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Control automático y distribuido de tráfico vehicular en tiempo real mediante

redes petri

Janneth Condori, Gisela Fernandez y Edson Segales

J. Condori, G. Fernandez y E. Segales.

Universidad Mayor Real y Pontificia de San Francisco Xavier de Chuquisaca, Facultad de Ciencias Tecnológicas Calle

Regimientos Campos N°180, Sucre, Bolivia.

M. Ramos .(ed.) Ciencias Tecnológicas y Agrarias, Handbooks -©USFX- Sucre, Bolivia, 2014.

130

Abstract

The project comes as a solution of the need to improve the system of regular traffic lights and

therefore vehicular traffics o that it is less chaotic and annoying.

This arises to make the design of the prototype vehicular traffic control and data acquisition

continued in the most congested intersections in La Paz the city, through the Application of Petri

Nets for modeling lights, graphical programming language for the establishment of rules, SCADA

systems for man-machine interaction, programmable logic controllers for lights and other tools.

12 Introducción

El tráfico vehicular es actualmente un gran problema debido al crecimiento del parque automotor en

las ciudades, lo que provoca mayor contaminación, tanto acústica como atmosférica, además es una

causante de estrés en los ciudadanos, aumento del índice de accidentes, saturación de las vías, etc.;

es debido a esto que se vio la necesidad de realizar un control automatizado de dicho flujo

vehicular, con el objetivo de reducir el congestionamiento en calles y avenidas, y de esta manera

disminuir el impacto en el actuar de las personas y mejorar el ordenamiento en la ciudad.

Normalmente se trata de resolver este problema con medidas como el cambio de sentido de

las vías, la construcción de nueva infraestructura vial, colocación de semáforos; pero estas medidas

resultan en parte de los casos infructuosas, por lo que es necesario el uso de herramientas

alternativas, como la utilización de sistemas inteligentes que manejen el flujo vehicular de acuerdo

a la demanda, opción que se maneja en el presente caso.

No está demás destacar que en otras ciudades el enfoque es distinto, no se trata de adecuar la

infraestructura vial al flujo vehicular, sino que se hace lo contrario, es decir se trata de desalentar a

los conductores con ciertas medidas para que estos no ingresen a determinadas zonas o en otros

casos que eviten circular con sus movilidades.

12.1 Método

Control automático

Se lo puede definir como: ―La elaboración o captación de un proceso industrial a través de varias

etapas, con el uso libre de los equipos necesarios para ahorrar tiempo manual y esfuerzo mental‖.

La ventaja es que se logra mayor precisión que si la tarea fuese hecha manualmente.

Es nuestro caso es necesario un control automático porque se quiere lograr un

funcionamiento continuo, lo cual puede ser cansador para personal humano, debe ser el dispositivo

quien determine la acción a realizar.

Control distribuido

A diferencia del control centralizado, en el cual un elemento es el encargado de recibir todas las

variables del proceso, realizar los cálculos y producir las salidas, lo cual representa un riesgo si es

que este elemento falla, ya que se produciría la caída de todo el sistema; en el control distribuido el

manejo de la información se encuentra repartida en el espacio, y lo que se centraliza es la

supervisión, es decir que este elemento supervisor solo se encargaría de proporcionar las señales

necesarias al elemento distribuido para que este tenga la suficiente información para determinar la

acción a realizar en el proceso que controla.

131

Se trata de un conjunto de controladores y un computador central enlazados por medios de

comunicación. De esta forma se logra una mayor protección del sistema ya que si un elemento

(controlador) falla, los demás no se ven afectados; además de que proporciona redundancia y la

posibilidad de localización de averías de forma modular.

En nuestro caso debe ser distribuido ya que las intersecciones se las tratará de forma

independiente aunque relacionadas por el elemento supervisor, si fallara uno de los semáforos no

debería afectar a los otros, esto con el fin de que no se centralice en un único equipo la decisión de

todas las acciones a realizar.

Redes de Petri

Las Redes de Petri (RdP) es un modelo gráfico, formal y abstracto para describir y analizar el flujo

de información que debe su nombre a su creador y desarrollador Karl Adam Petri en 1962.

Si bien la técnica de representación o descripción no es nueva, su aporte está en que los

nodos de la red no representan estados, el concepto que se maneja es de ―lugares‖, dichos lugares

tendrán ―marcas‖ y la distribución de estas en los distintos lugares determinara el estado del

sistema.

