Enerji tüketimini göz önünde bulunduran çok etmenli kavşak yönetimi

Şehirlerdeki trafik sıkışıklığı yakıt tüketiminin ve kirliliğin artmasındaki ana sebeplerden biridir. Araştırmalara göre trafik sıkışıklığı, her sene Amerika Birleşik Devletleri'nde verimliliğin düşmesi ve zaman kaybından dolayı 121 milyar dolara yakın maliyete sebep olmaktadır. Kişiler, ortalama 38-40 saatlerini trafikte kaybetmektedirler. Bu da yaklaşık haftalık çalışma saati kadardır. Buna ek olarak, trafik sıkışıklığı yılda 25 milyar kilogramlık karbondioksit salımına sebep olmaktadır. Şehir içi yollardaki araç sayısının artması geleneksel trafik yönetimi sistemlerinin yetersiz kalmasına yol açmaktadır. Trafik işaretler, trafik memurlarının müdahaleleri ve trafik ışıkları geleneksel çözümler arasında sayılabilir. Trafik ışıklarının kontrolü sabit zamanlı olarak yapılmaktadır. Günün farklı saatlerinde oluşabilecek tahmini trafik sıkışıklığına göre trafik ışığı zamanlaması yapılmaktadır. Ancak, bu yöntem değişen trafik yoğunluğuna göre güncelleme yapılmadığı için yetersiz kalmaktadır. Bu da trafikte gereksiz ve verimsiz beklemelere yol açmaktadır. Trafik yoğunluğu yollara kurulabilecek çeşitli kamera ve sensör sistemleriyle ölçülebilir. Yollara kurulan sistemlerden alınan trafik bilgisi, akıllı trafik ışığı sistemlerinin kurulması için kullanılabilir. Böylece anlık trafik yoğunluğuna göre trafik akışını arttıracak şekilde trafik ışığı zamanlaması ayarlanabilir. Bunun yanında araçlar arası ve araçlar ile saha üniteleri arası haberleşme de trafik yoğunluğunun analizi için kullanılabilir. Araç haberleşmesi sürücüler ilerideki trafik yoğunluğu hakkında bilgilendirilebilir. Bunun da ilerisinde, otonom araçlar için kavşak geçiş sistemleri oluşturulabilir. Otonom araçlar için trafik ışıklarına ihtiyaç duymadan kavşak kontrolü sağlanabilmesi için çeşitli yöntemler sunulmuştur. Bunlardan en yaygın olanı, araçların geçiş için kavşakta bulunan bir kavşak yönetim sisteminden rezervasyon istemelerine dayalı çalışmaktadır. Bunun yanında araçların birbirleri ile haberleşerek kavşak yönetimini gerçekleştirmeleri de başka bir yaklaşımdır. Otonom kavşak yönetim sistemleri araçların kavşaktan tahimin rotalarını kullanarak muhtemek kazaları tespit eder. Günümüz araç kontrol üniteleri ile araçların verilen hız profilleri ile tahmini rotaları kolaylıkla oluşturululabilir. Araçların kavşaktaki tahmini bulunma anları ve konumları karşılaştırılarak muhtemel kazalar tespit edilir. Araçlar kavşağa ulaşmadan mumtemel kazalar çözümlenmelidir. Kazaların çözümlenmesi için kullanılan en yayğın yöntem, basitçe uygulanabilir olamasından da dolayı, ilk gelen alır prensibidir. Bu prensibe göre kavşaktan geçmek için rezervasyon isteyen araçlar arasında öncelik, ilk rezervasyon isteyene verilir. Daha düşük önceliğe sahip araçlar hızlarını belirli bir zaman gecikmesini sağlamak üzere ayarlarlar. Geçiş önceliğini ilk rezervasyon isteyen araca vermek her zaman toplam zaman gecikmesi anlamında en verimli yöntem olmayabilir. İlk gelen alır prensibine göre daha verimli çalıştığı belirtilen ve ileriye bakan kavşak yönetimi oalrak adlandırılan bir yöntem sunulmuştur. Bu yönteme göre kavşaktan geçiş önceliğinin verilmesi düşük önceliğe sahip olacak araçların üzerinde oluşacak toplam zaman geçikmesini minimize edecek şekilde yapılmaktadır. Konvoy halinde ilerleyen bir grup araç arasında en öndeki aracın geciktirilmesi onu takip eden araçların da geciktirilmesi anlamına geldiği için, konvoyun tamamı tek araç olarak düşünülmüştür. Böylece konvoydaki ardışık gecikmenin azaltılması amaçlanmıştır. Bu çalışmada, kavşaktan araçların geçiş sıralamasını belirlenmiş maliyet fonksiyonlarına göre düzenleyen bir algoritma sunulmuştur. Kavaşkta tespit edilmiş muhtemel kaza noktası