Dinamik Kontrol Sistemleri

Trafik kontrol sistemleri farklı şekillerde sınıflandırılır. Statik/dinamik, tepkisel/tahmin sistemleri, kapalı döngü /açık döngü gibi. Statik kontrol sistemleri zamanın belirli bir anındaki sistemin ortalama durumu ile ilgilenir. Kontrol değişkenleri trafik koşullarına göre gerçek zamanlı olarak değiştirilmez. Bunun tersi olarak dinamik kontrol sistemleri ile kontrol parametreleri gerçek zamanlı olarak trafik koşullarına göre değiştirilir.

Trafik kontrol sistemleri açık ve kapalı döngü olmak üzere iki şekilde de sınıflandırılmaktadır. Denetim faaliyetinin sistemin çıkışına bağlı olan sistemlere kapalı döngü sistemler, denetim faaliyetlerinin sistemin çıkışına bağlı olmayan sistemler ise açık döngü sistemler denilir. Kapalı döngü sistemlerde mevcut sistemin gerçek zamanlı olarak çıkışının ölçümüne ihtiyaç duyulur. İki sistem arasındaki temel fark kapalı döngü sistem çıkış değişkeninin gerçek zamanlı olarak ölçülüp, geri besleme ile sistemde hedeflenen değişiminin sağlanması için değerlendirilerek üretilen kontrol değişkeninin, dinamik olarak güncellenmesidir.

Yukarıda belirtilen kapalı döngü sistemler genel olarak tepkiseldir (reactive). Kontrol mevcut duruma göre sisteme müdahale etmektedir. Bu tip kontrol sistemlerini trafiğe uygulamak için sistemde tıkanıklık durumunun gerçekleşmesi gerekmektedir (Owen, 1996). Tahmine dayalı kontrol sistemlerinde ise kontrol eylemleri, bir tahmin modeli ile gelecekteki trafik koşullarının tahmin edilmesiyle, uygulanmaktadır (Owen, 1996).

16

Kontrol sinyalinin üretilmesinde değişik yöntemler kullanılmaktadır. Örneğin basit kontrol sistemlerinde iki durumlu kontrolörlerin (aç-on, kapa-off) kullanıldığı görülmektedir. Bu tip sistemlerde belirlenen bir eşik değerin üstünde kontrolör çalıştırılmaz. Kontrol edilen değişkenin çok hızlı değişim göstermediği durumlarda tercih edilir. Sistemin sürekli çalışıp durması durumlarını önlemek için, açma ve kapama arasında (eşik değeri etrafında) “histerezis” bölge olarak adlandırılan bir nötr bölge belirlenir. MEB (2009)’da belirtildiği gibi bu aralık ne kadar geniş tutulursa sistemin kontrol hassasiyeti o derece azalır. Herhangi bir kontrol hareketinin gerçekleşmesi için bu bölgenin aşılması gerekmektedir. Bu tip kontrole “histerizis kontrol” denilir. Aç-kapa kontrol yönteminin sakıncalarını ortadan kaldırmak için P, I, D kontrol yöntemleri ve bunların birleşiminden meydana gelen yöntemler geliştirilmiştir (MEB, 2009).

Dinamik trafik kontrol terimi kısa dönemde trafik akımında iyileştirmeler yapmak için bir takım araçlar, yöntemler, işlemlerin bir arada kullanılmasını ve trafik akımına müdahale edilmesini ifade etmektedir ( Hegyi vd., 2009). Bir dinamik trafik kontrol sisteminin temel bileşenleri Şekil 2.2’de görüldüğü üzere trafik gözlem aygıtları, trafik ağı, kontrol aygıtları ve dinamik trafik kontrol modelinden oluşmaktadır. Dışsal bozucular¹ (trafik talebindeki değişmeler ve trafik kazaları gibi) tarafından bozulan trafik durumunu sensörler belirler (Owen, 1996).

