طرز کار چراغ‌های راهنمایی و رانندگی موضوعی نیست که هر روز ذهن ما را به خود مشغول کند. مگر آنکه در صف طولانی از ماشین‌ها پشت یک چراغ قرمز گیر افتاده باشیم. بااینکه ایده چراغ‌های راهنمایی و رانندگی امروز بیشتر از صد سال قدمت دارد و در این سال‌ها تغییرات بسیاری هم داشته است، هنوز هم سیستم‌های این چراغ‌ها بی‌نقص نیستند. امروزه چند نوع سیستم برای کنترل چراغ‌های راهنمایی و رانندگی وجود دارد که برخی از آنها کارایی بیشتری دارند. با این حال اگر زمان‌بندی چراغ‌های راهنمایی و رانندگی بهینه تنظیم نشده باشد، ممکن است اتلاف وقت زیادی را برای شهروندان ایجاد کند. به هر صورت کنترلر برنامه پذیر چراغ راهنمایی جدیدترین نوع کنترلرها هستند که در سیستم‌های شهری پیشرفته به کار می‌روند.
چراغ‌های دیروزی، چراغ‌های امروزی
قبل از آنکه سراغ کنترلر برنامه پذیر چراغ راهنمایی که امروز با کمک تکنولوژی‌های مدرن در دسترس ماست برویم، بد نیست سری به تاریخ بزنیم و ببینیم اساس چراغ‌های راهنمایی و رانندگی از کجا آمده‌اند؟ داستان چراغ‌های راهنمایی و رانندگی با یک فاجعه شروع شد. در سال 1868 اولین چراغ راهنمایی و رانندگی که با گاز کار می‌کرد در میدان پارلمان لندن به کار گرفته شد. در فاصله‌ای کمتر از دو ماه بعد از نصب این چراغ منفجر و افسر پلیسی که با آن کار می‌کرد کشته شد. به همین دلیل جهان باید ۴۶ سال دیگر منتظر می‌ماند تا اولین چراغ راهنمایی برقی وارد زندگی مردم کلیولند در ایالات متحده آمریکا شود.
اولین چراغ‌های راهنمایی برقی تنها دو رنگ سبز و قرمز داشتند. اولین بار دیترویت و نیویورک بودند که رنگ زرد را به چراغ‌ها اضافه کردند. خیلی زود چراغ‌های راهنمایی راه خود را به پاریس، برلین، میلان، رم، لندن، بارسلون و توکیو باز کردند و به عضو جدایی‌ناپذیر چهارراه‌ها بدل شدند. طولی نکشید که چراغ‌های مخصوص عابرین پیاده هم به سیستم‌های چراغ‌های راهنمایی و رانندگی اضافه شدند.
در ایران اما اولین چراغ‌های راهنمایی و رانندگی چراغ‌های دورنگی بودند که بر روی یک کوله‌پشتی نصب شده و کلیدهای برای خاموش و روشن کردن چراغ‌ها داشتند. مأموری کوله‌پشتی را بر پشت خود می‌انداخت و در چهارراه‌ها به افراد دستور ایست یا حرکت می‌داد. بعدها با آمدن برق و همه‌گیر شدن چراغ‌های برقی این چراغ‌ها به ایران هم راه پیدا کردند.
ترافیک بیشتر، سیستم‌های پیچیده‌تر
امروزه موضوع ترافیک در شهرهای بزرگ بسیار پیچیده‌تر و گسترده‌تر از قبل است. به همین دلیل سیستم‌های کنترل چراغ‌های راهنمایی و رانندگی هم تغییرات بسیاری داشته‌اند. در حال حاضر می‌توان به طور کل دو نوع سیستم برای چراغ‌های راهنمایی و رانندگی در نظر گرفت که شامل سیستم‌های زمان ثابت و کنترل پویا می‌شود.
