ДОРОЖНАЯ СИГНАЛЬНАЯ СИСТЕМА (ДСС)-БЕГУЩИЙ СВЕТОФОР

Полезная модель Дорожная сигнальная система (ДСС) - Бегущий светофор относится к устройствам для отображения дорожной информации: МПК E01F 9/00. Также ДСС относится к области информационного обеспечения водителей транспортных средств и по этому признаку может быть отнесено к: МПК В60К 35/00, и к системам управления движением транспортных средств: МПК G08G 1/00
Область техники, к которой относится полезная модель.
относится к сигнальным дорожным огням, в том числе и светофорам, устанавливаемым обычно на перекрестках дорог и/или на столбах рядом с дорогой или в дорожном полотне.
Условные сигналы разного цвета, направляемые светофорами в сторону автомобилей и других транспортных средств информируют водителей о необходимости выполнять определенные маневры при движении по дорогам - например красный - остановка, зеленый - продолжение движения, желтый - подготовка. За счет этого происходит управление транспортом на дорогах.
Полезная модель - ДСС предназначена для оптимального управления потоком транспорта (в основном автомобилей в городах), посредством информирования водителей условными световыми сигналами, подобных сигналам светофорам.
Также ДСС может применяться для управления потоками пешеходов, персонала, велосипедов, гужевых повозок, и при движении по траектории других транспортных средств.
Уровень техники.
Общеизвестны устройства для управления потоком транспортных средств в городах - светофоры и различные световые огни [1, 2, 3, 5, 6], являющиеся ближайшим аналогом ДСС. Также как и ДСС, светофоры состоят из разноцветных источников света, излучающих направленный поток света в сторону приближающихся автомобилей. Но светофоры имеют ряд недостатков:
- они расположены редко, на расстоянии сотен метров друг от друга,
- включение отдельных светофоров в основном происходит не согласованно, но даже при согласованном включении водитель на участках между светофорами, плохо его видит, вынужден рассчитывать скорость, что, учитывая особенности психологической психики и занятость управлением автомобиля, не позволяет двигаться оптимально.
В результате автомобиль часто попадает под красный сигнал светофора, тормозит, простаивает, потом резко ускоряется, за счет чего тратится топливо, время, изнашиваются тормоза, шины, ухудшается экология за счет выбросов выхлопных газов, которые особенно ядовиты при разгоне двигателя и т.д..
Причинами, не позволяющими светофорам, в отличии от ДСС, оптимально управлять потоком автомобилей является их редкое расположение, удаленность от водителя на участке между светофорами, нахождение в основном вне зоны наилучшего восприятия водителя, низкая согласованность включения, невозможность реализации эффекта бегущих огней.
Старт-стопный режим движения автомобиля существенно снижает пропускную способность улиц, что в итоге приводит к автомобильным «пробкам».
Даже видя светофор издалека водителю трудно рассчитать такую скорость движения, чтобы подъехать к перекрестку в период зеленого сигнала светофора.
За счет нерационального движения увеличивается опасность для пешеходов и других участников дорожного движения и т.д.
Известно [7], что с начала 1997 года Пол Матиас (Paul Mathias), математик подразделения ISS Group, Siemens, занимается проблемой автоматизированных дорожных систем. С этого времени он подал более 13 заявок на патент. Его недавнее изобретение - система, позволяющая взаимодействовать бортовому компьютеру автомобиля и дорожной инфраструктуре, то есть светофору, установленному на перекрестке, которая является наиболее близким прототипом к предлагаемым техническим решениям. В систему заложены контрольные функции и меры по предупреждению участников дорожного движения.
Например, по Матиасу, в будущем светофор сможет передать бортовому компьютеру машины, приближающейся к перекрестку, рекомендуемую скорость движения согласно текущей дорожной ситуации, позволяя беспрепятственно проехать на зеленый сигнал и разумно выбрать скоростной режим, когда ожидается включение желтого сигнала. Функции наблюдения за прилегающей к перекрестку территорией также заложены в систему - если какой-нибудь "лихач" захочет проскочить на красный свет, машина, приближающаяся по другой дороге к перекрестку, будет немедленно об этом оповещена.
