УМНЫЕ СВЕТОФОРЫ И СИСТЕМЫ ОРГАНИЗАЦИИ ДОРОЖНОГО ДВИЖЕНИЯ

И.Карпасов МEng., Хайфа, Израиль

В 2022 году ученые исследовали влияние системы «Умный светофор» на дорожную ситуацию в нескольких крупных мегаполисах мира.

Выяснилось, что ее внедрение позволяет сократить автомобилю время в пути до 25 %, а время нахождения в пробках – до 40 %. Кроме того, почти на 21 % уменьшаются вредные выбросы в атмосферу. Выходит, умные светофоры – изобретение весьма полезное как для водителей, так и для планеты в целом.

Как работают умные светофоры?

В основе принципа действия таких систем лежит возможность динамического управления сигналами. Благодаря этому происходит увеличение пропускной способности перекрестков. Система обычно состоит из контроллеров, камер и удаленных датчиков движения, которые в режиме реального времени анализируют ситуацию на перекрестках, оценивают степень их загруженности и передают эту информацию на центральный сервер управления. Передача осуществляется посредством радиосреды или по оптическим линиям связи. Кроме того, умный светофор может спрогнозировать дорожную ситуацию на 15-30 минут вперед. Это позволяет скорректировать его работу и выбрать более эффективную стратегию управления потоком автомобилей. При возникновении ДТП на перекрестках в план оперативно вносятся изменения.

Но, несмотря на большое количество плюсов системы, она не в состоянии полностью избавить города от пробок. Ее главная функция – увеличить производительность перекрестков. Невозможно наладить комфортный трафик без изменения транспортной инфраструктуры: расширения дорог, строительства развязок и т. п. Рост количества автомобилей сегодня заставляет решать проблему дорожного трафика в разных ее аспектах, без этого города начнут задыхаться от выхлопных газов автомобилей, стоящих в многокилометровых пробках.

Умные светофоры за рубежом.

    Умные светофоры пытались создать еще в 60-ые годы 20 века в США и Канаде, однако тогда это сводилось к их централизованному управлению. Сегодня система «Умный светофор» эффективно работает в большинстве развитых стран, кроме того, продолжается ее активное внедрение.

    К примеру, в Дании, где существует целая велосипедная культура, хотят потратить $ 9 млн. бюджетных средств на установку около 400 умных светофоров, которые будут давать приоритет велосипедистам и общественному транспорту. Такой подход заставляет людей осознанно пересаживаться с личных автомобилей на автобусы и велосипеды, что уменьшает общий трафик и способствует улучшению экологической ситуации.

     В данный момент разработкой умных светофоров занимается несколько компаний, лидируют среди которых IBM, SCOOT, SCATS, RHODES, UTOPIA. Интересно, что компания IBM заявила о намерении создать систему, которая позволила бы удаленно отключать двигатели автомобилей, проезжающих на красный свет.

                                                       Три режима работы умных светофоров.

Как работают умные светофоры? Они имеют связь с компьютером и управляются специальной программой. Благодаря ей система может самостоятельно выбирать режим работы, а также объединяться с другими светофорами для получения нужного результата.

Режимы работы:

•Локальный режим. Он предполагает автономную работу светофора по заранее заложенной программе (это может быть сценарий для вечернего или утреннего часа пик).

•Координированное управление. Это синхронная работа нескольких светофоров в связке. Чаще всего данный режим используется на «вылетных» магистралях, он необходим для поддержания определенной интенсивности движения на участке дороги.

•Адаптивный режим (не используется в современных системах). Светофор получает информацию, на основании которой проводит анализ ситуации на дороге и подстраивает свою работу под нее. Данные о трафике передаются светофору от индукционных петель или датчиков, вмонтированных в дорожное полотно на перекрестке. Это сложное оборудование, которое умеет определять не только интенсивность потока, но и тип автомобиля, подъезжающего к перекрестку – к примеру, общественный транспорт. Вся получаемая светофорами информация передается ими в центр управления. Адаптивные светофоры устанавливаются на относительно простых перекрестках, то есть там, где отсутствует постоянное интенсивное движение транспорта во всех направлениях. Дело в том, что для их работы необходим трафик разной динамики – в этом случае светофор и будет адаптироваться к его изменениям. Подобные системы впервые появились в США в начале 70-х годов 20 века.

