XXIX Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Древохват – механическое устройство для уборки поваленных деревьев на горных дорогах города Сочи

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Лазарев Р.А. 1Гуров Р.А. 1Елисеева А.Д. 1

---

1ГАОУ «Многопрофильная гимназия федеральной территории «Сириус»

Попова Е.Е. 1

---

1ГАОУ "Многопрофильная гимназия федеральной территории "Сириус"

Работа в формате PDF

2.3 MB

Автор работы награжден дипломом победителя II степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Введение.

Актуальность проекта

Город Сочи — это курортный город с красивыми горами и крутыми дорогами. Но у него есть одна большая проблема: часто идут дожди и дуют сильные ветры (ураганы). Из-за этого деревья падают прямо на дороги. Когда дерево падает, дорога закрывается, машины не могут проехать, и возникает огромный затор (пробка). Это очень опасно! Люди застревают в машинах, а спасатели не могут быстро добраться до тех, кому нужна помощь.

Цель проекта — разработать механическое устройство, которое сможет быстро и безопасно убирать поваленные деревья с горных дорог, чтобы люди могли свободно ездить даже после сильного шторма.

Задачи:

• проанализировать особенности дорожного движения в горах Краснодарского края и выявить проблемы, связанные с падением деревьев;

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

• изучить существующие способы повышения безопасности на дорогах при ликвидации последствий стихийных бедствий;

• разработать концепцию инновационного устройства для уборки упавших деревьев, описать принцип работы механизмов;

• создать рабочую модель устройства из конструктора LEGO и протестировать её в условиях, имитирующих реальную дорожную ситуацию (используя симулятор урагана);

• презентовать проект.

Глава 1 Анализ проблемы безопасности на горных дорогах города Сочи.

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. Изучение интернет источников: особенности дорожного движения по горным дорогам в период сильной непогоды – штор, ураган, сильный ветер

Мы изучили сайты МЧС России по Краснодарскому краю, краевого гидрометеоцентра и местные новостные порталы («Блокнот Сочи», «Сочи 1»). Это помогло нам понять особенности дорожного движения в горах во время непогоды.

Мы узнали из интернета:

1. Когда чаще всего бывают штормы. В Сочи сильные ветры наиболее часты осенью (октябрь–ноябрь) и зимой (декабрь–январь). Весной они тоже случаются, но слабее. Летом — редко.

2. Как часто падают деревья. При обычном сильном ветре (скорость около 15 м/с) падают только старые или больные деревья. Но при ураганных ветрах (свыше 20 м/с), которые бывают примерно раз-два в год, могут падать сотни деревьев сразу! Особенно много их падает в старых районах города с большими насаждениями (Приложение, Рисунок 1.3.1).

3. Почему падают деревья. Чаще всего это происходит из-за возраста дерева, его болезни или того, что оно растет на склоне холма. Некоторые породы, например тополь, ломаются легче других.

4. Какие меры принимают власти. Чтобы снизить риск, специалисты регулярно осматривают деревья, обрезают сухие ветки и удаляют те растения, которые уже больны или представляют опасность. Также стараются сажать более устойчивые к ветру виды деревьев.

В качестве яркого примера мы хотим вспомнить «шторм века», как его прозвали местные жители. В ночь с 26 на 27 ноября 2023 года сильные осадки и шторм разрушили набережную Сириуса. Администрация города приняла решение о введение режима чрезвычайной ситуации. Также шторм повалил более 70 деревьев, что привело к перекрытым дорогам и железнодорожным путям, а также к разрушениям в городе. Например, одно из деревьев рухнуло прямо на остановку общественного транспорта, на которой находились люди. От ветра падали также столбы городского освещения и линий электропередач, многие дома остались без света и связи.

Из этого исследования мы поняли, что проблема поваленных деревьев в Сочи не случайна, а закономерна. Она связана с климатом региона и особенностями рельефа. Именно поэтому важно быстро расчищать дорогу после каждого сильного ветра, чтобы люди могли безопасно ездить даже в период сильных штормов.

1. 4. Особенности дорог в горной местности Сочи

Сочи — это город, который расположен между морем и горами Кавказские горы. Такое расположение сильно влияет на дороги (Рисунок 1.4.1 Приложения).

