Leveraging برمجة الديناميكية لحركة المرور الذكية نظم مراقبة الإشارات

التحدي المتنامي لحركة المرور الحضري

وقد أصبح ازدحام حركة المرور واحدا من أكثر المشاكل استمراراً وتكلفة في المدن الحديثة، ووفقاً لـ 2022 " إنريكس " (InRIX Global Traffic Scorecard)، فقد متوسط السائق في الولايات المتحدة 51 ساعة للازدحام، مما يكلف أكثر من 800 دولار لكل سائق في الوقت المهدر والوقود، فبعد الإحباط الشخصي، يزيد الازدحام الثابت من انبعاثات غازات الدفيئة، ويقلال من نوعية الهواء غير الضرورية.

ومن بين هذه الوسائل، يمكن للمهندسين أن يخلقوا، من بين هذه الأساليب، أسلوباً صارماً من الناحية الرياضية لاتخاذ القرارات المتعاقبة المثلى في ظل عدم اليقين، ومن خلال تطبيق برامج دينامية على مراقبة إشارات المرور، نظماً تكيف باستمرار توقيتات الإشارات استناداً إلى بيانات الاستشعار الحي، وتحسن تدفقاً كبيراً من خلال التقاطعات وشبكات بأكملها.

Understanding Dynamic Programming

والبرمجة الدينامية هي نموذج كيميائي يحل مشاكل الترشيد المعقدة بكسرها إلى مكامن فرعية بسيطة، والفكرة الأساسية هي تخزين الحلول للمشاكل الفرعية بحيث لا تُحسب إلا مرة واحدة، وهي تقنية معروفة باسم التأمل، وتستخدم إدارة شؤون الإعلام على نطاق واسع في ميادين تتراوح بين بحوث العمليات والاقتصادات والآليات الحيوية.

وفي سياق مراقبة حركة المرور، تعامل إدارة شؤون الإعلام قرار توقيت الإشارة بوصفه عملية متعددة المراحل من اتخاذ القرارات، وفي كل خطوة (بشكل عام بضعة ثوان)، يلاحظ النظام أن [الإطار الاستراتيجي: صفر] [الإطار المالي: 1]] يحدد فترات الطول بين القطاعات، وإحصاء المركبات، والمعابر المشبوهة - ويختار [الإطار النهائي] [الإطار النهائي]:] [الإطار الاستراتيجي: 3].

وتعمل الخوارزمية التي وضعتها إدارة شؤون الإعلام عن طريق حل معادلة بيلمان التي تتصل بقيمة (التكلفة المتوقعة) أن تكون في دولة معينة مع التكلفة الفورية لاتخاذ إجراء بالإضافة إلى قيمة الدولة التالية التي ستترتب عليها، وهذه العلاقة التصحيحية تتيح للنظام أن ينظر إلى الأمام وأن يختار إجراءات تؤدي إلى تحقيق نتائج مثلى على الصعيد العالمي، وليس إلى تحسينات محلية فحسب.

أهم برامج الديناميكية لحركة المرور

Optimal sub structure:] The opt opt timing plan for the entire intersection can be built from opt plans for each individual time interval.
Overlapping subproblems:] Many different traffic scenarios share similar sub-states, so computed values can be reused across time and across intersections.
Deterministic or stochious transitions:] DP can handle both deterministic arrival patterns and probabilistic models where vehicle arrivals follow a distribution.

تطبيق البرمجة الدينامية في مراقبة إشارات المرور

ويتطلب تطبيق إدارة الشؤون السياسية على مراقبة إشارات المرور رسما دقيقا للتداخل بين العالم الحقيقي إلى نموذج رياضي، ويجب أن يحس النظام باستمرار بالبيئة، وأن يمثلها كدولة، وأن يدير إدارة شؤون الإعلام على الوجه الأمثل، وأن ينفذ الإجراء المختار، فيما يلي:

جمع بيانات المرور والاستشعار

البيانات في الوقت الحقيقي هي مدى الحياة لأي نظام مكيف لمراقبة الإشارات، وتجهز التقاطعات الحديثة بمزيج من أجهزة الاستشعار:

أجهزة كشف عن حلقات الاستعلام التي تم إدخالها في نظام الرصيف والعد.
كاميرات الفيديو مع خوارزميات الرؤية الحاسوبية تكتشف المركبات وتصنفها وتتعقب الحركة
وتوفر أجهزة استشعار الرادار والليدر مواقع وسرعات عالية الاستبانة للمركبات.
ويمكن أن تنقل بيانات المركبات الموصلة (V2X) مواقع النظام العالمي لتحديد المواقع بدقة والمسارات المقصودة.

