تطبيق الاستخدام الأمثل المتعدد الجوانب في تصميم نظم مراقبة الحركة

إن نظم مراقبة إشارات المرور التصحيحية تشكل العمود الفقري لإدارة حركة المرور الحضرية الحديثة، وعلى عكس الإشارات الثابتة الزمن التي تعمل على جداول محددة سلفاً، فإن النظم التكييفية تكيف باستمرار توقيتات الإشارات استناداً إلى بيانات آنية من أجهزة كشف المركبات والكاميرات وغيرها من أجهزة الاستشعار، والهدف هو الحد من الازدحام وتحسين السلامة وتقليل التأثير البيئي إلى أدنى حد، غير أن تصميم هذه النظم ينطوي على تحد أساسي: زيادة عدد المركبات المتنافسة في آن واحد.

فهم الاستخدام الأمثل المتعدد الأغراض

ويعالج التفسير المتعدد الجوانب المشاكل التي تنطوي على وظيفتين أو أكثر من الوظائف الموضوعية التي يتعين أن تُؤدَّى إلى الحد الأمثل في الوقت نفسه، وفي العالم الحقيقي، تكون هذه الأهداف غير قابلة للاستمرار وكثيرا ما تكون متناقضة، ففي مراقبة حركة المرور، مثلا، من المستحيل التقليل في الوقت نفسه من متوسط التأخير والإنبعاثات الإجمالية باستخدام خطة توقيت إشارة واحدة لأن التدابير التي تخفف من التأخير (مثلا، طول الدورات القصيرة) تميل إلى زيادة الانبعاثات عند التوقف والرفع.

ويمكن القول من الناحية المواضيعية، إن مشكلة متعددة الجوانب تتعلق بالتفاؤل يمكن أن تُذكر على النحو التالي:

Minimize (or maximize) F(x) = [f₁(x), f_]2(x), ..., f_]m(x)]
setsubject to x ⁇ ,

وبدلاً من إيجاد حل أمثل، تُنتج وزارة الخارجية مجموعة من الحلول المعروفة باسم Pareto opt] أو ]حلول غير مهيمنة ، والحل هو " Pareto " الأمثل إذا لم يكن بالإمكان تحسين أي هدف دون أن يسوء هدف آخر على الأقل.

فالطرق التقليدية مثل نهج المبالغ المرجحة تحول أهدافا متعددة إلى هدف واحد عن طريق تحديد الأوزان، ولكنها لا تستطيع إلا أن تجد مجموعة فرعية محدودة من جبهة باريتو، كما أن طرقاً أكثر تقدماً - خامسة للثورة، مصممة خصيصاً لاكتشاف الجبهة بأكملها في مسار واحد، مما يجعلها مثالية لمشاكل معقدة في العالم الحقيقي مثل مراقبة إشارات المرور.

الأهداف في مراقبة الإشارات الإيجابية

ويبدأ تصميم نظام للإشارة التكييفية بتحديد الأهداف، وتشمل الأهداف المشتركة ما يلي:

• Minimizing vehicle delay] - the average time vehicles spend waiting at intersections.
• Minimizing number of stops] – reducing stop-and-go traffic increases comfort and reduces wear on vehicles.
• تحقيق أقصى قدر من الناتج - عدد المركبات التي تمر عبر تقاطع زمني لكل وحدة.
• Reducing fuel consumption and emissions] — particularly CO_]2], NO_x, and particulate matter.
• Improving pedestrian safety] - ensuring adequate crossing times and reducing conflicts.
• Transit priority] - giving preferential treatment to buses and trams.
• Emergency vehicle preemption] - clearing paths for fire trucks, ambulances, and police.

ويمكن التعبير عن كل هدف على أنه وظيفة من وظائف طول دورة تحديد التوقيت، وفترات الانقسام، وقابلية التقاطعات، وتسلسل المرحلة، وبالنسبة لممر أو شبكة، قد ترتفع متغيرات القرار في المئات، مما يخلق حيزاً للبحث العالي الأبعاد.

