CC BY
14
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 1
Научная статья УДК 004.9:004.8
doi: 10.17213/1560-3644-2022-1-11-20
РАЗРАБОТКА СИСТЕМЫ ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ ТРАНСПОРТНЫМИ ПОТОКАМИ НА ОСНОВЕ СТАНДАРТА МЭК 61499
Д.М. Елькин, В.В. Вяткин
Южный федеральный университет, г. Таганрог, Россия
Аннотация. Необходимость корректного и эффективного функционирования систем управления связана с их повсеместным применением в различных предметных областях, которые влияют на благополучие и благосостояние человека. Остро встаёт вопрос разработки подобных систем, создания методов их проектирования и алгоритмов, по которым системы будут функционировать для успешного выполнения задач, возложенных на них. В работе описана реализация распределенной системы для управления транспортом с помощью метода и алгоритмов, которые реализованы в концепции событийно связанных автоматных моделей по стандарту МЭК 61499. Предлагаемая система для управления транспортом может быть применена для любых типов перекрёстков и участков дорожной сети вне зависимости от геометрических и транспортных характеристик. Взаимодействие и применение управляющих воздействий основано на алгоритмах, предложенных авторами, но структура метода позволяет применять и другие алгоритмы, которые могут быть разработаны научным сообществом.
Ключевые слова: управление дорожным движением, адаптивное управление, распределённая система управления, трафик, МЭК 61499, plug and play
Для цитирования: Елькин Д.М., Вяткин В.В. Разработка системы для управления транспортными потоками на основе стандарта МЭК 61499 // Изв. вузов. Сев.-Кавк. регион. Техн. науки. 2022. №1. С. 11 - 20. http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2022-1-11-20
Original article
DEVELOPMENT OF A TRAFFIC MANAGEMENT SYSTEM BASED
ON THE IEC 61499 STANDARD
D.M. Elkin, V.V. Vyatkin
Southern Federal University, Taganrog, Russia
Abstract. The need for the correct and efficient functioning of control systems is related to their widespread use in various subject areas, which, among other things, affect human welfare and well-being. The question of developing such systems, creating methods for their design and algorithms by which the systems will function to successfully perform the tasks assigned to them arises sharply. This paper describes the implementation of a distributed system for transport control using the method and algorithms that are implemented in the concept of event-related automata models according to the IEC 61499 standard. The proposed traffic control system can be applied to any type of intersections and road network sections regardless of geometric and transport characteristics. The interaction and application of control actions is based on the algorithms proposed by the authors, but the structure of the method allows the application of other algorithms that may be developed by the scientific community.
Keywords: traffic control, adaptive control, distributed control system, traffic, IEC 61499, plug and play
For citation: Elkin D.M., Vyatkin V.V. Development of a Management System based on the IEC 61499. Izv. vuzov. Sev.-Kavk. region. Techn. nauki=Bulletin of Higher Educational Institutions. North Caucasus Region. Technical Sciences. 2022; (1): 11 - 20. (In Russ.) http://dx.doi.org/10.17213/1560-3644-2022-1-11-20
© Елькин Д.М., Вяткин В.В., 2022
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 1
Введение
Системы для управления дорожным движением и методы их построения обычно рассчитаны на централизованную структуру [1 - 3], которая характеризуется зависимостью объектов дорожной инфраструктуры от «Центра управления дорожным движением».
Применение распределённых систем является особенно эффективным подходом для управления дорожным движением [4-6], так как системы с централизованной архитектурой испытывают не только большие нагрузки на каналы связи, но и географически отделены от точки принятия решения по управлению, что может увеличить количество неисправностей или снизить качество работы системы.