وتُجمع هذه البيانات في جهاز التحكم بالقطع، الذي كثيرا ما يكون فيه أقل من 100 ميل ثانية، لتشكل الدولة الحالية.

التمثيل الحكومي

يجب على الدولة أن تلتقط جميع المعلومات ذات الصلة لاتخاذ قرار جيد، وتشمل الحالة النموذجية للتداخل المعزول ما يلي:

عدد المركبات المصفورة لكل مسار أو نهج.
وقد انقضت مرحلة الإشارة الحالية والوقت في تلك المرحلة.
معدلات وصول المركبات من أجهزة الكشف عن المواقع (التنبؤات القصيرة الأجل).
أزرار اتصال المشاة وحالتها الحالية
أعلام عن وقت النهار أو الأحداث الخاصة (مثلاً، استباق المركبات في حالات الطوارئ).

وللإبقاء على حيز الدولة قابلاً للإدارة، كثيراً ما يفرق المهندسون التدفقات إلى مستويات (مثلاً، منخفضة أو متوسطة أو عالية) أو يستخدمون ناقلاً ثابتاً من طولات التساؤلات.() ويُرصد تصميم جيد لأرصدة تمثيل الدولة بدقة مع قابلية السحب الحسابية.

عملية اتخاذ القرارات وبرنامج الديناميكية

وفي كل قرار من القرارات )كل ثانية من ١ إلى ٥ ثوان(، تقوم إدارة شؤون الإعلام بتقييم جميع المزيجات الممكنة لمرحلة الإشارة، ويختلف عدد المراحل الممكنة: تقاطع بسيط من أربع مراحل )شمالي جنوبي غربي، شرق غربي، شرق غربي( قد يكون له انتقالات مسموح بها ٦ إلى ٠١، وتحسب إدارة شؤون الإعلام التكلفة الإجمالية المتوقعة لكل إجراء على ]الأفق/١[:

ووظيفــة التكاليــف حاسمة، وتشمل الأهداف المشتركة ما يلي:

Minimize total vehicle delay] (seconds).
Minimize number of stops] (التي تسبب نفايات الوقود والانبعاثات).
Maximize throughput] (vehicles served per unit time).
Weighted combination] of delay, stops, and emissions with priorities.

وتحسب إدارة شؤون الإعلام الإجراء الأمثل عن طريق حل معادلة بيلمان المثلى، إذ يمكن أن تصبح هذه العملية عملية قرار ماركوف، وتسفر عملية حل إدارة الشؤون السياسية عن رسم خرائط للأعمال، ويمكن حساب هذه السياسة خارجها وتخزينها في جدول للبحث عن نهج في الوقت الحقيقي، أو حلها على شبكة الإنترنت.

الهدف: الحد من الاختلاط وتوقيت الانتظار

والهدف النهائي هو تقليص الوقت المهدر لجميع مستخدمي الطرق، وقد أظهرت الدراسات أن التحكم الدينامي في الإشارات القائمة على البرمجة يمكن أن يقلل متوسط تأخير المركبات بنسبة تتراوح بين 20 و 40 في المائة مقارنة بالإشارة الثابتة التوقيت، وبنسبة 10 إلى 15 في المائة مقارنة بأجهزة التحكم الأكثر بساطة، وبالنسبة لتداخل كبير في المدن يحمل 000 50 مركبة يوميا، مما يترجم إلى آلاف الساعات التي يوفر فيها السفر سنويا.

