Steuerung einer Ampelkreuzung

Die Entwicklung eines guten Skripts zur Steuerung einer Ampelanlage direkt in einer Programmiersprache etwas unübersichtlich. Die Entwickler von Steuerungen haben deshalb den Signalplan ersonnen, eine Form die die Signale einer solchen Steuerung sehr übersichtlich darstellt.

Eine mögliche Variante eines solchen Signalplans kann man sehr erfolgreich und übersichtlich mit Hilfe einer Tabellenkakulation erstellen.

Die Vorgehensweise wird im Folgenden für die Ampelkreuzung beschrieben.

 Signalplan für eine Ampelkreuzung

Du kannst hier verschiedene Versionen des Signalplans passend für Deine Tabellenkalkulation herunterladen:   signalplanampelkreuzung.ods      signalplanampelkreuzung.xls

Aufgabe 1:  Einen vorhandenen Signalplan analysieren, erweitern und anpassen. Lade dir eine der beiden Versionen des Signalplans passend für deine Tabellenkalkulation herunter. Erweitere diesen Plan durch Einfügen neuer Phasen (Spalte einfügen), so dass sich eine realistischere Ampelsteuerung für eine kleine Kreuzung ergibt. Insbesondere die verwendeten Zeitintervalle bedürfen der Überprüfung Du kannst auch schon Fußgängerampeln hinzufügen.

Wir nutzen jetzt die in der Einführung erarbeitete Darstellungen für Endliche Automaten mit Hilfe von Zustandsdiagrammen zur Darstellung des Automaten, der unsere Ampel steuern soll.

Das Zustandsübergangsdiagramm für die Steuerung der Ampelkreuzung kann man wie abgebildet darstellen. Die Zustände, die der Automat einnimmt werden als Kreise dargestellt. Die Pfeile stellen die Übergangsmöglichkeiten von einem Zustand in einen anderen dar. An den Pfeilen werden die Signale oder Zeichen notiert, die als Eingabe den Übergang auslösen. Im Kreis selbst wird der Zustand beschrieben. Diese Beschreibung kann auch in einer Tabelle erfolgen.

Zustandsübergangsdiagramm für die Steuerung der Ampelkreuzung

Als Übergangssignal ist hier eine Stoppuhr abgebildet, die nach einem festgelegten Zeitraum den Übergang auslöst. Die Zustände haben Namen. Diese kann man im Kreis oder wie in diesem Falle direkt darüber notieren.

Aufgabe 2:  Einen vorhandenes Zustandsdiagramm erweitern und anpassen. Erweitere dieses Zustandsdiagramm durch Einfügen neuer Phasen, so dass Deine Ideen aus Aufgabe 1 umgesetzt werden. Notiere anstelle des Symbols für die Uhr immer die Zeit in Sekunden, nach der der Übergang erfolgen soll. Du kannst auch schon die Fußgängerampeln hinzufügen.

Aufgabe 3: Ein vorhandenes Zustandsdiagramm abändern und ergänzen. Nutze für diese Aufgabe eines deiner Diagramme aus den vorangegangenen Aufgaben. Nachts werden viele Ampeln abgeschaltet. Dazu schaltet die Ampel auf rot. Nach kurzer Zeit wird das rote Licht durch eine blinkes gelbes Licht ersetzt. Diese blinkende Ampel nennt man Abschaltphase. Auch dieses Blinken schaltet nach einiger Zeit ab. Es folgt die Dunkelphase. Beachte bei der Bearbeitung dieser Aufgabe die nachfolgenden Hinweise. Ändere das Zustandsdiagramm ab, so dass die Abschaltung der Ampelanlage zu einer festen Uhrzeit erfolgt. Nach einer längeren Dunkelphase (die Ampel ist völlig abgeschaltet) erfolgt zu einer festen Uhrzeit die Einschaltphase. Also gelbes Blinklicht und dann geht es mit Rot von vorne los. Erarbeite auch diese Ergänzung. Die Ampelanlage soll von morgens 7:00 Uhr bis abends 20:00 Uhr im normalen Betrieb laufen. Wieviele Durchgänge sind das? Die Blinkphase (gelb) zum Abschalten und vor dem Start soll 30 Minuten dauern. Die Dunkelphase dauert dann wie lange? Wähle die Zeiten und Wiederholungen so, dass deine Ampel einen realistischen 24-Stunden-Durchlauf ausführt. Notiere alle wichtigen Daten im Zustandsdiagramm. Wie könnte ein Signalplan für das gesamte Vorhaben aussehen?

Zu Bearbeitung der Aufgabe 3 wollen wir hier Hinweise geben.

Die Zusätzliche eingeführte Phase0 ist der Anfangszustand (ausgeschaltete Ampelanlage). Durch Einschalten (Pfeilsymbol) erfolgt sofort der Übergang zum Zustand Phase1.

Das dargestellte Zustandsdiagramm ist nach eingehender Analyse verständlich. Übersichtlich kann man es aber nicht nennen. Bevor du dich an die Lösung der Aufgabe 3 machst, wollen wir das obige Zustandsübergangsdiagramm in einer etwas anderen Form darstellen.

Neu sind die beiden Rahmen, die den Tag- und den Nacht-Betrieb einrahmen. Man kann das, was in diesen beiden Rahmen dargestellt ist, jeweils als einen eigene Automaten betrachten. Diese zwei Automaten für den Betrieb am "Tag" und in der "Nacht" sind unabhängig voneinander und könnten jeweils in einem eigenen Steuerungsprogramm umgesetzt werden. Die Idee ist, jeden der beiden Automaten unabhängig voneinander zu beschreiben und danach einen neuen übergeordneten Automaten zu schaffen, der die beiden Automaten "Tag" und "Nacht" steuert.