مقدمه

با توليد انبوه خودرو از دهه 1950 معضل ترافيک نيز به مشکلات ديگر انسان به ويژه امور شهرنشيني اضافه شد. کشورها براي مقابله با اين معضل سياست ها و راهکارهاي متفاوتي را پيش گرفتند. ابتدا به ساخت خيابان و جاده و بزرگراه پرداختند، اما مشکلات ترافيک کاملا حل نشد. به تدريج برنامه ريزان حمل و نقل به اين نتيجه رسيدند که مقوله جابه جايي مسافر در مناطق شهري را بيشتر مورد توجه قرار داده و با ايجاد شبکه هاي عظيم حمل ونقل عمومي نظير مترو و اتوبوس راني مشکل ترافيک را حل کنند. با گذشت زمان فراهم آوردن امکانات و تسهيلات لازم همچون خدمات دولتي و مدارس براي کاهش سفر به برنامه هاي مديريت شهري اضافه شده و اصطلاحات ديگري نظير مديريت تقاضاي حمل و نقل به ادبيات ترافيک وارد شدند.

مديريت تقاضاي حمل ونقل به تمام استراتژي هايي اتلاق مي شود که باعث افزايش کارايي سيستم هاي حمل ونقل مي شود و امروزه به عنوان راهکار مناسب براي حل بسياري از مشکلات ترافيکي شناخته شده است. مديريت تقاضا بيش تر بر جابه جايي مسافر و کالا تاکيد مي کند تا بر وسايل نقليه. بنابراين انواع مدهاي حمل ونقل همچون پياده روي، دوچرخه سواري و حمل ونقل عمومي خصوصا در شرايط ترافيک سنگين، افزايش گزينه هاي توسعه حمل و نقل عمومي، توسعه حمل و نقل غير موتوري، زمان کار شناور(Flextime) و بهبود تاکسيراني را شامل مي شود.

از استراتژي هاي مديريت تقاضا براي کاهش نياز به سفرهاي فيزيکي و کارآمد کردن کاربري زمين و مديريت پارکينگ مي توان به رشد هوشمند، شهرنشيني مدرن و مديريت پارکينگ اشاره کرد.

خط مشي هايي که در اين مقوله مد نظر قرار مي گيرند، امکان استفاده از زمان هاي مختلف براي سفر، مد هاي سفر و مسيرهاي مختلف را براي مردم فراهم مي آورد و حتي برخي از اين راهکارها باعث کاهش سفرهاي فيزيکي مي شود.

از دهه 90 ميلادي متخصصان حمل ونقل دريافتند که مصرف کنندگان ظرفيت ها و امکانات جديد را در مدت کوتاهي بلعيده و به دليل رقابت شديد ميان توسعه دهندگان راه و جاده و توليدکنندگان خودروهاي راحت و ارزان، تلاش هاي عمراني بي اثر شده و ايمني راه ها نيز روز به روز درحال کاهش است.

از طرف ديگر پيشرفت فناوري هاي روز به ويژه حسگرها و دستگاه هاي الکترونيکي شرايط مناسبي را براي ايجاد ارتباط بلادرنگ يا آني ميان برنامه ريزان، مراکز مديريت ترافيک، خودروها و نيز ارائه وضعيت ترافيکي جاده ها فراهم آورده است. در نتيجه امکان ايجاد مديريت هوشمندانه، هدفمند و هماهنگ به منظور ارتقاي بهره وري و افزايش کارآيي شبکه هاي حمل ونقل محقق شده و به اين ترتيب در ابتداي دهه 90 ميلادي سيستم هاي حمل ونقل هوشمند (ITS) به مفهوم امروزي آن متولد شدند. البته پروژه هايي نظير نصب دوربين در تقاطع هاي شهري و نيز کنترل هوشمند زمان بندي چراغ هاي راهنمايي متناسب با حجم ترافيک در دهه 70 در بسياري از کشورها آغاز شده بود. اما عبارت سيستم حمل ونقل هوشمند، براي اولين بار در سال 1990 در آمريکا به بحث مديريت حمل ونقل وارد شد و کليه پروژه ها و فناوري هاي مرتبط با موضوع و به خصوص روابط تعاملي بين آنها در يک ساختار کلان و به هم مرتبط (Integrate) را دربر گرفت.

