XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Модернизация светофорного узла
Автор работы награжден дипломом победителя II степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
Введение
Современная городская инфраструктура направлена на обеспечение удобства и безопасности жителей. Однако технологии не всегда успевают за бурным развитием общества, в итоге страдает безопасность. Среди всякого рода инцидентов, порой уносящих человеческие жизни, являются аварии на регулируемых перекрестках с участием специальной техники, оснащенной звуковыми сиренами и проблесковыми маячками. Анализ таких случаев говорит о том, что не всегда водители, нарушившие правила, могли избежать столкновения. Для уменьшения таких аварий с участием спецтехники требуются решения в организации движения. Данная работа посвящена усовершенствованию светофорного узла.
Цель работы: Усовершенствовать светофорный узел для исключения аварий с участием спец техники.
Задачи:
1. Рассмотреть работу существующих светофорных узлов.
2. Проанализировать причины аварий;
3. Предложить принцип действия альтернативной системы работы светофорного узла;
4. Разработать и изготовить прототип устройства управления светофорным узлом;
5.Провести испытания предлагаемой системы управления светофорным узлом и сделать вывод о ее работоспособности.
1. Особенности организации движения на регулируемых перекрестках.
Неправильный проезд перекрестков может закончиться серьезной аварией. Согласно пункту 1.2 Правил дорожного движения [1], перекресток – зона, где пересекаются, примыкают, разветвляются автодороги на одном уровне, ограниченные воображаемыми границами, которые соединяют противоположные закругления дорог.
Согласно пункту 13.3 ПДД, перекресток бывает трех разновидностей:
-
Регулируемый – перекресток, на котором работает светофор либо регулировщик.
-
Нерегулируемый – перекресток без светофора либо регулировщика, со сломанным или мигающим желтым светофором.
-
Круговой – перекресток, где передвижение транспорта происходит по кругу.
Нерегулируемые дорожные пересечения бывают равнозначными и неравнозначными.
Есть общие правила, которых должен придерживаться автомобилист, проезжая любое пересечение автодорог:
-
На любой развилке нужно убедиться, что нет велосипедистов или пешеходов, собирающихся перейти автодорогу. Поворачивая направо или влево нужно следить за той стороной, куда осуществляется поворот.
-
Нельзя выезжать на пересечение дорог с затором. Придется остановиться и создать препятствие машинам поперечного направления.
-
Если перекресток с равноправными дорогами, приоритет, согласно пункту 13.11 ПДД, у машин, выезжающих справа.
Перед пересечением дорог нужно скинуть темп, чтобы резкое притормаживание не стало внезапным для остальных автолюбителей и не закончилось аварией.
Пересечение неравнозначных проезжих частей на перекрестке, где передвижение транспорта не регулируется, производится по соответствующим табличкам.
Правила проезда перекрестка со светофором и регулировщиком оговорены п. 13.4 ПДД. Так, поворачивая налево или разворачиваясь на зеленый свет, нужно пропустить транспорт, едущий навстречу прямо или направо.
Правила дорожного движения дают некоторые преимущества автомобилям, на которых включен проблесковый маячок синего цвета.
Основные правила, которые должен знать каждый водитель:
-
Если у автомобиля включен только синий маячок (или синий и красный маячки) и не включен звуковой сигнал, то такой автомобиль может отступить от требований некоторых пунктов правил. Уступать дорогу такому автомобилю другие транспортные средства не должны.
-
Если у автомобиля включены одновременно синий маячок (или синий и красный маячки) и звуковой сигнал, то такому автомобилю должны уступать дорогу иные транспортные средства.
При, казалось бы, однозначном требовании ПДД новостные ленты пестрят сообщениями об авариях с участием спецтехники [2]. Допуская то, что некоторые водители нарушают правила и не уступают дорогу такому транспорту, хочется отметить следующее. Современная застройка, обилие техники на дороге могут не позволить дисциплинированному водителю услышать и увидеть сигналы спецтехники и, двигаясь на разрешающий сигнал светофора, спровоцировать аварию.
2. Поиск решения.
В большинстве аварий во время движения спецтехники с включенными проблесковыми маячками и сиренами на перекрестках основной причиной является невнимательность остальных участников движения. Обилие техники перед перекрестком, в том числе и крупногабаритной, повышенный шум и различные уменьшающие обзор конструкции не позволяют однозначно определить необходимость уступить дорогу спецтранспорту. Присутствие регулировщика позволило бы избежать опасности столкновения, но в большинстве случаев на перекрестках установлены светофоры.
Изменение работы светофора позволило бы организовать «зеленый» коридор для спецтехники. Для этого нужно на это время:
- включить разрешающий знак светофора лишь для направления движения спецтехники;
- включить запрещающие сигналы для всех направлений.
Команду для включения светофора в такой режим (спецрежим) можно получить несколькими способами:
- с установленных камер с ИИ на все направления. Для четкого срабатывания системы требуется наличие устойчивой связи с интернетом, дорогостоящих программного обеспечения и камер. Наличие крупногабаритной техники, перекрывающей обзор, может не позволить распознать спецтехнику;
- от сигнал с базовой станции, производящей отслеживание движения спецтехники по системам навигации. Потребуется создание базовой станции, создание сложной системы передачи сигналов на светофорные узлы;
- от сигнала с приближающегося к перекрестку спецтранспорта. Потребуется установка на спецтранспорт и на светофорный узел несложного дополнительного оборудования.