وعلاوة على ذلك، فإن النظم القائمة على إدارة شؤون الإعلام، بتقليل عدد التوقفات ومدة التوقف، تخفض استهلاك الوقود بنسبة تتراوح بين 10 و25 في المائة وتخفض انبعاثات ثاني أكسيد الكربون والثديوكس بنسبة متناسبة، وهذه الفوائد البيئية تزداد أهمية بالنسبة للمدن التي تسعى إلى تحقيق الأهداف المناخية.

فوائد استخدام البرمجة الدينامية لعلامات المرور

ويحقق اعتماد برامج دينامية في مراقبة إشارات المرور طائفة واسعة من المزايا التشغيلية والمجتمعية.

تحسن تدفق حركة المرور

وتكيف الخوارزميات التي تستخدمها إدارة شؤون الإعلام باستمرار الأوقات الخضراء بحيث تضاهي الطلب في الوقت الحقيقي، وتمنع الخضروات المهدرة التي تحدث عندما تبقى الإشارة خضراء في مسار فارغ بينما تتراكم حركة المرور عبر الحدود، مما يؤدي إلى سرعة أكثر سلاسة وأكثر اتساقاً وإلى تباطؤ أقل مفاجئ.

انخفاض الازدحام في ساعات بيك

وخلال ساعات العجلة، يتجاوز الطلب كثيرا القدرة، ويساعد البرنامج الإنمائي عن طريق الموازنة بين الاختناق عبر النُهج: وقد يعطي وقتا أخضرا إضافيا للاتجاه الأكثر كثافة إلى أن تُخلي زجاجة من أسفل المجرى، ثم يتحول إلى تخفيف نهج آخر، وهذا التوازن الدينامي يحول دون الانسكاب إلى مقاطعات وحواجز في أعلى المجرى.

الاستجابة التكيفية للظروف المتغيرة

ونظرا لأن إدارة شؤون الإعلام تعيد تقييم كل ثانية، فإن النظام يستجيب فورا للحوادث أو الأحداث الخاصة أو الطفرة المفاجئة في حركة المرور، مثلا، إذا تم وقف الممر بسبب حادث، فإن إدارة شؤون الإعلام ستكتشف القدرة المنخفضة وتكيف المراحل لتحويل حركة المرور أو توسيع نطاق الأخضر الموازي.

وفورات الطاقة والبيئة

وتُقدر وزارة الطاقة في الولايات المتحدة أن استخدام إشارات المرور على الوجه الأمثل يمكن أن ينقذ متوسط سعر الغيلان البالغ 40 جالون من البنزين سنويا ويخفض الانبعاثات المرتبطة به.() وتزيد النظم القائمة على إدارة شؤون الإعلام من هذه الوفورات عن طريق الحفاظ على التوقيت الفعال حتى خلال فترات التوقف عن العمل عندما تكون الخطط الثابتة غير متحفظة في كثير من الأحيان.

Scalability to Networks

وفي حين أن إدارة الشؤون السياسية تطبق على التقاطعات المعزولة، فإن نفس المبادئ يمكن توسيع نطاقها لتشمل مراقبة الممرات أو الشبكات باستخدام تقنيات التحلل (مثل تنسيق التقاطعات المتاخمة عن طريق تبادل تدفق الحدود)، مما يسمح للمدن بنشر السيطرة القائمة على أساس إدارة الشؤون السياسية تدريجيا، بدءا بأشد المعالم احتياجا.

التحديات والحدود

وعلى الرغم من نداءها النظري، فإن تنفيذ البرمجة الدينامية في نظم حركة المرور في العالم الحقيقي يواجه عقبات عديدة.

التعقيد الحاسوبي

إن لعنة البعد هي أكبر عقبة، إذ أن هناك تقاطعاً مع ثمانية نُهج، لكل منها خمسة مستويات استواء ممكنة، يخلق حيزاً حكومياً يبلغ 58 = 625 390 ولاية، ويضاعف بأربع مراحل وأفق تخطيطي لعشرة خطوات لاتخاذ القرارات، ويصبح البرنامج مكلفاً حسابياً.

