مجلة جامعة تشرين للبحوث والد ارسات العلمية _ سلسلة العلوم الهندسية المجلد )63( العدد )4( 4102 Tishreen University Journal for Research and Scientific Studies - Engineering Sciences Series Vol. (36). (2) 4102 بناء نظام تحكم وم ارقبة بإشا ارت المرور باستخدام المتحكمPLC ونظام التحكم اإلش ارفي SCADA الدكتور ربيع حبيب * الدكتور محسن داود ** ارنية ريس *** )تاريخ اإليداع.4102 / 4 / 4 قبل للنشر في )2014 / 8 /7 ملخ ص نواجه في حياتنا اليومية مشكلة االختناقات المرورية وما يترتب على ذلك من ضياع في الوقت والطاقات حيث تعمل إشا ارت المرور وفقا ألنظمة التحكم التقليدي لعقدة مرورية بأزمنة ثابتة وتتابع ثابت. يقترح البحث خوارزمية جديدة المبرمج للتحكم بإشا ارت المرور حيث تعمل بأزمنة متغيرة وتتابع متغير حسب حجم الكثافة المرورية. تحصيل يتم بيانات الحركة المرورية )عدد السيا ارت الكثافة- التدفق( باستخدام الحساسات الحلقية Detectors) (Loop الموزعة عند كل إشارة هذه ت نقل الالزمة ويتصل المتحكم بدوره مع نظام المرورية إضافة إلى إمكانية البيانات إلى المتحكم المنطقي القابل للبرمجة التحكم اإلش ارفي PLC SCADA التحكم األوتوماتيكي والتحكم اليدوي باإلشا ارت. الذي يقوم بمعالجتها واصدار األوامر الذي يؤمن إمكانية م ارقبة سير العمل للعقد يقوم النظام المقترح بالربط بين عقدتين عن طريق تطبيق خاصية الموجة الخض ارء (Green Wave) باالعتماد على السرعة الفعلية للسيا ارت واعطاء أولوية المرور لسيا ارت الطوارئ التي يتم الكشف عنها باستخدام الحساس الحلقي ومقاطعة عمل البرنامج بشكل فوري لفتح اإلشارة المطلوبة. تم اختبار نظام التحكم والم ارقبة المقترح من خالل أخذ بيانات عقدة مرورية تعمل في نظام التحكم التقليدي ومقارنتها بالنتائج التي يعطيها البرنامج وقد أظهرت النتائج أنه تم تقليل أزمنة فتح اإلشا ارت وزمن الدورة الكلية وزمن االنتظار غير المرغوب به على كل إشارة بشكل كبير وبالتالي تم تخفيض حجم االختناقات المرورية عند كل عقدة. SCADA الموجة الكلمات المفتاحية: االختناقات المرورية نظام التحكم المبرمج الحساس الحلقي نظام الم ارقبة الخض ارء. * أستاذ مساعد قسم هندسة الميكاترونيك - كلية الهندسة الميكانيكية والكهربائية -جامعة تشرين الالذقية سورية. 317 ** *** أستاذ - قسم هندسة الميكاترونيك - كلية الهندسة الميكانيكية والكهربائية -جامعة تشرين الالذقية سورية. ماجستير - الهندسة الميكانيكية والكهربائية اختصاص ميكاترونيك كلية الهندسة الميكانيكية والكهربائية -جامعة تشرين الالذقية سورية.
بناء نظام تحكم وم ارقبة بإشا ارت المرور باستخدام المتحكمPLC ونظام التحكم اإلش ارفي SCADA حبيب داود ريس مجلة جامعة تشرين للبحوث والد ارسات العلمية _ سلسلة العلوم الهندسية المجلد )63( العدد )4( 4102 Tishreen University Journal for Research and Scientific Studies - Engineering Sciences Series Vol. (36). (2) 4102 Implementing a Control and Supervisory System for Traffic Lights Using PLC and SCADA System Dr. Rabie Habib * Dr. Mohsen Daoud ** Rania Ray *** (Received 2 / 2 / 2014. Accepted 7 / 8 / 2014) ABSTRACT Traffic jam is a serious problem in our life. It causes waste of time and energy. Conventional traffic light control system works with a fixed time and fixed cycle. This paper proposes an intelligent traffic light control system with a changeable green time and cycle depending on traffic density. Traffic parameters (cars numbers, density, flow) are collected by Loop Detectors located at each traffic signal. This data will be transmitted to the PLC controller. Then, PLC processes this data to produce controlling commands. It is also connected to a SCADA system which supervises the process and provides an automatic and manual control. The proposal system applies Green Wave method to connect between two junctions based on a real car velocity and sets priority for emergency car. When Loop Detector detects this car, the program will be interrupted to open the traffic light needed. This intelligent system is experimented with conventional control system s data. The obtained result is promising. It can reduce the green time, cycle time, and delayed time of each car at traffic light to its minimum value. Keywords: Traffic Jam, Intelligent control system, Loop Detector, SCADA System, Green Wave. * Associate Professor- Mechatronic Department- Mechanical and Electrical Engineering Faculty Tishreen University Lattakia. ** Professor - Mechatronic Department- Mechanical and Electrical Engineering Faculty Tishreen University Lattakia. *** Master degree - Mechanical and Electrical Engineering in the specialty of Mechatronics - Mechanical and Electrical Engineering Faculty Tishreen University Lattakia. 318
Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )63( العدد )4( 4104 مقدمة: مع تطور وازدياد وسائل النقل داخل المدن لم تعد إشا ارت المرور التقليدية التي تعمل بأزمنة ثابتة وتتابع ثابت مناسبة لتغي ارت الحركة المرورية مما سبب زيادة زمن النقل واالنتظار غير المرغوب به وزيادة كمية الوقود المستهلك وضياع القوة اإلنتاجية لمستخدمي الطرق نتيجة حدوث االختناقات المرورية وما يترتب على ذلك من أعباء اقتصادية واجتماعية وبيئية داخل المدن حيث أن % 70 من تلوث الهواء سببه الحركة الدائمة لوسائل النقل داخل المدن[ 1 ]. كما تعاني المدن من ظاهرة الضباب الدخاني SMOG الناتجة من االحت ارق غير التام للوقود في محركات السيا ارت ووسائل النقل األخرى كما يتعرض سكان المدن إلى الضوضاء الناجمة عن ديسيبل.[2] (Decibel) لذا كان الحركة المرورية بما يتجاوز 36 البد من إيجاد نظام تحكم ذكي بإشا ارت المرور يستطيع مواكبة متطلبات الحركة المرورية واالستجابة لتغي ارتها ويساهم في الحد من حجم االختناقات المرورية وآثارها السلبية. أهمية البحث وأهدافه: تكمن أهمية البحث في المرورية بتحديد أفضلية تتابع عند بناء نظام تحكم ذكي بإشا ارت المرور فتح واغالق اإلشا ارت المرورية وأزمنتها يستطيع االستجابة لمتطلبات وتغي ارت الحركة وفقا ألهمية الطريق وعدد السيا ارت المتواجدة كل إشارة كما يحقق هذا النظام خاصية الموجة الخض ارء Wave Green التي تسمح باستم ارر تدفق الحركة المرورية على عدة تقاطعات لطريق رئيسي في اتجاه واحد. االختناقات المرورية أزمنة وتقليل الضياعات والتوقفات وبالتالي غير واالنتظار يهدف نظام التحكم المقترح إلى المرغوب به على إشا ارت المرور تخفيض حجم مما يساهم في تخفيض استهالك الوقود والحد من التلوث البيئي كما يهدف البحث إلى تخديم سيا ارت الطوارئ بإعطائها أفضلية المرور. طرائق البحث ومواده: 1. النموذج المروري المقترح: يبين الشكل )1( النموذج المروري المقترح والذي يتصف بالبا ارمت ارت اآلتية: 1. تقاطعان على شكل إشارة "+". 2. أربع إشا ارت ضوئية )ثالثية الطور( عند كل تقاطع. 6. بتطبيق قاعدة اليمين المفتوح دون التقييد باإلشارة. 4. المسافة بين التقاطعين 45. m 6. الحركة المرورية في ثالثة اتجاهات ( يمين أمام - يسار ) عند كل إشارة ضوئية. 3. كل تقاطع عبارة عن )طريق رئيسي خارج من المدينة طريق رئيسي داخل إلى المدينة طريقين فرعيين(. 7. خوارزمية محددة لتعاقب فتح واغالق اإلشا ارت الضوئية وفقا لحجم الكثافة المرورية وأولوية الطريق..2 يبين الشكل نظام التحكم المقترح: )2( المخطط العام لنظام التحكم المقترح بإشا ارت المرور مداخل المتحكم ووصل اإلشا ارت المرورية على مخارج المتحكم حيث يتألف من: الشكل) 0 ( النموذج المروري المقترح. الذي يوضح وصل الحساسات على 319
بناء نظام تحكم وم ارقبة بإشا ارت المرور باستخدام المتحكمPLC ونظام التحكم اإلش ارفي SCADA حبيب داود ريس الشكل )2( المخطط العام لنظام التحكم المقترح بإشا ارت المرور. 1. مجموعة من الحساسات لمعرفة با ارمت ارت الحركة المرورية )عدد السيا ارت الكثافة التدفق...(. 2. المتحكم (PLC) تنقل إليه البيانات المطلوبة ويقوم بإصدار أوامر التحكم الالزمة. 6. نظام الم ارقب (SCADA). 3. طرق البحث: يعتمد نظام التحكم المقترح على ما يلي: 1. حساب حجم الكثافة المرورية عند كل إشارة من التقاطع وذلك بوضع حساسين حلقيين ( Loop )Detector األول على بعد D من اإلشارة والثاني عند خط التوقف Line) (Stop وهو الخط الذي تعبره السيا ارت عند اجتيازها اإلشارة كما هو مبين في الشكل )2( لحساب الكثافة المرورية عند كل إشارة [4,3]. 2. تعمل إشا ارت المرور للتقاطع وفق تتابع متغير تحديد أفضلية فتح اإلشا ارت حسب عدد السيا ارت ثم وأولوية الطريق كما يتم تجاهل اإلشارة الخالية من السيا ارت للحد من زمن االنتظار على باقي اإلشا ارت. 6. تحديد بزمن فتح كل إشارة تبعا لحجم الكثافة المرورية عندها ويقسم كما هو مبين في الشكل )6(. الشكل) 3 ( زمن الطور األخضر إلشارة المرور الزمن األصغري Min Time الالزم لتفريغ الرتل المتبقي من الدورة السابقة و زمن العبور Passage Time الالزم لقطع المسافة D الفاصلة بين الحساسين تضاف إلى زمن تشغيل الطور األخضر عند عبور سيا ارت إضافية للحساس األول قبل انتهاء زمن األخضر المحدد والزمن األعظمي Max Time لفتح اإلشارة والذي يحدد ب 60 sec للطرق الرئيسية و 40 sec للطرق الفرعية [5] وبالتالي فإن زمن فتح اإلشارة يحدد وفق ما يلي: عند فتح اإلشارة فإن الصف األول المتوقف عند اإلشارة يحتاج إلى زمن لعبور اإلشارة يعطى بالعالقة )1(: (1) 320
Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )63( العدد )4( 4104 لكل صف وفق العالقة )2( [5]: ويعطى الفاصل الزمني الوسطي لتفريغ باقي الصفوف (2) السرعة الوسطية داخل المدينة وفق من الجدول) 1 ( نختار المسافة الفاصلة بين الحساسين وطول المركبة الوسطية البيانات المأخوذة من مديرية النقل في مدينة الالذقية [3] (3) عند اإلشارة وفق العالقة عدد الصفوف األعظمية فإنه يمكن حساب (3) في أوقات الذروة يتم حساب الزمن الالزم لتفريغ اإلشارة عند امتالء المسافة بين الحساسين من العالقة :[5] )4( (4) وبالمقارنة مع الجدول )1( يكون: من العالقة )6(: الذي تستغرقه السيارة لعبور المسافة وبالتالي يحسب زمن العبور 2.3 sec (5) وبالمقارنة مع الجدول )1( يكون زمن العبور 3 sec زمن العبور ثانية 2.5 2.5 3.0 3.0 3.5 3.5 الجدول) 1 ( اختيار البعد بين الحساسين [5]. المسافة الفاصلة بين خط التوقف والحساس الحلقي زمن الطور األخضر األصغري متر ثانية 04 8 08 9 44 00 21 04 40 04 64 05 السرعة المتوسطة كم/سا 44 24 41 48 65 54 4. استخدام خاصية الموجة الخض ارء (Green Wave) لربط عقدتين مروريتين أو أكثر على الطريق الرئيسي الداخل إلى المدينة حيث تتابع اإلشا ارت الضوئية الخض ارء من عقدة إلى أخرى دون أن تجد المركبة في طريقها إشارة حم ارء [6]. تحسب سرعة سيا ارت الصف الشكل) 2 ( استخدام حساس Loop Detector لحساب سرعة السيارة. 321
بناء نظام تحكم وم ارقبة بإشا ارت المرور باستخدام المتحكمPLC ونظام التحكم اإلش ارفي SCADA حبيب داود ريس m األمامي فقط باعتبارها ستصل أوال إلى اإلشارة [7] باستخدام حلقتي Loop detector متتاليتين البعد بينهما ( 4.9) كما هو مبين في الشكل )4( توصالن إلى الوحدة اإللكترونية للحساس التي توصل بدورها إلى المتحكم PLC.[8,3] النظام..3 6. استخدام برنامج SCADA لتصميم واجهات تتيح الم ارقبة والتحكم )أوتوماتيكي يدوي( وتشغيل وايقاف بجهاز مرسل الكشف عن سيا ارت الطو ارئ واعطائها أفضلية المرور عند التقاطعات وذلك عن طريق تزويد تلك السيا ارت يركب أسفل السيارة [3] حيث يقوم هذا الجهاز بإرسال حزمة ترددات عالية الحساس الحلقي يستقبلها عند عبور السيارة وتضاف حزمة الترددات العالية على اإلشارة المتولدة في الوحدة اإللكترونية التي توصل إلى وحدة المعالجة (processor) والتي تفعل بدورها الشكل )6( المخطط الصندوقي لنظام الطوارئ. خرج المتحكم PLC ليتم فتح اإلشارة المطلوبة بشكل أوتوماتيكي. يبين Loop Detector Processor PLC Traffic Light System SCADA (Alarm الشكل )5( المخطط الصندوقي لنظام الطوارئ..7 استخدام متحكم IFM) PLC-SIEMENS S300 (314 مبين في الشكل) 3 ( للتحكم باستقبال جميع األوامر القادمة من المداخل المرتبطة به واصدار كافة أوامر إلى المخارج. من مواصفات هذا المتحكم أنه يضم عشرين مدخال رقميا وستة عشر مخرجا رقميا يحقق موثوقية عالية يحد من الكلفة اإلقتصادية توافقية هذا النوع من المتحكمات مع نظام.SCADA برمجته باستخدام برنامج SIMATIC STEP7 V5.5 بلغة.[9] Ladder الشكل) 3 ( PLC SIEMENS 314 IFM 8. بناء واجهات تطبيقية تتيح للمستخدم سهولة التحكم والم ارقبة لسير العمليات بالشكل الصحيح من خالل نظام SCADA وذلك باستخدام برنامج SIMATIC WinCC Flexible 2008 SP3 من إنتاج شركة SIEMENS حيث يتميز نظام SCADA بمجموعة من القد ارت أهمها [11,10]: 1. إمكانية إعطاء األوامر التنفيذية للمتحكمات والتدخل بسير العمل عند اللزوم. 2. إمكانية التعديل واضافة األيقونات المناسبة للواجهات وتصميم حركات مميزة تدل على حالة العمل. 6. م ارقبة األداء من خالل منحنيات بيانية (Trends) وسجالت المعلومات واعطاء تقارير زمنية دورية. 4. م ارقبة جودة نظام التحكم عن طريق ق ارءة البيانات اإلحصائية لسير عملية التحكم. 6. وجود نظام أرشفة لكل البيانات التي مرت من خالل نظام SCADA مع تواريخ محددة بدقة وهذا يعطي قدرة هائلة على التحقق من النتائج الحالية والقديمة للنظام المتحكم به والمقارنة بينها على شكل جداول ومنحنيات. 3. إظهار رسائل نصية ورسومية إلظهار سير العملية أو حالة اإلنذار. 322
Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )63( العدد )4( 4104 التحكم إما عن طريق حاسب مركزي أو من خالل شاشات لمسية توصل مع وحدات التحكم إمكانية 7. المحلية. تبادل المعلومات بين أماكن التحكم المختلفة من أجل تحليل البيانات. 8. واجهات نظام التحكم والم ارقبة: 4. 1. 4. الواجهة الرئيسية األولى لنظام التحكم والم ارقبة: يبين الشكل )7( الواجهة الرئيسية األولى وهي تمثل واجهة التحكم الرئيسية بعقدتي مرور وتتألف من: الشكل )7( واجهة التحكم الرئيسية بعقدتي المرور. 1. زر البدء :Start لبدء تشغيل نظام التحكم PLC والم ارقبة SCADA زر التوقف :Stop إليقاف التشغيل زر الخروج :Exit إلنهاء برنامج الم ارقبة فقط بينما يستمر المتحكم بعمله. 2. مفتاح اختيار التحكم :Switch للتنقل بين وضعيتين التحكم اليدوي manual n 1 Object n1n2.6 عقدتي المرور( 2 (de 1, de 4. نسمي عناصر الواجهة بأسماء متحوالت يمثل رقم العقدة و والتحكم األوتوماتيكي.auto n 2 IS 12 يمثل رقم اإلشارة. 5. عند كل إشارة يوجد حساسين - مثال - عند العقدة األولى اإلشارة الثانية يمثل الحساس المسؤول عن عد السيا ارت القادمة إلى التقاطع بالكائن IS 12 والحساس المسؤول عن عد السيا ارت التي تجتاز التقاطع DS 12 يتصل Loop الذي يتصل بدوره مع الدارة اإللكترونية للحساس PLC وفقا لبرمجة المتحكم مع مدخل المتحكم I0.3 IS 12 Detector وعند مرور سيارة ضمن حلقة الحساس تعطي الدارة اإللكترونية نبضة على مدخل المتحكم PLC ويتفعل I0.3 والذي يفعل بدوره ويصبح لونه أحمر داللة على مرور سيارة. 3. عدد السيا ارت :Cars Nr يمثل عدد السيا ارت المت اركم عند كل إشارة وهو عدد السيا ارت بين الحساسين IS-DS الرقم الموجود جانب االسم يدل على رقم اإلشارة مثال - Cars Nr1 عدد السيا ارت عند اإلشارة األولى. S1,S2 7. موصوالن مع المدخلين I2.0,I2.1 بالترتيب وفقا لبرمجة المتحكم PLC ويتصالن مع قناتي الدارة اإللكترونية لحساس السرعة. 323
بناء نظام تحكم وم ارقبة بإشا ارت المرور باستخدام المتحكمPLC ونظام التحكم اإلش ارفي SCADA حبيب داود ريس 8. Open Time to يظهر الزمن الالزم لفتح اإلشارة الثانية من العقدة الثانية التي تتحكم بالطريق الرئيسية حسب خاصية الموجة الخض ارء.(sec) 9. Time Current عداد يظهر الزمن الحالي بالثواني المتبقي لفتح اإلشارة الثانية للعقدة الثانية. 11. Screen Active Manual لعرض واجهة التحكم اليدوي. 11. Trend Active de1 لعرض المخططات البيانية للعقدة األولى. 12. Trend Active de2 لعرض المخططات البيانية للعقدة الثانية. 16. يظهر لدينا أعلى الشاشة الساعة والتاريخ. 2. 4. واجهة البا ارمت ارت :(Parameters) عند النقر على أية إشارة في الواجهة الرئيسية تظهر واجهة البا ارمت ارت المبينة في الشكل )8(: تبين الواجهة با ارمت ارت كل إشارة من العقدة األولى والثانية: Car Nr عدد السيا ارت عند كل إشارة Max Time الزمن األعظمي للطور األخضر لإلشارة )يمكن للمستخدم إدخاله( Current Time يظهر الزمن الحالي لإلشارة Density الكثافة Flow التدفق Exit زر إنهاء البرنامج Home زر العودة الى الواجهة الرئيسية. 3. 4. واجهة التحكم اليدوي: عند اختيار وضع التحكم اليدوي بواسطة الزر Switch من الواجهة الرئيسية للبرنامج تظهر واجهة التحكم اليدوي المبينة في الشكل )9(. عند اختيار وضع التحكم اليدوي تغلق كافة اإلشا ارت )تصبح حم ارء( خالل زمن 2sec ويتم من خالل هذه الواجهة التحكم يدويا باإلشا ارت حيث يمكن تفعيل (ON) أو إغالق (OFF) أية إشارة ويمكن فتح أكثر من إشارة في الوقت نفسه مع وجود دائرة للداللة على فتح اإلشارة أو إغالقها حم ارء OFF خض ارء ON ترقم اإلشا ارت بالترقيم ذاته الموجود في الواجهة الرئيسية. كما تحوي الواجهة زر إنهاء البرنامج Exit وزر العودة إلى الواجهة الرئيسية Home وبعد االنتقال للواجهة الرئيسية لمتابعة الم ارقبة في النظام اليدوي يمكن العودة إلى واجهة التحكم اليدوي من خالل زر Screen) (Active Manual الموجود في الواجهة الرئيسية. يتم اختيار وضع التحكم اليدوي من أجل الشكل )8( واجهة البارامت ارت. 324
Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )63( العدد )4( 4104 الشكل )9( واجهة التحكم اليدوي. التحكم بإغالق وفتح اإلشا ارت المرورية لزمن غير محدد في حاالت طارئة ( حاالت الصيانة الخاصة بتنفيذ بنى تحتية تخص المنطقة التي توجد فيها العقدة المرورية حوادث مرورية( بحيث ال يكون لعامل الزمن أي أثر سلبي على عمل العقدة المرورية. عند العودة إلى التحكم األوتوماتيكي باختيار Auto بواسطة Switch في الواجهة الرئيسية يتابع البرنامج دورة العمل التي تمت مقاطعتها. 4.4. واجهة الرسوم البيانية :(Trends) عند النقر على زر Trend) (Active de1 تظهر شاشة المخططات البيانية للعقدة األولى المبينة في الشكل )11(. الشكل )11( واجهة المخططات البيانية للعقدة األولى. يوجد لكل عقدة أربعة مخططات بيانية تمثل عدد السيا ارت المت اركم عند كل إشارة عبر الزمن كما هو موضح في الشكل )11( يمثل المحور الشاقولي عدد السيا ارت والمحور األفقي الزمن ويوجد مسطرة يمكن تحريكها لمعرفة 325
بناء نظام تحكم وم ارقبة بإشا ارت المرور باستخدام المتحكمPLC ونظام التحكم اإلش ارفي SCADA حبيب داود ريس عدد السيا ارت بشكل دقيق في لحظة زمنية معينة. يمكن من خالل هذه المخططات معرفة عدد السيا ارت المت اركمة عند كل إشارة عبر الزمن ليتسنى لنا أج ارء د ارسة احصائية تساعدنا على تطوير نظام التحكم وتتيح هذا المخططات أرشفة البيانات. لكل مخطط ثالثة أز ارر: زر اإليقاف المؤقت (Start/Stop) زر لترجيع المخطط إلى لحظة زمنية سابقة زر لتقديمه. وبشكل مشابه تظهر شاشة المخططات البيانية للعقدة الثانية عند النقر على زر.(Active de2 Trend).5.4 نظام اإلنذار System) :(Alarm استخدمنا نظام اإلنذار من أجل سيا ارت الطوارئ )إسعاف شرطة إطفاء( عندما تجتاز إحدى سيا ارت الطوارئ الحساس باتجاه التقاطع يظهر على الواجهة الرئيسية تنبيه بوجود هذه السيارة مع رقم العقدة واالشارة المتواجدة عندها يرمز لرقم العقدة بالمتغير رقم اإلشارة بالمتغير n 2 n 1 كما هو مبين في الشكل )11(. يظهر اإلنذار -مثال - وجود سيارة طوارئ عند اإلشارة الثانية من العقدة األولى مع إظهار زمن مرور هذه السيارة يتم مقاطعة دورة العمل وفتح اإلشارة المطلوبة بشكل أوتوماتيكي. يمكن للعاملين على تطبيق نظام التحكم هذا النقر على زر المعلومات الموجود أسفل اإلنذار ليظهر لديهم نص المعلومات Text) (Info الذي يبين شرح م ارحل تنفيذ أمر الفتح األوتوماتيكي لإلشارة الثانية العائدة للعقدة األولى حتى تجتاز السيارة الحساس الثاني أي حتى اختفاء اإلنذار في هذه الحالة كما هو مبين في الشكل )11(. 1 13:15:02 PM 8/10/2012 Emergency in de1 - Traffic2 الشكل )11( نظام االنذار لسيا ارت الطوارئ. 326
Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )63( العدد )4( 4104 1 03:31:02 PM 18/10/2012 Emergency in de2 Traffic2 2 03:34:09 PM 18/10/2012 Emergency in de1 Traffic3 الشكل )12( االنذار في حال وجود أكثر من سيارة طوارئ. في حال لدينا أكثر من سيارة طوارئ يبين اإلنذار موقع كل سيارة وزمن وصولها )زمن عبورها الحساس( كما هو مبين في الشكل) 12 ( ويتم مقاطعة البرنامج بشكل أوتوماتيكي وفتح اإلشا ارت المطلوبة حسب أزمنة وصول السيا ارت. بعد االنتهاء من تصميم نظام التحكم وكتابة الب ارمج الواجب تحميلها على المتحكم PLC وتصميم واجهات التحكم والم ارقبة بواسطة SCADA تم اختبار النظام المصمم وذلك عن طريق محاكاة العمليات الموجودة لذلك قمنا بإضافة مجموعة من األز ارر لواجهات SCADA بحيث تمكننا من إج ارء عملية المحاكاة بشكل كامل من تفعيل للمداخل المطلوبة وم ارقبة سير العمليات. أز ارر (INC,DEC) لكل إشارة تمثل عمل الحساسات واألز ارر (A11,A12 A24) تحاكي مرور سيا ارت الطوارئ للعقدة المتحكم PLC المقابلة. n 1 واإلشارة n 2 وذلك بربط هذه األز ارر مع مداخل 5. خوارزميات عمل نظام التحكم: يتم توصيف العمل على شكل خوارزميات )مخططات تدفقية( يتم فيها شرح آلية العمل باستخدام إحدى اللغات المعروفة في مجال تحليل النظم وحيث أن معالجة حالة الطوارئ وتطبيق خاصية الموجة الخض ارء يعتمد مبدأ المقاطعة باإلضافة إلى تمثيل العمليات التك اررية والتي ال يمكن تمثيلها إال باستخدام مخططات الحالة لذلك فإن الحل األمثل هو تمثيلها على شكل مخططات تدفقية. فيما يلي خوارزميات العمل مع شرح مبسط لها: المرحلة األولى هي بداية عمل البرنامج التي يتم من خاللها التحقق من جاهزية المتحكم PLC واختيار وضعية التحكم اليدوي أو اآللي 327