سيستم حمل ونقل هوشمند

اين عبارت به تمامي تلاش ها و راهکارهايي اتلاق مي شود که فناوري اطلاعات و ارتباطات(ICT) را به زيرساخت هاي حمل ونقل و وسايل نقليه، به منظور مديريت و ارتباط ميان فاکتورهاي مسافرتي از جمله خودروها و مسيرها و بهبود ايمني و کاهش بار ترافيک، زمان ترابري و بهينه کردن مصرف سوخت مرتبط مي کند. در واقع اين سيستم براي شبيه سازي، کنترل بلادرنگ و شبکه هاي ارتباطي مورد استفاده قرار مي گيرد. سيستم حمل ونقل هوشمند از ديدگاه فناوري به دو طبقه زيرساخت هاي هوشمند و خودروهاي هوشمند تقسيم مي شود.زيرساخت هاي هوشمند نظير نصب سيستم هاي کنترل هوشمند در تقاطع ها يا نصب تابلوهاي متغير ترافيکي شامل پروژه هايي است که در معابر درون شهري و برون شهري توسط شهرداري ها در شهرها و يا توسط وزارت راه در جاده ها و آزاد راه هاي برون شهري اجرا مي شود. خودروهاي هوشمند نيز شامل فناوري هاي جديد داخل خودروها، نظير سيستم هاي هشدار دهنده تصادف، سيستم هاي افزايش ديد در شب و سيستم هاي هدايت مسير است که اجراي آن بيشتر برعهده کارخانجات خودروسازي است. ايالات متحده آمريکا و کانادا در زمينه سيستم حمل ونقل هوشمند پيشگام کشورهاي جهان به شمار مي رود.

- فناوري هاي حمل ونقل هوشمند

فناوري هاي حمل ونقل هوشمند بسيار متنوع است و از سيستم هاي مديريتي ابتدايي نظير ناوبري خودرو، سيستم هاي کنترل سيگنال ترافيک، علائم رانندگي متغير، تشخيص خودکار شماره پلاک خودرو يا دوربين تشخيص سرعت گرفته تا کاربردهاي نظارتي همچون سيستم هاي امنيتي CCTV و پيشرفته تر را شامل مي شود که اطلاعات زنده را از منابعي چون سيستم هاي اطلاعاتي راهنماي پارک خودرو، اطلاعات وضعيت آب و هوا و برف روبي جمع آوري مي کند. علاوه بر اين روش هاي فني پيش بيني کننده اي طراحي شده تا امکان مدل سازي پيشرفته و مقايسه اطلاعات زنده با اطلاعات خط مبناي گذشته را فراهم آورد.

در زير به معرفي فناوري هاي حمل ونقل هوشمند مي پردازيم.

- ارتباطات بي سيم

فرم هاي مختلف فناوري ارتباطات بي سيم يکي از مهم ترين سيستم هاي حمل ونقل هوشمند به شمار مي رود.

ارتباط راديويي مودم (دستگاه مدولاسيون و بازخواني اطلاعات کامپيوتري يا مخابره آنها به جاهاي ديگر) روي فرکانس هاي UHF و VHF براي ارتباط دور برد و نزديک با سيستم هاي حمل ونقل هوشمند در سطح وسيعي از کشورهاي جهان مورد استفاده قرار مي گيرد. از لحاظ علمي، گستره پروتکل ارتباطات کوتاه برد (کم تر از 450 متر) در شبکه هاي تک کاره متحرک يا شبکه سازي انبوه مورد استفاده قرار مي گيرد و ارتباطات دور برد آن در شبکه هاي زيرساختي نظير WiMAX، سيستم جهاني براي ارتباطات متحرک(GSM) يا نسل سوم کاربرد دارد.