تجميع الدولة أو رد الفعل (مثل تجميع مجموعات من الاستفسارات المماثلة).
برمجة دينامية تقريبية تستخدم التقريب بين المهام أو الشبكات العصبية.
تسارع برامجيات البرمجيات الصلبة عن طريق وحدات التجهيز العالمي أو المجهزين المكرسين.

التكامل مع الهياكل الأساسية القائمة

ومعظم المدن لديها أجهزة مراقبة للإشارة قديمة منذ عقود وهي تدير برامجيات ملكية، ولكن ردها إلى الوحدات التي تعمل فيها إدارة الشؤون السياسية مكلف، ومن النهج العملي أكثر إضافة حاسوب حافة يتواصل مع القائم بالتحكم عن طريق البروتوكولات الموحدة (البرنامج الوطني للأخشاب المدارية، نظام رصد الملوثات العضوية الثابتة)، غير أن أجهزة التحكم في الإرث قد تكون لديها مرونة محدودة في التوقيت أو حافلات اتصال بطيئة.

نوعية البيانات وإمكانية الاعتماد عليها

ويعتمد البرنامج على معلومات دقيقة عن الوقت الحقيقي، إذ يفشل المحررون، ويمكن حجب كاميرات الفيديو بالضباب أو غلاف الشمس، ولا يزال اختراق المركبات المتصل به منخفضا، ويجب أن تتضمن النظم الآلية دمج البيانات وكشف الأخطاء لمعالجة القياسات المفقودة أو المزعجة بشكل معقول، وبدون بيانات موثوقة، ستنتج إدارة شؤون الإعلام توقيتات دون المستوى أو حتى غير آمنة.

عوامل السلامة والإنسان

ويجب أن تعطي مراقبة إشارات المرور الأولوية للسلامة قبل كل شيء.() ومن شأن الخوارزميات التي تقصر بشدة الزمن الصفراء أو تتخطى المراحل لتحقيق أقصى قدر من التدفق أن تزيد من مخاطر الحوادث، ولذلك يجب أن يُنفّذ أي تنفيذ من جانب إدارة شؤون الإعلام الحد الأدنى من فترات التطهير الخضراء والأصفر وجميعها مُحددة بـ ] معايير MUTCD ، علاوة على ذلك، يجب حماية المشاة والأعاصفة على ذلك من السيرة على مراحل مُكَّة.

متطلبات الحاسوب في الوقت الحقيقي

ويجب أن تُحدث إدارة شؤون الإعلام إجراءً في غضون الفترة من 1 إلى 5 ثوانٍ تقريباً، وبالنسبة لأماكن حكومية كبيرة، قد تكون إدارة شؤون الإعلام بطيئة للغاية، وقد طور الباحثون رولينغ Horizon Control]، حيث تحل إدارة الشؤون السياسية الأفق الأقصر (مثل 10 إلى 15 ثانية) وتعيد تخطيط كل خطوة، وتخفض إلى أقصى حد ممكن السياسة الافتراضية.

الاتجاهات المستقبلية: النهج الهجينة والتعلم في مجال الآلات

ومن المرجح أن يدمج الجيل القادم من مراقبة إشارات المرور الذكية البرمجة الدينامية مع التعلم الآلاتي للتغلب على القيود الحالية وتحقيق إدارة أذكى.

تعزيز التعلم (RL) وبرنامج الديناميكية

ويرتبط التعلُّم في مجال الإنفاذ ارتباطاً مباشراً بإدارة السياسات: حلّ كلاً من برامج التنمية المتوسطة الأجل، ويمكن أن تُعالج الخوارزميات الحديثة في أعماق الأراضي (مثل الـ دي كي إن، وPPO، وSAC) أماكن حكومية عالية الأبعاد باستخدام شبكات العزل لتقارب وظيفة القيمة أو سياسة القيمة، ويمكن لهذه الأساليب أن تتعلم السياسات المثلى من البيانات المحاكاة أو التاريخية دون وضع نماذج واضحة لتوزيعات الوصول.

