Univerza v Ljubljani Fakulteta za elektrotehniko
Žan Brcar
Avtomatizacija pretoka urbanega cestnega prometa
Diplomsko delo
Visokošolski strokovni študijski program prve stopnje Aplikativna elektrotehnika
Mentor: doc. dr. Gorazd Karer
Ljubljana, 2021
iii
Zahvala
Zahvaljujem se podjetju Asist d.o.o. in vsem zaposlenim, ki so mi strokovno svetovali pri pisanju diplomske naloge. Velika zahvala gre tudi mentorju doc. dr.
Gorazdu Karerju za vse nasvete in usmeritve.
Hvala mojim cimrom, ki so poskrbeli za vse nepozabne dogodke v času študija in za vso motivacijo, ko je sam nisem imel. Zahvala gre tudi Lari, ki je priskočila na pomoč in poskrbela, da je moje diplomsko delo slovnično ustrezno.
Ne nazadnje gre ogromna zahvala še moji družini za vso podporo in pozitivne besede v času študija.
iv
v
Povzetek
Z razvojem tehnologije je v vzponu tudi razvoj semaforskih naprav. V ospredje vedno bolj prihajajo pametne semaforske naprave, ki delovanje prilagajajo glede na trenutno prometno situacijo. Vedno več razvoja se posveča razvoju naprav, ki bi omogočale čim večjo pretočnost prometa. Kljub vsem uporabljenim tehnologijam pa popolne pretočnosti ne moremo doseči zaradi velikega povečanja števila avtomobilov, predvsem v mestih.
V diplomskem delu smo opisali delovanje semaforske naprave in vgrajeno strojno opremo. Predstavili smo semaforske naprave, detektorje, ki sodelujejo pri prometno odvisnih križiščih, in nadzorni sistem v prometnem nadzornem centru. V nadaljevanju smo razložili osnovne izračune za zagotavljanje pravilnega prometnega programa in predstavili programski jezik za programiranje semaforske naprave.
Ključne besede: semaforska naprava, varnost, nadzorni sistem
vi
vii
Abstract
The development oftechnology has consequently affected the advancement of traffic lights. Smart traffic lights are gaining more and more importance since they adapt their operations according to the current traffic situation. Much effort has also been devoted to the development of devices that would enable the greatest possible traffic flow. However, despite all the technologies used, optimal traffic flow cannot be achieved due to the abundancy of cars, especially in cities.
The Diploma Thesis first describes traffic lights’ operations and installed hardware.
We present traffic light devices, detectors used in traffic-dependent intersections and control system for traffic control centres. Later on, we explain the basic calculations for ensuring the correct traffic program and present the appropriate programming language for traffic light devices.
Key words: traffic light devices, safety, control system
viii
ix
Vsebina
1. Uvod ... 1
1.1 Cilji diplomskega dela ... 2
1.2 Potreba po semaforskih napravah ... 2
2. Semaforska naprava ... 3
2.1 Krmilnik MRT20 4G ... 4
2.2 Semaforski izhodni modul ... 6
2.3 Modul PFM ... 8
2.4 Induktivni zančni detektor ... 9
2.5 Vhodno-izhodna enota na serijskem vodilu RS485 ... 10
3. Načrtovanje in programiranje semaforske naprave ... 11
3.1 Prometni program ... 11
3.2 Detektorji ... 14
3.2.1 Induktivni detektorji... 14
3.2.2 Video detekcija ... 15
3.2.3 Mikrovalovni detektor ... 16
3.3 Krmiljenje luči ... 18
3.4 Krmilni program ... 19
3.4.1 Jezik XML ... 20
3.4.2 Programski jezik za krmiljenje naprave ... 23
3.5 Nadzorni sistemi ... 24
3.6 Izračuni ... 27
4. Zaključek ... 31
Literatura... 33
x
Seznam slik
Slika 1: Krmilnik MRT20 ... 5
Slika 2: Semaforski izhodni modul ... 6
Slika 3: PFM modul ... 8
Slika 4: Induktivni zančni detektor ... 9
Slika 5: Vhodno-izhodna enota na serijskem vodilu RS485 ... 10
Slika 6: Grafični vmesnik za pisanje prometnega programa ... 12
Slika 7: Končni izgled prometnega programa ... 13
Slika 8: Induktivne zanke, vrezane v vozišče ... 14
Slika 9: Videodetekcijska kamera ... 15
Slika 10: Mikrovalovni detektor ... 16
Slika 11: Postavitev mikrovalovnega detektorja ob vozišču ... 17
Slika 12: Krmiljenje luči ... 18
Slika 13: Osnovni diagram nadzornega sistema[1] ... 24
Slika 14: Tipična strojna arhitektura nadzornega sistema [6] ... 25
Slika 15: Nadzorni sistem v prometnem nadzornem centru ... 26
Seznam tabel
Tabela 1 Tehnične specifikacije krmilnika MRT20 ... 4Tabela 2: Seznam vhodov, izhodov in vmesnikov na krmilniku MRT20 ... 5
Tabela 3: Tehnične specifikacije semaforskega izhodnega modula ... 7
Tabela 4: Tehnične specifikacije PFM modula ... 8
xi
Seznam uporabljenih okrajšav
V pričujočem diplomskem delu so uporabljene naslednje okrajšave:
AC – Alternating Current (slo. izmenični električni tok)
GSM – Global System for Mobiles (slo. globalni sistem za mobilne komunikacije) GUI – Graphical User Interface (slo. grafični uporabniški vmesnik)
IP – Internet Protocol address (slo.naslov internetni protokol)
PFM – Power Fail Monitor (slo. monitor za izpad električne energije) PLK – Programmable Logic Controller (slo. programirljivi logični krmilnik) RTU – Remote Terminal Unit (slo. oddaljena terminalna enota)
SCADA – Supervisory Control and Data Acquisition (slo. nadzorni sistem) XML – Extensible Markup Language (slo. razširljivi označevalni jezik)
xii
1
1. Uvod
V sodobnem času se je število vozil v prometu občutno povečalo, zato si ne predstavljamo več varne vožnje po cestah brez prometne signalizacije. Velik dejavnik za zagotavljanje varnosti in pretočnosti v cestnem prometu so tudi semaforske naprave. V večjih mestih je veliko semaforskih naprav, ki morajo biti usklajene in delovati z algoritmi, ki se prilagajajo prometnim konicam. V ta namen so bile razvite pametne semaforske naprave, ki omogočajo komunikacijo in nadzor v prometnem centru. Te semaforske naprave omogočajo koordinacijo med križišči za čim lažji potek prometa in so zgrajene modularno, kar omogoča veliko prilagojenost vsakemu križišču posebej. [5]
Vsaka semaforska naprava je unikaten izdelek, saj ni geometrijsko in programsko identičnih križišč. V sodelovanju s podjetjem Asist d.o.o. sem se tako dogovoril za predstavitev delovanja in izvedbo projekta, ki nam omogoča varno vožnjo v vsakdanjem življenju.