Для эффективного проектирования распределенных систем управления нужны строгие методы их описания. Необходимо также обеспечить совместимость и взаимозаменяемость между собой всех устройств, входящих в систему и выпускаемых разными производителями. Для этих целей был разработан международный стандарт МЭК 61499 «Функциональные блоки для индустриальных систем управления» [7-9]. Он использует три уровня иерархии моделей при разработке распределенных систем: модель системы, модель физических устройств и модель функциональных блоков. Модели всех уровней в соответствии со стандартом представляются в виде функциональных блоков, которые описывают процесс передачи и обработки информации в системе.
Модель распределенной системы управления в соответствии со стандартом МЭК 61499 может быть представлена как набор физических устройств (например, программируемых логических контроллеров), взаимодействующих между собой с помощью одной или нескольких сетей. Сети могут иметь иерархическую структуру.
Особенностью функциональных блоков стандарта МЭК 61499 является то, что они учитывают не только традиционное инициирование выполнения алгоритма с помощью тактирования или временного расписания, но и по признаку наступления некоторых событий (событийное управление). Событийное управление является более общим, а тактирование можно рассматривать как его частный случай, заключающийся в периодическом появлении одного и того же события (сигнала тактирования).
Метод [10], лежащий в основе системы для управления, основан на активном взаимодействии агентов - субъектов управления, для реа-
лизации общей стратегии управления и применения управляющих воздействий к объектам управления (рис. 1). Физически агенты выполнены в виде элементов дорожной инфраструктуры - светофоры, дорожные знаки, либо являются их частью. Взаимодействие и применение управляющих воздействий основано на алгоритмах, предложенных авторами, но структура метода позволяет применять и другие алгоритмы, которые могут быть разработаны научным сообществом.
I Сеть (для обмена информацией^ ]
( Агент 1 ] [ Агент 2] ( Агент п]
FB1 FB2 FBn
I Приложение для управления перекрёстком ]
¡Полоса f| ¡Полоса ¿| ¡Полоса п]
Объект управления (перекрёсток)
ч_J
Рис. 1. Схема управления / Fig. 1. Control diagram
Каждый агент для управления транспортными потоками и элементы его структуры (модули) могут быть представлены в виде событийно связанных автоматных моделей, разработанных по стандарту МЭК 61499.
Предлагаемая система для управления транспортом может быть применена для любых типов перекрёстков и участков дорожной сети вне зависимости от геометрических и транспортных характеристик.
В работе описан метод и алгоритмы для распределённого управления транспортом, которые реализованы в концепции событийно связанных автоматных моделей.
Агент для управления транспортом на перекрёстке
Агент на транспортном пересечении, которое не связано с другими, осуществляет взаимодействие с соседними агентами на этом пересечении с помощью физического интерфейса и согласно заданному алгоритму. Так как на перекрёстке агент обычно управляет временем сигнала светофора, то при формировании управляющих воздействий на транспортный поток рассчитывается время работы светофора согласно заданному алгоритму и с помощью физического интерфейса, информация об управляющем воздействии выводится на элемент дорожной инфраструктуры для информирования участников дорожного движения.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION.
TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 1
На рис. 2 представлена модель агента перекрёстка в виде составного блока, разработанного по стандарту МЭК 61499.
Рассмотрим диаграмму и алгоритм работы агента (рис. 4, 5).
I Прием инфориации 1оТ
I Транспортная ситуация^
i-N
I Сообщения от других агентов>
Интерфейс шимодейстш с агентами Алгоритм шимодействи? с агентами перекрёстка
Интерфейс взаимодействия с ОДИ
Алгоритм расчета времени работь оди 1оТ интерфейс
Передача информации 1оТ
Управляющие воздействия
Сообщения для других агентов
Рис. 2. Структура локального агента / Fig. 2. Structure of the local agent
Для взаимодействия агентов на перекрёстке друг с другом и формирования управляющих воздействий на транспортный поток используются модули «Алгоритм взаимодействия с агентами перекрёстка» (рис. 3, а) и «Алгоритм управления объектом дорожной инфраструктуры», реализация модулей выполнена в функциональном блоке «Agentjunction» (рис. 3, б).