Trafik gözlem aygıtları mevcut trafik durumu konusunda dinamik kontrol modeli için gerek duyulan verileri ölçer. Dinamik kontrol modeli bu verilere dayanarak komutlar üretir. Kontrol döngüsü, gerçek zamanlı olarak kontrol modelinin mevcut ve tahmin edilen bozuculara yanıt verecek şekilde uygulanır (Owen, 1996). Bu döngünün çekirdeği kontrol modelidir. Kontrol modeli sürecin gelecekteki durumunu tahmin modellerinden elde edilen durum değişkenleriyle, amaç fonksiyonunu eniyileyecek kontrol girdilerini belirlemektedir. Elle yapılan kontrol sisteminde komutlar trafik kontrol merkezinde bulunan bir uzman tarafından, otomatik kontrol sürecinde ise algoritma tarafından üretilir (Papageorgiou, 2003; Vukanovic, 2006). Otomatik kontrol prosedüründe sistemin trafik tahmin modeli ve kısıtlar temel

1 Bozucu Etki: Sistemin çıkış değerini ters (negatif) olarak etkileyen veya etkilemeye meyilli işarettir. Eğer sistemin içinde üretilmişse iç bozucu etki, dışında üretilmişse dış bozucu etki adı verilir (Cansever, 2007).

17

alınarak amaç fonksiyonu eniyilenmekte ve trafik kontrolü için kontrol sinyalleri üretilmektedir (Bellemans vd., 2002).

Şekil 2.4 : Dinamik trafik kontrolün şematik gösterimi (Kaynak: Owen, 1996). Trafik kontrolü ile amaç fonksiyonunu eniyileyecek düzenlemeler yapılır. Trafiğin kontrolü ile istenen, faydaları maksimuma çıkartmaktır. Akbaş (2001)’da belirtildiği gibi trafiğin kontrolü bir optimizasyon problemi olarak ifade edilir. Amaç fonksiyonu trafik yoğunluğu, ortalama hız, trafik akımı vb. trafik akımını temsil eden durum değişkenleridir. Taşıtların toplam yolculuk süreleri doğrudan tıkanıklığı temsil eden bir başarım ölçütü ve amaç fonksiyonunda yer alan bir terim olmakla birlikte, çevresel maliyetler (hava kirliliği, yakıt tüketimi vb.), sosyal maliyetler (stres) ve ekonomik maliyetler (gecikme) de amaç fonksiyonuna eklenebilir. Başarım ölçütü yolculuk süresinin azalması, yakıt tüketiminin azalması, gürültü ve hava kirliliğinin azalması ve güvenlik ölçütü gibi pek çok amacı birlikte gerçekleştirme özelliğine sahip olabilir. Amaç fonksiyonları kendisine katılan terimler arasında bir ödünleşme sonucunda hesaplanmaktadır (Bellemans vd., 2003). Bu durumda terimlere ağırlık verilerek önem derecesi atanabilmektedir.

Trafiğin dinamik özelliğinden dolayı değişen trafik şartlarını hesaba katarak kontrol eylemlerinin sık sık güncellenmesi gerekmektedir. Aşağıda bir dinamik trafik kontrolünü oluşturan üç önemli bileşen olan trafik gözlem aygıtları (I), trafik kontrol aygıtları (II) ve trafik kontrol model (kontrolör) bileşenlerinin (III) özelliklerine dair bilgi verilmektedir:

18 2.2.1 Trafik gözlem aygıtları

Trafik kontrol sisteminin temel bileşeni veri kaynağıdır. Buna göre gerçek zamanlı veri elde edilir ve en uygun kontrol eylemine karar verilir.

Gerçek zamanlı veri elde etmede kullanılan en bilinen aygıtlardan biri dedektörlerdir. Dedektörler kaplama altına yerleştirilen ve trafik parametrelerinin ölçümünde kullanılan aygıtlardır. Bir dedektör bir tek şeride ait bilgileri toplar. Bir bölgede birden fazla, farklı şeritlerden veri toplayan dedektör topuluğu dedektör istasyonu olarak anılır. Dedektörler çalışma ilkelerine göre türlere ayrılırlar. Bunlardan kısaca aşağıda bahsedilecektir.

