Sistema de control de tráfico automático basado en dispositivos modulares heterogéneos

Abstract

[ES] En el entorno actual de ciudades inteligentes, el control de tráfico es uno de los problemas más complicados de resolver. La complicación se debe a que los transeúntes y los vehículos son difíciles de predecir. Además, los semáforos que controlan la movilidad deben realizar funciones para el control de su entorno sincronizandose con el resto de dispositivos. Esta sincronización implica una dificultad añadida si se desea adaptar el control de forma inteligente a las circunstancias que se den en cada momento. Para resolver este problema, dentro del área de Informática Industrial del Instituto de Automática e Informática Industrial se está estudiando cómo optimizar el control de un entorno urbano, o incluso interurbano, por medio de sistemas distribuidos de control inteligente. Para estudiar dicho control es necesario disponer de prototipos de dispositivos de control de tráfico (semáforos con más sensores y actuadores de lo habitual). La inteligencia del sistema depende de la capacidad de sensorización y actuación de cada dispositivo. Por ello, es importante disponer de dispositivos heterogéneos. La heterogeneidad de los dispositivos permitirá la adaptación del mismo a las circunstancias impredecibles. Por ejemplo, un semáforo puede detectar peatones y adaptar el control de los vehículos para que el tiempo de espera de los peatones se minimice. La conexión entre diversos dispositivos heterogéneos permitirá compartir información que enriquecerá, de forma inteligente, la actuación de los dispositivos. Por ejemplo, si un semáforo puede detectar, o recibir de otros dispositivos, la velocidad de un vehículo, y otro dispositivo con más capacidad de cálculo puede deducir que el vehículo no va a poder detenerse a tiempo, puede advertir a los peatones del riesgo de accidente, e incluso avisar a un servidor de tráfico de la posible sanción al vehículo cuya velocidad excesiva se ha detectado. En el presente Trabajo Final de Máster (TFM), se presenta la arquitectura de un dispositivo modular. La combinación de diferentes módulos en diferentes dispositivos permite disponer de dispositivos adaptados al entorno concreto. Los sensores y actuadores se ubican dentro del módulo. Los módulos se han diseñado de forma que creen un estándar para los prototipos. En el TFM se ha diseñado la parte mecánica de los módulos para crear los dispositivos. Se ha diseñado la parte electrónica de sensores y actuadores y se ha diseñado e implementado el control de cada módulo, el control de los módulos para crear un dispositivo y el control común inteligente entre dispositivos creando un clúster de dispositivos conectados. Esta jerarquía de módulos, dispositivos y clústeres se enmarca dentro de las arquitecturas basadas en el paradigma de Industria 4.0 aplicado al entorno de ciudades inteligentes. Además, en el TFM se ha validado el sistema por medio de simulaciones implementadas empleando MatLab y Simulink, realizando un análisis del sistema por medio de datos exportados a Microsoft Excel.

[EN] Currently, in a smart city environment, traffic control is one of the most complicated problems to solve. The complication is that users, pedestrian and vehicles, is difficult to predict. In addition, traffic lights that control mobility must perform functions to control the users' behaviour by synchronizing with the other devices. This synchronization implies an added difficulty to adapt the intelligent control to the events that occur at any moment. To solve this problem, within the area of ​​Industrial Informatics of the Institute of Automation and Industrial Informatics, we are studying how to optimize the control of an urban, or even interurban, the environment through distributed intelligent control systems. To study this control it is necessary to have prototypes of traffic control devices (traffic lights with more sensors and actuators than usual). The intelligence of the system depends on the sensing and performance capability of each device. Therefore, it is important to have heterogeneous devices. The heterogeneity of the devices will allow the adaptation of the same to the unpredictable circumstances. For example, a traffic light can detect pedestrians and adapt vehicle control so that pedestrian waiting time is minimized. The connection between various heterogeneous devices will allow information to be shared that will intelligently enrich the performance of the devices. For example, if a traffic light can detect, or receive from other devices, the speed of a vehicle, and another device with more computational power can deduce that the vehicle will not be able to stop in time, it can warn pedestrians of the risk of accident, and even warn a traffic server of the possible sanction to the vehicle whose excessive speed has been detected. In the present Master's Thesis (TFM), the architecture of a modular device is presented. The combination of different modules in different devices allows you to have devices adapted to the specific environment. The sensors and actuators are located inside the module. The modules have been designed to create a standard for prototypes. In the TFM the mechanical part of the modules has been designed to create the devices. The electronic part of sensors and actuators has been designed and the control of each module, the control of the modules to create a device and the intelligent common control between devices have been designed and implemented creating a cluster of connected devices. This hierarchy of modules, devices and clusters is framed within architectures based on the Industry 4.0 paradigm applied to the smart city environment. In addition, the TFM has validated the system through simulations implemented using MatLab and Simulink, performing an analysis of the system using data exported to Microsoft Excel.