التجارة بين الأهداف

وهناك توتر مشترك بين التدنية والتقليل من الانبعاثات، إذ أن طول مدة دورة طويلة يميل إلى تخفيض عدد المسابقات التي تجريها الفصيلة، مما يقلل من توقفها وانبعاثاتها، ولكنه يزيد من وقت انتظار المركبات التي تصل بعد بدء الإشارة الحمراء مباشرة، وبالمثل، فإن توفير فترات عبور المشاة الطويلة يزيد من درجة الأمان، ولكنه يقلل من القدرة على حركة المركبات.

Evolutionary Multi-Objective Algorithms for Traffic Signal Control

وقد طبقت بنجاح عدة خوارزميات تطورية على استخدام إشارات المرور على الوجه الأمثل، وهي مناسبة تماما لأنها تستطيع التعامل مع الوظائف غير المباشرة والمتعددة الوسائط، وتقييد المهام الموضوعية دون الحاجة إلى معلومات متفاوتة.

Algorithm الوراثي غير المهيمن (NSGA-II)

NSGA-II, introduced by Deb et al. in 2002, is one of the most widely used algorithms. It incorporates:

• سرعة فرز الحلول غير المهيمنة وفقاً لهيمنة باريتو
• تحشد المسافة للحفاظ على التنوع على طول جبهة باريتو.
• النزعة الوطيدة للحفاظ على أفضل الحلول عبر الأجيال.

وفي مجال مراقبة إشارات المرور، يمكن أن يولد برنامج العمل الوطني الثاني مجموعة من خطط توقيت الإشارة التي تمثل مبادلات مختلفة بين، وقول، وإبطاء، وانبعاثات، وطبيعة هذا النظام السكاني تسمح للمهندسين بتقييم العديد من البدائل في آن واحد، وللاطلاع على وصف مفصل، انظر الورقة الأصلية: ] A Fast and Elitist Multiobjective Genetic Algorithm: NSGA-II .

Algorithm المؤثرة المتعددة على أساس التحلل (MOEA/D)

وتقضي وزارة الشؤون الاقتصادية/إدارة الشؤون الاقتصادية والاجتماعية بمشكلة متعددة الجوانب في عدد من المقاصد الفرعية ذات الصبغة الواحدة باستخدام ناقلات الوزن، وقد تبين أنها تعمل بشكل جيد على المشاكل العالية الأبعاد ويمكن أن تكون أكثر كفاءة من النهج القائمة على الهيمنة، وبالنسبة لشبكات المرور التي لها العديد من أوجه الترابط، تساعد استراتيجية إزالة الألغام من الألغام/الإدارة على توسيع نطاق واسع في المهام ذات الاستخدام الأمثل.

الاستخدام الأمثل للجسيمات السواحل المتعددة الأغراض

ويستخدم الإحراق الكيميائي على الوجه الأمثل مجموعة من الجسيمات التي تنتقل عبر حيز البحث استنادا إلى أفضل المواقع الشخصية والعالمية، وفي متغيره المتعدد الجوانب، يتوفر محل محفوظات خارجي غير مهيمن عليه حلولا، وكثيرا ما يزدهر بسرعة ويصبح فعالا بالنسبة للبيئات الدينامية، مما يجعله جذابا بالنسبة للتحكم التكييفي في الوقت الحقيقي حيث تتغير ظروف المرور دقيقة.

المقارنة والصلاحية

وفي حين أن برنامج العمل الوطني الثاني قوي ومحدد على نطاق واسع، فإن وزارة التعليم/إدارة الشؤون الاقتصادية والاجتماعية يمكن أن تكون أكثر كفاءة في مواجهة المشاكل ذات الأهداف القابلة للفصل، فإن المكتب جذاب بشكل خاص عندما تكون السرعة الحسابية حاسمة، إذ أن العديد من النظم الحديثة للتكيف تجمع بين خوارزميات متعددة أو تستخدم نهجا هجينا، ويتوقف الاختيار على الأهداف المحددة وحجم الشبكة والموارد الحاسوبية المتاحة في مركز إدارة حركة المرور.

