СИСТЕМА МОБИЛЬНЫХ СВЕТОФОРОВ ДЛЯ РЕГУЛИРОВАНИЯ ДВИЖЕНИЯ ТРАНСПОРТА НА УЧАСТКАХ ДОРОГ С ВРЕМЕННЫМ РЕЖИМОМ РЕВЕРСИВНОГО ДВИЖЕНИЯ

Полезная модель относится к области автоматики и телемеханики и может быть использована для решения локальных задач регулирования движения транспортных средств по выделенной реверсивной полосе при проведении дорожных работ, а также на узких участках дорог со встречным движением транспорта.
Все возрастающая интенсивность движения транспорта обуславливает потребность в создании новых, соответствующих требованиям времени, автоматизированных систем регулирования дорожного движения. Современные системы светофорного регулирования движения транспорта построены на основе стационарных светофоров с электронным управлением, связанных между собой проводными каналами связи или каналами GSM и снабженных стационарными транспортными детекторами - чувствительными элементами, реагирующими на движение транспортных средств. Наибольшее применение в светофорах таких систем получили индуктивные и ультразвуковые детекторы. Индуктивные детекторы в виде магнитной рамки устанавливаются под дорожным полотном, ультразвуковые детекторы также предназначены для стационарного размещения.
Известна система управления светофорами на перекрестке по патенту, РФ №2158445, содержащая светофоры, ведущую станцию управления, ведомые станции управления и моноканал связи, выполненный в виде моноканала радиосвязи, а каждая ведомая станция управления включает в себя антенну, приемник, передатчик, логическое устройство управления и устройство сбора информации о состоянии светофора.
Однако системы светофорного регулирования такого типа предназначены для решения масштабных задач по регулированию движения транспорта в пределах города, района или на автотрассах. В случаях, когда необходимо обеспечить регулирование движения на небольших участках проблемных дорог в течение ограниченного промежутка времени ремонта от одного до нескольких дней, применение таких систем экономически неоправданно.
Известен мобильный светофор, содержащий светофорную головку со светофорными секциями и козырьками, кабель, остов с крышкой и запорами, отличающийся тем, что дополнительно содержит телескопическую стойку из нескольких патрубков, закрепленную неподвижно на крышке остова, причем на заднем торце остова закреплена подвижно ось с двумя колесами, каждое из которых установлено на уровне боковой поверхности остова, на переднем торце остова неподвижно закреплена ручка симметрично продольной оси остова, а внутри остова расположены аккумулятор, соединенный кабелем со светофорной головкой, и контроллер, см. патент РФ №112476.
Данное устройство решает задачу временного регулирования движения на локальных участках, где установка стационарного светофора экономически неоправданно. Однако, это устройство не имеет возможности работать в совокупности с другими мобильными светофорами для обеспечения регулирования движения транспорта на ремонтируемых участках при необходимости организации реверсивного движения.
Задача, решаемая полезной моделью, состоит в создании мобильной автоматизированной системы, обеспечивающей возможность оперативного развертывания и организации регулирования движения встречного транспорта на время проведения ремонтных работ на участках дорог с одной рабочей полосой движения.
Сущность заявляемой полезной модели выражается в следующей совокупности существенных признаков, достаточной для достижения указанного выше обеспечиваемого полезной моделью технического результата.
Система мобильных светофоров для регулирования движения транспорта на участках дорог с временным режимом реверсивного движения, включающая два или более, связанных между собой каналами радиосвязи, мобильных светофоров, характеризующаяся тем, что в ее состав входят два или более блоков оптических генераторов, связанных каналами оптической связи с соответствующими мобильными светофорами, в состав каждого из которых входят последовательно соединенные блок переключателей, блок управления и блок подачи световых сигналов, первый и второй фотодетекторы, индикатор каналов оптической связи, блок контроля транспортных потоков, информационные входы которого подключены к выходам фотодетекторов, первый и второй информационные выходы - к информационным входам блока управления, а дополнительные выходы - к входам индикатора каналов оптической связи, приемо-передатчик с антенной, вход и выход данных которого подключены соответственно к выходу передачи и входу приема данных блока управления, и блок автономного питания.