V prvem delu je predstavljena cilj diplomskega dela, zakaj je potreba po semaforskih napravah v urbanih mestih nujno potrebna.
Drugi del je namenjen predstavitvi posameznih elementov, njihovih lastnosti in zakaj se določeni modul uporablja pri izvedbi prometno odvisnih križišč.
Tretji del diplomske naloge zajema opis potrebne dokumentacije za izvedbo semaforiziranega križišča, opis krmilnega programa za delovanje naprave predstavitev jezika XML in izračuni za določitev prometnega programa.
2
1.1 Cilji diplomskega dela
Glavni cilj diplomske naloge je bil preučiti delovanje semaforske naprave, se spoznati z vsemi moduli, ki so vgrajeni v naprave, in s sistemi, ki sodelujejo z napravo. Vsakodnevni udeleženec v cestnem prometu se ne more zavedati, koliko dela je vloženega v izdelavo semaforske naprave in koliko posameznih dejavnikov vpliva na njeno pravilno delovanje. S tem občutkom sem se srečal tudi sam, zato sem želel delovanje semaforske naprave bolje spoznati.
Cilji diplomskega dela so predstaviti:
• module, ki nastopajo v napravah s svetlobno signalizacijo;
• izdelavo dokumentacije, ki je potrebna za izdelavo naprave;
• izdelavo programa za delovanje;
• nadzorni center za upravljanje;
• osnovne izračune določanja časov za udeležence v prometu.
1.2 Potreba po semaforskih napravah
Avtomobil je kljub velikim finančnim stroškom še vedno najbolj priljubljeno prevozno sredstvo. Iz tega razloga se je povečalo tudi število avtomobilov v urbanih naseljih, kar zelo obremenjuje mestne ceste in ulice. V času prometnih konic, ko je prometa na cesti največ, tako prihaja do efekta ozkega grla, za kar so največkrat kriva ravno križišča. Da omilimo tako dogajanje na križiščih in zagotovimo varnost udeležencem v prometu, postavimo svetlobno signalno napravo, ki prevzame vodenje prometa. Problem starih urbanih naselij je tudi zasnova križišč, saj včasih ni bilo problema s preveliko količino prometa in so zgradbe postavljali naključno. Če primerjamo staro in novo nastalo mesto, vidimo razliko v strukturi sestave prometne mreže. V novejših mestih so ulice postavljene pravokotno ena na drugo in tako tvorijo kvadratno prometno mrežo. Stara urbana naselja take strukture nimajo, zato je zagotavljanje pretočnosti veliko večji izziv. Mesta se zato poslužujejo križišč, ki imajo skupno vodenje. Kot koordinatorja si izberejo najbolj obremenjeno križišče.
Vsa križišča, ki so povezana s koordinatorjem, imajo enako dolžino ciklusa, pri čemer je trajanje faz lahko različno. Vsa ostala križišča imajo tudi določen zamik delovanja. S temi rešitvami zagotovimo zeleni val na najbolj prometnih vpadnicah v mestih. Če je križišče preobremenjeno, to posledično privede tudi do preobremenitve celotne prometne mreže. Do neke mere se pretočnost prometa lahko poveča z optimizacijo krmilnega programa križišča, od tu naprej pa je problem prometne politike, ki vpliva na razvoj prometa na določenem območju, regiji, državi oziroma v posamezni družbeni skupnosti. [2,5]
3
2. Semaforska naprava
Če hočemo zagotoviti tekoč, velik in kar se da varen pretok prometa skozi križišča, pri tem pa ni možnosti za postavitev krožnega križišča, se poslužujemo križišč s svetlobnimi signalnimi napravami. Postavimo jih na mesta, kjer imajo udeleženci v prometu kritične točke. Za začetek načrtovanja postavitve svetlobne signalne naprave se je smiselno prepričati, ali je to ukrep, ki bo zagotovil največjo možno varnost in pretočnost v prometu. Pri načrtovanju križišča s svetlobno signalizacijo je potrebnega veliko znanja z različnih področij, samo ena stroka ne more proizvesti končnega izdelka, zato je pri izvedbi takega projekta potrebno sodelovanje vseh vpletenih oseb v projektu, od načrtovanja do izvedbe. Tako kot ljudje morajo usklajeno (so)delovati tudi moduli, ki križišču omogočajo delovanje. Katere module za krmiljenje oziroma nadzor nad prometom bo izbralo podjetje, ki je zadolženo za izdelavo semaforske naprave je odvisno predvsem od želje naročnika in finančnih sredstev, ki so na razpolago za izvedbo. [7]
4
2.1 Krmilnik MRT20 4G
Za semaforsko napravo imamo na izbiro različne vrste krmilnikov, izbira pa je odvisna od potreb na križišču in od želj naročnika. Kako bo naprava zasnovana, je odvisno prav od izbire krmilnika, saj lahko uporabljamo krmilnike, ki so namenjeni montaži na DIN letev, ali pa krmilnike, ki so vgrajeni v stojalo za vgradne module.
V večino na novo izdelanih semaforskih omar se tako projektira krmilnik MRT20 (slika 1), ki je industrijska procesna enota, vgrajena v ohišje, prilagojeno za montažo na DIN letev. V krmilnik je možno dodatno vgraditi tudi telefonsko kartico, ki temelji na standardu GSM (ang. Global System for Mobiles). Možno je tudi izbirati, katero generacijo mobilnih telefonskih sistemov bo kartica uporabljala – na voljo sta 3. in 4. generacija. Za povezavo naprave z nadzornim centrom imamo na voljo dva načina, in sicer preko telefonske kartice ali preko vhoda Ethernet (ang. port).