EVENT —С 3 INIT INITO
GREEN
RED
Z3 О nz
Agentjunc
WSTRING -I Porti Cars
WSTRING —о- Port2 ID _LANE
INT ID
INT Vmax
WSTRING PortJ net
WSTRING —о Port_2_ net
STRING -D- ENDPOINT
WSTRING —D Port_A_ road
St
EVENT EVENT EVENT
INT INT
EVENT EVENT EVENT EVENT EVENT EVENT EVENT EVENT EVENT
[NT INT INT INT INT INT INT REAL STRING
— > INIT INITO REQ ASK ANS OK CHECK repl GO GREEN Tirr>s_coui RED manual GO_o -c 1-
]-
phdse_erttf =□£3 1= Agentjunctioi TS T I0R ID IDA IDOK NCJN NC MY_ID Coff MY_NC numbsr_a MY_T quque CoffJN Tlmerjn colorjn
— —
EVENT EVENT EVENT EVENT EVENT EVENT EVENT
INT
INT
INT
INT
REAL
INT
ARRAYPIOF INT TIME
б
Рис. 3. Составной функциональный блок - агент перекрёстка «Agentjunc» (а) и функциональный блок «Agentjunction» (б) / Fig. 3.Composite functional block agent of the intersection «Agent_junc» (а) and functional block «Agentjunction» (б)
Рис. 4. Диаграмма «Подсчет агентов» / Fig. 4. Agent «Counting Diagram»
Шаг 1 - подсчет количества агентов в сети.
• Если INIT - устанавливаем значения переменных при инициализации. INITO = TRUE.
• Выходное событие ASK = TRUE - отправляем запрос агентам.
• Если REQ (ответ пришел) - включаем счетчик num_a
• Если GO - переходим в состояние RELEASED
Шаг 2 - получение доступа к общему ресурсу.
• В состоянии RELEASED агент готов к работе.
o Если поступил запрос REQ от другого агента, инициализируется событие OK, отправляется ID агента, от которого поступил запрос.
o Если на подконтрольном агенту участке дорожной сети появились транспортные средства - CHECK и нет задержанных ответов - top, переходим в состояние WANTED.
• В состоянии WANTED агент генерирует запрос и устанавливает значения переменных для отправки. Затем переходит в WAIT_WANTED.
• В WAIT_WANTED ожидает предоставления доступа к общему ресурсу (перекрёстку).
o Если поступил запрос REQ и время ожидания, количество транспортных средств больше, то переходим в состояние SEND_OK и отправляем ответ OK и ID агента, отправившего запрос.
o Если поступил запрос REQ и время ожидания, количество транспортных средств меньше, то задерживаем ответ, переходим в состояние ENQUEUE_WANTED и записываем ID агента в массив queueIDR[top].
o При равенстве времени и количества транспортных средств ответ отправляется агенту с меньшим ID.
o Если поступил ответ ANS и ID в ответе равен MY_ID, переходим в состояние INC_REPLIES и прибавляем к счётчику replies +1.
а
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION.
TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 1
Рис. 5. Диаграмма «Взаимодействие агентов» / Fig. 5. Diagram «Interaction of Agents»
o Если счетчик replies равен количеству агентов в сети num_a-1, то доступ к перекрёстку разрешён, переходим в состояние WAIT_HELD.
• В WAIT_HELD инициализируется событие GREEN, транспортные средства могут начинать движение. Переходим в состояние ENQUEUE.
• В ENQUEUE, если поступает запрос REQ, записываем ID агента в массив queueIDR[top]. При наступлении события Time_coun время фазы движения вышло, переходим в состояние EXT.
• В состоянии EXT инициализируем событие RED, запрещаем проезд транспортных средств на подконтрольном направлении и переходим в RELEASED.
• В состоянии RELEASED завершаем цикл работы агента.
o Если top не равен 0, переходим в ANS_ALL и отправляем ответы всем агентам, ID которых есть в массиве с событием OK, пока top не равен 0.