Кроме того, заявленная система характеризуется рядом факультативных признаков, а именно:
- блок оптического генератора характеризуется тем, что в его состав входят последовательно соединенные опорный генератор и распределитель импульсов, блок оптических излучателей, входы которого подключены к соответствующим выходам распределителя импульсов, и блок автономного питания;
- блок управления характеризуется тем, что в его состав входят микроконтроллер, программируемый таймер, первый и второй блоки памяти, адресные и информационные входы которых подключены к соответствующим выходам микроконтроллера, и блок сравнения, соответствующие входы которого подключены к информационным выходам первого и второго блоков памяти, а выход - к дополнительному входу микроконтроллера;
- блок контроля транспортных потоков характеризуется тем, что в его состав входят последовательно соединенные первый селектор и первый интегратор, последовательно соединенные второй селектор и второй интегратор, блок определения направления движения, входы которого подключены к выходам интеграторов, причем выходы блока определения направления движения являются информационными выходами, а выходы интеграторов - дополнительными выходами блока контроля транспортных потоков.
- каждый мобильный светофор характеризуется тем, что он размещен на транспортной платформе в виде легкового прицепа, несущее основание платформы оснащено шарнирным соединением с основанием подъемной мачты и устройством фиксации положения мачты, на которой установлен блок подачи световых сигналов и приемо-передатчик с антенной.
В этом заключается совокупность существенных признаков полезной модели, обеспечивающая получение технического результата во всех случаях, на которые распространяется испрашиваемый объем правовой охраны.
Заявителем не выявлены источники, содержащие информацию о технических решениях, совокупности признаков которых совпадают с совокупностью отличительных признаков заявленной полезной модели.
За счет реализации отличительных признаков полезной модели достигается технический результат, заключающийся в том, что система мобильных светофоров обеспечивает значительное увеличение пропускной способности реверсивных участков полос движения транспорта, мостов и путепроводов при проведении ремонтно-восстановительных работ, в мобильности ее составляющих, быстроте развертывания и приведения в рабочее состояние, а также в полной автономности.
Повышение пропускной способности обеспечивается за счет адаптивности системы к интенсивности движения встречных транспортных потоков, позволяющей оптимизировать переключение световых сигналов светофоров. Наличие каналов радиосвязи между мобильными светофорами и адресная передача данных о транспортных потоках обеспечивают возможность наращивания системы путем размещения аналогичных светофоров и блоков оптических генераторов на других проблемных участках дорог. Мобильность системы обеспечивается размещением светофоров и блоков оптических генераторов на транспортных платформах в виде легковых прицепов, обеспечивающих возможность транспортирования любыми типами автомобилей.
Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг.1 изображена структурная схема системы, на фиг.2 - структурная схема блока контроля транспортных потоков, на фиг.3 - временные диаграммы, поясняющие принцип работы блока контроля транспортных потоков, на фиг.4 - вариант конструкции мобильного светофора.
Система мобильных светофоров, включает два или более, связанных между собой каналами радиосвязи, мобильных светофоров 1, два или более блоков 2 оптических генераторов, связанных каналами оптической связи с соответствующими мобильными светофорами, каждый из которых содержит в своем составе последовательно соединенные блок 3 переключателей, блок 4 управления и блок 5 подачи световых сигналов, первый и второй фотодетекторы 6, 7, индикатор 8 каналов оптической связи, блок 9 контроля транспортных потоков, информационные входы которого подключены к выходам фотодетекторов 6,7, первый и второй информационные выходы - к информационным входам блока 4 управления, а дополнительные выходы - к входам индикатора 8 каналов оптической связи, приемо-передатчик 10 с антенной, вход и выход данных которого подключены соответственно к выходу передачи и входу приема данных блока 4 управления, и блок 11 автономного питания.
Блок 2 оптического генератора включает последовательно соединенные опорный генератор 12 и распределитель 13 импульсов, блок 14 оптических излучателей, входы которого подключены к соответствующим выходам распределителя 13 импульсов, и блок 15 автономного питания.
Блок 4 управления включает последовательно соединенные микроконтроллер 16 и программируемый таймер 17, первый и второй блоки 18, 19 памяти, адресные и информационные входы которых подключены к соответствующим выходам микроконтроллера 16 и блок 20 сравнения, соответствующие входы которого подключены к информационным выходам первого и второго блоков 18, 19 памяти, а выход - к дополнительному входу микроконтроллера 16.
Блок 9 контроля транспортных потоков включает, последовательно соединенные первый селектор 21 и первый интегратор 22, последовательно соединенные второй селектор 23 и второй интегратор 24, блок 25 определения направления движения, входы которого подключены к выходам интеграторов 22, 24, причем выходы блока 25 определения направления движения являются информационными выходами, а выходы интеграторов - дополнительными выходами блока 9 контроля транспортных потоков.
