سیستم ترافیک هوشمند زمان واقعی بر مبنای VANET

مشکلات ترافیکی به عنوان یک مسئله اجتماعی مهم توجه زیادی را به سمت خود جلب کرده است. بررسی پویایی و تحرک شهری در سال 2007 نشان داد که مشکلات ترافیکی سبب ایجاد 4.2 میلیارد ساعت سفر مازاد در سال شده که معادل 2.9 میلیارد بشکه بنزین اضافه است. اگرچه بسیاری از ابزارهای مسیریابی پیشرفته موجود قابلیت ارائه کردن یک مسیر نقطه به نقطه ی بهینه را دارند، اما مشکلات ترافیکی به طور کامل حل نشده اند. روش های معمول هنوز با چالش های تکنیکی متعددی مواجه هستند، برای مثال گوگل مپ دارای شبکه های موجود برای برنامه ریزی مسیر شخصی جهت جلوگیری از مشکلات ترافیکی است. با این حال، این خدمات تعبیه شده بسیار هزینه بر بوده و نمی توانند پاسخ های سریعی به موقعیت های اضطراری که در اثر یک حادثه رخ می دهند داشته باشند. دلیل اصلی این نقص، کمبود اطلاعات ترافیکی زمان واقعی می باشد. به همین دلیل، جهت بهبود عملکرد برنامه ریزی مسیر، مطالعه چگونگی جمع آوری و تجهیز مؤثر اطلاعات ترافیکی زمان واقعی برای برنامه ریزی مسیر و جلوگیری از مشکلات ترافیکی ضروری است.

سیستم های حمل و نقل هوشمند (ITS)، تکنولوژی استفاده شده در وسایل نقلیه و زیرساخت (RSU) را برای انتقال اطلاعات بین آن ها و بهبود امنیت، کارایی و جلوگیری از مشکلات ترافیکی تشریح می کنند. این مورد شامل کاربردهایی نظیر سیستم های مدیریت ترافیک، سیستم های اطلاعات و هشدار، و نیز کاربردهای مشترک ITS شامل ارتباطات وسیله با وسیله و وسیله با زیرساخت می شود.

سیستم های حمل و نقل هوشمند، برنامه هایی پیشرفته هستند که هدف آن ها تأمین خدمات نوین مرتبط با مدیریت حمل و نقل و ترافیک بوده و امکان خبر رسانی بهتر به کاربران مختلف و استفاده ای ایمن تر و هوشمند تر از شبکه های حمل و نقل را فراهم می کنند.

شبکه های اختصاصی وسایل نقلیه (VANET) با استفاده از اصول شبکه های اختصاصی متحرک (MANET) شکل می گیرند که گونه ای از شبکه های بی سیم برای تبادل اطلاعات هستند. آن ها مؤلفه ای کلیدی از سیستم های حمل و نقل هوشمند هستند. VANET ها از طیف گسترده ای از برنامه ها ، از انتشار اطلاعات تک نقطه گرفته تا انتشار چند نقطه ای پشتیبانی می کنند. اکثر موضوعات جالب در شبکه های اختصاصی متحرک (MANET) در شبکه های اختصاصی وسایل نقلیه (VANET) نیز جالب توجه هستند، اما جزئیات آن ها ممکن است متفاوت باشد.

ابتدا، برای جمع آوری اطلاعات ترافیکی زمان واقعی، VANET ها می توانند قابلیت های ارتباطی پیشرفته ای را برای تحویل اطلاعات ترافیکی به شکل اقتصادی و زمان واقعی فراهم کنند. هر نوع ارتباط وسیله با وسیله و وسیله با کنار جاده در VANET ها مورد بررسی قرار می گیرند تا آپدیت های ترافیکی را از وسایل نقلیه به طور مؤثری جمع آوری کرده و با سایرین و نیز واحدهای کنار جاده به اشتراک بگذارند. در نتیجه، می توان از اطلاعات ترافیکی زمان واقعی جمع آوری شده برای مدیریت جریان ترافیکی آزادراه، برنامه ریزی مسیر وسیله نقلیه شخصی، و موقعیت یابی وسیله نقلیه استفاده کرد. با این وجود، اکثر کارهایی که در این زمینه انجام شده اند بر این فرض استوار هستند که روش های ترکیبی، تأخیر تحویل بسیار کمی برای جمع آوری اطلاعات زمان واقعی دارند. از آن جایی که شبکه های اختصاصی وسایل نقلیه به ارتباطات کوتاه برد بستگی دارند، تأخیر انتقال را نمی توان در بعضی از قسمت ها نادیده گرفت. بنابراین، مطالعه چگونگی تأثیرگذاری عملکرد انتقالی بر عملکرد برنامه ریزی مسیر و چگونگی طراحی مکانیسم های انتقال متفاوت برای کاهش تأخیرهای بزرگ ضروری خواهد بود.

