنند، از سنسورهای القایی فقط در جلوی تقاطع استفاده می‏شود و اشکال آن عدم محاسبه مستقیم و دقیق طول صف چراغ قرمز است . درسیستم های مبتنی بر پردازش تصویر می‏توان طول لحظه ای صف چراغ قرمز را بدست آورد و حتی حالت های مختلفی برای طول صف تعریف کرد، بطور مثال اگر طول صف یک تقاطع به حد تعیین شده یا به محدوده تقاطع ماقبل خود برسد چراغ راهنمایی بلافاصله تغییر وضعیت می‏دهد. در این پیشنهاد به بررسی این روش‏ها پرداخته و سپس با در نظر گرفتن نقاط ضعف و قوت هر روش , برای بهترین و دقیق ترین حالت کنترل ترافیک هوشمند با ترکیب دو روش اصلی یعنی استفاده از مزایای SCATS و پردازش تصویر روش جدیدی پیشنهاد می‏گردد. این پیشنهاد به کارگیری از سامانه های هوشمند با استفاده از تکنولوژی پردازش تصویر است که بتواند با توجه به شرایط محیطی، فرهنگی و مدیریتی شهرهای ایران، بهترین کارایی را در این زمینه داشته باشد.

چراغ های راهنمایی که عموما در محل تقاطع های هم سطح (مستقل از نظر هندسی شامل چهار راه، سه ‏‏راهی، میدان، چند راهی) نصب میگردد به طور کلی دارای دو نوع می‏باشند:

سیستم اول مجزا می‏باشد که در هر تقاطع یک مکانیزم ساده و یک سان فقط برای تقاطع مشخص دارد و به صورت محلی مدیریت می‏شود.

سیستم دوم هماهنگ می‏باشد که خود سیستم هماهنگ به سیستم شبکه ای و شریانی تقسیم می‏شود که می‏تواند به صورت پیش زمان بندی شده و متناسب با جریان ترافیکی عبور و مرور را مدیریت نماید.

این سیستم در تمامی ساعات شبانه روز فارغ از جریان ترافیکی و بار عبوری از هر محور به صورت فاز بندی عمل می‏کند و این حالت به صورت دستی قابل تغییر می‏باشد.

در این سیستم با توجه به سابقه ترافیکی تقاطع مورد نظر در ساعاتی از شبانه روز که احتمال بار ترافیکی بیشتر در یک محور وجود دارد با فاز بندی متغیر جریان عبوری (چراغ سبز) را برای آن محور مورد نظر برای مدت زمان بیشتری به سایر محور های تقاطع آزاد گذاشته تا جریان آرام سازی شود و توقف طولانی قبلا تقاطع ایجاد نگردد.

• مزایا و معایب زمان ثابت و زمان متغیر

این دونوع سیستم در جوامع امروزی و با توجه به پیشرفت شهرنشینی جوابگو کار آمد نیست، زیرا که با جریان عبوری در روز (ADT) همخوانی ندارد، همچنین در مواقع ضروری که نیاز به باز گذاشتن یک محور برای مدت طولانی تر (به عنوان مثال برای آتش نشانی و اورژانس در مواقع بحرانی) می‏باشد این سیستم کارایی لازم را نخواهد داشت.

این نوع سیستم نسبت به دو روش قبلی کارایی بهتری دارد و سیستم چراغ راهنمایی و و چراغ عابرین پیاده توسط شناسه گر اسکتس و یا سیستم رادار یا سامانه های پردازش تصویری سنجش ترافیک که متصل به مرکز کنترل می‏باشد فازبندی می‏شود و سازگار تر  با ترافیک است این نوع تقاطع با آشکار ساز وسایل نقلیه و اطلاعاتی که به مرکز کنترل می‏فرستد برای تنظیم فاز بندی استفاده می‏شود.