Las Redes de Petri, nos permite modelar sistemas no determinísticos, distribuidos y/o

estocásticos, con procesos concurrentes, paralelos y asíncronos.

12.2 Resultados

Para hacer una buena planificación es necesario analizar formalmente los problemas en el transito

mencionados anteriormente. Existen distintos modelos para el análisis del tránsito.

- Macroscópicos: Son modelos continuos que tratan sobre la generalidad de los flujos, su

densidad, su velocidad, etc.

- Microscópicos: Describen el comportamiento del flujo enfocándose en las entidades atómicas

individuales (como lo podrían ser un vehículo o una intersección). Son considerados modelos

discretos.

- Mesoscópicos: Generalmente se basan en los métodos de la mecánica estadística. En ellos

interviene la variable tiempo, definiendo las probabilidades de ocurrencias de eventos en los

flujos.

Caso de estudio

Se adoptó la teoría de Redes de Petri, el control inteligente se aplicó en los señalizadores de control

de tráfico (semáforos) y se estudian dos intersecciones en la ciudad de La Paz (ver ilustración 7).

Se hará la descripción detallada de una de las intersecciones y la otra se define por analogía.

132

Gráfico 12. Intersecciones consideradas para el estudio

Av. Camacho

Ca

lle L

oa

yza

Ca

lle C

oló

n

S1S2

Consideraciones

El control inteligente debe ser en tiempo real por lo que es necesaria la obtención de datos del flujo

vehicular en cada instante de tiempo, hay diversas formas de lograr esto, para nuestro caso se opta

por sensores (los cuales pueden situarse a nivel de calzada o introducidas en el pavimento)

instalados en las vías (ver Gráfico 2), los cuales se encargarán de mandar información acerca de la

presencia de automóviles (conteo), cada tecnología tiene un campo de aplicación en función de las

características de la medición (temporal o permanente), del tipo de tránsito vehicular, y de la

precisión requerida.

Gráfico 12.1 Ubicación de los sensores

Av. Camacho

Ca

lle L

oa

yza

sentido del tráfico

sensores

Determinación de las variables de tráfico vehicular, que pueden ser medidas y simuladas

Existen distintos factores que intervienen, los más importantes a considerar son los siguientes:

El flujo: el número de vehículos que cruzan un detector por unidad de tiempo

Los datos enviados al servidor proveniente de las intersecciones es información del flujo en cada

una de las respectivas vías. La obtención de la información del flujo vehicular será de forma directa,

y a partir de esta se pueden estimar otras variables, como ser:

133

- La densidad vehicular: el número de vehículos por unidad de longitud.

En función a estas variables se determinará el tiempo que permanecerán encendidas las luces

del semáforo.

Además hay que tener en cuenta otros factores que ayudarían a un cálculo más exacto, como

ser:

- Longitud de la cola en espera.

- Ocupación de la intersección.

- Distancia de la vía.

Estas últimas ayudarían a determinar tiempos mínimos de funcionamiento así como el

establecimiento de prioridades.

El número de cruces considerados para el presente proyecto son dos:

Intersección Av. Camacho y Calle Colón

Intersección Av. Camacho y Calle Loayza

Gráfico 12.2 Modelado de la Red de Petri

134

Dimensiones de las vías en estudio

Gráfico 12.3 Dimensiones Av. camacho (distancia entre nodos)

Dimensiones de vehículos

En este punto se presenta las dimensiones en cuanto a longitud y ancho de los vehículos más

comunes que circulan por las rutas que son caso de estudio. Estos 3 tipos de vehículos serán

tomados como estándar o modelo de vehículos para realizar el dimensionamiento de la capacidad

vial.

- Vehículos Tipo Taxi:

Largo: 4.5 m; Ancho: 1.8 m

Gráfico 12.4

Gráfico 12.5

Minibús:

Longitud (m): 5.5

Ancho (m): 2

Velocidad máx. (km/h): ≥100

135

Gráfico 12.6 Microbus

Ancho: 2.5 m

Largo: 8 a 11 m

Capacidad vial

Para determinar la capacidad vial se tiene en cuenta la longitud de la Avenida o Calle según

corresponda, y el largo de los 3 tipos vehículos que se adoptan en el punto anterior como

estándares.

Se realizó un dimensionamiento de la capacidad vial para cada tipo de vehículo adoptado

como estándar.

- Capacidad vial para TAXIS

136

- Capacidad vial para Minibuses

-

- Capacidad vial para Microbuses

Teniendo en cuenta que debemos tener un estimado de capacidad vial único lo que se

realizará es obtener un promedio para las capacidades dimensionadas anteriormente.