    Принцип работы умных светофоров в Израиле использует довольно несовременные технологии подсчета автомобилей на перекрестках: физические датчики или видеодетектор фона. Датчики могут фиксировать транспортное средство исключительно в том месте, где они установлены. Разумеется, можно проложить их на протяжении всей проезжей части, однако это обойдется в круглую сумму. Видеодетектор фона показывает только степень заполнения дороги автомобилями, при этом камера должна четко видеть всю площадь, что не всегда возможно - препятствием является большое расстояние и даже осадки. К примеру, сильный дождь или песчаная буря будет рассматриваться камерой как транспортное средство, так как она не различает тип детекции. Нужно отметить, что адаптивные светофоры могут работать даже в таких условиях, потому что для нормального выполнения своих функций им не нужны абсолютно точные данные. Их смысл в переключении режимов в очевидных ситуациях исключительно на слабо загруженных перекрестках. При этом работа светофоров очень сильно зависит от выполнения правил установки видеокамер, высоты подвеса, отсутствия препятствий на линии обзора (это требование, кстати, выполнить непросто, так как всегда имеются какие-то провода или столбы, загораживающие вид). Нередко для монтажа оборудования приходится строить специальные фермы, так как существующие опоры просто не подходят. Как итог – он становится очень дорогим. Кроме того, камеры адаптивных светофоров регулярно меняют свое положение под действием ветра и дорожной вибрации, что приводит к нарушениям в их работе, ведь видеодетектор четко привязан к виду дорожного полотна. Их необходимо возвращать в исходное положение, что требует ресурсов – временных, человеческих, финансовых. Помимо этого, приходится ограничивать движение на время работ.

Нейросетевые умные светофоры.

Преимущества использования нейросетевых умных светофоров.

Нейросетевые светофоры сложнее и технологичнее. Они регулируют трафик на более высоком уровне. Учитывается сразу множество факторов, влияющих на него. «Мозги» внутри умного светофора на основании полученных данных подбирают самый эффективный алгоритм его работы – так, чтобы в единицу времени по участку дороги проезжало больше автомобилей. Объекты на дороге распознаются нейронными сетями, благодаря чему светофоры получают более точную картину происходящего. Нейронные сети способны распознавать самые разные образы в их любых положениях и на больших расстояниях (машины, коляски, велосипеды, чемоданы и даже оружие), они более точно считают количество транспортных средств и способны определять их качественный состав, а также умеют распознавать людей. Последнее очень важно учитывать, ведь пешеходам тоже нужно предоставить возможность перейти дорогу. По сравнению с адаптивными светофорами, нейронные сети почти не ограничены в плане мест их монтажа. Они способны распознавать любые объекты даже при больших перекрытиях, им хватает всего лишь 15 % изображения, чтобы понять, что это. По этой причине нейросетевой светофор становится дешевле в установке, сокращается количество видеокамер, уменьшается длина проводов и т.п. Нейросетевые камеры не боятся смены положения под воздействием внешних факторов (в рамках разумного), они могут снимать все, что происходит на дороге, пока это в принципе возможно.

Умные светофоры в паре с умными камерами.

Что включает в себя интеллектуальная транспортная система (ИТС)?

•Подсистему мониторинга параметров транспортного потока.

•Подсистему информирования участников ДД.

•Подсистему метео-мониторинга.

•Подсистему мониторинга состояния дорог и дорожной инфраструктуры.

•Подсистему мониторинга экологических параметров. Большую важность имеет учет уникальных черт региона при установке в нем подсистем ИТС. Индивидуальный подход способствует росту их эффективности. Подсистемы выполняют важную функцию – они передают полезную информацию органам управления дорожным хозяйством. Это данные о состоянии дорожных объектов, погодных условиях, транспортной ситуации, нарушениях нормативов содержания и ремонта, состояния производственных процессов, экологических параметрах и др.