Krmilnik z vhodno-izhodno enoto komunicira preko serijskega protokola RS485, ima pa tudi možnost priklopa do 6 vmesnikov RS232. Srce računalnika MRT20 je zmogljiv in energetsko učinkovit procesor Cortex A5, ki temelji na ARMv7 arhitekturi mikroprocesorja, zato na njem teče operacijski sistem Linux in distribucija Debian za arhitekture ARMelhf, ki vsebuje preko 3000 aplikacij. Zaradi velikosti podatkov rootfs1 operacijskega sistema Debian ni smiselno naložiti na flash pomnilnik, ampak na SD kartico, za katero ima krmilnik pripravljen vmesnik.[10]
Tabela 1 Tehnične specifikacije krmilnika MRT20
1 Rootfs je najosnovnejša komponenta in vsebuje vse kar je potrebno za polno podporo sistema Linux. Vsebuje vse aplikacije, konfiguracije, naprave in podatke.
Napajalna napetost 8–35 V ± 5 %, enosmerna
napetost Temperatura okolice med
obratovanjem
−25 °C do +70 °C
Baterija litijeva baterija 3–3,5 V
5 Slika 1: Krmilnik MRT20
Oznaka Opis
1 Napajanje Vmesnik RS485 Digitalni vhod
Digitalni izhod, ki ima zaščito proti kratkemu stiku 2 Vmesnik RS232
3 Vmesnik RS232 4 Vmesnik RS232 5 Vmesnik RS232 6 Relejski izhodi 7 Digitalni izhodi 8 Digitalni vhodi 9 Digitalni vhodi
10 Stikalo RUN-STOP-RESET 11 Priključni vmesnik USB 12 Priključni vmesnik RJ45 13 Priključni vmesnik RJ45
14 Priključni vmesnik RJ45 10/100/1000 Mbps – vmesnik Ethernet Gigabit 15 Priključni vmesnik RJ45 10/100 Mbps – vmesnik Ethernet
16 Priključni vmesnik mini USB
17 Konektor SMA za anteno (GSM/GPRS) 18 Reža za vstavitev kartice SIM (GSM/GPRS) 19 Reža za vstavitev kartice micro SD
20 Adapter za montažo na letev DIN35
Tabela 2: Seznam vhodov, izhodov in vmesnikov na krmilniku MRT20
6
2.2 Semaforski izhodni modul
Semaforski izhodni modul je 4-kanalna AC izhodna enota (slika 2). Njen glavni namen je nadzor prometnih svetlobnih signalov oziroma semaforskih glav, ki se uporabljajo za nadzor prometa na križiščih, v predorih, na cestninskih postajah, parkiriščih in gradbiščih. Modul podpira vse vrste splošno poznanih semaforskih glav:
• s standardnimi žarnicami (do 200 W),
• s halogenskimi žarnicami s transformatorjem,
• z LED diodami (z najnižjim tokom 5 mA).
Modul meri tok in napetost na vsakem izhodu posebej, kar nam omogoča pregled in določitev, ali žarnica na semaforski glavi deluje pravilno ali je prišlo do napake.
Programsko določimo, kakšna je lahko najmanjša poraba na izhodu, z meritvami lahko določimo tudi vrsto napake. V enoti je krmilnik, ki komunicira z ostalimi napravami po protokolu CAN in RS485, ima pa tudi Modbus RTU, ki je dodan za lažje komuniciranje s PLK sistemi oziroma sistemi, ki temeljijo na PLK. En sam vmesnik RS485 lahko upravlja do 24 modulov hkrati, kar pomeni, da imamo lahko 96 izhodov, pri čemer število komunikacijskih kanalov ni omejeno. Čeprav je njegova primarna uporaba kot semaforski izhodni modul, pa se ga lahko uporablja tudi kot splošno AC izhodno enoto. [10-11]
Slika 2: Semaforski izhodni modul
7 Napajalna napetost 24 V, regulirana enosmerna napetost
Moč največ 2,5 W
Digitalni vhodi 2 (FAIL in SYNC)
Digitalni izhodi 1 (SYNC)
Temperatura okolice med obratovanjem
od −25 °C do 75 °C
Vlaga od 5 % do 95 % brez kondenzacije
Indikatorji 4 svetleče diode (rdeča, rumena,
zelena, modra)
Tabela 3: Tehnične specifikacije semaforskega izhodnega modula
8
2.3 Modul PFM
Modul PFM (ang. Power Fail Monitor) je brezprekinitveni napajalni modul, ki je namenjen zaščiti mikrokrmilniškega sistema pred izpadom omrežne napetosti (slika 3). V času, ko je prisotna omrežna napetost, modul skrbi za polnjenje akumulatorja 12 V. V primeru izpada omrežne napetosti se izhodna napajalna linija +12 Vout avtomatsko preklopi na akumulatorski vir. Krmilni sistem dobi status izpada 230 Vac napajanja preko signala PFMout in tako lahko zaključi tekoče procese ter poskrbi za varen izklop. Izhodna napajalna linija +12 V se izklopi preko releja na modulu PFM12, ki je krmiljen preko vhoda PFMin. Po ponovni vzpostavitvi omrežne napetosti 230 Vac se modul PFM12/P2postavi v začetno stanje, ki omogoča polnjenje akumulatorja in ponovno brezprekinitveno napajanje. [10]
Slika 3: PFM modul
Vhodna omrežna napetost 230 V, izmenična napetost Tokovno polnjenje baterije 500 mA
Kapaciteta baterije 12 V / 2 Ah
Temperatura okolice med obratovanjem
od −25 °C do 70 °C
Način pritrditve na letev DIN
Tabela 4: Tehnične specifikacije PFM modula
2 PFM12/P-številka nam pove napetost na izhodni napajalni liniji. Oznaka za poševnico pa vrsto vezave modula v tem primeru je vezava paralelna poznamo pa tudi serijski priklop modula
9
2.4 Induktivni zančni detektor
Enota za induktivno zančno detekcijo je zelo zanesljiva in samonastavljiva naprava, ki se uporablja v prometu (slika 4). Vsaka enota vsebuje podatke stanj, časovnega zamika, štetje in diagnostiko, ki zazna odstopanje induktivnosti zanke od tolerance.