بناء نظام تحكم وم ارقبة بإشا ارت المرور باستخدام المتحكمPLC ونظام التحكم اإلش ارفي SCADA حبيب داود ريس Start All OFF Reset PLC Stop PLC 1 Start PLC تتمة الحلقة 4 الشكل )04( وهي آلية التحكم اآللي للعقدة األولى مع تحديد األفضلية لإلشارات المرورية. الحلقة 2 آلية التحكم اليدوي لفتح وإغالق اإلشارات Yes Auto Manual 2 3 All OFF 1 الشكل )13( خوارزمية العمل الرئيسية تسمى كل المتغي ارت بالحرف األول مع رقمين األول يدل على رقم العقدة والثاني يدل على رقم اإلشارة فمثال - اإلشارة الثانية من العقدة األولى: N12 عدد السيا ارت المت اركمة عند اإلشارة IS12 الحساس الذي يعد السيا ارت القادمة إلى التقاطع M12 أفضلية اإلشارة A12 وحدة المقاطعة في حال وجود سيارة الطوارئ عند اإلشارة T12 الزمن الحالي للطور األخضر لإلشارة Tmin12 الزمن األصغري للطور األخضر Tmax12 الزمن األعظمي للطور األخضر. يتم حساب الكثافة المرورية عند كل إشارة حيث يتم تحصيل البيانات باستخدام الحساسين ) 12 (IS 12 -DS المذكور وظيفتهما سابقا في البند 7 من فقرة الواجهة الرئيسية األولى )1.4.6( تقارن قيم الكثافة على اإلشا ارت األربعة وتعطى األفضلية دوما لإلشارة األكثر ازدحاما )ذات الكثافة األعلى( ويتم تجاهل اإلشارة التي ال تحوي أي سيارة. في حال تساوي الكثافة المرورية تكون األفضلية لإلشا ارت الحاكمة للطريق الرئيسية )اإلشارة الشكل) 14 (. اإلشا ارت الحاكمة للطرق الفرعية )اإلشارة 1 اإلشارة )6 كما هو مبين في 2 اإلشارة 4( ثم حلقات العمل المبينة في 328
Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )63( العدد )4( 4104 2 تقارن قيم الكثافة على اإلشا ارت األربعة وتعطى األفضلية دوما لإلشارة األكثر ازدحاما All Red N12 رمز يدل على عدد السيارات المتراكمة عند اإلشارة الثانية من العقدة األولى. N14 رمز يدل على عدد السيارات المتراكمة عند اإلشارة الرابعة من العقدة األولى N13 رمز يدل على عدد السيارات المتراكمة عند اإلشارة الثالثة من العقدة األولى N11 رمز يدل على عدد السيارات المتراكمة عند اإلشارة األولى من العقدة األولى M12 رمز يدل على فتح اإلشارة الثانية من العقدة األولى M14 رمز يدل على فتح اإلشارة الرابعة من العقدة األولى M11 رمز يدل على فتح اإلشارة الثانية من العقدة األولى M13 رمز يدل على فتح اإلشارة الرابعة من العقدة األولى 8 Start N12 N14 N12 N11 N12 N13 N14 N11 N14 N11 N11 N13 NO 4 موضحة في المخطط الصندوقي المبين في الشكل )06( تحديد زمن فتح اإلشارة الثانية للعقدة األولى. بشكل مشابه ل 5 5 6 تكون خوارزمية اإلشارات الباقية N12>0 NO N14>0 N11>0 NO N13>0 Yes M12=1 M14=1 M11=1 M13=1 4 5 6 7. الشكل) 14 ( خوارزمية تعاقب إشا ارت المرور وتحديد األفضلية إلشا ارت العقدة األولى. 329
بناء نظام تحكم وم ارقبة بإشا ارت المرور باستخدام المتحكمPLC ونظام التحكم اإلش ارفي SCADA حبيب داود ريس يحدد زمن األخضر وفق حجم الكثافة والزمن األعظمي المحدد الثالثة الباقية وهكذا حتى اكتمال الدورة أي فتح كامل إشا ارت العقدة كما تم شرحه سابقا بعدها يتم مقارنة اإلشا ارت الشكل )06( حساب زمن فتح اإلشارة الموضحة في الفقرة 2.2 هذه الحلقة من أجل اختبار M12 كشرط لفتح اإلشارة الثانية من العقدة األولى وفقا لمخطط األولوية المذكور في الشكل )04( تغلق اإلشارة في حال عدم وجود أي سيارة 0=N12 أو وصول زمن القتح للزمن األعظمي min12=tmax12 أو انتهاء زمن اإلشارة الشكل) 15 ( خوارزمية عمل االشارة الثانية من العقدة األولى وعند وجود سيارة طوارئ تقاطع عمل البرنامج لفتح اإلشارة المطلوبة بشكل أتوماتيكي. تعمل العقدة الثانية بشكل مشابه تماما ولكن تحدث مقاطعة حالة تطبيق Green Wave لربط العقدتين معا عندما تفتح اإلشارة الثانية من العقدة االولى G12 تفعل حساسات السرعة )S1,S2) المذكور وظيفتهما سابقا في البند 9 من فقرة الواجهة الرئيسية األولى )1.4.6( و حساب الزمن T open الالزم لفتح اإلشارة الثانية من العقدة الثانية التي تتحكم بالطريق الرئيسية الداخلة إلى المدينة وتحدث مقاطعة لدورة العمل وفتح اإلشارة المطلوبة ليتم تتابع السيا ارت الداخلة إلى المدينة دون التوقف على أي إشارة. 330
Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )63( العدد )4( 4104 تم وضع الحلقة الفرعية 02 لمقاطعة عمل الموجة الخض ارء من أجل تأمين حركة مرور سيا ارت الطوارئ واعطائها أفضلية المرور عند اختيار الوضع اليدوي يتم غلق كافة اإلشا ارت يتم تفعيل اإلشارة واغالقها بشكل يدوي بالضغط على زر التفعيل IM11 زر تشغيل اإلشارة األولى من العقدة األولى عند الضغط عليه تفتح اإلشارة حتى اغالقها يدويا وهكذا بشكل مشابه لباقي اإلشا ارت 331
بناء نظام تحكم وم ارقبة بإشا ارت المرور باستخدام المتحكمPLC ونظام التحكم اإلش ارفي SCADA حبيب داود ريس عندما تفتح اإلشارة الثانية من العقدة االولى G12 تفعل حساسات السرعة )S1,S2) و يتم حساب الزمن T open الالزم لفتح اإلشارة الثانية من العقدة الثانية وتحدث مقاطعة تغلق باقي االإشا ارت وتفتح اإلشارة المطلوبة الحلقة 9 لفتح اإلشارة الثانية من العقدة الثانية وهي مشابهة لخوارزمية العمل للحلقة 4 المبينة في الشكل )06(. ON G12 13 ON S1=1 S2=1 332 Calculate V & Topen
Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )63( العدد )4( 4104 الشكل )11( (a) التحكم اليدوي باإلشارة األولى للعقدة األولى (b) خوارزمية مقاطعة Green Wave للعقدة الثانية A11 A12 A13 A14 EMG1=0 EMG1=0 EMG1=0 EMG1=0 All Red1 EMG1=1 All Red1 EMG1=1 All Red1 EMG1=1 All Red1 EMG1=1 Green11 Green12 Green13 Green14 A11 A12 A13 A14 EMG1=0 8 الشكل) 11 ( خوارزمية المقاطعة - حالة الطوارئ للعقدة األولى. A11 وحدة المقاطعة في حال وجود سيارة الطوارئ عند اإلشارة األولى المقاطعة تغلق كافة اإلشا ارت وتفتح اإلشارة المطلوبة حتى عبور السيارة أي تصبح.off A11 المقاطعة حتى ال يحدث تداخل بالمقاطعات. األولى من العقدة األولى. عند تفعيل وحدة EMG هو علم تفعيل خوارزميات عمل العقدة الثانية مشابهة تماما لخوارزميات عمل العقدة النتائج والمناقشة: تم إج ارء د ارسة ميدانية )كمثال( لعقدة زنوبيا على أوتوست ارد الز ارعة في مدينة الالذقية الخاضعة لنظام التحكم التقليدي بإشارات المرور تمت مقارنة زمن الطور األخضر لإلشا ارت الضوئية في نظام التحكم التقليدي وزمن الطور األخضر بتطبيق خوارزمية نظام التحكم المبرمج للدورة األولى تبعا لعدد السيا ارت المت اركمة على جميع مسارب العقدة المرورية عند كل إشارة منها. يبين األخضر لكل من نظامي التحكم التقليدي والمبرمج. الشكل )17( عدد السيا ارت المت اركمة عند كل إشارة في العقدة وزمن الطور 333
بناء نظام تحكم وم ارقبة بإشا ارت المرور باستخدام المتحكمPLC ونظام التحكم اإلش ارفي SCADA حبيب داود ريس الشكل )17( زمن الطور األخضر لنظام التحكم المبرمج ونظام التحكم التقليدي. نالحظ أن زمن الطور األخضر في التحكم التقليدي ثابت دوما بينما يكون الزمن في التحكم المبرمج متغي ار تبعا لعدد السيا ارت المت اركمة عند اإلشارة بحيث يكون مساويا للزمن الالزم لتفريغ الرتل ويبين الشكل )18( زمن الضياعات عند كل إشارة في الدورة األولى الذي يمثل الزمن المتبقي من الطور األخضر دون وجود أية سيارة عند اإلشارة. حيث تم حسابه من الفرق بين زمني الطور األخضر في النظام التقليدي والمبرمج. الشكل )18( زمن الضياعات في التحكم التقليدي خالل الطور األخضر في الدورة األولى. نالحظ مثال اإلشارة األولى في التحكم التقليدي زمن الطور األخضر فيها 25 sec بالرغم من عدم وجود أية سيارة على هذه اإلشارة وهو زمن ضائع. بينما في التحكم المبرمج ال داعي لفتح هذه اإلشارة بسبب عدم وجود سيا ارت عندها وبالتالي تم توفير زمن هذه اإلشارة وهو يمثل زمن ضياعات لإلشارة األولى. يساهم هذا الزمن بزيادة زمن االنتظار على اإلشا ارت األخرى وزمن االنتظار على اإلشارة هو الزمن الفاصل بين إغالق اإلشارة حتى لحظة فتحها مرة أخرى أي الزمن الوسطي لتوقف السيا ارت على اإلشارة. تمت المقارنة بين زمن الدورة عند العمل بالتحكم التقليدي والتحكم المبرمج كما هو مبين في الشكل )19( والجدول )2(. يمثل زمن الدورة مجموع أزمنة فتح جميع اشا ارت العقدة. 334
Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )63( العدد )4( 4104 الشكل )19( مقارنة بين زمن الدورة في التحكم التقليدي والتحكم المبرمج. الجدول )2( مقارنة بين زمن الدورة عند العمل بالتحكم التقليدي والتحكم المبرمج. التحكم المبرمج التحكم التقليدي 25 sec 100 sec الدورة األولى 47 sec 100 sec الدورة الثانية 2 sec 100 sec الدورة الثالثة 29 sec 100 sec الدور ال اربعة 28 sec 100 sec الدورة الخامسة نجد أنه يتم تفريغ السيا ارت في نظام التحكم خالل زمن أقل بكثير من الزمن المستغرق في الدورة حيث قللنا الزمن الكلي بنسبة 70% ويبين الشكل )21( زمن الضياعات الكلي خالل خمس دو ارت لنظام التحكم التقليدي. الشكل )21( زمن الضياعات الكلي في التحكم التقليدي خالل الدو ارت الخمس. كما أن زمن االنتظار في التحكم المبرمج على كل إشارة ضوئية في كل دورة أقل منه بكثير من زمن االنتظار في نظام التحكم التقليدي المطبق حاليا حيث تكون األزمنة ثابتة كما هو مبين في الشكل )21(. يمكن ربط عقدة زنوبيا المرورية مع عقدة دوار الز ارعة المرورية لتطبيق خاصية الموجة الخض ارء حيث تتوالى فتح اإلشا ارت المرورية الحاكمة للطريق الرئيسي والتي تم شرح خوارزمية عملها من خالل الشكل )15-b(. 335