Главная особенность дорог в Сочи — они узкие и извилистые. Это связано с тем, что строить дороги приходится в очень ограниченном пространстве. С одной стороны находится море, а с другой — высокие и крутые горы. Из-за этого дорогу нельзя просто расширить. Чтобы сделать её шире, нужно либо срезать часть горы, либо строить тоннели. Это очень сложно и дорого. Поэтому многие дороги остаются узкими и имеют только одну полосу в каждую сторону. Также в горах дороги часто идут «змейкой» — это называется серпантин. Такие повороты нужны, чтобы машины могли подниматься и спускаться по склонам.

Ещё одна важная проблема — почти нет объездных дорог. В обычных городах, если дорога закрыта, можно поехать другим маршрутом. Но в горах это почти невозможно, потому что вокруг либо скалы, либо обрывы. Из-за этого даже небольшое препятствие может вызвать большую проблему. Например, если на дорогу упадёт дерево или камень, движение может полностью остановиться. Машины просто не смогут объехать это место. Такая ситуация быстро приводит к пробкам. Особенно это заметно летом, когда в Сочи приезжает много туристов. Тогда на дорогах становится очень много машин.

Кроме того, в горах часто бывают природные опасности: оползни, сильные дожди, падение деревьев, камнепады. Все это может перекрыть дорогу. А так как объезда нет, люди могут стоять в пробке несколько часов.

Таким образом, дороги в Сочи узкие и без объездов из-за горного рельефа и нехватки места. И именно поэтому даже одно упавшее дерево может вызвать огромную пробку и серьёзные проблемы для транспорта

Глава 2 Разработка и создание инновационного решения —механического устройства «Древохват»

2.1 Варианты решения проблемы. Выбор инновационного решения

Мы изучили, как решается эта проблема в нашем регионе (Рисунок 2.1.1 Приложения).

Как убирают поваленные деревья? Это многоэтапный процесс, который обычно выполняют специализированные службы или частные компании. Сначала дерево распиливают на части бензопилами (бензиновыми или электрическими), чтобы облегчить его транспортировку. Затем фрагменты грузят с помощью спецтехники: мини-погрузчиков с гидравлическими захватами, корчевателей (для пней) или трелёвочных тракторов (скиддеров). Для измельчения деревьев прямо на месте используют мульчеры — самоходные машины или навесное оборудование. Вывоз осуществляют самосвалами или щеповозами.

Почему это нужно делать быстро? Главная причина — безопасность. Поваленное дерево перекрывает дороги, повреждает линии электропередач, создаёт риск травм и аварий. В городах задержка уборки может привести к человеческим жертвам. Кроме того, упавшие стволы становятся рассадником вредителей, что угрожает здоровым деревьям, а скопление древесины повышает пожароопасность. Чем быстрее дерево уберут, тем меньше будет ущерба для людей, инфраструктуры и природы.

Мы рассмотрели несколько вариантов решения поставленной нами проблемы — как быстро убрать поваленные деревья с горных дорог после шторма.

1. Использование тяжелой техники (экскаваторов, эвакуаторы)

Плюсы: высокая мощность, возможность работы в сложных условиях.

Минусы: требует много времени на доставку к месту аварии, создает пробки из-за своих габаритов; не может работать автономно без водителя.

2. Применение вертолетов

Плюсы: быстрая доставка, мобильность.

Минусы: очень дорогое решение, требует хорошей погоды, шумное и опасное вблизи жилых районов.

3. Механическое устройство «ДРЕВОХВАТ» (наше решение)

Это мобильное устройство на подвижной платформе, которое перемещается вдоль дороги. Оно оснащено рычагами-манипуляторами, способными ухватить дерево и перенести его в специальный отсек для переработки.

Преимущества механического устройства «ДРЕВОХВАТ»:

• Работает автономно по команде оператора или автоматически при обнаружении дерева.

• Быстро передвигается по горным дорогам благодаря специальной гусеничной/колесной базе.

• Может убирать деревья даже в труднодоступных местах за поворотами.

• Исключает риск пробок, так как не занимает всю проезжую часть во время работы.

• Экологично: измельченное дерево можно использовать повторно.

Почему мы выбрали именно это решение? Мы поняли, что существующие методы либо слишком медленные (ручная уборка), либо требуют огромных ресурсов (вертолеты) или создают дополнительные препятствия (тяжелая техника). Наш «ДРЕВОХВАТ» сочетает в себе скорость, безопасность и экологичность. Он способен оперативно расчищать дорогу сразу после шторма, обеспечивая безопасные маршруты для всех участников движения.

