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luglio 10, 2018 Commenti (0) Ingegneria Informatica, Uncategorized Tempo di Lettura:

I Semafori smart – Parte 1

In questo articolo si andrà ad analizzare un possibile approccio “smart” alla gestione dei semafori e di conseguenza allo studio, mantenendo un approccio ingegneristico a tale problema, dei flussi stradali e del loro mutamento nel tempo.

Il progetto, realizzato insieme ad alcuni colleghi dell’ Università della Calabria, si basa sulla creazione di un algoritmo in grado di ottimizzare la gestione dei semafori. Per fare ciò, è stata necessaria la creazione di un nuovo tipo di semaforo, definito “semaforo dinamico”, capace di modificare i “tempi di verde” in base all’ andamento del traffico. L’articolo verrà strutturato in più parti, in primo luogo verrà esposto il contesto del progetto per immergere al meglio il lettore all’ interno della problematica e della successiva soluzione proposta. La seconda parte andrà ad analizzare nel dettaglio l’implementazione e la soluzione ricercata ed in fine ci saranno le conclusioni del progetto e i relativi test da poter consultare in modo da apprendere al meglio le potenzialità di questo approccio “smart”, buona lettura:

Smart city

Gli esperti lo hanno predetto: entro il 2050, la popolazione globale residente in aree urbane raddoppierà e il 70% degli abitanti della terra risiederà nelle città. Questo fenomeno porterà ad un’urbanizzazione su larga scala, in tempi impressionanti, che dovrà essere gestita per garantire una buona qualità della vita, efficienza e sostenibilità ambientale.

Una smart city è, dunque, un’area urbana sviluppata, progettata in modo da creare sviluppo economico e alta qualità della vita, attraverso l’impiego della tecnologia integrata e l’ottimizzazione delle risorse principalmente nei seguenti ambiti chiave: comunicazione, economia, lavoro, ambiente, amministrazione, edilizia e mobilità. È proprio su quest’ultima che andremo a porre la nostra attenzione.

 

Smart Mobility

La smart mobility (mobilità intelligente) è un modo nuovo di concepire e organizzare la mobilità, con importanti implicazioni sociali e culturali; essa consente di rispondere, in maniera efficace, ai nuovi bisogni cercando di soddisfare le mutanti esigenze di trasporto di persone e merci. Tutto ciò è possibile ottimizzando l’uso e lo sviluppo delle risorse economiche, umane ed ambientali, liberando tempo ed aumentando la qualità della vita. In questo senso, la mobilità intelligente assume il significato di gestire i flussi di mobilità per ridurne la congestione, i tempi morti, i disservizi ed i rischi, agire sulla domanda di mobilità per eliminare gli spostamenti inutili e renderli più semplici e accessibili.
Si tratta di realizzare, quindi, un modello urbano capace di garantire un’elevata qualità della vita alle persone ed alle imprese, rendendo più semplici gli spostamenti, alleviando tempi ed energie.

Nel campo del traffico stradale si può perciò intervenire sui cicli semaforici per gestire la circolazione delle automobili in modo dinamico. Allo stesso modo, i guidatori possono ottenere informazioni in tempo reale per trovare rapidamente un parcheggio, risparmiando tempo e carburante e contribuendo alla riduzione della congestione stradale.

 

Semafori

Nel corso degli anni si è cercato di creare o migliorare strumenti volti a semplificare la vita dell’uomo. Basti pensare all’invenzione di una semplice ruota che con il passare del tempo si è evoluta in automobili sempre più performanti.
Un indispensabile strumento utilizzato nella nostra quotidianità è il semaforo.

Nato intorno agli anni settanta dell’ottocento grazie all’ingegnere britannico John Peake Knight, il semaforo è un segnale luminoso utilizzato nella circolazione stradale in presenza di incroci, o di altri casi in cui sia necessario regolare flussi di traffico potenzialmente in conflitto fra di loro.
Purtroppo però questo strumento, al contrario di molti altri, è rimasto quasi totalmente invariato nel tempo. La sua gestione, infatti, è sempre stata “statica”, ovvero scegliendo a priori, tramite una serie di statistiche basate sul flusso stradale, un determinato numero di secondi di verde, senza aver mai ottenuto uno sviluppo tale da apportare considerevoli modifiche al suo meccanismo.
Questa staticità del semaforo ha quindi portato molti studiosi a cercare una soluzione.