Enota zagotavlja avtomatsko prilagajanje zančnemu algoritmu, ki samodejno prilagaja prag detekcije vremenskim pojavom. Komunikacija modula je na komunikacijskem protokolu RS485 ali CAN, ki za nadzor uporablja zapiske (ang. log), vezane na dogodke vozil. To omogoča zaznavanje vseh vozil, tudi v primeru ponovnega zagona krmilnika. Detektorje za induktivne zanke lahko razdelimo na tri različice glede na njihovo uporabo: ILS 4 je visokohitrostna 4- kanalna enota, ki je uporabna pri hitrostih do 250 km/h. Sam modul nam nudi različne konfiguracije zank – priklopimo lahko 4 samostojne zanke ali 2 zanki za hitrost in 2 zanki za klasifikacijo. ILS 12 je srednjehitrostna 12-kanalna enota, ki se uporablja pri hitrostih do 90 km/h. Najpogostejša uporaba je za nadzor mestnega prometa. Poveže lahko do 12 neodvisnih zank, kar je pogosto dovolj za celotno križišče. ILS 20 pa je nizkohitrostna 20-kanalna enota, ki je primerna pri uporabi parkirišč oziroma pri hitrosti do 50 km/h. Ta enota je zasnovana predvsem za stoječi promet in zazna različne razrede vozil ter uporablja posebne algoritme za prilagajanje zank, ki so primerne za parkirana vozila. [10-11]
Slika 4: Induktivni zančni detektor
10
2.5 Vhodno-izhodna enota na serijskem vodilu RS485
SIO24 (slika 5) je vhodno-izhodna enota z galvansko ločenimi vhodi in izhodi.
Izhodi so namenjeni vklapljanju manjših bremen in nizkonapetostnih signalnih izhodov (do 48 V). Vhodno-izhodna enota SIO24 je vhodno-izhodni modul, ki ima digitalne vhode (16 vhodov) in nizkonapetostne signalne izhode (8 izhodov).
Komunikacija poteka preko standardnega dvožičnega vodila RS485 s serijskim ali protokolom Modbus. Vhodno-izhodni modul SIO24 predstavlja podrejeno (ang.
slave) napravo na vodilu, ki se lahko naslovi. SIO24 omogoča štetje aktivacij vhodov. Za prikaz statusov vhodov in izhodov ima enota 8 svetlečih diod. S kratkim pritiskom na tipko izberemo željeni prikaz. LED dioda »Režim prikaza« kaže trenutno izbrani prikaz. Zaradi galvanske ločitve se modul dodaja v semaforske omare, če imamo na križišču tipke za pešce, saj tako zavarujemo krmilnik. [10]
Slika 5: Vhodno-izhodna enota na serijskem vodilu RS485
11
3. Načrtovanje in programiranje semaforske naprave 3.1 Prometni program
Prometni program je dokument, ki ga napiše odgovorna oseba za projektiranje glede na parametre križišča. Pomembno je, da poznamo geometrijske podatke in omejitev hitrosti, ki je dovoljena skozi križišče, saj to vpliva na čase, ki se jih poda za programiranje naprav. Dokument je osnova za programiranje, saj se iz njega razbere varnostne čase, kdaj naprava na določeni smeri prižge zeleno oziroma rdečo luč in koliko časa gori rumena oziroma rumenordeča luč. Določanje, koliko časa bo gorela rumena luč, je odvisno od omejitve hitrosti na cesti, ki poteka skozi križišče. Avtor prometnega programa mora biti zelo pozoren na varnostne čase med konfliktnimi smermi, da med njimi preteče dovolj časa, ko so vse smeri rdeče, in tako zagotovi potrebno varnost. V njem določi, kateri detektorji najavljajo ali podaljšujejo posamezno fazo in ali se signal za pešce in kolesarje prižge le ob najavi tipke. Možna je tudi koordinacija križišč, kar lahko vidimo, če je v prometnem programu dodan zamik – to pomeni, koliko sekund za glavnim križiščem, ki je koordinator, se bo križišče, ki ga programiramo, začelo v ciklu 03. Križišča, ki so koordinirana, praviloma nimajo podaljševanja ali krajšanja posameznih smeri, saj bi v tem primeru podrli koordinacijo in s tem zgolj poslabšali pretočnost cest, česar pa si ne želimo.
Napisan prometni program z vsemi časi določi prometni urad, ki ima šolano osebje, ki zagotovi, da so časi, ki so jih podali, pravilni in predvsem varni. Za pisanje prometnega programa se uporablja v ta namen razvit program, podatki za križišče pa se vnašajo preko grafičnega vmesnika (slika 6).
3 Cikel 0 je začetni čas programa, ko se začne krmilni program izvajati od začetka.
12 Slika 6: Grafični vmesnik za pisanje prometnega programa
V grafični vmesnik vpišemo vse potrebne informacije, ki jih programer kasneje potrebuje za programiranje naprave. Za vse udeležence je treba najprej definirati, koliko časa imajo vklopljen prehodni svetlobni signal, definirati smeri in jim določiti kategorijo udeleženca v prometu. Ko zaključimo z vpisovanjem podatkov, ki nam omogočajo, da lahko pravilno preberemo napisan prometni program, se lotimo določanja časov. Za določanje časa, kdaj se smer prižge in kdaj izklopi, vpišemo samo začetne in končne čase zelene luči, program pa nato sam doda grafiko za čas delovanja prehodnega svetlobnega signala. Zadnji korak je določitev opomb, kjer definiramo sekundo4, kdaj se izvede krajšanje in kdaj podaljševanje smeri. Če ima križišče več prometnih programov, jih različno poimenujemo in jim vpišemo čas delovanja. Končan dokument prometnega programa vidimo na sliki 7.
4 Čas v katerem podaljšujemo smer je definiran v zadnji sekundi, ko je na smeri še prižgana zelena luč.
13 Slika 7: Končni izgled prometnega programa
14
3.2 Detektorji
3.2.1 Induktivni detektorji
Induktivni detektorji so induktivne zanke, ki so vrezane v vozišče. Križišče z induktivnimi zankami lahko prepoznamo po pravokotnikih v vozišču pred črto stop (slika 8). Ko vozilo povozi zanko, semaforska naprava to zazna in s tem dobi najavo za krmiljenje križišča. Induktivne zanke se uporablja tudi za pridobivanje podatkov o prometni obremenitvi in hitrostih vozil.