137

- Capacidad vial promedio para diversos tipos de autos

Capacidad vial de la Av. Camacho:

Capacidad vial de la Calle Colón:

Capacidad vial de la Calle Loayza:

Recolección dinámica de datos de tráfico vehicular

Se tomaron datos en la mañana, tarde y noche. Los datos de la Av. Camacho Carril de bajada (nodo

1) son presentados mediante las siguientes tablas:

Tabla 12

Av. Camacho carril de bajada nodo1

Muestras Cantidad de automóviles

9 am 10 am 11 am 12 pm 1 pm 8 pm

1 7 12 13 8 10 16

2 11 11 15 10 12 17

3 6 8 7 10 13 18

4 12 7 11 8 9 17

5 15 14 15 16 8 25

6 12 11 14 18 8 25

7 7 11 9 18 9 14

8 15 9 15 17 8 18

9 14 10 11 16 8 28

10 15 5 8 13 10 20

Promedio 11 10 12 13

10 20

138

Los datos de la Av. Camacho Carril de subida (nodo 1) son presentados mediante las

siguientes tablas:

Tabla 12.1

Av. Camacho carril de subida nodo1

Muestras Cantidad de automóviles

9 am 10 am 11 am 12 pm 1 pm 8 pm

1 15 20 16 11 12 17

2 19 19 9 10 10 23

3 15 8 9 12 8 19

4 19 18 22 9 8 25

5 21 13 17 10 8 12

6 14 21 13 11 7 21

7 9 16 10 5 9 20

8 19 9 13 5 8 20

9 21 10 14 6 7 18

10 16 17 8 5 8 27

Promedio 17 15 13 8 9 20

Los datos de la Calle Colon (nodo 1) son presentados mediante las siguientes tablas:

Tabla 12.3

Calle Colon nodo1

Muestras Cantidad de automóviles

9 am 10 am 11 am 12 pm 1 pm 8 pm

1 13 13 12 14 11 20

2 4 13 7 11 10 23

3 10 10 12 13 13 17

4 11 8 9 14 10 20

5 17 12 8 13 14 18

6 18 16 7 12 13 15

7 10 9 13 14 12 17

8 13 6 12 13 10 20

9 14 10 10 13 11 21

10 11 10 8 12 10 18

Promedio 12 11 10 13 11 19

RS Logix 500

Este software es empleado para programar el comportamiento del PLC según los requerimientos

que se tengan, lo que se hizo es la configuración de los canales de comunicación, el manejo de

entradas y salidas y programas básicos en los que se incluye el uso de registros, contactores,

temporizadores, escalamiento, etc.

139

En este programa lo que se visualiza es el empleo de entradas que están dados por el

registro I1, se emplean también salidas dadas por los registros O0, empleamos también estados o

variables auxiliares mediante el uso de registros B3, empleamos Timer’s de tipo TON para el

establecimiento de los tiempos de permanencia en cada estado.

Gráfico 12.7

Este programa se lo realizo para ver el funcionamiento del ciclo de estados de los semáforos,

en este programa se establecen tiempos de permanencia de cada estado

El LabView envía de manera directa los datos de tiempo al Lookout.

Lookout

Lookout es un programa para automatización industrial que permite el desarrollo de HMI/SCADA

con alto desempeño bajo Windows, Windows 95 y Windows NT. Lookout es un sistema orientado

a objeto. Así que para crear una HMI simplemente se configuran los objetos y se colocan en la

pantalla gráfica.

Entre las ventajas a destacar de Lookout está la de permitir una auténtica configuración en

línea.

Mientras se van creando y modificando los objetos, éstos reflejan de forma inmediata el

comportamiento real, incluso al operar en modo edición. Esta capacidad permite realizar cambios a

la interfaz del operador sin detener o interrumpir el proceso industrial. Adicionalmente Lookout

posee una arquitectura basada en eventos, de forma que las aplicaciones son rápidas y aprovechan

de manera eficaz los recursos del PC.

Al modelo de un proceso implementado en un simulador, se le agrega una función que

agrupa los datos relevantes del proceso para iniciar una conversación con Lookout que se

desempeña como la aplicación servidora.