• Если в это время приходит запрос CHECK, запоминаем его с помощью флага check_bool.
Агент в сети
В этом типе Агентов, помимо функционала для локального управления, реализуется сетевое взаимодействие с Агентами соседних пересечений. Агент при формировании управляющих воздействий учитывает данные, поступающие от Агентов на других перекрёстках, которые расположены на одном направлении движения транспортных потоков (рис. 6).
Рис. 6. Структура агента в сети / Fig. 6. Structure of the agent in the network
Таким образом, для организации более эффективного управления транспортом масштабирование системы ограничено только рамками улично-дорожной сети, так как агенты связываются друг с другом по направлениям движения транспорта.
В функциональном блоке «Agent_net» (рис. 7) реализован модуль «Взаимодействие с агентами в сети», диаграмма которого изображена на (рис. 8).
Рис. 7. Функциональный блок «Agent_net» / Fig. 7. «Agent_net» Function Block
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION.
TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 1
Рис. 8. Диаграмма модуля «Взаимодействие с агентами в сети» / Fig. 8. Diagram of the "Interaction with agents in the network" module
Рассмотрим диаграмму и алгоритм работы модуля.
• При инициализации происходит подсчёт количества агентов в сети как в функциональном блоке «Agent_junction»
• После события GO модуль переходит в состояние WAITING.
o Если запрос ANS_IN и ID меньше MY_ID, то устанавливаем необходимые значения переменных дорожной обстановки и отправляем ответ ANS.
o Если событие ASK_U_OP, отправляем запрос с номером ID другим агентам, переходим в состояние EXCHANGE, ждем ответа REQ и переходим в состояние CALC.
• В состоянии CALC, если пришел ответ REQ и ID_IN > MY_ID (агент, который отправил запрос, находится дальше по пути следования), производим расчёт доступного количества транспортных средств для проезда через перекрёсток. Записываем данные в массив arr.
o Если пришел ответ REQ и ID_IN < MY_ID (агент, который отправил запрос, находится ранее
по вектору движения транспорта), модуль переходит в состояние count, и счетчик ответов прибавляется на 1.
o Когда пришли ответы от всех агентов в сети answ = num_a-2, модуль переходит в состояние arr_lowest.
• В arr_lowest из всех полученных данных о количестве транспортных средств arr[count], которые могут проехать перекрёсток, выбирается наименьшее значение и передаётся в модуль «Алгоритм расчета времени работы объектов дорожной инфраструктуры» с событием SEND.
Модуль переходит в состояние WAITING.
Агент перекрёстка, взаимодействующий с агентами улично-дорожной сети
Агент перекрестка, обменивающийся данными с Агентами улично-дорожной сети (УДС) (Apn), осуществляет обмен информацией о состоянии транспортного потока, загруженности подконтрольного участка дорожной сети и времени ожидания транспортных средств (рис. 9).
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION.
TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 1
I Прием информации loT^?
1 Транспортная ситуация^*
I Сообщения от других агентов)1
Интерфейс взаимодействия с агентами Алгоритм взаимодействия с агентами перекрёстка
Интерфейс взаимодействия сОДИ Алгоритм взаимодействия с агентами УДС
расчета времени работы оди IoT интерфейс
Передача информацш
,„ьт>
Управляющие воздействия /
Т>
Сообщения для других агентов^-
Рис. 9. Структура агента перекрёстка при взаимодействии с агентом УДС / Fig. 9. Structure of an intersection agent in interaction with a road agent
При этом Агент перекрёстка - Ak, располагающийся следующим по направлению вектора движения транспортных средств после Агента Apn, отправляет количество VmaxAk, а Агент Aj, который размещён перед Агентом Apn по направлению вектора движения транспортных средств, отправляет nV для Apn.
Модуль реализован как функциональный блок «AJun_road_comm» (рис. 10, а), диаграмма его отражена на рис. 10, б.