در این نوع سیستم بهینه ترین نوع سیستم کنترل تقاطع است. در این سیستم توسط حسگر ها، سنسور ها، و رادار و ادوات تصویری کلیه معابر عبوری و تقاطع ها، هم به صورت محلی کنترل می‏گردد و هم اطلاعات آن توسط مرکز کنترل ترافیک شهری دریافت می‏گردد. این سیستم به صورت خودکار شریان های اصلی و تقاطع ها را با تنظیم فاز زمان چراغ، تغییر فاز یک چراغ به صورت زود قطع کننده یا سبز کننده یا ایجاد حالت تمام قرمز برای تخلیه جریان عبوری از جهت مخالف یا اولویت دادن به وسایل نقلیه اورژانس، مدیریت می‏نماید.

برای کنترل چهار راه به صورت بهینه، بدست آوردن وضعیت جاری جهات مختلف معبر با دو پارامتر دقت و سرعت اهمیت بسزایی دارد، همان گونه که مستحضرید نرم افزار SCATS (Sydney Coordinated Adaptive Traffic System) نرم افزاری است پر سابقه در حیطه کنترل فاز چهار راهی است ، این نرم افزار به کمک سنسورهای موجود در تقاطع میزان ترافیک در جریان را، اندازه گیری می‏کند و بر اساس آن سعی در پیدا کردن الگوی بهینه کنترل معبر برای دسترسی به بهترین حالت می‏نماید.

جمع آوری اطلاعات ترافیک تقاطع ها عموما با استفاده از سنسور های لوپ یا روش های پردازش تصویری صورت می‏پذیرد که توسط کنترلرهای محلی حرکت خودرورها  مدیریت می‏گردد.

اطلاعات مربوط به عبور اتومبیل در تقاطع جمع شده وبه صورت داده های میدانی توسط یک زیر ساخت اطلاعاتی مثل فیبر نوری به مرکز کنترل ترافیک انتقال می‏یابد . در این مرکز ، نرم افزار مرکزی سیستم هوشمند کنترل تقاطع ها ، که در واقع قلب سیستم است ، این اطلاعات را تحلیل کرده و زمان سبز  مناسب را به تقاطع اختصاص می‏دهد. سپس اطلاعات مربوط به این زمان سبزها که به عبارتی خروجی های سیستم هستند ، توسط همین بستر مخابراتی به سر تقاطع می‏رسد وبه صورت عوض شدن رنگ چراغ راهنمایی مشخص می‏شود . همان گونه که می توانید حدس بزنید ،تمام این کارها در زمان بسیار کوتاه و به صورت آنلاین انجام می‏شود.این سیستم در حال حاضر توانایی های زیادی علاوه بر اختصاص زمان سبز مناسب برای رویکرد های تقاطع ها دارد و می‏تواند به گونه ای تنظیم شود که رسیدن ویا عبور وسایل حمل ونقل عمومی را تشخیص داده وبرای عبور آنها اولویت بیشتری اختصاص دهد و یا اینکه در مناسبت‏های خاص یا شرایط اورژانس مانند عبور خودروهای آتش نشانی وآمبولانس ها ، می‏توان از مرکزکنترل ترافیک ، مسیر خاصی را برای عبور خودروها باز نگهداشت . از دیگر کاربردهای این سیستم هوشمند ، جمع آوری ونگهداری این اطلاعات به صورت دراز مدت وبرای انجام تحلیل های ترافیکی وانجام برنامه ریزی های بلند مدت در حوزه حمل ونقل وترافیک شهر است.

سه عامل برای کنترل چراغ‏ها باید تعیین گردد:

• طول سیکل: مدت زمانی که طول میکشد تا یک محور مجددا سبز گردد.
• طول فاز: مقدار طول سیکل که به هر محور داده می شود.
• فواصل زمانی بین تقاطع ها: مدت زمانی که یک خودرو از یک تقاطع به تقاطع بعد می رسد. که با اعمال این فاصله زمانی بین تقاطع ها چراغ های راهنمایی یکی پس از دیگری سبز شده و موج سبز ایجاد می‏شود.