 Благодаря систематически поступающей информации от интеллектуально-аналитических модулей специальные службы, ответственные за дорожную ситуацию, могут создавать более грамотные прогнозы в рамках своей работы, принимать правильные решения, осуществлять контроль за происходящим. Кроме того, ИТС позволяют автоматизировать процессы принятия решений диспетчерскими службами. В целом это способствует более эффективной трате средств из государственного или муниципального бюджета. Кроме того, метеорологические данные, предоставленные оперативно, дают возможность значительно повысить безопасность дорожного движения. Организации, которые занимаются ремонтно-строительными работами, а также эксплуатационные компании могут оптимизировать производственно-технологические процессы, повысить рентабельность дорожных работ благодаря внедрению интеллектуальных подсистем.

Как работает система «Умный светофор».

 Видеокамера или датчики устанавливаются на определенной высоте и над конкретным участком трассы. Далее, сигнал от нее поступает в модуль обработки видеоинформации. Затем в данном модуле происходит выделение подвижных транспортных средств и определение различных интегральных оценок. После этого, на основе этих показаний, центральный сервер дает команду контроллерам светофоров включить красный или зеленый свет и на какое время.

Прежде всего, системы видеоконтроля, ориентированные на транспорт, предоставляют данные трех типов:

Первый тип данных: -общее количество обнаруженных автомобилей; -скорость; -ускорение транспортного потока; -плотность потока; -загруженность полос движения; -классификация автомобилей.

Второй: -высокая скорость, плотность потока или занятость полос; -наличие заторов или движения по встречной полосе; -остановившиеся или медленно движущиеся автомобили;

-наличие на дороге подозрительных предметов.

Третий: -наличие приближающихся автомобилей; -наличие автомобилей, остановившихся на перекрестке; -число автомобилей, проехавших через зоны обнаружения;

 -измерение длины очереди.

 

Система интегрируется в модуль управления светофорами, что позволяет согласовать работу абсолютно всех светофоров перекрестка в каком-либо напряженном транспортном узле. Например, на перекрестке, где установлен стандартный светофор, пешеходу предоставляется одно и то же время на переход дороги. Время не зависит от того, едет ли по ней в данный момент один автомобиль или несколько десятков. Благодаря системе «умный светофор», данное время контролируется и меняется в зависимости от загруженности. Или предположим, что в одном из направлений есть высокая загруженность, то именно там и продлевается зеленый свет, что ведет к сокращению времени пребывания машин на перекрестках. Другими словами, процессор «умного светофора» получает информацию о потоке машин с видеокамер. После этого, обрабатывает её. Затем в соответствии с этим по установленному алгоритму принимает решение, в каком направлении и насколько открывать движение. Таким образом, вероятность образования большой пробки, в каком-либо направлении существенно снижается. Кроме того, «умный светофор» способен прогнозировать транспортную ситуацию на 15-30 минут вперед и заранее сформировать эффективный план управления. Далее, при возникновении ДТП на перекрестках, данный план автоматически корректируется. Дополнительно также, можно установить определенный тип датчиков. Они будут учитывать приоритет общественного транспорта и экстренных служб перед остальными участниками движения. В том случае, если произойдет внештатная ситуация или сбой системы, светофоры будут функционировать в автономном режиме. Регулировка перекрестов будет осуществляться традиционным способом. Точно так же можно использовать специальные метеостанции. Которые будут собирать информацию о погодных условиях и состоянии асфальта. Впоследствии данные сведения помогут скорректировать скоростные ограничения и предупредить водителей о неблагоприятных условиях на дороге.

Транспортные пробки на дорогах. Транспортные пробки сильно влияют на общественную жизнь современных городов. Топливо в пробках расходуется вхолостую, это бесполезно потраченное время, выброс вредных веществ в атмосферу больше, чем при движении автомобилей. Как следствие, многокилометровые пробки приводят к снижению прибыли. В результате ухудшается логистика и падает производительность труда. Прежде всего, внедрение системы «умный светофор» решает следующие основные транспортные проблемы: -Снижение аварийности и повышение безопасности дорожного движения; -Увеличение пропускной способности оборудованных перекрестков; -Соответственно выше сказанному, увеличение средней скорости проезда на оборудованных перекрестках.