Slika 8: Induktivne zanke, vrezane v vozišče
15 3.2.2 Video detekcija
Videodetekcija v prometno odvisnih križiščih nadomešča standardne induktivne zanke in lahko deluje preko protokola Ethernet TCP/IP ali preko RS485. Tovrstna detekcija temelji na tehnologiji obdelave videoslik, ki se uporablja za zaznavanje prisotnosti vozečih in stoječih vozil na križišču. Algoritem, vgrajen v pametno video tipalo, obdeluje slike in samodejno zazna prisotnost vozila v vnaprej določenih navideznih zankah. Kamero se preko stikala poveže s krmilnikom semaforske naprave in s centrom za upravljanje prometa. Kamera za videodetekcijo (slika 9) je zasnovana tako, da deluje v vseh pogojih, saj se prilagaja glede na spreminjajočo se razsvetljavo in vremenske spremembe.
Slika 9: Videodetekcijska kamera
16 3.2.3 Mikrovalovni detektor
Mikrovalovni senzor gibanja (slika 10) deluje na principu Dopplerjevega efekta.
Zaznava premikanje objekta v radarskem snopu in pri tem loči približevanje in oddaljevanje, kar sporoča z aktiviranjem digitalnih izhodov. Za nastavitve delovnih parametrov se uporablja serijska komunikacija ali funkcijska stikala. [10]
Slika 10: Mikrovalovni detektor
Mikrovalovni detektor pritrdimo na drog ob vozišču in ga usmerimo proti smeri vožnje. Za pomoč pri nastavitvi smeri je na sprednji strani mikrovalovnega detektorja indikacija s svetlečo diodo, ki signalizira gibanje objekta proti radarju (zasedenost). Pri montaži mikrovalovnega detektorja velja upoštevati, da ima radarski snop obliko stožca z elipsasto osnovno ploskvijo (slika 11). Približne dimenzije osnovne ploskve znašajo 0,2 ∙ 𝐷 po horizontali in 0,4 ∙ 𝐷 po vertikali, pri čemer je 𝐷 oddaljenost od detektorja (merjeno v osi snopa).
17 Slika 11: Postavitev mikrovalovnega detektorja ob vozišču
18
3.3 Krmiljenje luči
Dokument, ki prikazuje krmiljenje luči (slika 12) je osnova za priklop omare na terenu in samo sestavo naprave. V veliko pomoč je tudi programerju, saj je treba v programu določiti izhode za vsako luč na vsaki glavi posebej, izhode za tipke, zatemnilnik, PFM in stikala za vrata omare. Risbe križišč morajo biti obrnjene proti severu oziroma z minimalnim odstopanjem od severa za lažjo orientacijo. Določimo lahko tudi, ali ima posamezna semaforska glava ponavljalce, kar pomeni, da sta na enem izhodu priklopljeni dve semaforski glavi. Takšne kompromise sprejmemo ob omejenih sredstvih, ki so na razpolago za projekt. Na vsaki smeri ima desna semaforska glava kritično rdečo luč, kar pomeni, da gre v primeru, da pride do kakršne koli napake, celotno križišče na utrip rumene luči. Vsako smer se na križišču označi drugače. V kontroli luči programer izve tudi, kakšno detekcijo ima križišče.
Če je križišče nadzorovano z induktivnimi zankami, ki so vrezane v vozišče, je določeno, na katerem mestu morajo biti in ali so zanke samostojne ali smerne, kar pomeni, da morata biti povoženi dve zanki hkrati v pravilnem zaporedju. Križišče je lahko nadzorovano tudi z mikrovalovnimi detektorji ali kamerami, za katere je treba določiti naslove IP in vhode (ang. port), kar je prav tako navedeno na samem dokumentu za krmiljenje luči. Skica križišča, ki se jo tukaj nariše, se kasneje uporabi tudi kot osnova za prikaz križišča na nadzornem sistemu, zato je pomembno, da je ta natančno narisana, da se izognemo kasnejšim težavam.
Slika 12: Krmiljenje luči
19
3.4 Krmilni program
Krmilni program je sestavljen iz dveh delov, ki ju bomo ločeno predstavili. Za lažje pisanje krmilnega programa je narejen grafični vmesnik (ang. GUI Graphical User Interface) vmesnik, preko katerega sestavimo del programa, ki je napisan v jeziku XML . Drugi del je jezik, ki je bil razvit v podjetju Asist d.o.o., vendar ga zaradi podobnosti jeziku C ni posebej težko usvojiti. Preko grafičnega vmesnika določimo vse podatke, ki krmilniku povejo, po kakšnem protokolu poteka komunikacija med moduli in nadzornim sistemom, določimo vhode in izhode za posamezne semaforske glave, določimo kritične rdeče luči, vpišemo konfliktne čase, semaforski napravi določimo urnik delovanja in kateri od napisanih programov naj deluje ob tem času, vpišemo vse module, ki bodo priklopljeni v določeni napravi, in detektorje, ki jih bo naprava uporabljala za zaznavo prometa.
20 3.4.1 Jezik XML
Ko začnemo govoriti o jeziku XML, se moramo zavedati, da za ta jezik ne obstaja prevajalnik, ki bi nam ga prebral in prevedel v izvršno kodo, zato ga imenujemo označevalni jezik. Takšni jeziki sami po sebi ne naredijo nič, vendar podajo programu navodila, kaj naj se izvede. [8]
Dokument XML je lahko shranjen v podatkovni bazi, zato ni nujno, da je v obliki tekstovne datoteke. Vsak program, ki omogoča branje in zapisovanje tekstovnih datotek oziroma upravljanje tekstovnega tipa zapisa, lahko upravlja z dokumenti XML.
3.4.1.1 Osnovni gradniki dokumenta XML
Sestava jezika XML je zasnovana iz zaporedja znakov. Podatke ločimo na označevalne (ang. markup) in znakovne (ang. character). Označevalni podatki vsebujejo logično strukturo dokumenta, medtem ko informacijo dokumenta najdemo v znakovnih podatkih.
• Začetne in končne oznake
Vse, kar se nahaja med začetno oznako, ki jo označimo z <, in končno oznako > in hkrati ni prisotno v odseku CDATA, lahko imenujemo oznaka v XML. Začetne in končne oznake imajo enako ime, razlikujejo pa se po tem, da končne oznake vsebujejo znak /. Elementi so lahko prazni, lahko pa vsebujejo besedilo ali druge elemente. Pri imenih oznak je pomembno vedeti, da se ločuje med malimi in velikimi črkami.
21
• Atributi
Oznaka za atribute lahko vsebuje enega ali več atributov. To so pari ime-vrednost, ki jih ločuje enačaj. Ena oznaka ne sme vsebovati več atributov z enakim imenom.