عملية تصميم وتنفيذ نظام تكييفي يستخدم نظاماً متعدد الأطراف

ويتبع تدفق العمل لنشر نظام متعدد الجوانب لمراقبة الإشارات التكيفية عدة مراحل، كل منها يواجه تحديات تقنية متميزة.

1- جمع البيانات والنمذجة

وتُعد بيانات المرور الدقيقة الأساس، إذ توفر أجهزة الكشف عن الثغرات المستقاة، وأجهزة الاستشعار بالرادار، والكاميرات، وأجهزة الكشف عن بلو توث/وي-فاي، تدابير لحجم حركة المرور وسرعة العمل وفترات السفر، وفي عمليات النشر الحديثة، توفر بيانات مركبة متصل بها (مثلا من المركبات المجهزة بنظام تحديد المواقع) بيانات مسارية عالية الاستبانة يمكن استخدامها في نماذج قياسية للمقاييس الدقيقة.

وتستخدم أدوات المحاكاة الدقيقة مثل الوحدة الخاصة (تحفيز الحركة الحضرية)، أو نظام المعلومات المسبقة عن علم، أو أيموسون لإيجاد توأم رقمي لشبكة المرور، وتحفيز هذه النماذج تحركات المركبات باستخدام أسلوب تبادل لاتجاهات السيارات، وربط السيارات، واتباع سلوك متقاطع، وتحسب الأهداف (التأخر، والانبعاثات، وما إلى ذلك) من ناتج المحاكاة.

ومن الخطوات الهامة تحديد الأفق الأمثل - أي مدى بعيد في المستقبل إذا ما أريد أن تُحدَّد خطة الإشارة على النحو الأمثل؟ وبالنسبة للتحكم التكييفي في الوقت الحقيقي، فإن الأفق المتجدد الذي يتراوح بين 5 و15 دقيقة هو أمر نموذجي، فآفاق أطول تزيد من العبء المحسوب ولكنها يمكن أن تُثمر خططا أفضل في ظل حركة مرور مستقرة.

2 - تعريف الأداء الموضوعي والعقبات

ويجب أن يصاغ كل هدف على أنه وظيفة قابلة للحساب، فعلى سبيل المثال، يمكن حساب التأخير الكلي على جميع المركبات كمجموع الفرق بين وقت السفر في الرحلات الحرة والوقت الفعلي للسفر، ويمكن تقدير الانبعاثات باستخدام نماذج للانبعاثات في شكل طرائق مثل نموذج PHEM (Passenger Car and Heavy-Duty Emission Model) أو MOVES (Motor Vehicle Emissions Simulator).

3- التفعيل الأمثل المتعدد الجوانب

ويولد محرك الترميز الأمثل، الذي يدير برنامج العمل الوطني الثاني، أو وزارة التعليم/الإدارة، أو خوارزمية أخرى، مجموعة من خطط التوقيت المثلى في باريتو، وبالنسبة لتداخل واحد، يمكن تقسيم متغيرات القرار تدريجيا؛ وبالنسبة للممر المنسق، تشمل المكافآت وطول الدورات، ويهرب الخوارزم باستخدام أنماط حركة المرور التاريخية، ثم يخزن واجهة باريتو على النحو الأمثل للاختيار على الإنترنت.

4- صنع القرار واختيار الخطة

ومع توفر واجهة باريتو، يختار مدير حركة المرور (أو نظام آلي) خطة تتطابق على أفضل وجه مع الأولويات الحالية، ويمكن القيام بذلك من خلال:

• القياس المرجح: اختيار الحل الذي يقلل إلى أدنى حد من مجموع الأهداف المرجحة، مع إعطاء وزن يعكس السياسة العامة.
• برمجة الأهداف: اختيار الخطة التي تقترب من تحقيق القيم المستهدفة لكل هدف.
• الطرائق التفاعلية: يمكن للمشغل أن يستكشف بصريا سطح المبادلات باستخدام أداة لدعم القرار.

وفي نظم التكيف، يمكن للاختيار أن يتغير تغيرا ديناميا على أساس وقت العمل أو يوم الأسبوع أو الحوادث في الوقت الحقيقي.