Мобильный светофор 1 размещен на транспортной платформе 26 в виде легкового прицепа, несущее основание платформы оснащено шарнирным соединением с основанием подъемной мачты 27 и устройством 28 фиксации положения мачты, на которой установлен блок 5 подачи световых сигналов и приемо-передатчик 10 с антенной.
Временные диаграммы, поясняющие принцип работы блока 9 контроля транспортных потоков, обозначены следующим образом:
диаграмма (а) - сигнал на первом и втором входах блока 9 контроля транспортных потоков;
диаграмма (б) - сигнал на выходе первого селектора 21;
диаграмма (в) - сигнал на выходе второго селектора 23, диаграмма (г) - сигнал на выходе первого интегратора 22;
диаграмма (д) - сигнал на выходе второго интегратора 24;
диаграмма (е) - сигнал на первом выходе блока 25 определения направления движения;
диаграмма (ж) - сигнал на втором выходе блока 25 определения направления движения.
Система мобильных светофоров работает следующим образом. Работа системы мобильных светофоров может быть рассмотрена на примере регулирования встречного движения автотранспорта по одной полосе ремонтируемого участка дороги. Подготовка к работе системы включает транспортировку мобильных светофоров 1-1, 1-2…1-n и соответствующих блоков 2-1, 2-2…2-n оптических генераторов на транспортных платформах в виде легковых прицепов к местам их размещения на участках дорог с одной полосой движения, на которых требуется обеспечить регулирование движения встречного автотранспорта. Транспортные платформы со светофорами 1-1, 1-2…1-n и соответствующие блоки 2-1, 2-2…2-n оптических генераторов размещают на противоположных сторонах полосы движения. Блоки оптических генераторов устанавливают на штативах с возможностью регулирования направления излучения. Подготавливают оборудование каждого мобильного светофора к работе. Блок 9 подачи световых сигналов, размещенный на мачте, снабженной шарнирным соединением с основанием транспортной платформы, переводят из горизонтального положения транспортировки в рабочее вертикальное положение (фиг.4). Поднимают блок 9 подачи световых сигналов с помощью мачты, например телескопической с гидравлическим приводом, на необходимую высоту. Оптические оси фотодетекторов 6, 7, размещенных на краях транспортной платформы ориентируют в сторону блока 2 оптического генератора. Включают питание светофоров 1 и блоков 2 оптических генераторов. Регулируют положение излучателей блока 2 оптического генератора на штативе для обеспечения надежной оптической связи с фотодетекторами. Индикация оптической связи фотодетекторов 6, 7 с блоком 2 оптического генератора обеспечивается индикатором 8 мобильного светофора. В блоке 3 переключателей устанавливают переключатели РАССТОЯНИЕ и СКОРОСТЬ в положения, соответствующие длине участка регулирования движения, например 2 км, и требуемой скорости движения транспорта, например 40 км/час. Блок 4 управления, в зависимости от положения переключателей РАССТОЯНИЕ и СКОРОСТЬ блока 3 переключателей, осуществляет выбор программы переключения световых сигналов с учетом усредненного значения дистанции между транспортными средствами.
1
1
10
10
Например, при длине регулируемого участка S=2 км, скорости движения V=40 км/час и среднем значении дистанции между автомобилями Sд=0,02 км, одновременно на участке дороги может находиться до N=S/Sд двигающихся в одном направлении автомобилей, например 10 автомобилей. В соответствии с известной формулой, определяющей зависимость пройденного расстояния от времени t и скорости V движения, время t прохождения регулируемого участка первым автомобилем после включения зеленого сигнала светофора составит t=S/V=2/40=0,05 час или 3 мин. Очевидно, что последний из десяти автомобилей пройдет регулируемый участок дороги через время t после включения зеленого сигнала светофора, которое может быть определено из соотношения t=(S+10·Sд)/V=(2+10·0,02)/40=0,055 час или 3,3 мин.