Vrednost atributov mora biti zapisana v dvojnih ali enojnih narekovajih, lahko pa vsebujejo ločila in presledke. [8]
<PowerFail Input="7" Output="6" InputInverted="0" OutputInverted="0" />
• Komentarji
Kot v vsakem drugem jeziku imamo tudi tukaj možnost pisanja komentarjev, ki jih začnemo z oznako <!-- in končamo z oznako -->. V komentar ne smemo vpisovati znakov znakovnega niza --, vse druge kombinacije pa so dovoljene.
<!--Compiled code-->
• Navodila za obdelavo podatkov
Za posredovanje dodatnih informacij aplikaciji imamo navodila za obdelavo podatkov. Posredovanje navodil je sintaktično enostavno. Oznaka začetka navodila procesiranja je <? in konca procesiranja ?>.
<?xml version="1.0" encoding="utf-8"?>
• CDATA odseki
CDATA je rezervirana beseda, ki se uporablja za odsek v dokumentu, ki se implementira kot znakovni podatek, četudi vsebina besedila izgleda kot označevalni podatek. CDATA odsek začnemo z oznako <![CDATA[ in zaključimo z ]]>. Ta odsek uporabimo, ko hočemo v dokument XML vključiti kodo podobnih jezikov.
<![CDATA[Program]]>
22
• Reference na osebke
Spremenljivke, ki v jeziku XML definirajo nadomestilo za tekstovni niz ali besedilo, imenujemo osebki. Uporabljamo jih kot zamenjavo za znake, ki so del označevalnih podatkov in se v dokumentu nadomestijo s posebnimi znaki, ki jih imenujemo reference na osebke. Jezik XML ima definiranih pet referenc na osebke: [8]
& &
< <
> >
&apos '
" "
Če bi v dokument XML želeli vpisati opuščaj ali ampersand, bi dobili napako, saj je opuščaj rezerviran za označevanje vrednosti atributov, ampersand pa je označevalec začetka referenc.
23 3.4.2 Programski jezik za krmiljenje naprave
V podjetju se uporabljata dva načina programiranja prometnih programov, ki se ju uporablja glede na način delovanja križišča. Program, ki se imenuje GreenRed, za svoje delovanje uporablja cikel. S programom lahko izvedemo tako podaljševanje faze, zadrževanje smeri5 do najave, kot tudi krajšanje faze6. Druga možnost je program GroupEngine, ki za svoje delovanje ne uporablja cikla, ampak operira s fazami, ki v tistem trenutku niso v konfliktu7 s fazo programa, ki je trenutno na zeleni. V programu GroupEngine lahko uporabimo podaljševanje smeri, ne moremo pa uporabljati krajšanja faze, ker tukaj ne poznamo cikla, kar pomeni, da ne moremo preskočiti nekaj sekund v ciklu. Za take primere se uporablja program GreenRed.
• Krmilni program GroupEngine
Za potrebe, ko križišče čaka na najavo, da odpre katero koli smer, je to najlažje izvesti s programom, napisanim v GroupEngine. Pri tem v določeni sekundi ni treba čakati, da bi lahko odprli določeno smer. Uporaben je tudi, če imamo za križišče projektiran program z veliko preskakovanja faze, če na določenem detektorju ne pride do najave. S tem se izognemo, da bi udeleženec v križišču po nepotrebnem čakal na zeleno luč.
• Krmilni program GreenRed
GreenRed za svoje delovanje uporablja cikel, ki smo ga definirali, in nam s tem omogoča, da točno vemo, v kateri sekundi programa smo, kar se uporablja predvsem za predvidevanje naslednjega koraka v programu. Programu določimo začetne in končne čase faz ter njihovo število. Vse funkcije za prižig ali izklop smeri uporabljajo čase, ki smo jih definirali pri določanju faz. Zelo pogosto se v primeru uporabe programa GreenRed uporablja zadrževanje glavne smeri v določeni sekundi do najave katerega koli detektorja iz stranskih smeri ali najave pešcev. S tem prometu na glavni smeri omogočimo stalno zeleno luč.
5 Smer na križišču predstavlja cesto oziroma krak, ki vodi v križišče.
6 Faza prometnega programa je del kjer so odprte ne konfliktne smeri. Za semaforizirano križišče moramo imeti vsaj dve fazi.
7 Konfliktne smeri so tiste med katerimi je možnost, da pride do nesreče.
24
3.5 Nadzorni sistemi
V sodobnih časih imajo nadzorni sistemi pomembno vlogo v aplikativnih procesih.
Težko si je predstavljati, da še ne dolgo nazaj niti v centrih za nadzor prometa niso imeli vzpostavljenega sistema, ki bi jim omogočal nadzor in upravljanje naprav na daljavo. Z vzpostavitvijo nadzornega sistema se je delo vzdrževalcev in operaterjev v nadzornih centrih bistveno olajšalo, še pomembneje pa je, da se je zmanjšal odzivni čas odpravljanja napak.[3-4]
Tovrstne sisteme lahko opišemo kot vrsto programske opreme, ki je nameščena na računalnik. Če pogledamo sistem kot celoto (slika 13), je sestavljen iz programske in strojne opreme, povezovanje obeh delov sistema pa nadzornim centrom omogoča nadzor in obdelavo podatkov v realnem času, kar velja tako za zbiranje kot spreminjanje podatkov, komunikacijo z napravami in javljanje morebitnih napak na napravah. Lahko rečemo, da nadzorni sistem omogoča celovit nadzor nad dogajanjem na terenu.
Slika 13: Osnovni diagram nadzornega sistema[1]
25 Sistem je sestavljen iz več delov (slika 14). Prvi del nadzornega sistema so mikroračunalniki oziroma PLK naprave ali oddaljene terminalne enote (ang. Remote Terminal Unit – RTU). Te naprave komunicirajo z moduli ali senzorji in od njih pridobivajo podatke. Zbrane podatke pošljejo do računalnika, na katerem je nameščen nadzorni sistem. Nato računalnik, na katerem se izvaja ta programska oprema, podatke obdela, pošlje in prikaže, kar operaterju omogoča celovit pregled nad delovanjem naprave. Pomemben dejavnik pri nadzornem sistemu je tudi grafična podoba vmesnika, saj jo vidi operater in mora biti zasnovana tako, da mu omogoča lažje in hitrejše branje pomembnih informacij, ki jih sporoča sistem. [4,9]
Slika 14: Tipična strojna arhitektura nadzornega sistema [6]
26 Vsaka semaforska naprava, ki je na terenu, komunicira z nadzornim centrom (slika 15), preko katerega ima operater vpogled na celotno križišče v realnem času.