İndüktif dedektör üretiminin başlangıcı olan 1960’lı yıllarından beri trafik yönetiminde faydalı olmuştur. Başlıca bileşenleri Şekil 2.5’de görüldüğü üzere; kaplama altına yuva içerisinde sığ bir şekilde yerleştirilmiş bir ya da birden fazla yalıtılmış kapalı devre kablo, kontrol kabininin içine yerleştirilmiş elektronik kontrol ünitesi ve iletim hattından oluşmaktadır (Url-4). İndüktif dedektörler genellikle taşıt hacmi, hız ve yoğunluk hesaplamada kullanılır. İndüktif dedektörler algılama mesafesi içine giren metal cisimleri (çelik, bakır, alüminyum, pirinç) algılayarak (elektrik kablosunda oluşturulan elektromanyetik alanda meydana gelen sapmanın sonucunda) sinyal üreten elektronik aygıtlardır. Bu tarz algılama sistemi doğa koşullarından en az etkilenen sistem olduğu için tercih edilmektedir.

Manyetik Sensörler 1960’larda indüktif dedektörlere alternatif olarak kullanılmaya başlamıştır. Manyetik sensörler bir metal nesnenin (örneğin taşıt) dünyanın doğal manyetik alanında sapma meydana getirmesi ilkesine göre tasarlanmıştır.

IR (infrared-kızılötesi) dedektör genellikle uzaklık ölçümünde kullanılır. Kızılötesi ışık yollayan dedektör cisimden yansıyan ışığın durumuna göre uzaklığı belirler. Sesle engel tanıma veya uzaklık ölçümü ultrasonik (ses ötesi) ses dalgaları ile yapılır. Ultrasonik dedektör çevresine ses dalgaları yayıp, engele çarpıp geri gelen dalgalardan nesneleri belirleyen bir alettir. Kızılötesi dedektör gibi mesafe de ölçmektedir ve menzili ondan daha geniştir. Bir IR dedektör en fazla 2 metreye kadar ölçebilirken, ultrasonik dedektörler uygun koşullarda 30 metreye kadar ölçüm yapabilir.

19

Şekil 2.5 : İndüktif dedektörün bileşenleri (Url-4).

Gerçek zamanlı bilgi toplamanın bir yolu da radarlardır. Radarların çalışma prensibi akustik dedektörlere benzemektedir. Akustik dedektörlerden farkı yayılan sinyallerin tipinden kaynaklanmaktadır. Radarlar ölçüm için mikrodalga sinyaller kullanır ve ölçümün doğruluğu yansıyan mikrodalganın şekline bağlıdır. Örneğin, RTMS (Remote Traffic Microwave Sensor) EIS (Electronic Integrated Systems Inc.) tarafından üretilen bir radar aygıtıdır. Uzaktaki taşıtlar mikrodalga ile ölçülmektedir. Çok şeritli yollarda, her türlü hava koşullarında, çok amaçlı olarak her bir şerit için bağımsız olarak taşıt görüntülerinin tespiti ve trafik parametrelerinin ölçülmesinde kullanılabilir (Şekil 2.6). Bunlar hacim, işgal, hız ve kullanıcı tarafından tanımlanabilen bölgelere ait bilgileri sınıflandırabilmektedir. Bu bölgeler toplam sekiz adettir ve en çok 60 metre uzaklığa kadardır. Düşük maliyetli olup, yol kenarına kurulumu ve sökümü kolaydır.

Bununla birlikte hava şartları hava istasyonlarında yol hava bilgi sistemleri ile gözlenmektedir. Rüzgar hızı ve yönü, görünürlük, nem ve yağış miktarı gibi çeşitli çevresel şartlara dair veri toplanmaktadır. Kaplama sensörleri ise yoldaki kaplama şartlarına dair tam zamanlı bilgi vermektedir (kuru, karlı, buzlu vb).

2.2.2 Dinamik kontrol modeli (kontrolör)

Trafik ağında (süreçte) bir ya da bir dizi belirli kontrol fonksiyonunu yerine getirmek için kontrol modeli tasarlanır. Kontrolör, sistemi belirlenmiş bir hedefe eriştiren mekanizmadır. Kontrol fonksiyonu, kontrol aygıtı ve kontrol fonksiyonunun davranışlarını yöneten kontrol algoritması seçilerek uygulanmaktadır. Algoritma