1
2
1
На основании параметров движения, задаваемых переключателями РАССТОЯНИЕ и СКОРОСТЬ блока 3 переключателей, в блоке 4 управления обеспечивается запуск начальной программы переключения сигналов светофора, например с временем переключения световых сигналов с зеленого на красный и наоборот 3,5 мин. Контроль количества проходящего транспорта в прямом и обратном направлениях осуществляется с помощью блока 2 оптического генератора красного или инфракрасного диапазона. Блок 2 оптического генератора работает в импульсном режиме для экономии энергоресурса блока 15 автономного питания. Опорный генератор 12 обеспечивает тактовую синхронизацию распределителя 13 импульсов. Период Тс следования импульсов на первом и втором выходах распределителя 13 импульсов, например Тс=100 мс, выбирается на основании среднего значения длины транспортных средств и скорости движения при прохождении светофора. Импульсы, вырабатываемые на первом и втором выходах распределителя импульсов имеют различную длительность, например t=1 мс, t=2t=2 мс, и сдвинуты во времени на половину периода Тс/2. Блок 14 оптических излучателей может быть выполнен как на основе квантовых генераторов с узкой апертурой луча, так и на основе, работающих со сдвигом во времени, инфракрасных излучателей с диаграммой направленности порядка 12°, которые обеспечивают дальность связи с фотодетекторами до 15 метров. Прием импульсов света, излучаемых блоком 14 оптических излучателей, осуществляется фотодетекторами 6, 7, выходные сигналы которых поступают на блок 9 контроля транспортных потоков.
Блок 9 контроля транспортных потоков (фиг.2) работает следующим образом. При отсутствии движущегося транспорта импульсные сигналы (фиг.3а) с выходов первого и второго фотодетекторов 6, 7 поступают на соответствующие селекторы 21, 23, осуществляющие их селекцию по длительности. Выходные импульсы (фиг.3б,в) селекторов 21, 23 поступают на соответствующие интеграторы 22, 24, постоянная времени интегрирования которых выбирается из условия перекрытия светового импульсного потока движущимся транспортным средством и отсутствия реакции на пересечение световых потоков малоразмерным объектом, например человеком. Транспортное средство (ТС), двигающееся в прямом направлении по зеленому сигналу светофора, сначала перекрывает канал оптической связи первого фотодетектора 6 (фиг.3б) с оптическим генератором 2, а затем канал оптической связи второго фотодетектора 7 (фиг.3г). На интервале времени прохождения транспортным средством фотодетекторов 6, 7 на выходах интеграторов 22, 24 устанавливаются, со сдвигом во времени, сигналы низкого логического уровня (фиг.3г,д). После прохождения транспортного средства в прямом направлении первоначально положительный перепад напряжения (фиг.3г) с выхода первого интегратора 22 поступает на первый вход блока 25 определения направления движения. После прохождения транспортным средством второго фотодетектора 7 положительный перепад напряжения (фиг.3д), с задержкой Ts на время прохождения расстояния между фотодетекторами, поступает на второй вход блока 25 определения направления движения, обеспечивая формирование на его первом выходе соответствующего импульса (фиг.3е). При прохождении транспорта в прямом направлении импульсы с первого выхода блока 9 контроля транспортных потоков поступают на первый информационный вход блока 4 управления.
На интервале времени, соответствующем разрешающему зеленому сигналу светофора от блока 9 контроля транспортных потоков на первый информационный вход блока 4 управления поступает количество импульсов, соответствующее количеству прошедших в прямом направлении транспортных средств. Микроконтроллер 16 блока управления 4 обеспечивает запись числа поступивших импульсов в первый блок 18 памяти.
После включения, в соответствии с начальной программой переключения, запрещающего красного сигнала светофора микроконтроллер 16 обеспечивает считывание из первого блока 18 памяти кода числа транспортных средств, прошедших в прямом направлении и поступление с выхода передачи данных Dtx на приемо-передатчик 10 соответствующего информационного сообщения. Передача информационного сообщения осуществляется в виде последовательного кода, адресная часть которого включает индивидуальный номер светофора, которому предназначена информация, а информационная часть - данные о количестве транспортных средств, прошедших в прямом направлении. Приемо-передатчик 10 обеспечивает передачу этого последовательного кода на радиочастоте fp, например, на частоте диапазона УКВ fp=868 МГц, на соответствующий светофор, например второй светофор 1-2, размещенный на противоположном конце ремонтируемого участка дороги. После включения запрещающего сигнала и передачи информационного сообщения микроконтроллер 16 первого светофора обеспечивает удаление данных из первого блока 18 памяти.
Второй светофор 1-2 аналогичен первому и в режиме контроля транспортного потока обратного направления работает следующим образом. При приеме радиосигнала, обеспечивающего передачу данных от первого светофора, последовательный код с выхода приемо-передатчика 10 второго светофора поступает на вход приема данных Drx микроконтроллера 16 блока 4 управления. При совпадении адресной части кода с индивидуальным номером светофора 1-2 микроконтроллер 16 обеспечивает запись кода данных о количестве транспорта, прошедшего первый светофор 1-1 в прямом направлении, во второй блок 19 памяти.