بناء نظام تحكم وم ارقبة بإشا ارت المرور باستخدام المتحكمPLC ونظام التحكم اإلش ارفي SCADA حبيب داود ريس الشكل )21( زمن االنتظار لإلشا ارت الضوئية في نظام التحكم التقليدي ونظام التحكم المبرمج. االستنتاجات والتوصيات: قدم البحث خوارزمية جديدة لنظام مبرمج تحكم المرور حيث يعمل وفق أزمنة متغيرة ودورة متغيرة بما أوجد حال لمعظم مشكالت نظام التحكم التقليدي بإشا ارت يتناسب مع حجم الكثافة المرورية ويستجيب لتغي ارت الواقع المروري مما يقلل من حجم االختناقات المرورية وبالتالي يقلل من وقت االنتظار مما له انعكاسات ايجابية من توفير للوقود والحد من التلوث البيئي واعطاء أولوية المرور لسيا ارت الطوارئ فور وجودها. ي ارعي البحث أيضا التكلفة االقتصادية حيث يتم استخدام حساسين فقط لكل عقدة مرورية وتوفر الوحدة اإللكترونية للحساس أكثر من قناة لوصل الحلقات إليها ويعد الحساس Loop Detector األقل ثمنا واألكثر دقة وموثوقية واعتمادا في األنظمة العالمية كما أن استخدام PLC Siemens توفر عددا كبي ار من المداخل والمخارج مقارنة بغيرها من أنواع المتحكمات لسهولة وصلها مع عدد كبير من وحدات التوسعة. وهكذا نكون قد حققنا الموثوقية العالية لنظام تحكم وم ارقبة مرن يحل جميع المشاكل المرورية ويقلل من االختناقات المرورية وانعكاساتها السلبية إذ يؤمن نظام الم ارقبة المقترح تغيير كافة البا ارمتر ات وهذا يعطي مرونة كبيرة في التصميم واألداء وامكانية تطبيق النظام على أية عقدة مرورية بتغيير با ارمت ارت التحكم فقط. بينت الد ارسة اإلحصائية التي يقدمها نظام التحكم المبرمج مقارنة مع النظام التقليدي المأخوذ بياناته من دائرتي المرور والمواصالت أنه يقلل من زمن االنتظار مما يوفر ساعة تأخير مروري ألكثر من 111 سيارة في المدينة الواحدة وهذا يساهم في تقليل زمن الضياع في أوقات العمل أي توفير أكثر من مليارين ونصف ليرة سورية سنويا في كامل القطر. يمكن تصميم نظام تحكم بإشا ارت المرور لكافة العقد المرورية الموجودة في المدينة وذلك بناء على نظام المقترح المبرمج التحكم في البحث عن طريق ربطها بشبكة تحكم موزع أو استخدام مجموعة من بطاقات التوسعة للمتحكم PLC كما يمكن استخدام تطبيقات الطاقة الشمسية أو توصيل بطاريات شحن إلى كافة العقد المرورية لتأمين التغذية الكهربائية بشكل دائم حتى ال يحدث أي خلل في النظام. كما يمكن اقت ارح تركيب لوحات اليكترونية الطرقات الرئيسية تبين حالة االزدحام عند العقد المرورية تساعد السائق على اختيار الطريق المناسب. في 336
Tishreen University Journal. Eng. Sciences Series مجلة جامعة تشرين العلوم الهندسية المجلد )63( العدد )4( 4104 المراجع: [1].Kalapoef, A.R. ; fekfe, F. Transportation and Pollution. Doklady Earth Sciences. Russia. Vol. 437, 186,, 2010, p 513-520. [2].Laguitton, C. The Effect of Compression Ratio on Exhaust Gas from A Diesel Engine, Download Date 28 Mar 2012. <www.brighton.ac.uk/shrt/publications/diesel/ecos06.pdf> [3].Mclean, V. Traffic Detector Handbook. Third Edition, Volume 1, US Department of Transportation-Federal Highway Administration, FHWA-HRT-06-108, US, 2006, 291. [4].Ehlert, A. & et al, The optimization of traffic count locations in road networks, Transportation Research Part B, US. Vol. 40,.32, 2006, p 460 479. [5].Kittelson, A. Signal Timing Manual,Third Edition, Siemens ITS-U.S Department of Transportation-Federal Highway Administration, FHWA-HOP-08-204, US, 2008, 274. [6].Cosma, R. Self-organizing traffic lights, PhD Thesis, Wisconsin University at Madison, Us, 2006, P 15-32. [7].Henry, X. L & et al, Real-time queue length estimation for congested signalized intersections, University of Minnesota Twin Cities S.E, United States, Transportation Research Part C 17, Vol. 17,. 12, 2009, P 412 427. [8].Pillai, H. & Patil, G.R. Real-Traffic Counting and Monitoring System, National Workshop on Intelligent Transportation System, Pune, Vol. 2,.2, 2010, P21-41. [9].Bolton, W. Programmable Logic Controllers, Elsevier Ltd, Industrial Company, Vol.35,.12, 2009, pp. 22-30. [10].Favino, I.N & et al, A Secure and Survivable Architecture for SCADA System, IEEE, Vol.2,.14. 2009, p 978-993. [11].Zyuzev, A.M. & et al, Experience in Introducing Automation Equipment for Electrical Devices and Industrial System into The Educational Process, ISSN 1068-3712, Russian Electrical Engineering, Russia, Vol. 80,.9, 2009, P 477-481. 337