XXIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Страж перекрестка – механическое устройство для регулировки дорожного движения в экстренных ситуациях на перекрестках федеральной территории «Сириус»

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Бем Я.М. 1Шамбер М.М. 1Читанава И.П. 1

---

1ГАОУ "Многопрофильная гимназия федеральной территории "Сириус"

Попова Е.Е. 1

---

1ГАОУ "Многопрофильная гимназия федеральной территории "Сириус"

Работа в формате PDF

1.4 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение.

Актуальность проекта.

В федеральной территории «Сириус» и городе-курорте Сочи, обладающих сложной горной инфраструктурой, погодные условия напрямую влияют на безопасность дорожного движения. При сильном дожде, урагане или аномальной жаре интеллектуальные светофоры переходят в аварийный режим (постоянный желтый сигнал). На крупных перекрестках с интенсивным движением это создает опасную ситуацию: высокая скорость, неопределенность правил проезда и отсутствие четкой системы оповещения водителей о переходе в аварийный режим приводят к резкому снижению времени реакции участников движения и повышают риск серьезных ДТП. Время прибытия экипажа ДПС для ручного регулирования часто оказывается недостаточным для предотвращения первых столкновений.

Цель проекта — разработать и создать прототип автономного мобильного робота-регулировщика «Страж Перекрестка», способного оперативно прибывать на сложный перекресток и обеспечивать безопасный проезд транспортных средств и пешеходов в условиях сбоя светофора или экстремальных погодных условий.

Задачи:

• проанализировать особенности дорожного движения на дорогах и перекрестках федеральной территории «Сириус» и выявить проблемы;

• сходить на экскурсию в «Цифра ФТ», пообщаться с экспертом по системе видеонаблюдения и узнать, как современные технологии помогают следить за безопасностью дорог;

• проанализировать особенности дорожного движения в Сириусе и выявить риски, возникающие при переходе светофоров в аварийный желтый режим.

• изучить жесты и сигналы регулировщика, закрепленные в ПДД РФ, для их последующей реализации в механике робота.

• изучить существующие способы повышения безопасности на перекрестках в экстренных ситуациях: отключение, переключение в режим желтого мигающего цвета;

• разработать механическую конструкцию робота на базе конструктора LegoDuplo, ЛигаОткрытий +, способную достоверно воспроизводить основные сигналы регулировщика с использованием различных механических передач.

• протестировать модель в условиях, имитирующих реальную дорожную ситуацию;

• презентовать проект.

Глава 1 Анализ проблемы безопасности на дорогах федеральной территории «Сириус».

1. 1. Изучение темы «Безопасный маршрут». Экскурсия в «Цифра ФТ»

В этом году мы решили подробно изучить тему «Безопасный маршрут» именно в нашем регионе – на федеральной территории Сириус. Наше исследование началось с экскурсии и встречи с экспертом.

22 декабря мы побывали на очень интересной экскурсии в Центр управления транспортной инфраструктурой "Цифра ФТ" на территории Сириус (Рисунок 1.1.1 Приложения).

Мы увидели, как работают настоящие инженеры, которые следят за безопасностью и порядком во всем городе! Перед ними – огромный экран, на котором в режиме реального времени отображаются изображения со множества камер видеонаблюдения. С помощью этого экрана инженеры могут видеть, что происходит на улицах Сириуса, следить за движением транспорта, включая 3000 самокатов разных компаний – Сириус занимает первое место в мире по их количеству!

На экране также отображается карта города, где отмечены все объекты инфраструктуры и маршруты движения автобусов. Мы узнали, где можно кататься на самокатах, а где это запрещено – например, на Медальной площади и набережной (это так называемые "красные зоны"). Инженеры могут видеть, какие самокаты в работе, какие сломаны, а какие ждут на парковке.

Мы узнали, что в Сириусе работает система "Безопасный город", которая включает в себя камеры видеонаблюдения, умеющие распознавать лица и номера автомобилей. Эти камеры установлены по всему городу, даже под специальным углом, чтобы лучше видеть детей! Они помогают следить не только за транспортной, но и за экологической безопасностью – контроль обращения с бытовым мусором.

Мы задали важные вопросы, и специалисты рассказали, что даже в "умном городе" бывают перебои, например, во время штормов, но благодаря проводной системе связи, интернет работает стабильно. Самая главная проблема, по мнению специалистов, – это соблюдение правил дорожного движения самими людьми!