Наряду с достоинствами у выбранного прототипа имеются и недостатки, а именно:
На каждом автомобиле необходимо использовать компьютер с космической навигационной системой, с системой радиосвязи с компьютером светофора. Учитывая, то такой комплекс приборов надо установить на каждую из имеющихся сотен миллионов машин, подобная система представляется крайне затратой, сложной, малореальной, т.к.:
- не все владельцы машин смогут в силу дороговизны приобрести и воспользоваться предложенной системой;
- для успешного управления потоком транспорта надо установить систему на сотни миллионов автомобилей, что представляется малореальным
- водитель будет отвлекаться на сигналы системы, а не смотреть на дорогу, что может привести к ДТП (например уже сейчас запрещено пользование сотовыми телефонами в автомобиле, ввиду отвлечения внимания водителя)
- еще более трудно установить такую систему на мотоцикл, велосипед, гужевой транспорт и т.д.
- систему надо обязательно установить на все автомобили, находящиеся в потоке движения. Даже если несколько автомобилей не имеют такой системы, своим неуправляемым поведением они внесут существенные возмущения в процесс движения.
Также известен прототип - устройство «Зеленая волна» [4], при котором к светофорам добавляется электронное табло с указанной на нем скоростью или временем движения до следующего светофора, чтобы попасть на зеленый сигнал светофора.
Этот прототип имеет недостаток в том, что цифры на табло не видны издалека, требуют от водителей отвлечения внимания на спидометр для контроля скорости и требуют расчетов скорости, чтобы за оставшееся время успеть до следующего светофора. Кроме того цифры на табло могут быть загорожены другими автомобилями, и затеряться среди огней освещения и\или реклам. Также некоторым водителям не понятно, что за цифры светятся около светофора.
ОБЩЕСТВЕННАЯ НЕОБХОДИМОСТЬ в ДСС.
Известна одна из существенных проблем больших городов - "пробки" на дороге.
По опросам общественного мнения, москвичи поставили пробки как первую проблему жизни в Москве, указав только на втором месте дороговизну. (по радиопередаче на "Эхо Москвы" в апреле 2010 года).
"Пробки" на дорогах вызывают большие потери времени, загрязняют отработанными газами машин окружающую среду и т.д.
Применение ДСС позволит существенно уменьшить "пробки" т.к. автомобили будут двигаться более упорядоченно за счет получения заранее рассчитанных оптимальных управляющих сигналов.
Раскрытие полезной модели.
ДСС представляет собой (см. Рис. №1)множество установленных вдоль дороги источников света (ИС), расположенных в линию на небольшом расстоянии друг от друга, излучающих направленные, разноцветные пучки света в сторону приближающихся к ним автомобилей. ИС переключаются контроллером так, чтобы одновременно включалась группа смежных ИС одного цвета (до нескольких тысяч штук), что воспринимается водителем как длинная светящаяся линия одного цвета длиной до сотен метров. ИС с помощью контроллера последовательно переключаются, создавая эффект движения этой светящейся линии за счет широко известного эффекта «бегущих огней». Логично назвать ДСС как «бегущий светофор», т.к. сигнальный огонь «бежит» рядом с автомобилем, задавая ему скорость движения и положение на дороге.
В каждый момент времени единичный ИС излучает свет одного из цветов - зеленый, желтый, или красный. Возможно включение переходных сочетаний цвета - желтый и зеленый, желтый и красный.
Скорость движения линий (пакетов) огней в ДСС задается контроллером или компьютером оптимально для данного участка дороги.
Контроллер переключает ИС в таком порядке и с такой частотой, чтобы создавалось впечатление, что пакет огней движется к светофору, хотя каждый ИС неподвижен. Линии, пакеты огней разного цвета соседствуют друг с другом без промежутка - то есть за зеленым пакетом сразу идет желтый, потом красный, потом снова зеленый и так далее на всем протяжении ДСС.