Между тем, необходимо отметить, что при всех плюсах оборудованной системы, следует принять во внимание, что один и даже три «умных светофора» ничего не изменят. Поэтому, идеальный результат будет, если взаимосвязанной системой покрыть весь город. Только таким образом, система способна максимально оптимизировать поток и уменьшить пробку. Самое главное, это не питать иллюзии, что «умные светофоры» полностью справятся с заторами.

В заключении можно сказать следующее:

Прежде всего, система «умный светофор» способна лишь максимально увеличить производитель-ность перекрестка. В любом случае городским властям необходимо расширять дороги и строить сложные транспортные развязки. Кроме того, нужно учитывать, что количество автотранспорта в стране неуклонно растет и максимальная производительность перекрестков не спасет от пробок в крупных мегаполисах.

Мониторинг и управление транспортными потоками.

Управление дорожным движением невозможно без организации мониторинга дорожно-транспортной обстановки. Система мониторинга-это сбор, обработка, хранение и передача данных о параметрах транспортных потоков. Для автоматизации управления транспортным потоком необходимо владеть информацией о реальном состоянии дорожного движения и его параметрах. Поэтому требуется измерение следующих характеристик:

 -Общее количество транспортных средств, прошедших по каждой полосе за заданный период времени;

 -Средняя скорость движения транспортного потока;

-Среднее значение загруженности дороги, в зонах контроля, за определенный период времени.

 

Мониторинг транспортных потоков в системе автоматизации управления автодорог позволяет решать и другие задачи. Такие как обрабатывать оперативные и архивные данные о параметрах транспортных потоков, формировать на их основе отчёты и готовить решения по изменению сценариев управления. А также определять возникновение внештатных ситуаций и осуществлять информирование о них. Все эти сведения выдают детекторы транспорта и их используют для реализации гибкого регулирования, а также для расчета или автоматического выбора программ управления дорожным движением. Способностью осуществлять мониторинг транспортных потоков обладают, как радиолокационные детекторы транспорта, так и видеодетекторы, в том числе, комплексы фото-видео-фиксации и системы видеоконтроля. Автоматизация управления автодорог с помощью детекторов транспорта позволяет осуществлять адаптивное управление светофорами, определять скорость и тип транспортных средств, а также их количество.

 

Автоматизированное управления светофорами.

Автоматизация управления автодорог подразумевает управление светофорами в автоматическом режиме. Автоматическое управление светофорами повышают пропускную способность перекрестков. Дорожное движение регулируется с помощью динамического управления сигналами светофора под управлением интеллектуальных дорожных контролеров и нейросетевых микрокомпьютеров. Удаленные датчики движения, видеокамеры, дорожные контроллеры, передают всю информацию через Ethernet и/или GPRS на нейросетевой микрокомпьютер. Далее на основе показаний датчиков в соответствии с различными критериями: -временем года; -днем недели; -временем суток; -текущей дорожно-транспортной ситуацией, включается красный/зеленый свет так, чтобы максимально сократить время пребывания автомобилей на перекрестках. Допустим, если на одном из направлений наблюдается высокая загруженность, то ему продлевается зеленый свет. В зависимости от типов датчиков, система может учитывать приоритет общественного транспорта, экстренных служб и «спецсопровождения» перед остальными участниками движения.