1. 2. Встреча с экспертом по работе системы «Умный светофор»

20 декабря 2025 года состоялась встреча с М. В. Черноморцем, руководителем разработки ООО «Либрам» (г. Москва), экспертом в области интеллектуальных транспортных систем (Рисунок 1.2.1 Приложения).

В рамках экскурсии участники встречи ознакомились с принципами работы интеллектуальной системы управления дорожным движением на территории Сириуса. Было отмечено, что здесь функционирует комплекс камер «Безопасного города.

Эти камеры фиксируют:

• скопления людей на пешеходных переходах;

• нарушения правил перехода или проезда;

• инциденты на дорогах и перекрестках (обвалы, обрушения);

• оставленные предметы.

Ключевая цель сбора всей этой информации – формирование статистики для дальнейшего улучшения городской среды и оптимизации инфраструктуры.

Эксперт подчеркнул: «Чтобы улучшить город, надо набрать статистику».

М. В. Черноморец продемонстрировал программу, представляющую собой цифровой двойник дорожной инфраструктуры Сириуса. Эта модель включает в себя детальное отображение дорог, зданий, зеленых насаждений и других объектов.

Работой с такими цифровыми двойниками занимаются специалисты - цифровые инженеры.

Далее речь шла об «умных» светофорах на перекрестках. Эксперт объяснил, что они оснащены камерами для определения количества пешеходов и транспортных средств, что позволяет динамически регулировать потоки.

Основные задачи такой системы:

1. Минимизация пробок за счет оптимального распределения транспортного потока.

2. Обеспечение комфортного перехода для пешеходов с общим временем ожидания не более 80 секунд (это максимум по нормам).

Транспортные инженеры имеют возможность оперативно переключать светофоры в режим желтого мигающего. Эксперт пояснил понятие «фазы» как набора сигналов светофоров, включающихся одновременно. Была также упомянута функция «Зеленая улица», позволяющая обеспечить беспрепятственный проезд кортежей.

Для «умных» светофоров Сириуса используются специальные камеры – детекторы транспорта, подключаемые к системам искусственного интеллекта и нейронным сетям. Это позволяет с высокой точностью оценивать количество и скорость движения различных видов транспорта, а также различать их виды. В настоящее время эта система функционирует в режиме сбора и анализа данных, что является основой для дальнейшего принятия решений по оптимизации работы светофоров и совершенствованию всей транспортной инфраструктуры Сириуса.

На территории Сириуса в 2024 году открыт Центр организации дорожного движения. Дежурные смены и бригады работают ежедневно, обеспечивая контроль за работой 23 установленных «умных» светофоров и оперативное реагирование на любые ситуации.

1. 3. Особенности дорожного движения на федеральной территории «Сириус» и риски аварийного режима светофоров

Федеральная территория «Сириус» характеризуется высокой плотностью и интенсивностью дорожного движения. Инфраструктура включает в себя не только автомобильные дороги, но и выделенные полосы для автобусов, а также зоны с беспрецедентной концентрацией средств индивидуальной мобильности (самокатов), что создает сложную, многослойную транспортную среду.

При неблагоприятных погодных условиях (сильный дождь, ураган, аномальная жара), которые часто случаются в данном регионе, интеллектуальная система управления дорожным движением переводит светофоры в аварийный режим — включается постоянный желтый сигнал.

На перекрестках с интенсивным движением это порождает следующие критические риски:

• Возникновение хаоса и неопределенности. Постоянный желтый сигнал не регламентирует очередность проезда, превращая перекресток в нерегулируемый. Водители и пешеходы вынуждены самостоятельно определять приоритет, что в условиях плотного трафика приводит к конфликтным ситуациям.

• Снижение времени реакции. Экстремальная погода (шум ливня, плохая видимость, необходимость спасать имущество) физиологически замедляет реакцию участников движения, а отсутствие четких сигналов светофора усугубляет эту задержку.

• Отсутствие системы оповещения. У водителей и пешеходов нет оперативной информации о том, что светофор на конкретном участке переведен в аварийный режим из-за шторма, что лишает их возможности заранее снизить скорость и приготовиться к нестандартной ситуации.

• Высокая вероятность ДТП. Сочетание высокой скорости потока, непредсказуемости действий других участников и неопределенности правил проезда значительно увеличивает риск столкновений, которые могут полностью заблокировать единственную транспортную артерию в горной местности.