Preko nadzornega sistema lahko operater vidi, kdaj se je aktivirala najava na katerem koli detektorju in kateri program je v tistem trenutku aktiven, ter spremlja realno stanje vsake semaforske glave. Pooblaščeni osebi je omogočeno tudi ročno menjanje programov delovanja – tako lahko v primeru vzdrževalnih del operater križišče preklopi na utrip rumene luči. V sistemu se arhivirajo tudi vsi dogodki, alarmi in napake, ki jih je javljala naprava, kar je uporabno za določanje vrste napake in lažje vzdrževanje.
Slika 15: Nadzorni sistem v prometnem nadzornem centru
27
3.6 Izračuni
Zaporedje spuščanja vozil na posamezni smeri v samem križišču lahko povezujemo v skupino smeri, ki so nekonfliktne med sabo. To pomeni, da za dve smeri ne potrebujemo varnostnega časa, saj ne predstavljata nevarnosti za nesrečo. Varnostni čas je čas, ko imajo smeri, ki so v konfliktu med seboj, v križišču prižgano rdečo luč.
Sam potek delovanja križišč je sestavljen iz faz, ki določajo, kako in za koliko časa se bodo posamezne smeri odpirale. Za sam načrt, kako regulirati prometne tokove s signalnimi svetlobnimi napravami, sta potrebni vsaj dve fazi. Križišču, ki mu dodelimo več faz, se posledično poveča dolžina ciklusa, s tem pa povečamo tudi sam čakalni čas v križišču. Zato je pomembno poiskati čim primernejšo dolžino ciklusa, ki pa bo v prvi vrsti ustrezala prometno-varnostnim zahtevam. Če obstaja možnost, se vozilom, ki na križišču zavijajo levo, dodeli svoje vozne pasove – tako se izognemo temu, da bi ta vozila ovirala vožnjo vozilom, ki vozijo naravnost. Te rešitve se poslužujemo predvsem v naslednjih primerih:[7]
• ko je križišče vključeno v koordinacijo,
• na cestah, pri katerih je dovoljena vožnja z večjo hitrostjo,
• v primeru večjega števila prometnih pasov iz nasprotne smeri za vožnjo, ki poteka naravnost,
• ko je veliko vozil, ki zavijajo levo,
• v primeru avtobusov in tovornih vozil, ki zavijajo levo in s tem ovirajo preglednost nasproti vozečim vozilom, ki vozijo naravnost.
Zaradi prometne varnosti in vozne dinamike se pri tripoljnih signalnih dajalcih8 za vozila in kolesarje ob prehodu z rdečega na zelen signal in z zelenega signala na rdečega uporablja predhodni signal. Ta čas definira prehodni čas, ki je v primeru rumenordeče luči najpogosteje ena sekunda, in hkrati ne sme biti daljši od dveh sekund. Predhodni čas za rumeno luč (𝑡𝑅𝑢) se prilagaja glede na dovoljeno hitrost (𝑣𝑑𝑜𝑣) skozi križišče:
• 𝑣𝑑𝑜𝑣 = 50 km/h pomeni 𝑡𝑅𝑢 = 3 s,
• 𝑣𝑑𝑜𝑣 = 60 km/h pomeni 𝑡𝑅𝑢 = 4 s,
• 𝑣𝑑𝑜𝑣 = 70 km/h pomeni 𝑡𝑅𝑢 = 5 s.
Čas po izteku zelene luči enega prometnega toka (prva faza) in do pričetka zelene luči drugega prometnega toka (druga faza) imenujemo vmesni čas (𝑡𝑣). Ta čas je sestavljen iz prevoznega (𝑡𝑝), izvoznega (𝑡𝑖) in uvoznega časa (𝑡𝑢).
𝑡𝑣 = 𝑡𝑝+ 𝑡𝑖− 𝑡𝑢
8 Tripoljni signalni dajalec je semaforska glava z rdečo, rumeno in zeleno lučjo.
28 Če imamo dva tokova vozil, lahko preko opazovanja zadnjega vozila, ki je praznil križišče, in prvega, ki vstopa v križišče, ugotovimo vmesni čas. Meja uvozne in izvozne poti je definirana kot stična točka, ki obstaja med njima. Kot možne stične točke med uvoznimi in izvoznimi potmi lahko določimo: [7]
1. vozilo, ki zapušča križišče / vozilo, ki vstopa v križišče;
2. pešec zapušča križišče / vozilo vstopa v križišče;
3. vozilo zapušča križišče / pešec vstopa v križišče.
Čas, ko zadnje vozilo prevozi stop črto, ob tem pa je zelena luč na smeri, ki jo opazujemo, ugasnila, imenujemo prevozni čas – 𝑡𝑝.
1. Vozilo, ki je prevozilo stop črto in pri tem upoštevalo dovoljeno hitrost:
• 𝑣𝑑𝑜𝑣 = 50 km/h → 𝑡𝑝 = 𝑡𝑅𝑢 = 3 s,
• 𝑣𝑑𝑜𝑣 = 60 km/h → 𝑡𝑝 = 𝑡𝑅𝑢= 4 s,
• 𝑣𝑑𝑜𝑣 = 70 km/h → 𝑡𝑝 = 𝑡𝑅𝑢 = 5 s.
2. Vozilo, ki je prevozilo križišče s hitrostjo, ki je manjša od 𝑣𝑑𝑜𝑣: prevozni čas je neodvisen od dovoljene hitrosti → tp = 2 s.
3. Za pešce določimo prevozni čas tp = 0.
4. Za kolesarje določimo prevozni čas tp = 1 s.
Izvozni čas (ti) je razmerje med potjo, ki je potrebna za zapuščanje križišča (Si), in določeno izvozno hitrostjo (vi).