در سیستم‌های زمان ثابت از یک تایمر برای کنترل چراغ راهنمایی استفاده می‌شود. بسته به اطلاعات ترافیکی هر تقاطع زمان تایمر ممکن است از چند ثانیه تا چند دقیقه متفاوت باشد. کنترلرهای این سیستم‌ها یک کنترل کننده سیگنال الکترومکانیکی را شامل می‌شود که دارای اجزای متحرک و تایمر شماره‌گیری است. گفته می‌شود در حال حاضر در ایران چراغ‌های راهنمایی و رانندگی عموماً زمان‌بندی ثابت دارند.
سیستم‌های زمان‌بندی متغیر برای چراغ راهنمایی و رانندگی
سیستم‌های ثابت برای مکان‌هایی که ترافیک آنها در زمان‌های مختلف تغییر چشم‌گیری ندارد، مناسب هستند. اما این سیستم‌ها اشکال بزرگی هم دارند. اشکال آنها این است که در بسیاری از شهرهای بزرگ و تقاطع‌های اصلی ترافیک در تمام طول روز و تمام روزهای هفته ثابت نیست. بنابراین سیستم‌های دیگری ایجاد شدند که زمان‌بندی متغیری دارند. در این سیستم‌ها می‌توان زمان‌بندی چراغ‌های راهنمایی و رانندگی را با توجه به میزان ترافیک و نیازی که وجود دارد برای هر زمان خاص تنظیم کرد. کنترلر برنامه پذیر چراغ راهنمایی برای تنظیم برنامه چراغ‌ها به کار می‌رود.
کنترلر برنامه پذیر چراغ راهنمایی در این سیستم‌ها امکانات مختلفی را ارائه می‌کند. برای مثال، در نمونه‌ای از این کنترلرها با نام TKP قابلیت تنظیمات زمان به صورت ثابت، روزانه و هفتگی وجود دارد. این کنترلرهای امکان برنامه‌ریزی با کامپیوتر و از طریق اتصال به نرم‌افزار و برنامه‌ریزی دستی را دارند.
سیستم‌های سازگار با ترافیک
اما گاهی شرایط ترافیکی تقاطع‌ها نوسانات بسیاری دارد و غیر قابل پیش‌بینی است؛ در این صورت به طور معمول چراغ‌های سازگار با ترافیک خدمات بهتری را ارائه می‌کنند. برخی از این سیستم‌های پویا از یک آشکارساز یا شناساگر استفاده می‌کنند که می‌تواند با سیستم کنترل چراغ راهنمایی ارتباط برقرار کند تا آنها را از ترافیک فعلی مطلع کند. هنگامی که یک تقاطع مسدود می‌شود، آنها زمان‌بندی را تنظیم می‌کنند تا ترافیک بهتر جریان یابد.
در این سیستم‌ها که پیشرفته‌تر از انواع قبلی هستند، آشکارساز اطلاعات ترافیکی مانند حضور خودرو، حجم تردد وسایل نقلیه و سرعت را دریافت کرده و به کنترلر برنامه پذیر چراغ راهنمایی می‌فرستد. در کنترلر پردازنده‌هایی وجود دارد که داده‌ها را پردازش کرده و متناسب با آنها زمان‌بندی چراغ را طوری تنظیم می‌کنند که در حالت بهینه قرار داشته باشد.
کنترل تقاطع‌های مرتبط با هم
بسیاری از تقاطع‌های شهری از نظر ترافیکی با تقاطع‌های نزدیک خود در ارتباط هستند. به همین دلیل برای اینکه چراغ‌ها بیشترین بازدهی را داشته باشند، در بسیاری از موارد نیاز است تا به صورت هماهنگ کنترل شوند. برای مثال، دو تقاطع با فاصله نه چندان زیاد را در نظر بگیرید. هنگامی که چراغ در تقاطع اول سبز می‌شود تعدادی ماشین به‌صورت هم‌زمان به تقاطع دوم می‌رسند. اگر در تقاطع دوم در زمان رسیدن ماشین‌ها چراغ سبز شود میزان توقف ماشین‌ها حد بسیاری کاهش پیدا می‌کند.