При прохождении транспортным средством второго светофора 1-2 подсчет транспортных средств осуществляется аналогичным образом, но для второго светофора направление движения транспорта является обратным. При движении транспорта в обратном направлении первоначально осуществляется перекрытие канала оптической связи (фиг.3в) второго фотодетектора 7, а затем канала оптической связи (фиг.3б) первого фотодетектора 6. В блоке 9 контроля транспортных потоков первоначально положительный перепад напряжения с выхода второго интегратора 24 поступает на второй вход блока 25 определения направления движения, а затем с задержкой Тb (фиг.3г,д), сигнал от первого интегратора 22 на первый вход. Импульсы (фиг.3ж), число которых соответствует количеству транспортных средств, прошедших второй светофор в обратном для него направлении, со второго выхода блока 25 определения направления движения поступают на второй информационный вход блока 4 управления. Микроконтроллер 16 второго светофора последовательно обеспечивает запись числа транспортных средств, прошедших в обратном для него направлении в первый блок 18 памяти. Блок 20 сравнения после записи каждого нового числа осуществляет сравнение содержимого первого блока 18 памяти с содержимым второго блока 19 памяти, в котором хранится информация о количестве транспортных средств, прошедших первый светофор 1-1. При совпадении данных первого и второго блоков 18, 19 памяти на выходе блока 20 сравнения формируется сигнал, который, поступая на вход Dr микроконтроллера 16, инициирует смену программы переключения второго светофора. При этом от микроконтроллера 16 на программируемый таймер 17 поступает код, обеспечивающий включение разрешающего сигнала на блоке 5 подачи световых сигналов после освобождения реверсивной полосы движения. Далее цикл работы системы мобильных светофоров повторяется, но при этом второй светофор передает данные о прохождении транспортных средств, а первый светофор принимает эти данные, на основе которых обеспечивается оптимизация программы переключения световых сигналов. При этом, оптимизация программ переключения световых сигналов в блоках управления светофоров осуществляется автоматически в зависимости от интенсивности движения транспорта по направлениям, регистрируемой соответствующими блоками контроля транспортных потоков.
Эффективность заявленной системы мобильных светофоров состоит в том, что она обеспечивает значительное увеличение пропускной способности реверсивного участка полосы движения транспорта, в мобильности ее составляющих, быстроте развертывания и приведения в рабочее состояние светофоров, а также в независимых источниках автономного питания. Так например, при использовании в светофоре автомобильной аккумуляторной батареи емкостью 140 А/ч и светодиодного блока подачи световых сигналов мощностью порядка 15 Вт обеспечивается непрерывная работа светофора в течение порядка 115 часов. При необходимости в больших сроках непрерывной работы в качестве блока автономного питания светофора может быть использован бензиновый или дизельный электрогенератор небольшой мощности с малым расходом топлива. Блок оптического генератора, работающий в импульсном режиме, обладает низким энергопотреблением и не требует высокой энергоемкости встроенного в него блока автономного питания, в качестве которого могут быть использованы гальванические батареи типоразмеров АА, ААА или соответствующие аккумуляторные батареи.
Заявленная система мобильных светофоров адаптивна к интенсивности движения по реверсивной полосе встречных транспортных потоков и автоматически оптимизирует интервалы переключения световых сигналов светофоров, обеспечивая повышение пропускной способности проблемного участка дороги. Адресная передача данных о транспортных потоках обеспечивает возможность наращивания системы путем размещения аналогичных светофоров и блоков оптических генераторов на других участках дороги с реверсивным движением. Применение в светофорах высокочувствительных фотодетекторов, работающих на отраженных от транспорта световых потоках, позволяет установить блок оптического генератора на той же транспортной платформе, что существенно упрощает конструкцию. Система полностью автономна, так как не требует использования каналов связи других телекоммуникационных систем. В заявленной системе мобильность каждого светофора обеспечивается его размещением на транспортной платформе в виде легкового прицепа, который может быть транспортирован на место дислокации автомобилем любого класса. Мобильность светофоров системы обеспечивает возможность оперативного их перемещения, по завершении восстановительных работ проблемного участка дороги, на другие дорожные объекты, например мосты или путепроводы как в пределах города, так и на загородных автомобильных трассах.