1. 4. Регулировщик и его работа

Регулировщик — это лицо, наделенное полномочиями по регулированию дорожного движения с помощью установленных жестов и сигналов. Согласно Правилам дорожного движения РФ, в качестве регулировщика могут выступать сотрудники полиции (ГИБДД), военной автомобильной инспекции, а также работники дорожно-эксплуатационных служб и дежурные на железнодорожных переездах во время исполнения ими своих должностных обязанностей.

Сигналы регулировщика являются приоритетными для всех участников движения. Согласно пункту 6.15 ПДД РФ, водители и пешеходы должны выполнять требования сигналов и распоряжения регулировщика, даже если они противоречат сигналам светофора, требованиям дорожных знаков или дорожной разметки.

Это правило существует потому, что регулировщик оценивает дорожную обстановку в реальном времени. В отличие от автоматизированной системы (светофора), человек способен мгновенно отреагировать на внезапное ДТП, пропустить автомобиль скорой помощи в нестандартной ситуации или организовать объезд внезапно возникшего препятствия. Его жесты — это прямое, живое управление потоком, которое исключает сбои автоматики и учитывает человеческий фактор в критических ситуациях.

Для управления движением регулировщик использует положения корпуса и жесты рук (пункт 6.10 ПДД РФ, Рисунок 1.4.1 Приложения):

Рука поднята вверх! Движение всех транспортных средств и пешеходов запрещено во всех направлениях. Этот сигнал аналогичен желтому сигналу светофора.

Руки вытянуты в стороны или опущены! Со стороны левого и правого бока разрешено движение трамваю прямо, безрельсовым транспортным средствам прямо и направо; пешеходам разрешено переходить проезжую часть. Со стороны груди и спины движение всех транспортных средств и пешеходов запрещено.

Правая рука вытянута вперед! Со стороны левого бока безрельсовым транспортным средствам разрешено движение во всех направлениях. Со стороны груди разрешено движение только направо. Со стороны правого бока и спины движение всех транспортных средств запрещено. Пешеходам разрешено переходить проезжую часть за спиной регулировщика.

Регулировщик появляется на дороге в тех случаях, когда штатные средства организации движения не справляются со своей задачей или не могут обеспечить безопасность. Основные ситуации включают:

• Неработающий светофор. При полном отключении электричества или технической неисправности светофор переходит в режим желтого мигающего сигнала, превращая перекресток в нерегулируемый. Если перекресток сложный или характеризуется высокой интенсивностью движения, возникновение хаоса и заторов неизбежно. Регулировщик берет управление на себя, восстанавливая приоритетность проезда.

• Крупные дорожно-транспортные происшествия (ДТП) и заторы. При авариях, перекрывающих одну или несколько полос, стандартная цикличность светофора становится неэффективной. Регулировщик вручную организует реверсивное движение или полностью перекрывает одно направление, чтобы максимально быстро освободить проезд для спасательных служб и ликвидировать пробку.

• Массовые мероприятия. Во время проведения парадов, марафонов, фестивалей или проезда организованных колонн (например, военной техники) светофоры не могут обеспечить необходимый режим пропуска. Регулировщик обеспечивает безопасный проход участников мероприятия, временно останавливая общий транспортный поток.

• Экстремальные погодные условия. Сильный ливень, ураганный ветер или густой туман могут вывести из строя оптические датчики светофоров или сделать их невидимыми для водителей. В таких условиях, как показал опыт федеральной территории «Сириус» (где при шторме светофоры переходят в аварийный желтый режим), присутствие регулировщика или его автоматизированного аналога критически важно для предотвращения столкновений.

• Обеспечение приоритетного проезда спецтранспорта. При проезде кортежей или обеспечении беспрепятственного доступа экстренных служб к месту происшествия, когда требуется временно остановить все пересекающие потоки.

Глава 2 Разработка и создание инновационного решения механического устройства «Страж перекрестка»

2.1 Варианты решения проблемы. Выбор инновационного решения

Для обеспечения безопасности на перекрестках федеральной территории «Сириус» в условиях аварийного режима светофоров мы рассмотрели несколько существующих способов организации движения (Рисунок 2.1.1 Приложения):

Вызов наряда ДПС (сотрудника ГИБДД). Традиционный метод, при котором регулирование осуществляется человеком.

Минусы: время ожидания экипажа на месте происшествия может составлять от 15 до 40 минут, в течение которых на перекрестке сохраняется хаос и риск столкновений. Человеческий фактор (усталость, стресс, риск для жизни сотрудника на оживленной трассе) и ограниченность ресурсов — инспектор не может находиться на всех проблемных участках одновременно.