Автоматизация управления автодорог: определение мест ДТП и автоматическое управление светофорами, обеспечивает контроль не только над плотностью дорожного движения, но и другими параметрами. Быстрое реагирование в случае возникновения ДТП может начать процесс принятия необходимых мероприятий. Во-первых, выработать стратегию управления транспортным потоком. Во-вторых, информирование водителей перед началом движения и/или в процессе движения. В-третьих, обеспечивают существенно быструю реакцию служб спасения. Использование результатов анализа данных с мест возникновения дорожно-транспортных происшествий является очень важной областью в движении транспортных потоков. Сообщения о ДТП автоматически передаются в спасательные и аварийные службы. Также если систему дополнить модулем считывания номерных знаков машин, в этом случае данные, получаемые системой, могут использоваться для привлечения нарушителей к ответственности. Обеспечение информацией и навигацией системы для информирования водителей с помощью бортовых светодиодных экранах расположенных в заднем стеле автомобиля, и/или управляемых дорожных знаков и дисплеев, которые расположены вдоль дорог, имеют постоянно возрастающее значение для управления транспортными потоками. Информация о возможных проблемах значительно уменьшает заторы, благодаря тому, что водитель может выбрать другие варианты пути движения или подходящую стоянку или парковку. Система информации о парковках с помощью электронных табло информирует водителей о наличии свободных мест на определённых стоянках. Для повышения уровня безопасности на трассах посредством информирования водителей об условиях и режимах движения, устанавливают дистанционно управляемые знаки с информационным табло. Водители в режиме реального времени могут видеть температуру воздуха, данные о состоянии дорожной поверхности. Кроме информационных табло, вдоль дорог устанавливаются электронные дорожные знаки. Полноцветные электронные дорожные знаки, рекомендуют водителям оптимальный скоростной режим в зависимости от погодных условий и состояния проезжей части, и в случае необходимости рекомендуют ограничить скоростной режим.

Автоматизация освещения автодорог. Количество визуальной информации, которая воспринимается водителем на дороге, напрямую влияет на принятие им адекватных решений при изменении дорожно-транспортной ситуации. Организация достаточного, но не доставляющего зрительного дискомфорта освещения проезжей части, пешеходных переходов и тротуаров позволяет существенно повысить безопасность всех участников дорожного движения и сократить число ДТП. Очевидно, что проектирование освещения является важной частью работ по созданию проекта автомобильной дороги.

Автоматизированное управление наружным освещением на автодорогах должно обеспечивать:

 -Автоматическое включение освещения (формирование расписаний, астрономическое и произвольное). Оптимизация энергопотребления, т.е. реализация нескольких режимов освещения. В часы наиболее интенсивного движения, включается освещение повышенной яркости и наоборот снижение яркости в часы минимального движения.

-Диспетчерское(оперативное) управление системой освещения. Сюда входит:

 Во–первых, управление временем включения освещения и возможность дистанционного изменения астрономического расписания с целью экономии электроэнергии;

 Во-вторых, должен быть обеспечен контроль за состоянием системы освещения, в том числе и контроль при возникновении нештатных ситуаций.

 

    Все решения по автоматизации автодорог постоянно развиваются. Например, в Голландии в качестве эксперимента создали участок дороги длинной около 500 метров, который, по словам разработчиков, стал прототипом автострады нового поколения. Особенностью автострады стали светодиодные лампы, которые заряжаются с помощью миниатюрных солнечных батарей, установленных прямо на дороге, и специальных «ветряков». Такой способ организации освещения избавляет дорожные службы от необходимости тянуть электрические кабели до опор. При этом лампы загораются только в момент приближения автомобилей, а в остальное время – горят с минимальной мощностью.

Помимо светодиодных ламп на дороге используется специальная разметка, которая выполнена с помощью флуоресцентной краски. Это позволяет ей «заряжаться» от дневного света и светиться на протяжении всей ночи. На обочинах разработчики нарисовали специальные снежинки, которые начинают светиться при низкой температуре, что позволяет проинформировать водителей о гололеде. Кроме всего выше сказанного, очень важно, чтобы автоматизированная система управления автодорог не стояла на месте. Развивалась и поддерживала современные тенденции в области проектирования с перспективами на будущее. Долгосрочная перспектива развития дорожно-транспортной отрасли, безусловно, должна быть инновационной, и опираться на передовые достижения науки и техники.

Автор данной статьи может принять самое непосредственное участие в проектировании, изготовлении, пуске и наладке наиболее совершенных систем организации дорожного движения с использованием передовых достижений в этой области.