عملکرد سنسورها: سنسورهای نصب شده در ابتدای هر صف با تشخیص فاصله بین خودروها ، سنگین بودن یا سبک بودن ترافیک را تشخیص می دهند.

عملکرد کنترلر: کنترلر با استفاده از اطلاعات سنسورها میزان عبور هر محور را تعیین و به چراغ راهنما اعلام می‏کند. منطق فازی کنترلر این امکان را فراهم میسازد که شدت نسبی ترافیک را در هر حالت تعیین کند ومفاهیم ترافیک سبک ، متوسط و سنگین معنا پیدا کند.

این سیستم به صورت سنتی برای بدست آوردن اطلاعات ترافیک از لوپ های مغناطیسی تعبیه شده در زمین برای شناسایی خودرو استفاده می‏نماید. طرز کار این حلقه‏ ها یا لوپ ها بدین صورت است که دراطراف خود میدان های الکترو مغناطیسی تشکیل می‏دهند وبا عبور اتومبیل از روی حلقه ، شدت این میدان تغییر یافته و دراطراف خود میدان های الکترو مغناطیسی تشکیل می‏دهند وبا عبور اتومبیل از روی حلقه ، شدت این میدان تغییر یافته وبه این ترتیب عبور وسایل نقلیه ازروی آن تشخیص داده می‏شود.

استفاده از لوپ با وجود هزینه اولیه نسبتا مقرون به صرفه، دارای هزینه نگهداری و میزان خرابی قابل توجه می‏باشد به نحوی که با شرایط آب و هوایی شهر تطابق لازم را ندارد و دارای مشکلات عدیده در هنگام گرمای بسیار زیاد هوا و آبگرفتگی معابر شهری می‏باشد مثلا به دلیل نفوذ آب بر روی تاسیسات زیر آسفالت و کافو های کنار معابر یا اثر دمای بیش از حد هوا این سامانه کارایی خود را از دست می‏دهد، همچنین به ازای هر لاین می‏بایست یک یا دو عدد لوپ در داخل آسفالت قرار داده شود. همچنین از دیگر مسایلی که می‏توان در خصوص لوپ اشاره کرد این مورد است که این سیستم صرفا نسبت به خودروی مستقر بر روی خود حساس می‏باشد و اطلاعاتی از موارد دیگر مانند طول صف در انتظار عبور یا وضعیت ترافیک داخل چهار راه ندارد، همچنین در صورتی که خودرو از کنار سنسور ها عبور کند این سیستم باخطا مواجه می‏گردد.

با بهره گیری از تکنولوژی‏های نوین می‏توان اطلاعات با کیفیت بیشتری در اختیار این نرم افزار قرار داد، پیشنهاد ما ارائه سیستم اندازه گیری برخط جریان ترافیکی بر اساس تکنیک پردازش تصویر می‏باشد.

بدین منظور 4 عدد دوربین در چهار طرف چهار راه نصب می‏شود به گونه ای که تصویرکل معبر را داشته باشند. محل نصب این دوربین‏ها برای گرفتن خروجی مناسب، بر روی دکل چراغ راهنمایی موجود در روبروی خودروها می‏باشد. به منظور انجام پردازش‏ها یک پردازنده با قابلیت انجام پردازش‏های گرافیکی و تصویری در نظر گرفته شده. این سرور تصاویر دریافتی از چهار راه را به صورت برخط تحلیل و به نرم افزار سمتات انتقال می‏دهد.