- فناوري هاي رايانشي

با پيشرفت هاي اخير وسايل نقليه الکترونيکي، پردازنده هاي کامپيوتري قابل حمل کم تري در خودروها به کار مي رود. به طور نمونه در اوايل دهه 2000 ، بين 20 تا 100 ميکروکنترلر شبکه شده و مدول هاي کنترلر منطقي قابل برنامه ريزي با سيستم عامل هاي غير آني در يک خودرو به کار مي رفت. اما در خودروهاي امروزي تعداد آنها به چندين ريزپردازنده، به همراه مديريت حافظه سخت افزاري و سيستم عامل هاي بلادرنگ محدود شده است. اين پلات فورم هاي سيستم جاسازي شده، اجراي کاربردهاي نرم افزاري همانند کنترل فرايند، هوش مصنوعي و رايانش حاضر را ممکن مي سازد. مي توان گفت که مهم ترين کاربرد اين فناوري در سيستم حمل ونقل هوشمند، هوش مصنوعي است.

- اطلاعات خودروي در حال حرکت

در دنياي امروزي حداقل يک يا دو نفر از سرنشينان خودرو تلفن همراه دارند. اين تلفن هاي همراه در هر لحظه اطلاعات موقعيت کاربر را به شبکه مربوطه مخابره مي کند. اين اتفاق حتي زماني هم که اتصال صوتي برقرار نمي شود، انجام مي گيرد. اين امر مي تواند تاثير بسزايي را در کاهش بار ترافيک ايفا کند. به اين ترتيب که حرکت خودروها، سيگنال هايي را از تلفن همراه سرنشينان آن ارسال مي کند. با جمع آوري اين اطلاعات و تحليل اطلاعات شبکه اي مي توان اطلاعات بار ترافيکي را ارزيابي کرد. در کلان شهرها که فاصله ميان آنتن ها کوتاه تر است، اين اطلاعات از دقت بالاتري برخوردار بوده و سيستم دقيق تر کار مي کند. اين سيستم به غير از شبکه تلفن همراه به هيچ زيرساخت ديگري نياز ندارد و اين امر يکي از مزيت هاي آن محسوب مي شود.

در برخي کلان شهرها سيگنال هاي RFID ناشي از ترنسپاندرهاي ETC(دستگاه گيرنده اي که به محض دريافت مخابره اي به طور خودکار آن را جواب مي دهد) مورد استفاده قرار مي گيرد. فناوري داده هاي خودروهاي در حال حرکت نسبت به روش هاي موجود ارزيابي ترافيک مزيت هاي بسياري دارد که در ادامه به آنها اشاره مي کنيم:

مقرون به صرفه تر بودن نسبت به نصب حسگرها و دوربين ها،پوشش دهي تمام مکان ها و خيابان ها،راه اندازي سريع تر و نياز به پشتيباني زياد وقابليت کار در تمام شرايط آب و هوايي حتي در وضعيت بارندگي سنگين.

- فناوري ها با قابليت حس تشخيص

پيشرفت هاي فني در حوزه فناوري اطلاعات و ارتباطات و ترکيب آن با ريزپردازنده هاي مدرن، RFID و فناوري هاي با قابليت حس تشخيص برج ديدباني هوشمند، دانش فني را براي ايجاد تسهيلات لازم در زمينه ايمني بيش تر سرنشينان خودرو در سيستم حمل ونقل هوشمند جهاني در اختيار قرار داده است. سيستم هاي حسگر ITS، زيرساخت مبتني بر سيستم هاي شبکه شده نظير فناوري هاي وسايل نقليه هوشمند به شمار مي روند. علاوه بر اين حسگرهاي زيرساختي داريم که ابزارهاي غير قابل تخريبي هستند و در جاده ها يا اطراف آنها(ساختمان ها و علائم مختلفي که نزديک خيابان وجود دارند) نصب مي شوند. سيستم هاي تشخيصي وسيله نقليه در واقع ترکيب زيرساخت هاي برج ديدباني با حسگر خودروها به منظور شناسايي ارتباطات و استفاده از مزاياي فناوري تشخيص خودکار پلاک خودرو CCTV است. از اين سيستم هاي تشخيصي براي تقويت نظارت بر ترافيک خودروها به ويژه در مناطقي که ترافيک هاي سنگين دارند، استفاده مي شود.