2.2 Конструкция: задачи, выбор механизмов

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

Проект «Древохват – механическое устройство для уборки поваленных деревьев на горных дорогах города Сочи» представлен на Рисунке 2.2.1 Приложения, включает следующие модели:

1. Симулятор урагана (Рисунок 2.2.2 Приложения). Это модель имитирует ветер: слабый и сильный. При сильном ветре падает дерево. Так мы демонстрирует проблему, которую решаем. Механизмы: повышающая зубчатая передача, механизм переключения скорости вращения. Движущийся элемент: поворотный стол для поворота направления ветра.

2. Древохват (мобильная уборочная машина, Рисунок 2.2.3 Приложения). Это наше основное решение проблемы. Машина имеет подвижную платформу, которая перемещается вдоль дороги на роликовом конвейере. Для его движения мы выбрали понижающую зубчатую передачу, так как она позволяет получить большое усилие при медленном вращении роликов.

На платформе установлен поворотный стол с рычажным механизмом (рычаги-манипуляторы), которые работают от червячной передачи. Этот механизм обеспечивает плавное движение рычагов и надёжный захват «дерева».

3. Измельчитель древесины (Рисунок 2.2.4 Приложения). В этой модели дерево попадает в специальный отсек, где оно измельчается. Здесь работает рядная многоступенчатая зубчатая передача с неподвижными осями. Такой тип передачи позволил нам показать, как могут вращаться ножи для измельчения древесины.

Таким образом, наша конструкция объединяет несколько механических решений, которые позволяют роботу эффективно выполнять задачу по уборке завалов.

2.3 Демонстрация проекта

Наша презентация: Представьте! (пауза)

Шторм бушует, грохот стоит,

Деревья падают, путь закрыт.

Дорога скована, тишина,

Перед водителями – стена.

Затор огромный, не свернуть,

Пробки тянутся, не вздохнуть.

Решение! (пауза)

-наша машина – надежда и мощь,

Легко поднимет дерево и уберёт его прочь!

На большом расстоянии, в любой час,

Освободит дорогу для всех нас!

Дерево переносится в отсек для переработки.

ДРЕВОХВАТ путь освободил,

Автомобилям быстро дорогу открыл!

Мы представили проект на следующих мероприятиях (Рисунок 2.3.1 Приложения):

• Дружеская встреча команд в гимназии Сириус

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

• Международный Чемпионат по робототехнике «Красноярск 7.0»

Заключение

В ходе работы над проектом мы создали рабочую модель инновационного механического устройства — «ДРЕВОХВАТ», которое способно быстро и безопасно убирать поваленные деревья с горных дорог после сильных штормов.

Мы проанализировали особенности дорожного движения в горах Краснодарского края, выявили проблемы, связанные с падением деревьев из-за частых штормов, и определили наиболее опасные участки. Экскурсия в «Цифра ФТ» и общение с экспертом по системе видеонаблюдения позволили получить практические сведения о том, как современные технологии помогают следить за безопасностью на дорогах, но не решают проблему уборки.

Мы изучили существующие способы повышения безопасности при ликвидации последствий стихийных бедствий (использование тяжёлой техники или вертолётов), мы придумали механическое устройство «Древохват» для быстрой и безопасной уборки.

Созданная нами рабочая модель прошла тестирование в условиях, имитирующих реальную дорожную ситуацию: использовалась наша собственная модель «Симулятор урагана», а также макеты дороги, автомобилей и пешеходов. Тестирование подтвердило работоспособность решения: устройство надёжно захватывает дерево, поднимает его над дорогой и перемещает в отсек переработки.

Описан принцип работы механизмов, которые мы выбрали для реализации проекта: повышающая зубчатая передача и механизм переключения скорости вращения в симуляторе урагана, понижающая зубчатая передача в приводе платформы, червячная передача в рычагах-манипуляторах и рядная многоступенчатая зубчатая передача в измельчителе древесины.

Таким образом, наш проект продемонстрировал возможность создания эффективного технического решения для актуальной проблемы обеспечения безопасного маршрута в курортном городе Сочи.

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. https://мчс.крд.рф/

4. https://krasnodar-meteo.ru/

5. Новостные порталы: Блокнот Сочи, Сочи 1

6. https://ru.wikipedia.org

7. https://kuban.kp.ru

8. https://grc-sochi.ru

9. https://www.eg.ru

10. http://псмт.рф/spectehnika/pogruzchiki/minipogruzchiki/navesnoe_oborudovanie_avant/zahvat_dlja_breven/

Приложение