5- التنفيذ والتغذية المرتدة

ويقوم بتنفيذ خطة التوقيت المختارة متحكم الإشارة، وتُدرج بيانات الأداء في الوقت الحقيقي في النظام من أجل تنقيح نموذج المحاكاة وتحديث واجهة باريتو، ويمكن استخدام تقنيات التعلم في مجال الآلات للتنبؤ بدول المرور القريبة من الأثاث، وبدء إعادة التشغيل قبل تدهور الظروف.

التطبيقات العالمية الحقيقية ودراسات الحالات الإفرادية

وقد نشرت عدة مدن مراقبة متعددة الأهداف للإشارة التكييفية بفوائد قابلة للقياس.

نظام لوس أنجلوس

وقد تجاوز نظام مراقبة ومراقبة حركة المرور الآلي في لوس أنجلوس 000 4 تقاطع مشار إليه، وهو يستخدم خوارزمية للتحكم التكييفي توازن بين التأخير والناتج والانبعاثات، وأفادت دراسة أجرتها إدارة النقل بالمدينة عن انخفاض وقت السفر بنسبة 12-15 في المائة وتخفيض الانبعاثات بنسبة 10 في المائة خلال ساعات الذروة، ويكيف النظام باستمرار خططا تستند إلى بيانات كشفية وتشمل أحدث الوظائف ذات الأولوية في المدينة.

موجة كوبنهاغن الخضراء مع التوازن المتحرك

وقد حقق كوبنهاغن أفضل ممراته للموجات الخضراء الدراجة بمعالجة التأخير في استخدام الدراجات الدورية كهدف مستقل، إذ إن النظام، باستخدام الاستخدام الأمثل المتعدد الجوانب، يوفر التنسيق لدوائر المركبات مع الحفاظ على تأخير المركبات في حدود مقبولة، ونتيجة لذلك، كانت زيادة بنسبة 20 في المائة في ممر الدراجات، وانخفاض بنسبة 15 في المائة في وقت السفر في الدراجات، دون أن يتفاقم بدرجة كبيرة حركة السير في السيارات.

دراسة محاكاة عن ممر في هانغزو

وقد قام الباحثون بتطبيق نظام NSGA-II على ممر ذي ستة أجزاء في هانغزو، الصين، بهدف التقليل إلى أدنى حد من التأخير واستهلاك الوقود، وكشفت جبهة باريتو عن حدوث مفاضلات كبيرة: فخفض بنسبة 10 في المائة في التأخير يمكن أن يزيد استهلاك الوقود بنسبة 8 في المائة، وتمكنوا، باختيار حل متوازن، من تحقيق تخفيض بنسبة 7 في المائة في كل من التدابير مقارنة بالتحكم القائم في الوقت الراهن، وأبرزت الدراسة أن الحلول غير المهيمنة غالبا ما تكون ذات معايير مفضل.

For further reading on the application of evolutionary multi-objective optimization to traffic control, see the comprehensive survey: Multi-objective optimization for traffic signal control: a survey].

الفوائد والتحديات

فوائد استخدام الاستخدام الأمثل المتعدد الأغراض

• Explicit trade-off management]: يمكن للمهندسين أن يروا بالضبط كيف يؤدي تحسين هدف واحد إلى تدهور الآخرين، مما يتيح اتخاذ قرارات مستنيرة.
• Flexibility]: ينتج نفس المستوى الأمثل مجموعة من الخطط، ويمكن اختيار أفضل واحد في الوقت الحقيقي على أساس الأولويات المتغيرة (مثل التحول إلى خفض الانبعاثات إلى أدنى حد خلال إنذار جودة الهواء).
• Improved overall system performance]: Because all relevant objectives are considered, the final plan avoids hidden negative side effects that single-objective optimization might cause.
• Scalability]: With appropriate algorithms, the approach can be extended from single intersections to large networks.