- رديابي لوپ القايي

حلقه هاي قياسي که در کف جاده ها جاسازي مي شوند، با ارزيابي ميدان مغناطيسي خودروهايي که از روي آن عبور مي کنند، تعداد آنها را تخمين مي زند. ساده ترين شکل اين سيستم ها به راحتي مي توانند تعداد خودروهايي را که از يک منطقه خاص عبور مي کنند، در واحد زمان(که در ايالات متحده 60 ثانيه است) محاسبه کنند. ولي مدل پيچيده تر آن مي تواند حتي سرعت، طول وعرض وسيله نقليه و فواصل ميان خودروها را محاسبه کند. اين سيستم ها مي توانند هم در مسير يک طرفه و هم در مسير دوطرفه نصب شوند و به راحتي شناسه هاي مذکور را هم براي خودروهايي که با سرعت کم حرکت مي کنند و هم خودروهاي پرسرعت محاسبه مي کند.

- رديابي ويديويي خودروها

رديابي و تشخيص ميزان بار ترافيکي و تصادفات با استفاده از دوربين هاي ويديويي يکي ديگر از موارد سيستم حمل ونقل هوشمند محسوب مي شود. از آنجا که سيستم هاي رديابي ويديويي نظير آنچه که در تشخيص پلاک خودروها به کار مي رود، به طور مستقيم در سطح يا کف جاده نصب نمي شوند، جزو روش هاي غير محسوس رديابي ترافيک هستند. تصاوير اين دوربين ها چه سياه و سفيد و چه رنگي توسط پردازشگرها دريافت شده و تحليل مي شوند. اين دوربين ها معمولا روي پل ها يا زيرساخت هايي که بالا يا کنار بزرگراه ها وجود دارند، نصب مي شوند.

يک پردازنده رديابي ويديويي بسته به برند و مدلش به تنهايي مي تواند ميزان باز ترافيک را هم زمان از 8 دوربين مجزا تخمين بزند. خروجي يک سيستم رديابي ويديويي شامل سرعت وسايل نقليه، تعداد آنها و ميزان اشغال خيابان توسط خودروها است که همه اين موارد به صورت مجزا براي هر خيابان يا مسير داده مي شود.

البته برخي از اين سيستم ها قابليت ارائه اطلاعاتي چون مسيرهاي کم تردد، جريان عبور خودروها و دادن هشدار در مواردي را دارد که خودرو مسير اشتباهي را طي مي کند.

- شبکه ترافيکي همراه

شبکه ترافيکي همراه (MANET) که گاهي اتصال شبکه همراه نيز ناميده مي شود، يکي از شبکه هاي پيکربندي خودکار ابزارهاي همراهي است که از طريق بي سيم به شبکه ارتباطي متصل مي شوند. هر ابزاري در يک شبکه MANET مي تواند آزادانه از هر مسيري تردد کند. ابتدايي ترين چالش در ساخت شبکه MANET، مجهز کردن همه ابزارها براي برقراري مداوم ارتباط است تا اطلاعات مورد نياز ترافيک را مخابره کنند. اين شبکه ها مي توانند به اينترنت نيز متصل شوند.

MANET جزو شبکه هاي تک کاربره بي سيم به شمار مي رود و با توجه به رشد استفاده از لپ تاپ و شبکه هاي بي سيم Wi-Fi(اتصال بي سيم و تبادل اطلاعات از طريق فناوري بي سيم) اين روش از اواسط دهه 1990 به يک مقوله تحقيقاتي محبوب و کاربردي تبديل شده است.