Установка временных светофоров или знаков приоритета. Использование мобильных комплексов для перевода перекрестка в новый режим работы.

Минусы: требуют времени на доставку, установку и настройку. Знаки приоритета («Уступи дорогу») неэффективны при высокой интенсивности движения и создают огромные заторы. Временные светофоры также зависят от электропитания и не решают проблему в момент возникновения аварии.

Автоматические дорожные блокираторы или шлагбаумы. Полная блокировка въезда на перекресток со второстепенных направлений.

Минусы: создают эффект «бутылочного горлышка», провоцируя многокилометровые пробки. Не решают проблему распределения потоков на самом перекрестке, а лишь отсекают часть трафика, что недопустимо для курортного города с высокой пропускной способностью.

Робот-регулировщик «Страж Перекрестка» (наше инновационное решение). Автономное мобильное устройство, которое оперативно выезжает в центр перекрестка и начинает дублировать жесты сотрудника ДПС с помощью механических манипуляторов.

Мы проанализировали варианты и пришли к выводу, что существующие методы либо слишком медленные (ДПС), либо создают новые инфраструктурные препятствия (блокираторы).

«Страж Перекрестка» был выбран как наиболее эффективное решение, так как он:

Обеспечивает мгновенную реакцию. Робот базируется на ближайшей точке дежурства и прибывает на перекресток за 2–3 минуты, работая по вызову автоматики или диспетчера.

Гарантирует безопасность. Полностью исключает риск для жизни человека-регулировщика в условиях плотного трафика и плохой видимости.

Исключает человеческий фактор: Работает строго по алгоритмам ПДД, не подвержен усталости или стрессу, способен функционировать круглосуточно в любую погоду.

Обеспечивает непрерывность. Может находиться на посту неограниченное время, поддерживая стабильный трафик до момента полного восстановления работы светофора.

Интегрируется в «Умный город». Способен передавать телеметрию о ситуации на перекрестке в единый центр управления (по аналогии с опытом экскурсии в «Цифра ФТ»), помогая диспетчерам оценивать масштаб затора.

2.2 Конструкция: задачи, выбор механизмов

Мы реализовали свою идею на базе конструктора Lego Duplo, образовательных наборов Первые механизмы 9656, и Лига Открытий +.

Проект «Страж перекрестка – механическое устройство для регулировки дорожного движения в экстренных ситуациях на перекрестках федеральной территории «Сириус» представлен на Рисунке 2.2.1 Приложения, представляет собой комплексную макетную модель городской среды, включающую пешеходный мост, дорожное полотно, перекрёсток, жилые дома, фигурки жителей, модели машин и светофор. Ключевым действующим лицом макета является робот-регулировщик «Страж перекрестка».

При проектировании робота-регулировщика были поставлены три главные задачи:

• Мобильность: обеспечение возможности перемещения робота по макету (реализовано на базе колёсного хода).

• Устойчивость: создание широкого основания для предотвращения опрокидывания конструкции во время активной работы механизмов.

• Функциональность манипуляторов: наличие подвижных рычагов (рук), способных подниматься и принимать различные положения для точной имитации жестов регулировщика.

Робот базируется на устойчивой четырёхколёсной платформе с широким основанием, что гарантирует стабильность при движении и работе манипуляторов.

Для реализации трех основных сигналов регулировщика и обеспечения его мобильности были подобраны следующие механические передачи (Рисунок 2.2.2 Приложения):

Первый сигнал («Рука вверх»). Для того чтобы рука фиксировалась строго в верхнем положении и не падала под собственным весом, была использована комбинация повышающей зубчатой передачи и червячной передачи, обеспечивающей надежное удержание руки на верху.

Второй сигнал («Одна рука в сторону, другая вперёд» — сигнал для поворота). Для реализации этого положения и передачи вращения под нужным углом применена угловая зубчатая передача.

Третий сигнал («Руки в разные стороны»). Для симметричного разведения рук задействована равнозначная зубчатая передача с промежуточными шестернями.

Применение нескольких механических передач (червячная, угловая и зубчатая с промежуточными шестернями) в сочетании с устойчивой четырёхколёсной базой позволило успешно решить поставленные задачи, обеспечив роботу-регулировщику «Страж перекрестка» как необходимую мобильность, так и точное воспроизведение всех необходимых дорожных сигналов.