وتستخدم النظم الهجينة إدارة الشؤون السياسية لتوفير خط أساس قوي أو لتوجيه الاستكشاف، بينما تنقح شركة RL السياسة من خلال إجراء التجارب في المحاكاة، وعلى سبيل المثال، يمكن استخدام سياسة إدارة العمليات المتعلقة بنموذج مبسط لاستهلال عامل من عناصر RL، وتسريع التدريب وضمان السلوك الآمن.

المراقبة الافتراضية مع الاستقبال القصير الأجل

ويتيح الجمع بين إدارة الشؤون السياسية ونماذج التنبؤ بالتعلم الآلي (مثل الشبكات العصبية لتدفق حركة المرور) للنظام توقع حدوث زيادات، وبدلا من الرد على عملية البناء، يمكن لإدارة شؤون الإعلام أن تعدل التوقيتات قبل تعديلها لاستيعاب الفصائل المتوقعة، وهذا النهج، الذي يسمى ]]] معدلات التنبؤ بالتنبؤات ، يستخدم في المستقبل كمصدر للبرمجيات.

وقد أظهرت عدة محاكمات ميدانية أن إشارات المرور القائمة على أساس MPC تفوق نظم رد الفعل المحضة، لا سيما في الممرات التي بها فصائل متزامنة، وقد حققت دراسة حالة في بيتسبرغ باستخدام نظام ] Rapid Flow Technologies Surtrac () (استنادا إلى إدارة الشؤون السياسية و RL) انخفاضا بنسبة 25 في المائة في وقت السفر و 21 في المائة في الانبعاثات.

التنسيق بين الأجهزة المعنية والبيانات الضخمة

ويمكن أن تؤدي مراقبة حركة المرور في المستقبل إلى استخدام الحوسبة السحابية لتنسيق مئات التقاطعات في الوقت الحقيقي، حيث يدير كل تقاطع إدارة محلية لتحكمها، ولكن الخواديم السحابية تقارن أفضل المقابض وتسلسلات المراحل لممرات بأكملها باستخدام الترميز العالمي (مثل استخدام إدارة الشؤون السياسية في مشكلة التنسيق مع نموذج مركب).

الدمج مع المركبات المستقلة

ومع تزايد تغلغل المركبات المستقلة، يمكن أن تتطور إشارات المرور، ويمكن توسيع نطاق إدارة شؤون الإعلام لتشمل الاتصالات بين المركبات وبين الهياكل الأساسية، مما يتيح الإشارة إلى أن تضبط المركبات سرعة وصولها إلى النوافذ الخضراء، ومن ثم فإن إدارة شؤون الإعلام لا تتحكم في مراحل الإشارة فحسب، بل أيضا في السرعة المقترحة للمركبات ذات الصلة، مما يؤدي إلى تحقيق أفضل قدر من التعاون الذي يُقلل من سرعة الصنع مع تقليل التوقفات إلى أدنى حد.

خاتمة

وتتيح البرمجة الدينامية نهجا صارما يستند إلى أساس الرياضي في مراقبة إشارات المرور الذكية، إذ تقوم إدارة الشؤون السياسية بنموذج التقاطع باعتباره عملية تتابعية لاتخاذ القرارات وحل السياسات المتعلقة بالتوقيت الأمثل، وتخفض الازدحام والانبعاثات وفترات السفر بدرجة كبيرة، وتستمر عمليات النشر والبحوث في العالم الحقيقي في دفع الحدود، وتتصدى للتحديات المتمثلة في التعقيدات الحسابية، والموثوقية الحسية، والتكامل من خلال أساليب الهجين.

وبالنسبة للمدن التي تكافح مع القفل، فإن الاستثمار في مراقبة الإشارات القائمة على أساس إدارة الشؤون السياسية هو استراتيجية عالية الغضب، وهي تستخدم الهياكل الأساسية القائمة للاستشعار ويمكن نشرها تدريجياً، مع ارتفاع الانتكاسات الفورية في التنقل والاستدامة، ومع تزايد الطلب على حركة السكان في المناطق الحضرية وتكثيف الطلب على حركة المرور، ستظل البرمجة الدينامية حجر الزاوية في نظم النقل الذكية - التي تكيف وتتعلم وتنسق لإبقاء الناس تتحرك بكفاءة.