• При наступлении события INIT модуль переходит в состояние INIT, где устанавливаются начальные значения переменных, затем модуль переходит в состояние WAITING.
б
Рис. 10. Функциональный блок «Ajun_road_comm» (а) и диаграмма модуля «Алгоритм взаимодействия с агентами УДС» (б) / Fig. 10. Function block «A_jun_road_comm» (а) and diagram of the «Algorithm of interaction with road agents» module (б)
В состоянии WAITING модуль ожидает наступления события REQ_SEND, при наступлении которого параметры транспортной характеристики на подконтрольном агенту участке дорожной сети передаются агентам УДС в сети с событием ANS. Затем модуль снова переходит в состояние WAITING.
Агент улично-дорожной сети
Агент улично-дорожной сети Apn применяет управляющие воздействия к транспортному потоку в зависимости от транспортной ситуации на участке дороги и получаемой информации от агентов на перекрёстке по направлению движения транспортного потока, который контролируется Агентом (рис. 11).
Рис. 11. Структура локального агента УДС / Fig. 11. Structure of the local road agent
Локальный агент УДС не связан с другими агентами УДС и агентами на перекрёстках и осуществляет расчет и применение управляющих воздействий на основе информации, поступающей по каналам связи «Интернета вещей (IoT)», анализа транспортной ситуации на подконтрольном участке дороги (рис. 12).
Рис. 12. Составной функциональный блок-агент УДС - «agent_road_comp» / Fig. 12. Composite functional block agent road network - «agent_road_comp»
Агент УДС обменивается информацией с соседними агентами УДС, находящимися на одном векторе направления движения транспортного потока, применяя управляющие воздействия на основе полученной информации. Структура Агента представлена на рис. 13.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION.
TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 1
Рис. 13. Структура агента УДС, связанного с другими агентами УДС / Fig. 13. Structure of a road agent linked to other road agents
Реализация модулей «Алгоритм взаимодействия с агентами УДС» и «Алгоритм управления объектом дорожной инфраструктуры» осуществлена с помощью функционального блока «Agent_road» (рис. 14).
EVENT EVENT EVENT EVENT EVENT
INT INT INT INT STRING INT INT
£
INIT INITO
REQ Condition о
CONDITION ASK
REQ AJlfl
REQJoT
=□ о Ex
Ag-ent_road
My_NC MYJEI IDJN
STÂTUSJN ConditionJM STATU S_oonmJN STATU SJoT
ID
STATUS О
Ж
EVENT EVENT EVENT
INT INT
Рис. 14. Функциональный блок «Agent_road» / Fig. 14. Agent_road function block
Рассмотрим диаграмму и алгоритмы работы модулей: «Алгоритм взаимодействия с агентами УДС» и «Алгоритм управления объектом дорожной инфраструктуры» (рис. 15).
Рис. 15. Диаграмма блока Agent_road / Fig. 15. Diagram of the Agent_road block
• При поступлении события INIT модуль переходит в состояние INIT и происходит процедура инициализации модуля с переопределением переменных.
• Затем модуль переходит в состояние speed, другим агентам в сети рассылается запрос с идентификационным номером агента.
• Далее модуль переходит в состояние WAITING и ожидает поступления событий.
o Если поступило событие REQ, модуль переходит в состояние CALC, где определяется статус агента в зависимости от его расположения на дорожной сети. Если ID запрашивающего агента меньше ID агента, принимающего данный, значит STATUS_O = STATUS_IN-10. Если ID запрашивающего агента больше и STATUS_O не равен 60, то STATUS_O = STATUS_IN + 10.
o Если поступило событие CONDITION, модуль переходит в состояние New_condition, где в зависимости от поступления данных Condition_IN изменяется STATUS_O от 20 до 60. Генерируются события Condition_O и ASK.
o Если поступило событие REQ_A_Jun, модуль переходит в состояние Comm_IN, где значение статуса агента УДС STATUS_O приравнивается к значению, поступившему от модуля «Интерфейс взаимодействия с агентами перекрестка».