 

 

Smart Traffic Light

Una delle tante soluzioni è stata la progettazione del semaforo detto “intelligente”.
Il semaforo intelligente è un particolare tipo di semaforo il cui scopo è quello di mantenere più alto il tempo di ciclo sulle arterie principali per favorire la rapidità e la redditività; esso trova maggiore applicazione su incroci di strade a diversa importanza e flusso. Viene spesso confuso con il semaforo dissuasore, anch’esso definito “intelligente” che in realtà ha tutt’altra funzione (serve infatti a limitare la velocità elevando contravvenzioni automatiche). Questo lavoro è reso possibile dai sensori, dispositivi che permettono al semaforo di rilevare e quantificare il traffico stradale. Esistono diverse tipologie di sensori atti al rilevamento veicolare, ecco alcuni esempi:

• Sensori magnetici: una spira di filo elettrico annegata nell’asfalto nella quale scorre una debole corrente permette di rilevare la presenza di metallo (veicolo) sopra di essa.

 

  • Sensori ottici: tipicamente una telecamera o sensore ad infrarosso che rileva la presenza di
    veicoli.
  •  Sensori a ultrasuoni : dispositivi capaci di rilevare veicoli mediante l’invio / ricezione di ultrasuoni.

Questi sensori sono collegati con la centralina semaforica, alla quale trasmettono le informazioni raccolte via cavo o via radio. I dati ricevuti in questo modo, oltre ad essere utili per una auto-regolazione del ciclo semaforico, possono essere raccolti per creare statistiche sul traffico.

La presentazione del progetto: Il semaforo smart

L’ idea

Ci siamo soffermati sul semaforo per un semplice motivo: in tutti questi anni ormai sono davvero pochi gli strumenti che, in ambito tecnologico, sono rimasti così fedeli al passato e alle origini. Andando a stringere il campo in ambito stradale, infatti, noteremo un grande sviluppo delle automobili e dei trasporti pubblici, cosa che invece non si rispecchia a livello semaforico.

Analizzando dunque la gestione del semaforo con l’intento di favorire il flusso stradale, si arriva ad una conclusione: ma se alla fine il semaforo va a gestire in maniera “statica”, nella maggior parte dei casi, un bene condiviso (ovvero la strada), perché quel qualcosa non la si può vedere come una risorsa?
Il tutto è partito pertanto valutando la strada come una RISORSA importante e, come tale, è necessario gestirla al meglio attuando un controllo degli accessi e ottimizzandone l’uso.

Ipotesi

Essendo in un ambiente non reale sono state apportate alcune semplificazioni doverose dettate dai mezzi a nostra disposizione. Componente principale utilizzato per lo sviluppo del progetto è stato il simulatore discreto di eventi, opportunamente modificato in modo tale da sostituire il flusso di pacchetti con un flusso di auto, e considerare i nodi della rete come incroci. Il simulatore si basa su uno schedule e su un buffer, che ha il compito di memorizzare le richieste di tutti gli oggetti della simulazione tramite messaggi.

Questi saranno poi schedulati in ordine di tempo in quanto ogni messaggio avrà al suo interno un’informazione relativa al tempo di invio. Il grosso vantaggio nell’avere un ulteriore schedule è che garantisca la temporizzazione e la sincronizzazione, a differenza invece di un simulatore basato sui thread che, essendo schedulato dalla JVM, potrebbe non rispettare la realtà.

Abbiamo quindi deciso di mettere da parte, per adesso, i casi più complessi in modo tale da lavorare in maniera bottom-up (parti individuali del sistema sono specificate in dettaglio, e poi connesse tra loro in modo da formare componenti più grandi) andando prima a creare le fondamenta che verranno poi man mano assemblate tra di loro.

Tutto il progetto si basa su tre importanti ipotesi:
• La segnaletica semaforica è costituita solo da luci verdi e rosse, tralasciando dunque il complesso
funzionamento del giallo.
• Tutte le strade utilizzate sono a senso unico (altrimenti si sarebbe complicato troppo l’algoritmo
in quanto era necessario gestire tutti i possibili casi di flusso).
• Il numero massimo di veicoli che possono essere immessi nella strada è 140.
Questo ci ha permesso di lavorare in modo più agevole e soprattutto di creare un prototipo funzionante che, può evolvere in un progetto che riesca a gestire anche le tre mancanze sopra citate.
L’ultimo vincolo è dovuto al fatto che i calcoli del simulatore sono talmente elevati da causare un notevole rallentamento della macchina, tanto da dover aspettare oltre un’ora e mezza per avere i risultati di un’unica simulazione. Questo dato ha limitato anche il tempo di simulazione tramite la quale riusciremo a rappresentare solo 30, massimo 35, minuti della vita reale.

Nel prossimo articolo entreremo maggiormente nel merito del progetto andando ad osservare a pieno l’ idea ed il codice per realizzarla.

Una possibile collegamento di questo progetto e quindi, più in generale dell’ utilizzo dei semafori smart, è l’ applicazione combinata di questi ultimi con le smart lights descritte nel precedente articolo: Le nuove luci della strada.

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