Из имеющихся вариантов останавливаем выбор на
- включение запрещающего сигнала по всем направлениям с дополнительным режимом – вспышки желтого цвета;
- команда на изменение режима подается со спецтехники, при этом передающее устройство включается автоматически при включении сирены (Приложение 1).
Для проверки возможности переключения светофорного узла и визуальной оценки эффективности работы был изготовлен макет перекрестка со светофором (Приложение 5).
3. Практическая часть.
3.1. Выбор платформы макета.
Реальная система управления светофорным узлом должна содержать приемное и передающее устройства малой мощности, систему кодирования. Макет должен дополнительно обеспечивать штатную работу светофора. Оптимальным выбором является модуль на основе процессора ESP8266: достаточное количество портов, открытое ПО, наличие встроенного WiFi [4].
Для создания управляющих программ использовался визуальный редактор FLProg [3].
3.2. Управляющая программа.
Сигналы для управления светофором (Приложение 4) формируются в командоаппарате. Через блоки переключателей (выключены) они подаются на соответствующие цветам выходы (Приложение 2). К выходам через гасящие резисторы подключены светодиоды макета светофора.
Блок «Приемник» принимает на частотах WiFi сигналы без создания сети (как обычный приемник). Если на его выходе сигнал соответствует разрешенному коду (здесь 777), то на выходе блока сравнения появляется логическая единица, она активирует переключатели. Все красные «включены», зеленые «выключены», на желтые поступают короткие импульсы для создания эффекта вспышек. Такие вспышки в сочетании с запрещающим сигналом говорят об активизации «спецрежима».
Передающий модуль (Приложение 3) активизируется кнопкой, подключенной к выводу модуля. При нажатии кнопки на выходе переключателя появляется разрешенный код (777), он подается на вход блока передачи. Одновременно через модуль задержки активируется генератор импульсов. По каждому импульсу происходит передача кода. При отпускании кнопки некоторое время передается запрещенный код (000) для снятия светофора со спецрежима.
3.3. Конструкция.
Для демонстрации работы модернизированного светофорного узла был создан действующий макет (Приложение 5). Он включает в себя схему перекрестка с одним светофором. Набор контурных моделей автотранспорта служит для моделирования различных дорожных ситуаций. Светофор управляется модулем WemosMini на основе ESP8266 (Приложение 6). Такой выбор обусловлен наличием достаточным количества выходных портов, встроенного модуля WiFi, стабилизатора питания и встроенного порта подключения к ПК для программирования. Электропитание осуществляется от встроенного литий-ионного аккумулятора.
Передающий брелок выполнен на модуле ESP8266 F12 (Приложение 6). Питание осуществляется от встроенного аккумулятор малой емкости. Для удобства демонстрации верхняя часть корпуса оставлена открытой.
4. Внедрение системы включения специального режима.
Для внедрения предлагаемой системы требуется внесения соответствующих изменений в регламент и другие нормативные документы.
Светофорный узел должен быть дооборудован системой приема цифрового сигнала, идентификации принятого кода, при необходимости – сохранения в долговременной памяти данных о переводе узла в спецрежим, узла принудительного включения светофора по предлагаемому в работе режиму. Для таких целей возможно применение использованного в макете контролера с дополнительной антенной.
Передающий модуль должен быть установлен на каждом автомобиле со спецсигналами. Его включение может происходить в ручном режиме или автоматически одновременно с включением сирены. Мощность передающей части должна обеспечивать дальность передачи 100-200 метров.
Для предотвращения несанкционированного включения спецрежима передаваемый код должен состоять из некоторого количества символов. Возможно для каждого спецавтомобиля в код добавлять уникальный код транспортного средства. Это позволит документировать каждое переключение светофорного узла в спецрежим.
Заключение.
В ходе работы над проектом были проведены наблюдения на рельном перекрестке и сделан вывод о возможных причинах аварий с участием техники, оснащенной специальными сигналами. Был предложен способ избежать таких аварийных ситуаций, разработан алгоритм работы, написан программный код и создан действующий макет для анализа и демонстрации эффекта при внедрении предлагаемого решения. В результате моделирования различных ситуаций был сделан вывод об эффективности данного решения.
Цель проекта достигнута.
Список литературы
1. Постановление Правительства РФ от 23.10.1993 N 1090 (ред. от 16.07.2025) "О Правилах дорожного движения" (вместе с "Основными положениями по допуску транспортных средств к эксплуатации и обязанности должностных лиц по обеспечению безопасности дорожного движения") (с изм. и доп., вступ. в силу с 01.09.2025)
2. https://www.kuban.kp.ru/daily/26945.4/4000284/ (В Краснодаре перевернулась карета скорой помощи, пострадали медики и водитель)
3. https://flprog.ru/ (Сайт программы для визуального программирования плат Arduino)
4. https://alexgyver.ru/lessons/esp8266/?ysclid=mpguqs4bkl33793263 (ESP8266 (Wemos, ESP-01). Особенности, начало работы)
Приложение 1
Приложение 2
Приложение 3
Приложение 4
Приложение 5
Приложение 6Приложение