• Если поступило событие REQ_IoT, агент переходит в состояние IoT, где значение статуса агента УДС STATUS_O приравнивается к значению, поступившему от модуля «IoT интерфейс».
Агенты УДС, которые связаны с агентами перекрёстка, применяют управляющие воздействия к транспортному потоку на основе информации, получаемой от агентов, находящихся на соседних позициях на перекрёстке по направлению вектора движения транспортного потока (рис. 16).
Прием информации 1оТ
I Транспортная ситуация
I Сообщения от других агентов)
Интерфейс взаимодействия с агентами Алгоритм взаимодействия с агентами перекрёстка
Интерфейс взаимодействия с ОДИ Алгоритм управления ОДИ
Алгоритм расчета времени работы ОДИ 1оТ интерфейс
Передача информации 1оТ
Управляющие воздействия
СооЕщения дппдругкх агентов/
Рис. 16. Структура агента УДС, связанного с агентами перекрёстка / Fig. 16. Structure of a road agent associated with intersection agents
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION.
Взаимодействие агента УДС и агента перекрёстка происходит с помощью модуля «Интерфейс взаимодействия с агентами перекрестка». Рассмотрим работу модуля при взаимодействии агента УДС с агентами перекрёстка (рис. 17).
FB2
TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 1
FB4
INITÜ GREEN RED
'226.0.0.1:61500'
'226.0.0.1:61501'
ID
'226.0.0.1:61500'
ZU
Agentjunc
Porti Port2 ID
Vmax Port_l_net Port_2_net ENDPOINT Port A road _ЕШ.
INITD GREEN RED
'226.0.0.1:51501"
INIT
INITD GREEN RED
'226.0.0.1:61500'
'226.0.0.1:61501'
Agent jure:
ID
Qsi Agentjunc
Porti Port2 ID
VrrHX
Port_1_net
Port_2_net
ENDPOINT
Port_A_road
Cars I0_LANE
-rer-
Portl Port2 ID
Vmax
Port_1_net
Port_2_net
ENDPOINT
Port_A_road
Cars ID_LANE
-c INIT INTO □
с CONDITION CNF Ь
3 E
Agent_road_conp
с MYJD STATUSJD a
с My_NC r: Condltlori_IN с Porti с Port2
Рис. 17. Диаграмма модуля «Интерфейс взаимодействия с агентами перекрестка» / Fig. 17. Diagram of the «Interface with Crossroads Agents» module
• Если поступило событие INIT, то модуль переходит в состояние INIT и происходит процедура инициализации, переопределяются переменные.
• Затем модуль переходит в состояние WAITING и ожидает запрос от агента перекрёстка - событие REQ, и если агент перекрёстка находится дальше по направлению движения транспорта, агента УДС - ID_IN > MY_ID, то агент переходит в состояние CALC.
В состоянии CALC определяется загруженность участка дорожной сети и в зависимости от неё применяется управляющее воздействие по ограничению скоростного режима STATUS_O.
Разработка и тестирование распределенной системы
Из разработанных модулей была создана распределенная система управления дорожным движением для исследуемого участка дорожной сети. Произведена настройка согласно подобранной конфигурации. Определены входные данные (рис. 18).
С целью реализации процедуры верификации результатов было разработано средство для коммуникации системы управления транспортными потоками с имитационной моделью участка дорожной сети.
Рис. 18. Фрагмент распределенной системы управления движением по стандарту МЭК 61499 / Fig. 18. Part of distributed traffic control system according to IEC 61499
В стандарте по проектированию распределенных систем для коммуникации между устройствами и внешней средой по протоколу Transmission Control Protocol (TCP) разработан функциональный блок NETIO, который был использован для коммуникации разработанного регулировщика со средой имитационного моделирования SUMO [11] с использованием языка программирования Python и стандартного средства SUMO - TraCi. На языке Python был реализован асинхронный сервер для приема и обработки данных от системы управления транспортными потоками, выполненной по стандарту МЭК 61499, к имитационной модели перекрестка, реализованной в SUMO (рис. 19).