La siguiente figura muestra un ejemplo de una aplicación de Lookout :

140

Gráfico 12.8 Componentes de un proceso scada

La interfaz que creamos en primera instancia en el Lookout es la siguiente:

Gráfico 12.9. Interfaz Scada

En esta interfaz de usuario, lo que tenemos es cuadros de entradas y salidas, además tenemos

también contadores que simulan los datos de flujo vehicular, en las barras se observa la cantidad

que expresan los contadores.

En el proyecto se utilizara LOOKOUT para el sistema SCADA planteado.

141

Gráfico 12.10 Interfaz scada y verificación de interfaces de entrada y salida.

Gráfico 12.11 Interfaz scada, donde se muestra el historial de entradas que representan el tráfico en

tiempo real

12.3 Conclusiones

Se estima que el empleo de los Sistemas de Transporte Inteligente son de mayor eficiencia e

implican un menor costo al momento de regular el tráfico vehicular.

Los alcances de la investigación implican una gestión de tráfico vehicular inteligente, lo cual

está destinado a contra restar el congestionamiento de tráfico existente especialmente en el centro

paceño.

Los impactos son en especial para el beneficio de la población ya que se logrará disminuir

la demora y contaminación acústica causada por el congestionamiento vehicular.

Se realizó un prototipo SCADA de acuerdo a los requerimientos establecidos. Se realizó

con éxito el modelado de la secuencia de los semáforos utilizando las Redes de Petri.

Se realizó la recolección dinámica de datos para un posterior estudio del tráfico vehicular.

Se establecieron los parámetros de tráfico vehicular que nos permitieron comprender el

comportamiento del tráfico vehicular en un área determinada.

142

Se estudio el control distribuido y sus posibles aplicaciones para el presente proyecto.

Se recomienda usar como sensor una cámara para poder distinguir entre los diversos tipos

de vehículos, se podría hacer un tratamiento de imágenes y esto serviría también para hacer un

análisis del flujo peatonal, que creemos también influye en el flujo vehicular.

Se podría también introducir chips a los vehículos para hacer una detección o

reconocimiento de los mismos, esto mediante GPS, esto para realizar registros, evitar fugas y

contribuir a la seguridad.

Es recomendable también plantear el establecimiento de algunas reglas de educación vial al

sistema que ya existe, como por ejemplo:

Para los casos de ambulancias, vehículos de gobierno, o de diferentes estamentos

importantes de la sociedad, lo que se podría hacer es crear un sistema de activación de un estado del

semáforo, que en resumen consistiría en lo siguiente:

Se utilizaron dos software para el control automático, por un lado LabView, para el cálculo

de tiempos y establecimiento de reglas; y por el otro Lookout, para el sistema SCADA.

Las medidas para reducir la congestión afectan a todo el sistema de transporte que, en la

mayoría de las ciudades del mundo, es uno de los principales responsables de los problemas de

contaminación atmosférica. Es esperable entonces que una medida para reducir la congestión tenga

también efectos en las emisiones de contaminantes atmosféricos.

Se ha mostrado el efecto de cuatro medidas para reducir la congestión y las emisiones del

sistema de transporte de la ciudad. Los resultados denotan que la reducción de emisiones depende

del tipo de medida. En los casos en que se actúa sobre la demanda por medio de tarificación vial, se

producen reducciones en las emisiones del sistema de transporte, a lo menos en el corto plazo, que

producen beneficios sociales importantes, aunque menores que los del sistema de transporte. Al

introducir un nuevo modo de transporte –los buses ejecutivos de 40 pasajeros–, las emisiones

totales del sistema aumentan, produciéndose un costo o perjuicio social neto.

12.4 Agradecimiento

Los investigadores agradecen a la Dirección de Investigación Ciencia y Tecnología (DICYT), y a la

facultad de Ciencias Tecnológicas de la Universidad Mayor Real y Pontificia de San Francisco

Xavier de Chuquisaca por el apoyo brindado en el desarrollo del presente trabajo.

12.5 Referencias

Manual de manejo de PLC

www.rockellsoftware.com

Manual de manejo de LabView y Lookout

www.nationalinstruments.com

http://www.monografias.com/trabajos11/sisco/sisco.shtml

http://zone.ni.com/wv/app/doc/p/id/wv-2764

http://www.oocities.org/gabrielordonez_ve/Unidades_Remotas_SCADA.htm

http://www.automaticausach.cl/asignaturas/controlautind/304_Definiciones_en_Control.pdf

http://www.traficon.com/mediastorage/FSMLDocument/1667/es/Brochure_Traficon_ES_Jun10_e

mail.pdf