ثانیاً، برای استفاده از داده های ترافیکی زمان واقعی به دست آمده، الگوریتم های بسیاری برای کشف مسیرهای بهینه برای وسایل نقلیه شخصی طراحی شده اند. با این حال، برنامه ریزی مسیر شخصی، در صورتی که بدون هماهنگی انجام شود می تواند باعث ایجاد مشکلات ترافیکی گردد. برای روان سازی جریان ترافیک، برنامه های زیادی به برنامه ریزی مسیرهای بهینه از بعد جهانی برای گروهی از وسایل نقلیه می پردازند. با این وجود، اکثر الگوریتم های مسیر یابی موجود بیش تر بر بهبود عملکرد سمت شبکه نسبت به راننده تمرکز می کنند (برای مثال طول مسیر). از آن جایی که تصمیمات از پیش برنامه ریزی شده به جای یافتن مسیرهای بهینه، برای جلوگیری از مشکلات ترافیکی و بالانس کردن ترافیک گرفته می شوند، امکان دارد بعضی از وسایل نقلیه هزینه ای را به صورت مازاد نیز پرداخت کنند (مثلاً برای طول مسیر بیشتر). بنابراین، الگوریتم ها باید برای در نظر گرفتن بالانس ترافیک شبکه و کاهش هزینه متوسط سفر وسیله نقلیه طراحی شوند.

در این جا یک الگوریتم زمان واقعی پیشنهاد شده است که از قابلیت های ارتباط VANET برای جلوگیری از به ترافیک خوردن وسیله نقلیه در یک محیط شهری استفاده می کند. اهمیت تجهیز فضایی شبکه و هزینه سفر وسیله نقلیه هر دو به طور یکسان برای بالانس روانی شبکه و اولویت های راننده در نظر گرفته می شوند.

مشکلات ترافیکی می توانند سبب تأخیر در رسیدن به مقصد و نیز هزینه های مازاد برای رانندگان شده و تبدیل به مشکل اصلی در حمل و نقل شوند که در نتیجه جریان ترافیکی نامتوازن یا یک حادثه به دلیل تصادف ناگهانی یا هر رخداد دیگری ایجاد می شوند. با این حال، این هزینه را می توان با جهت یابی مسیر با برنامه ریزی مسیر کاهش داد که به جلوگیری از ترافیک کمک می کند. برای مثال، وسایل نقلیه می توانند توسط کوتاه ترین مسیر بر مبنای جهت یابی GPS، حفظ مسیر پیشرفته و پیش بینی طول حادثه حرکت کنند. با این وجود، این رویکردها برای تولید پاسخ سریع به یک موقعیت اضطراری در اثر حادثه ناگهانی مؤثر نیستند چون آپدیت زمان واقعی از اطلاعات وجود ندارد. به همین دلیل، تحویل اطلاعات ترافیک زمان واقعی مهم می باشد.

برای جمع آوری اطلاعات ترافیکی زمان واقعی، اکثر روش های موجود در ITS معمولی، عمدتاً به سیستم های سلولی و/ یا آشکارسازهای حلقه بستگی دارند. تلفن های شخصی با دسترسی سلولی برای جمع آوری اطلاعات موقعیت ترافیکی زمان واقعی مورد بررسی قرار گرفته اند. برای ارزیابی و نظارت بر ترافیک پیوسته، یک سیستم مدیریت ترافیکی با آشکارساز حلقه معرفی شده است. با این وجود، به دلیل مشکلات اجتناب ناپذیر، استفاده از سیستم های سلولی و آشکارسازهای حلقه در بعضی موارد پاسخگو نمی باشد. از آن جایی که سیستم های سلولی صرفاً مختص جمع آوری داده های ترافیکی نیستند، این سرویس های جمع آوری قاعدتاً پر هزینه هستند، و مشکلات ترافیکی برای حجم بالای داده های ترافیکی حتی شدیدتر نیز می شود. هزینه های بهره برداری برای آشکارسازهای حلقه نیز بسیار بالا هستند. هم چنین، عدم دقت ارزیابی های موقعیت می توانند سبب ایجاد مشکلی جدی در جابجایی های کوتاه برد در شبکه های شلوغ شود، که خود نیز عملکرد الگوریتم برنامه ریزی مسیر را کاهش می دهد.

ارتباطات وسیله با وسیله و وسیله با زیرساخت در VANET می تواند روند انتقال اطلاعات زمان واقعی را سریع تر و ارزان تر کرده و نسبت به سیستم های موجود مؤثرتر واقع شود. به علاوه، RSU ها در VANET قادر به بهبود جمع آوری و انتشار به موقع داده ها هستند و از این رو می توان برنامه ریزی مسیر را برای گروهی از وسایل نقلیه به صورت هماهنگ تر و منظم تر انجام داد.