از جمله مزایای استفاده از این سامانه به روش پردازش تصویر می‏توان به این موارد اشاره  کرد:

• استفاده از دانش نوین پردازش تصویر
• عدم نیاز به تخریب سطح معبر
• خرابی کمتر در مقایسه با لوپ
• پوشش حجم وسیعی از مسیر در برابر داده برداری نقطه ای لوپ
• قابلیت تشخیص خودروی متوقف در چهار راه
• قابلیت اندازی گیری سرعت حرکت خودروها
• قابلیت تخمین طول صف

سیستم فوق قابلیت عکس العمل لحظه ای و تطبیقی با شرایط آنی و تغییرات ترافیکی هر تقاطع را با در نظر گرفتن ترافیک محور های مرتبط با آن تقاطع را داراست. سایر سیستم ها صرفا در یک راستا عمل می‏کند و جریان عبوری از شریان و تقاطع اهمیتی ندارد اما در این سیتم زمان بندی چراغ ها بر اساس جریان ترافیک و درجه اشباع هر سیکل تنظیم می گردد. با توجه به موارد ذکر شده می‏توان حالت های ذیل را برای این سیستم در نظر گرفت:

در این حالت با استفاده از سیستم که از قبل به کامپیوتر مرکزی داده شده است یک برنامه زمانبندی درقالب جدول در طول شبانه روز به هر تقاطع داده می‏شود که در هر ساعت برنامه خود را اجرا کند.

در این حالت با استفاده از کامپیوتر مرکز که در مرکز کنترل ترافیک قرار داد به نحوی که به کلیه تقاطع ها متصل است و سنسور های مستقر در تقاطع اطلاعات ترافیکی که به صورت آنلاین از تقاطع دریاقت می‏شود، میزان حجم ترافیک عبوری را آنالیز می کند و زمانبندی و فازبندی چراغ ها و پیاده سازی موج سبز را به تقاطع ارسال می‏کند.

در صورت خرابی بین شبکه محلی و مرکز کنترل اصلی که ممکن است به علت خرابی شبکه، کابل ها یا دلایل دیگر باشد باعث می‏شود که سیستم بر اساس دبی عبور ترافیک از هر شریان زمانبندی را محاسبه و فازبندی بهینه را اعمال کند.

در صورتی که در ساعاتی از شبانه روز که جریان ترافیکی به حد اقل می‏رسد و دیگر نیازی به فاز بندی نیست یا در صورت بروز مشکلات متفرقه چراغ در فاز چشمک زن عمل کند.

اجرای این پروژه 3 بخش کلی دارد که شامل موارد ذیل می‏باشد:

اطلاعات و تصاویر دوربین ها به پردازنده منتقل می‏شود ، و پردازنده بر اساس پردازش تصویر ترافیک لحظه‏ای را اندازه می‏گیرد ، پس از این و بر اساس تنظیمات صورت گرفته در نرم افزار ، دستورات کنترلی لازم را به کنترلر PLC ارسال می‏نماید، کنترلر نیز از طریق خروجی‏های خود چراغ‏ها را تنظیم می‏نماید.

در این نرم افزار می‏توان بر اساس هندسه تقاطع ها نقشه معادل آن تقاطع را ایجاد کرد، سپس تمامی چراغ های راهنمایی عبور مستقیم، گردش به چپ یا راست، عابر پیاده را در هر ورودی به صورت گرافیکی اضافه نمود تقاطع را نام گذاری کرد و مراحل بعدی را پیگیری نمود.

سپس می‏توان الگو ها و فاز ها را مشخص نمود، هر فاز حالت روشن یا خاموش بودن تمامی چراغ های هر تقاطع می‏باشد به نحوی که بتوان خودرو ها و عابرین پیاده را در جهت مناسب هدایت کرد، که بر اساس ترافیک هر ورودی می‏توان زمان جابجایی بین فاز ها را به نحوی مدیریت کرد که روان‏ترین تردد را در تقاطع ها تجربه کنیم.

این الگو ها و فاز ها می‏توانند کاملا با تقویم شمسی با درج تمامی تعطیلات رسمی تا چند ده سال آینده بهترین سازگاری را با شرایط فرهنگی، اجتماعی و سیاسی کشورمان داشته باشد.

وضعیت هر تقاطع را می‏توان به صورت آنلاین در پنل تحت وب هر تقاطع مشاهده کرد و در صورت لزوم فاز چهار راه را از راه دور تغییر داد.