[CA] En l’entorn actual de ciutats intel·ligents, el control de trànsit és un dels problemes més complicats de resoldre. La complicació es deu al fet que els transeünts i els vehicles són difícils de predir. A més, els semàfors que controlen la mobilitat han de realitzar funcions per al control del seu entorn sincronitzats amb la resta de dispositius. Aquesta sincronització implica una dificultat afegida si es vol adaptar el control de manera intel·ligent a les circumstàncies que es donen en cada moment. Per resoldre aquest problema, dins l’àrea d’Informàtica Industrial de l’Institut d’Automàtica i Informàtica Industrial s’està estudiant com optimitzar el control d’un entorn urbà, o fins i tot interurbà, per mitjà de sistemes distribuïts de control intel·ligent. Per estudiar aquest control és necessari disposar de prototipus de dispositius de control de trànsit (semàfors amb més sensors i actuadors del que és habitual). La intel·ligència del sistema depèn de la capacitat de monitoritzar, mitjançant sensors, i operar, mitjançant actuadors, de cada dispositiu. Per això, és important disposar de dispositius heterogenis. L’heterogeneïtat dels dispositius permetrà l’adaptació de la mateixa a les circumstàncies impredictibles. Per eixemple, un semàfor pot detectar vianants i adaptar el control dels vehicles perquè el temps d’espera dels vianants es minimitze. La connexió entre diversos dispositius heterogenis permetrà compartir informació que millorarà, de forma intel·ligent, l’actuació dels dispositius. Per eixemple, si un semàfor pot detectar, o rebre d’altres dispositius, la velocitat d’un vehicle, i un altre dispositiu amb més capacitat de càlcul pot deduir que el vehicle no podrà aturar-se a temps, pot advertir els vianants de el risc de accident, i fins i tot avisar un servidor de trànsit de la possible sanció al vehicle per la velocitat excessiva que s’ha detectat. En el present Treball Final de Màster (TFM), es presenta l’arquitectura d’un dispositiu modular. La combinació de diferents mòduls en diferents dispositius permet disposar de dispositius adaptats a l’entorn concret. Els sensors i actuadors s’ubiquen dins del mòdul. Els mòduls s’han dissenyat de manera que creen un estàndard per als prototips. En el TFM s’ha dissenyat la part mecànica dels mòduls per crear els dispositius. S’ha dissenyat la part electrònica de sensors i actuadors i s’ha dissenyat i implementat el control de cada mòdul, el control dels mòduls per crear un dispositiu i el control comú intel·ligent entre dispositius creant un conjunt (cluster) de dispositius connectats. Aquesta jerarquia de mòduls, dispositius i clústers s’emmarca dins de les arquitectures basades en el paradigma d’Indústria 4.0 aplicat a l’entorn de ciutats intel·ligents. A més, en el TFM s’ha validat el sistema per mitjà de simulacions implementades emprant Matlab i Simulink, realitzant una anàlisi de sistema per mitjà de dades exportats a Microsoft Excel.