Рис. 19. Схема работы среды тестирования / Fig. 19. Scheme of the testing environment
Проведенное имитационное моделирование дало следующие результаты. На регулируемых перекрестках предлагаемая система позволяет снизить время ожидания ТС на 14 % по сравнению с обычным светофорным циклом, и на 20 % по сравнению с перекрёстком без управления. Сравнение результатов имитационного моделирования представлено на рис. 20.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION.
TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 1
t, % 20 10 о
60
■ ■
Без управления Распределённая С жёстким управлением система а
■
Без управления
Распределённая С жёстким управлением система
б
ТС, ед. 3000
2000
1000
о
Без управления
Распределённая система
в
С жёстким управлением
Рис. 20. Результаты имитационного моделирования: а - время ожидания; б - потерянное время; в - количество автомобилей / Fig. 20. Simulation results: а - waiting time; б - lost time; в - number of cars
При агентном управлении потерянное время уменьшается на 20 % по сравнению со стандартным управлением движением. И как следствие, пропускная способность УДС, управляемого агентами, выше на 10 %, чем с обычным светофором, и на 20 % выше, чем без светофора, так как без светофора на участке дорожной сети возникает затор со стороны второстепенных дорог.
Заключение
В работе рассмотрена реализация агентов перекрёстка, агента улично-дорожной сети и составляющих их модулей в виде функциональных блоков, которые выполнены в рамках стандарта событийно связанных автоматных моделей МЭК 61499. В рамках стандарта также были реализованы алгоритмы управления и коммуникации.
Из набора готовых функциональных блоков была спроектирована распределённая система для управления транспортными потоками и протестирована её эффективность по сравнению с классическим светофорным регулированием, а также отсутствием управления на перекрестке. По большинству исследуемых параметров, распределённое управление по описанным в работе принципам превосходит конкурентные методы управления.
При этом, для реализации распределённой системы, был использован открытый стандарт МЭК 61499, что позволяет быстро создать прототип системы управления для определённых типов контроллеров и внедрить его на экспериментальный участок дорожной сети. Это позволяет с высокой скоростью переходить от этапа идеи и исследовательской работы к этапу тестирования и внедрения, что повышает экономическую и практическую эффективность проводимых исследований.
Список источников
1. De Souza Allan M. et al. Traffic management systems: A classification, review, challenges, and future perspectives // International Journal of Distributed Sensor Networks 13.4 (2017): 1550147716683612.
2. Slavin Courtney et al. Statistical study of the impact of adaptive traffic signal control on traffic and transit performance // Transportation Research Record 2356.1 (2013): 117-126.
3. An Sheng-hai, Byung-Hyug Lee, Dong-Ryeol Shin. A survey of intelligent transportation systems // 2011. Third International Conference on Computational Intelligence, Communication Systems and Networks. IEEE, 2011.
4. Liu Ying, Lei Liu, Wei-Peng Chen. Intelligent traffic light control using distributed multi-agent Q learning // 2017 IEEE 20th International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC). IEEE, 2017.
5. Bui Khac-Hoai Nam, Jason J. Jung. Internet of agents framework for connected vehicles: A case study on distributed traffic control system // Journal of Parallel and Distributed Computing 116 (2018): 89-95.
6. De Souza AM, Villas L. A fully-distributed traffic management system to improve the overall traffic efficiency // 2016 ACM international conference on modeling, analysis and simulation of wireless and mobile systems, Malta, 13-17 November 2016. New York: ACM.
7. Vyatkin V. IEC 61499 as enabler of distributed and intelligent automation: State-of-the-art review // IEEE transactions on Industrial Informatics. 2011. Vol. 7, № 4. P. 768-781.