به این ترتیب، اگر فردی در یک مسیر با حداقل سه چراغ راهنمایی پشت سر هم قرار بگیرد و چراغ اول برای او سبز باشد چراغ‌های بعدی هم برای او سبز خواهند بود. به این فرایند موج سبز یا در زبان انگلیسی Green wave می‌گویند. بزرگ‌ترین اشکال امواج سبز زمانی پدیدار می‌شود که موج مختل می‌شود.
اختلال در موج سبز می‌تواند مشکلات ترافیکی ایجاد کند که با همگام سازی تشدید می‌شود. در چنین مواقعی صف وسایل نقلیه در یک موج سبز بزرگ‌تر می‌شود تا جایی که برخی از وسایل نقلیه نمی‌توانند به‌موقع به چراغ سبز بعدی برسند و باید متوقف شوند. به این حالت اشباع بیش از حد می‌گویند. با توقف بیشتر و بیشتر وسایل نقلیه، قفل ترافیکی ایجاد می‌شود که در آن وسایل نقلیه نمی‌توانند به جلو حرکت کنند، حتی زمانی که چراغ سبز می‌شود. به همین دلیل این نوع کنترل تنها زمانی استفاده می‌شود که حجم ماشین‌های ورودی از ظرفیت تقاطع کمتر باشد.
انواع روش کنترل هماهنگ چراغ‌های راهنمایی
برای کنترل هماهنگی تقاطع‌های مختلف باید به عوامل مؤثر گوناگونی مانند رفتار راننده‌ها و رعایت نظم، فاصله بین تقاطع‌ها و میزان پراکندگی خودروها توجه داشت. ساده‌ترین سیستم برای کنترل هماهنگ سیستم شریانی است. در این شیوه هدف و توجه اصلی بر روی پیشروی ترافیک در یک مسیر اصلی است. برای مثال، در تهران مسیر میدان آزادی به میدان انقلاب با این شیوه کنترل می‌شود.
اما روش دیگری که برای کنترل هماهنگ مورد استفاده قرار می‌گیرد، کنترل شبکه‌ای است. در این روش کنترلر برنامه پذیر چراغ راهنمایی باید به صورتی تنظیم شود که موج سبز برای بیشترین تعداد مسیر ممکن به دست بیاید. در این روش تلاش می‌شود تا موج سبز در تمام مسیرها ایجاد شود، اما در بیشتر موارد ایجاد موج سبز برای تمام مسیرها ممکن نیست. بنابراین، هدف نهایی این است که کارایی تا حد امکان در کل شبکه بالا برود و تأخیرها و توقف‌های ماشین‌ها به حداقل برسد.
مزایای استفاده از سامانه کنترل هوشمند
به طور کل استفاده از سیستم‌های هوشمند در تقاطع‌ها تا حد بسیاری به کاهش ترافیک، کم شدن آلودگی هوا، کاهش مصرف سوخت و کاهش زمان سفر شهروندان کمک می‌کند. هرچه زمان‌بندی چراغ‌ها با کمک کنترلر برنامه پذیر چراغ راهنمایی دقیق‌تر و هوشمندتر انجام شود رفت‌وآمد ساده‌تر و کم‌هزینه‌تر خواهد بود. از ویژگی‌های سامانه کنترل هوشمند می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:
- امکان نظارت بر تقاطع‌ها از راه دور
- کاهش زمان سفر، مصرف سوخت، آلودگی هوا و آلودگی صوتی
- امکان جمع‌آوری اطلاعات و آمار ترافیکی در بازه‌های زمانی مختلف
- کاهش تأخیر، توقف و احتمال برخورد ماشین‌ها در تقاطع‌ها
- امکان ایجاد موج سبز در شریان‌های اصلی