تکنیک های بسیاری برنامه ریزی مسیر وسیله نقلیه زمان واقعی را با VANET ها مورد مطالعه قرار داده اند. یک روش گسترده در برنامه ریزی مسیر برای جلوگیری از مشکلات با استفاده از اطلاعات ترافیکی زمان واقعی جمع آوری شده از VANET ها با میزان بالای جریان ترافیکی مورد مطالعه قرار گرفته است. یک سیستم جهت یابی برای صرفه جویی در سوخت وسایل نقلیه شخصی و نیز جلوگیری از مشکلات ترافیکی مطالعه شده است. با این حال، برنامه ریزی مسیر شخصی می تواند حجم مازادی از تراکم ترافیکی را در اثر رفتارهای نامشخص انسانی معرفی کند. به همین دلیل، برای بالانس کردن ترافیک شبکه، مسیرهای وسایل نقلیه مختلف باید به صورت مشترک برنامه ریزی شود. در برنامه ریزی مسیر چند وسیله، اولویت رانندگان یا هزینه متوسط سفر در نظر گرفته نمی شود. به علاوه، چگونگی تأثیرگذاری VANET ها بر الگوریتم برنامه ریزی مسیر دقیقاً مشخص نیست.

نمای سیستم اصلی در شکل زیر نشان داده شده است. این سیستم شامل مؤلفه های اصلی زیر است:

1) نظارت و کنترل سیگنال: نظارت و کنترل سیگنال در زندگی فعلی بسیار پیچیده تر شده است، جایی که در آن هیچ کس برای سبز شدن یک سیگنال آماده نیست. این امر منجر به تعداد بالای حوادث و مشکلات ترافیکی می شود. یکی از راه حل های این مسئله، کنترل سیگنال ترافیکی در زمان واقعی با استفاده از پروتکل شبکه اختصاصی وسیله نقلیه می باشد. بنابراین افراد باید بدون ضرورت منتظر سیگنال باشند، و این موضوع می تواند به کاهش حوادث در سیگنال کمک کند.

2) برنامه ریزی مسیر: به دلیل رشد سریع مالکیت ماشین ها، مشکلات ترافیکی تبدیل به مسئله مهمی شده اند که سبب ایجاد ناراحتی های زیادی در زندگی روزانه و کار افراد شده و نیز سبب ایجاد آلودگی زیست محیطی، هدر رفت انرژی و مشکلات ترافیکی می شود. این مورد تأثیر مهمی بر بهبود استانداردهای زندگی افراد و نیز توسعه اجتماعی و اقتصادی می گذارد. برنامه ریزی مسیر برای ترافیک شهری می تواند مشکلات تراکم جاده و ناراحتی های سفر را تا حد زیادی حل کند.

3) محاسبه ابری: تمامی لاگ های ترافیکی و داده ها را می توان در یک محیط ابری ذخیره کرد که می تواند برای تحلیل ترافیک شهری و اتخاذ تصمیمات کنترل ترافیک مختلف مفید باشد.

4) نمای سیستم: شکل زیر دیاگرام بلوکی واحد سمت جاده را نشان می دهد، در آن هر وسیله نقلیه به یک تگ RFID مجهز بوده و توسط واحد سمت جاده مرتبط که یک RFID خوان دارد خوانده می شود. با سنجش تمامی وسایل نقلیه موجود در گره سیگنالی خاص توسط تگ RFID شان، واحد سمت جاده اطلاعاتی را در مورد قدرت ترافیک در آن جاده جمع آوری کرده و اطلاعات توسط کنترلر پردازش می شود.

چرخه ترافیکی با سنجش میزان ترافیک در هر گره سیگنال (یعنی در هر اتصال) کنترل شده و به همین دلیل، زمان مناسبی به هر گره سیگنالی تخصیص داده می شود. این شکاف زمانی ممکن است در هر نمونه بر اساس کمیت وسیله نقلیه در آن گره تغییر کند. به همین دلیل، هیچ کس نیاز به منتظر بودن برای سیگنال ندارد و این مورد می تواند برای مینیمم سازی حوادث مفید باشد.

اطلاعات جمع آوری شده توسط هر واحد سمت جاده برای سرور مرکزی از طریق GSM فرستاده می شود و در دیتابیس ذخیر می گردد. شکل زیر دیاگرام بلوکی واحد سرور را نشان می دهد، در آن کاربر می تواند از طریق یک برنامه اندرویدی به سرور متصل شود. با ایجاد منبع و مقصد در این برنامه، یک مسیر با حداقل ترافیک به کاربر پیشنهاد داده می شود. این امر می تواند مشکلات تراکم ترافیکی، گره های ترافیک و ناراحتی های سفر را تا حد زیادی حل کند.

سیستم پیشنهادی یک سیستم حفظ حریم خصوصی است، چون وسایل نقلیه را با تگ RFID خودشان می سنجد و این اطلاعات را پردازش می کند. این سیستم به هیچ جزئیات دیگری از آن وسایل نقلیه نیاز ندارد و به همین دلیل امنیت حفظ می شود.