- سيستم ارزيابي و پيش بيني ترافيک

مقوله سيستم ارزيابي و پيش بيني ترافيک (TrEPS)، به بهبود شرايط ترافيک، کاهش تاخير سفر از طريق ايجاد تسهيلات لازم براي بهره برداري بهتر و در دسترس قرار دادن ظرفيت هاي بيش تر اتلاق مي شود. اين سيستم با بهره برداري از تلفيق کامپيوتر، ابزار ارتباطي و فناوري هاي نظارتي، قدرت نظارت، مديريت و کنترل سيستم حمل ونقل را بالا مي برد. اين سيستم همچنين سطوح مختلفي از اطلاعات ترافيکي و توصيه هاي سفر را در اختيار کاربران سيستم قرار مي دهد تا مسافر به موقع به اطلاعات لازم دسترسي يافته يا براي سفر خود بهترين تصميم را از نظر مسيرهاي انتخابي اتخاذ کند. از آنجا که ميزان موفقيت توسعه فناوري هاي سيستم حمل ونقل هوشمند به قابليت دسترسي به موقع و پيش بيني دقيق شرايط ترافيک بستگي دارد، مقوله سيستم پيش بيني ترافيک اهميت بسياري مي يابد. در حقيقت اين روش در به کارگيري مدهاي ترافيکي پيشرفته و تحليل داده ها، به ويژه داده هاي بلادرنگ از منابع مختلف براي تخمين و پيش بيني شرايط ترافيک تعريف مي شود. در نتيجه استراتژي هاي سيستم پيشرفته مديريتي ترافيک (ATMS) و سيستم پيشرفته اطلاعات مسافر(ATIS) مي توانند براي تکميل اطلاعات اين بخش به کار روند.

کشورهايي که از اين سيستم استفاده کرده و حتي مراکز تحقيق و توسعه براي آن راه اندازي کرده اند، آمريکا، چين و سنگاپور هستند. در آمريکا، در سال 1994 براي ايجاد سيستم پيش بيني ترافيک، کمک به آدرس دهي به مسافران در زمان ترافيک هاي سنگين و مديريت مسايل پيرامون پويا سازي سيستم هاي حمل ونقل هوشمند مرکز تحقيق و توسعه FHWA راه اندازي شد. يک سال بعد موسسه فناوري ماساچوست(MIT) و دانشگاه تگزاس براي همکاري با اين مرکز همکاري خود را آغاز کردند و هر کدام آنها به طراحي نمونه اي از TrEPS پرداختند. در نهايت سه سال بعد، دو نمونه سيستم TrEPS طراحي و معرفي شد. اين دو طرح با نام هاي DynaMIT-R و DYNASMART-X مبتني بر سيستم شبيه سازي بودند.

در چين نيز دانشگاه ژيان جيانئوتونگ (Xi’an Jiaotong) در سال 2000 تحقيقات خود را براي طراحي سيستم مشابه سيستم TrEPS آمريکا آغاز کرد و بعد از 6 سال نمونه اين سيستم با نام DynaCHINA(اطلاعات هيبريدي سازگار پويا مبتني بر تخصيص شبکه) را معرفي کرد.

سنگاپور اولين کشوري بود که در سال 1975 کاربرد عملي قيمت گذاري تراکم يا طرح مجوز منطقه اي را مطرح کرد. به لطف پيشرفت فناورانه جمع آوري الکترونيکي عوارض جاده اي و نظارت ويديويي، اين کشور توانست سيستم خود را در سال 1998 به روز کند. مقامات اين کشور براي بهبود مکانيسم قيمت گذاري و قيمت گذاري بلادرنگ با شرکت IBM قرارداد همکاري بسته و در آوريل سال 2007 ابزار تخمين و پيش بيني ترافيک را که از داده هاي ترافيکي بلادرنگ از چندين منبع براي تخمين شرايط ترافيک استفاده مي کند، نصب کرد. قابل توجه اين که اين سيستم با دقت  85درصد ترافيک را پيش بيني مي کند و در زمان هايي که داده هاي بيش تري داشته باشد، نظير ساعاتي که پيک ترافيکي است، دقت آن به 90 درصد نيز مي رسد