8. Thramboulidis K. IEC 61499 in factory automation //Advances in Computer, Information, and Systems Sciences, and Engineering. 2007. P. 115-124.
9. Lyu Guolin, Robert William Brennan. Towards IEC 61499-Based Distributed Intelligent Automation: A Literature Review // IEEE Transactions on Industrial Informatics 17.4 (2020): 2295-2306.
10.Elkin D., Vyatkin V. Distributed Traffic Control Method Based on Interconnected Agents // Silhavy R. (eds) Informatics and Cybernetics in Intelligent Systems. CSOC 2021. Lecture Notes in Networks and Systems, vol 228. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-77448-6_53
11. Lopez P. A. et al. Microscopic traffic simulation using sumo // 2018, 21st International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC). IEEE, 2018. P. 2575-2582.
ISSN 1560-3644 BULLETIN OF HIGHER EDUCATIONAL INSTITUTIONS. NORTH CAUCASUS REGION. TECHNICAL SCIENCES. 2022. No 1
References
1. De Souza Allan M. et al. Traffic management systems: A classification, review, challenges, and future perspectives. International Journal of Distributed Sensor Networks 13.4. 2017. 1550147716683612.
2. Slavin Courtney et al. Statistical study of the impact of adaptive traffic signal control on traffic and transit performance. Transportation Research Record 2356.1. 2013. 117-126.
3. An Sheng-hai, Byung-Hyug Lee, and Dong-Ryeol Shin. A survey of intelligent transportation systems. 2011 Third International Conference on Computational Intelligence, Communication Systems and Networks. IEEE. 2011.
4. Liu Ying, Lei Liu, Wei-Peng Chen. Intelligent traffic light control using distributed multi-agent Q learning. 2017 IEEE 20th International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC). IEEE. 2017.
5. Bui Khac-Hoai Nam, Jason J. Jung. Internet of agents framework for connected vehicles: A case study on distributed traffic control system. Journal of Parallel and Distributed Computing 116. 2018. 89-95.
6. De Souza AM Villas L. A fully-distributed traffic management system to improve the overall traffic efficiency. In: 2016 ACM international conference on modeling, analysis and simulation of wireless and mobile systems, Malta, 13-17 November 2016. New York: ACM.
7. Vyatkin V. IEC 61499 as enabler of distributed and intelligent automation: State-of-the-art review. IEEE transactions on Industrial Informatics. 2011; 7. (4):768-781.
8. Thramboulidis K. IEC 61499 in factory automation. Advances in Computer, Information, and Systems Sciences, and Engineering, 2007; pp. 115-124.
9. Lyu Guolin, Robert William Brennan. Towards IEC 61499-Based Distributed Intelligent Automation: A Literature Review. IEEE Transactions on Industrial Informatics 17.4. 2020. 2295-2306.
10. Elkin D., Vyatkin V. Distributed Traffic Control Method Based on Interconnected Agents. In: Silhavy R. (eds) Informatics and Cybernetics in Intelligent Systems. CSOC 2021. Lecture Notes in Networks and Systems. 2021; Vol. 228. Springer, Cham. https://doi.org/10.1007/978-3-030-77448-6_53
11. Lopez P.A. et al. Microscopic traffic simulation using sumo. 2018 21st International Conference on Intelligent Transportation Systems (ITSC). IEEE. 2018; pp. 2575-2582.
Сведения об авторах
Елькин Дмитрий Максимовичассистент, delkin@sfedu.ru
Вяткин Валерий Владимирович - д-р техн. наук, профессор, vvyatkin@sfedu.ru
Information about the authors
Elkin Dmitriy M. - assistant, delkin@sfedu.ru
Vyatkin Valeriy V. - Doctor Technical Sciences, Professor, vvyatkin@sfedu.ru
Статья поступила в редакцию/the article was submitted 28.01.2022; одобрена после рецензирования /approved after reviewing 07.02.2022; принята к публикации / acceptedfor publication 14.02.2022.