𝑡𝑖 = 𝑆𝑖 𝑣𝑖
29
3.7 Izračun ciklusa in zelenih faz
Sam ciklus križišča je odvisen od tega, koliko faz ima križišče, velikosti križišča, dolžine vmesnih časov in prometne obremenitve. Za izračun ciklusa je treba poznati trajanje zelene luči na vseh smereh in trajanje vmesnih časov na križišču. [7]
𝐶 = ∑ 𝑡𝑧+ ∑ 𝑡𝑣 𝐶 = trajanje ciklusa v sekundah
𝑡𝑧= trajanje zelene luči v sekundah 𝑡𝑣= trajanje vmesnih časov v sekundah
Vedeti moramo, da je za izračun signalnega programa osnova merodajna obremenitev (Km). Obremenitve križišča (K) dobimo s štetjem prometa v križišču in morajo biti podane ločeno za vsak vozni pas in tudi glede na vrsto vozil.
Če je izpolnjen pogoj, da v času enega ciklusa v križišče pripelje enako število vozil, kot jih odteče v času trajanja zelene luči, lahko uporabimo spodnjo enačbo.
∑ 𝐾𝑚
3,600∙ 𝐶 = 𝐾𝑁
3,600∙ ∑ 𝑡𝑧
Za potreben ciklus (Cp) lahko enačbi združimo, pri čemer upoštevamo, da je ∑ 𝐾𝑚 vsota merodajnih prometnih obremenitev najbolj obremenjenih voznih pasov v posameznih fazah enega ciklusa.
𝐶𝑝 = ∑ 𝑡𝑣𝑝 1 −∑ 𝑘𝑚
𝑘𝑛
Dolžina zelenega signala in dolžina cikla je odvisna od gostote posameznega prihajajočega prometnega toka na križišče in jo je potrebno natančno določiti. S povečanjem cikla zagotovimo daljše čase zelene luči na smereh kar pa ni vedno optimalna rešitev, ker se s tem povečajo časi čakanja. Pri določanju cikla je potrebno upoštevati ali bo imelo križišče detektorje. Pri prometno odvisnih križiščih je lahko cikel krajši in po potrebi z detektorji podaljšujemo določeno smer, kjer je zgoščen promet in se tako zagotovi maksimalno možno pretočnost prometa.
30
31
4. Zaključek
Pri pripravi diplomske naloge smo podrobneje spoznali delovanje semaforske naprave, pripravo prometnega programa, izdelavo kontrole luči in programiranje krmilnega programa. Na začetku naloge smo spoznali elemente, ki semaforski napravi zagotavljajo delovanje, in njihov namen. Sledi poglavje o metodologiji, v katerem smo spoznali, kako napisati prometni program, ki prikaže delovanje krmilnega programa. Spoznali smo, v katerih primerih je bolje, da je križišče postavljeno v koordinacijo za zagotavljanje zelenega vala, in kdaj je bolje, da je semaforska naprava prometno odvisna. V nadaljevanju je predstavljen dokument za krmiljenje luči, ki je osnovni dokument za izdelavo semaforske naprave. Zaradi velike uporabe prometno odvisnih križišč je bilo smiselno, da smo v tem poglavju spoznali tudi detektorje, ki križiščem omogočajo prometno odvisnost, in predstavili njihovo uporabo. Predstavili smo tudi način programiranja naprav, vendar zaradi programskega jezika, ki je bil razvit v podjetju Asist d.o.o., podrobnejšega opisa krmilnega programa nismo mogli vključiti v diplomsko delo. Tako smo predstavili osnovne gradnike znakovnega jezika XML, ki se uporablja za dodeljevanje navodil krmilnemu programu, in v grobem predstavili uporabo krmilnih programov GreenRed in GroupEngine. V nalogi smo se v nadaljevanju spoznali z osnovnimi izračuni za pravilen in varen prometni program.
Podjetje Asist d.o.o., s katerim sem sodeloval pri izdelavi diplomske naloge, se vsakodnevno posveča izboljšanju prometne pretočnosti in razvija nove sisteme, ki bi pripomogli h krajšanju potovalnega časa. Velik poudarek je tudi na razvoju sistemov, ki zagotavljajo visoko odzivnost in sanacije nastalih napak v najkrajšem možnem času in tako povečajo varnost vseh udeležencev v cestnem prometu.
32
33
Literatura
[1] „What is SCADA?“, avg. 2018, [Na spletu]. Dostopno na:
https://inductiveautomation.com/resources/article/what-is-scada
[2] „Ali ste vedeli: Zakaj za prometni zastoj ni kriv semafor?“,četrtek, nov. 2018.
https://www.ljubljana.si/sl/moja-ljubljana/ali-ste-vedeli/ali-ste-vedeli-zakaj-za- prometni-zastoj-ni-kriv-semafor/
[3] B. Zorko, „Funkcionalna analiza sodobnih nadzornih sistemov SCADA“, [Na spletu]. Dostopno na: https://repozitorij.uni-
lj.si/Dokument.php?id=88054&lang=slv
[4] A. Mihičinac, „SCADA sistemi in segmentacija omrežja“, str. 47, [Na spletu].
Dostopno na: https://dk.um.si/Dokument.php?id=143566
[5] D. Jure, „“Že spet rdeča!?” ali kako deluje promet v mestih“, Kvarkadabra.
https://kvarkadabra.net/2003/02/promet/
[6] G. Jingcheng idr., SECURITY AND COMMUNICATION NETWORKS. 24 January 2013. [Na spletu]. Dostopno na:
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/epdf/10.1002/sec.698
[7] M. Hrženjak, „Teorija prometnega toka“. [Na spletu]. Dostopno na:
https://www.ic-geoss.si/wp-content/uploads/2018/10/3-Skripta-Teorija- prometnega-toka-M-Hr%C5%BEenjak.pdf
[8] S. Drnovšek, „Vloga razširljivega označevalnega jezika pri elektronski izmenjavi podatkov med podjetji“, str. 43, [Na spletu]. Dostopno na:
http://www.cek.ef.uni-lj.si/u_diplome/drnovsek277.pdf
[9] T. Bangemann idr., „State of the Art in Industrial Automation“, v Industrial Cloud-Based Cyber-Physical Systems, A. W. Colombo, T. Bangemann, S.
Karnouskos, J. Delsing, P. Stluka, R. Harrison, F. Jammes, in J. L. Lastra, Ur.
Cham: Springer International Publishing, 2014, str. 23–47. doi: 10.1007/978-3- 319-05624-1_2.
34 [10] Asist d.o.o, „Tehnična dokumentacija Asist d.o.o.“
[11] Asist d.o.o, „Spletna stran Asist d.o.o“. www.asist.si