üzerinden geçecek araçların geçis sıralamaları araç sayısına bağlı permütasyon olarak ortaya konur. Bunlardan gerçekleşmesi muhtemel olmayanlar elenir. Muhtemel geçiş sıraları arasından bir maliyet fonksiyonuna göre seçim yapılır. Seçilen sıralamanın gerçeklenmesi için araçların kavşağa varış süreleri gecikmelerle ayarlanır. Bunun için öncelikle kavşak modeli açıklanmıştır. Kavşak dört yoldan oluşmaktadır ve haberleşme, yavaşlama ve hızlanma olmak üzere üç temel bölüme ayrılmıştır. Haberleşme bölümünde araçlar birbileri ile haberleşerek tahmini rotalarını karışılatırır ve olası kazaları tespit eder. Kazaların tespitinin kolaylaştırılması için kavşak merkezi ızagara sistemi ile bölünmüştür. Her bir geçiş sıralaması için araçlara farklı zaman gecikmeleri atanmaktadır. Dolayısıyla her bir sıralama toplamda farklı bir gecikmeye sebep olmaktadır. Bu toplam gecikme miktarı geçiş sıralamaları arasından minimum gecikmeye sebep olanın seçilebilmesi için kullanılabilir. Bu yaklaşım toplam zaman gecikmesine bağlı maliyet olarak belirtilmiştir. Araçların kavşağa geliş zamanlarının arttırılması, yavaşlama ve hızlanmalarla sağlanmaktadır. Dinamik araç modeli verilerek, hızlanma sırasında gerecek ekstra enerjinin hesaplanması anlatılmıştır. Araçların dinamik model parametrelerinin birbirinden farklı olduğu durumlarda, araçlar başlangıçta eşit hızlarla hareket ediyor ve her birine atanan gecikme eşit olsa bile gerekli yavaşlama ve hızlanmanın sağlanması için harcanacak enerji farklı olacaktır. Bu farklılıktan yola çıkarak her geçiş sıralaması için farklı bir enerji kaybı hesaplanabileceği söylenebilir. Olası geçiş sıralamaları arasından, minimum enerji kaybına sebep olması beklenen sıralamanın seçilmesi ikinci bir yöntem olarak sunulmuştur. Bu seçim kriteri enerji kaybına bağlı maliyet olarak adlandırılmıştır. Sunulan iki maliyet hesabı, bir oran ile birleştirilerek birleşik maliyet fonksiyonu ortaya konulmuştur. Bu sayede, olası geçiş sıralamaları arasından seçim yapılırken zaman gecikmesi ve enerji kaybının aynı anda göz önünde bulundurulabilmesi amaçlanmıştır. Maliyet fonksiyonlarının belirlenmesinden sonra MATLAB tabanlı bir simülasyon ortamı oluşturularak kavşak yönetimi algoritması farklı örnek durumlar için test edilmiştir. Araçların hareketi, kinematik bisiklet modeli ve "pure pursuit" yol takip algoritması verilerek açıklanmıştır. Farklı kütlelere ve yörüngelere sahip araçlardan oluşan örnek durumların, daha önceden açıklanan üç farklı maliyet fonksiyonuna bağlı, simülasyonu incelenmiştir. Simülasyon sonuçlarına göre toplam zaman gecikmesine bağlı geçiş sıralaması seçiminin, olası çarpışmaların çözümlenmesi için gereken en az gecikmeyi araçlara atayarak kavşak yönetimini sağladığı görülmüştür. Öte yandan, enerji kaybına bağlı geçiş sıralaması seçimi, geçiş önceliğini daha ağır araçlara vererek enerji kaybını azaltmaya çalıştığı gözlenmiştir. Birleşik maliyet fonksiyonuna bağlı kavşak yönetimi ile, toplam zaman gecikmesine bağlı seçime göre daha fazla zaman kaybedilirken daha az enerji harcandığı görülmüştür. Benzer şekilde, enerji kaybına bağlı seçime göre de daha az zaman kaybedildiği görülmüştür. Tezin ilerleyen bölümlerinde öncelikle literatür araştırması ve çalışmanın motivasyonu anlatılmaktadır. Daha sonra enerji kaybı hesabı ve araç hareketi simülasyonu için kullanılmak üzere araç modelleri verilmiştir. Haberlerşme protokolleri ve kaza tespiti dahil olmak üzere kavşak modeli açıklanmıştır. Daha sonra kavşak yönetimi algoritması, toplam zaman gecikmesi, enerji kaybı ve birleşik maliyet fonksiyonları ile birlikte anlatılmıştır. Simülasyon ortamının oluşturulması açıklanıp farklı örnek durumlar için kavşak yönetimi test edilmiştir. Son olarak, simülasyon sonuçları açıklanıp yorumlanmıştır.