2.3 Демонстрация проекта

Мы представили проект на следующих мероприятиях:

• Дружеская встреча команд в гимназии Сириус

• Отборочный этап Международного Чемпионата по робототехнике «Красноярск 7.0» в г.Сочи

Наша презентация:

Стоп движение! Проезд запрещен - рука регулировщика вверх.Механизм – повышающая зубчатая передача, червячная передача и рычаг.

Движение разрешено вдоль рук регулировщика – руки в стороны.

Механизм – равнозначная зубчатая передача с промежуточными шестернями, два рычага

Движение разрешено – поворот налево – левая рука регулировщика поднята вперед, правая в сторону. Механизм – угловая зубчатая передача, два рычага.

Также у нашего робота есть колесная база - это движущийся элемент!

"Страж Перекрестка" – наше инновационное решение для безопасности на перекрестках при сбое светофора. Преимущества: быстрый, работает и днём и ночью!

Наш Страж перекрёстка – помощник надёжный,
Быстро приедет на вызов тревожный!
Безопасность – это главное в пути,
Южные механики – большие молодцы!

Заключение

В ходе выполнения работы над проектом «Страж Перекрестка» была достигнута поставленная цель: разработан и создан прототип мобильного робота-регулировщика, способного обеспечивать безопасность на перекрестках федеральной территории «Сириус» в условиях сбоя светофора.

Все задачи были успешно решены. Мы детально изучили особенности дорожного движения в Сириусе. Экскурсия в Центр управления транспортной инфраструктурой «Цифра ФТ» и встреча с экспертом М.В. Черноморцем позволили нам понять, как работает «цифровой двойник» города и система «Безопасный город». Мы выяснили, что даже самые современные технологии мониторинга не решают проблему физического устранения препятствий и хаоса на перекрестке в момент аварии. В ходе исследования было установлено, что переход светофоров в аварийный желтый режим при шторме или аномальной жаре создает критические риски: возникновение хаоса, снижение времени реакции водителей и отсутствие системы оповещения, что в условиях узких дорог без объездов неизбежно ведет к ДТП.

Мы проанализировали положения Правил дорожного движения РФ (п. 6.10, 6.15), изучив значения сигналов регулировщика и причины их приоритета над светофорами и знаками. Было определено, что именно жесты регулировщика являются самым быстрым и понятным способом управления потоком в экстренной ситуации. Рассмотрев альтернативы (вызов ДПС, временные светофоры, шлагбаумы), мы обосновали выбор робота «Страж Перекрестка» как наиболее эффективного решения, обеспечивающего мгновенную реакцию, безопасность и непрерывность регулирования без человеческого фактора.

Была создана механическая модель на базе Lego Duplo и набора «Лига Открытий+». Для реализации трех основных сигналов регулировщика («рука вверх», «руки в стороны», «одна рука вперед») были успешно подобраны и реализованы червячная, угловая и равнозначная зубчатые передачи. Червячная передача обеспечила надежное вертикальное положение руки, угловая зубчатая передача – движение рук вверх под углом 90 градусов, колесная база — необходимую мобильность и устойчивость конструкции. Созданная модель была протестирована в условиях, имитирующих реальную дорожную ситуацию. Проект был успешно представлен на отборочном этапе Международного Чемпионата по робототехнике «Красноярск 7.0» и внутри гимназии, где продемонстрировал работоспособность всех механизмов.

Таким образом, создание робота-регулировщика является эффективным и технически реализуемым способом повышения безопасности дорожного движения в условиях экстремальных погодных явлений. Устройство «Страж Перекрестка» способно оперативно заменить человека на опасном участке, предотвратить заторы и минимизировать риск столкновений до момента восстановления штатной работы светофоров, что делает его перспективным элементом для интеграции в инфраструктуру «Умного города».

Список литературы и интернет-источников

Список литературы

1. Исогава, Й. Большая книга идей LEGO Technic. Техника и изобретения: Йошихито Исогава. / Й. Исогава // Эксмо. – 2021.

2. Филиппов, С.А. Уроки робототехники. Конструкция. Движение. Управление. / С.А. Филиппов // Лаборатория знаний. – 2017.

Интернет-источники

3. Производственное объединение «Зарница» — «Роботы и ПДД: будущее безопасности на дорогах». https://zarnitza.ru/press-center/news/roboty-i-pdd-budushchee-bezopasnosti-na-dorogakh/

4. Программа «Большие вызовы». https://bigchallenges.ru/

Приложение