التحديات في التنفيذ

• Compputational complexity]: توليد واجهة من طراز Pareto من أجل شبكة كبيرة ذات أهداف كثيرة يمكن أن يتطلب آلاف عمليات المحاكاة.
• Data quality and calibration]: يجب أن يعكس نموذج المحاكاة بدقة حركة المرور الحقيقية، ويؤدي ضعف المعايرة إلى وضع خطط تضعف الأداء في الميدان على النحو الأمثل، ولا بد من توافر بيانات عالية الجودة ومواصفات مستمرة.
• Dynamic traffic conditions]: قد تصبح جبهة باريتو المتولدة من بيانات تاريخية دون المستوى الأمثل عندما تتغير أنماط المرور فجأة (مثلا بسبب حادث).
• Stakeholder acceptance]: قد يحتاج مديرو حركة المرور المعتادون على أساليب ذات وجهة واحدة إلى التدريب للثقة واستخدام أدوات دعم القرارات المتعددة الجوانب، وبالإضافة إلى ذلك، قد يختلف أصحاب المصلحة (مثل سلطات العبور ضد الوكالات البيئية) على أي خطة للانتشار، مما يتطلب إطاراً للإدارة.

الاتجاهات المستقبلية

إن تحقيق الاستخدام الأمثل المتعدد الجوانب لمراقبة إشارات المرور المكيفة هو مجال سريع التطور، وتشمل الاتجاهات الناشئة ما يلي:

التكامل مع التعلم في مجال الآلات

ويمكن أن يتعلم وكلاء التعلّم عن تعزيزات عميقة التحكم في إشارات المرور مباشرة من البيانات، وقد وسعت البحوث الأخيرة نطاق مشروع القانون المتعلق بمكافحة الاتجار بالبشر ليشمل البيئات المتعددة الجوانب باستخدام وظيفة التصعيد أو تدريب وكلاء متعددين، يحقق كل منهم هدفا مختلفا على النحو الأمثل، ويتمثل التحدي في مواصلة استكشاف المفاضلات مع ضمان الاستقرار في بيئة غير ثابتة.

المركبات إلى الهياكل الأساسية (V2I) الاتصالات

ويمكن للمركبات المجهزة بالأجهزة الآلية أن توفر بيانات دقيقة عن مسارات المركبات، مما يتيح إجراء عمليات حساب أكثر دقة للانبعاثات والتحكم بالتنبؤ، ويمكن أن يشمل الاستخدام الأمثل المتعدد الجوانب الطلبات الفردية للمركبات (مثل حافلة تطلب الأولوية) كقيود أو أهداف.

القدرة على التكيف والتفاوت المتعدد الوسائط

وسيتعين على النظم المستقبلية أن تعالج حالات التعطل (الطقس الخارجي، والأحداث الخاصة) وأن تُحدّد إلى أقصى حدٍّ من الأساليب المتعددة (السيارات، والدراجات، والمشاة، والمفترسين) في آن واحد، وتمتد التركيبات المتعددة الأبعاد بطبيعة الحال لتشمل أهدافاً مثل زيادة ناتج التنقل المشترك إلى أقصى حد، أو التقليل إلى أدنى حد من التفاوت في أوقات الانتظار عبر مختلف فئات المستخدمين.

على الإنترنت تحقيق التعظيم عن طريق الميثاهوريات

ومع التقدم المحرز في مجال التجهيز الحسابي والدقيق الموازي، أصبح من الممكن الآن تشغيل الميثوديسورات الخفيفة الوزن (مثلاً، مكتب دعم البعثة) على مستوى المتحكم كل بضع دقائق، مما يسمح للنظام بالتكيف مع التقلبات في الوقت الحقيقي دون الاعتماد على واجهة بريتو الجاهزة.

خاتمة

وتوفر الإدارة المثلى المتعددة الجوانب إطاراً مبدئياً وقوياً لتصميم نظم مراقبة إشارات المرور التكيّفية التي توازن بين المطالب المتنافسة من الكفاءة والسلامة والأثر البيئي، ومن خلال إيجاد مجموعة من الحلول المثلى، يمكن لمهندسي الحركة أن يستكشفوا عن طريقهم المناظرة ويختاروا خططاً تتلاءم مع أهداف السياسة العامة في أي وقت.