Контроллер устанавливает длину и скорость движения пакетов огней такой, чтобы к включению зеленого сигнала светофора, к светофору подходил пакет "бегущих" огней зеленого цвета, к началу желтого сигнала - начало желтого пакета "бегущих огней", к началу красного сигнала светофора - красного цвета.
Таким образом, если водитель удерживает свой автомобиль рядом с пакетом зеленых огней, он проедет светофор без остановок. Фактически водитель будет двигаться под струей (зеленой волной) из огней, "несущей" его без помех по транспортным артериям.
Находясь на участке между светофорами, водитель будет видеть, рядом с каким пакетом движется его автомобиль и будет принимать решение - либо догнать впереди идущий пакет зеленых огней и ехать вместе с ним, либо, если оказался рядом с красным пакетом, не торопиться, притормозить и подождать, пока его (водителя) догонит сзади пакет новых зеленых огней.
Смысл ДСС в том, чтобы наиболее наглядно и просто передать водителям результат оптимального расчета движения автомобилей по улицам города. При этом на автомобилях не надо ставить никаких устройств, а стоимость ДСС не велика, т.к. в основном состоит из проводов, ИС в виде недорогих светодиодов, и простых контроллеров. ДСС также надежна, т.к. все устройства используемые в ДСС производятся давно и в больших количествах.
Расстояние между ИС выбирается исходя из условия хорошей видимости из автомобиля и составляет от долей метра до нескольких десятков метров, таким образом, в ближнем поле зрения водителя оказывается несколько ИС одного цвета (многократное дублирование управляющего сигнала), что обеспечивает надежное восприятие водителем сигналов от ДСС, даже если какой либо ИС вышел из строя, или загорожен соседним автомобилем.
В простейшем случае ДСС управляется автономным контроллером по простой программе, в дальнейшем, с развитием системы, ДСС на отдельных участках будут управляться согласованно от центрального компьютера, что позволит наиболее оптимально управлять ДСС, в масштабах города, учитывая множество параметров.
В пределе, на всех больших улицах города и на основных перекрестках желательно установить ДСС, что позволит двигаться автомобилям по городу без остановок от любой точки до любой точки.
Если выбрать скорость движения "бегущих огней" равной максимальной разрешенной скорости на данном участке дороге, то водитель будет перемещаться по городу не только без остановок на светофорах, но и максимально быстро.
Для улучшения видимости можно ставить параллельно несколько линий ИС.
Для придания ДСС функции освещения проезжей части, можно параллельно линиям ИС, установить постоянно светящиеся линии ИС белого цвета, включаемых на повышенную яркость в темное время суток.
Преимуществом ДСС является и то, что никаких технических устройств на транспортные средства ставить не надо, что позволяет охватить управлением все виды транспортных средств и всех участников дорожного движения - автомобили, мотоциклы, велосипеды, гужевой транспорт, всадников, пешеходов, животных, собак, и т.д.
Также преимуществом ДСС является ее естественность и общепонятность всем участникам дорожного движения за счет совпадения с уже многие десятилетия применяющимися сигналами
Зеленый - двигайся, Красный - стой. Желтый - готовься.
Яркость ИС также регулируется контроллером - днем ярче, ночью меньше. Надо сказать что яркость современных светодиодов вполне достаточна для работы ДСС и днем. Для улучшения контрастности на фоне неба, ИС необходимо располагать перед непрозрачной пластиной - экранирующей ИС от засветок.
Предполагается, что ввиду интуитивной ясности работы ДСС, водители быстро привыкнут к ДСС и поймут, что если они будут двигаться рядом с зелеными огоньками, то пройдут светофор без остановок.
Таким образом, ДСС подсказывает водителю оптимальную скорость движения и положение на дороге для движения без остановок на светофорах.
Поскольку зеленый отрезок светится только вдоль части дороги, то автомобили, движущиеся рядом с зеленым отрезком, соберутся в группу, пакет, и будут пакетом проходить светофор. Под желтым и красным отрезком огней автомобилей будет мало, т.к. автомобили будут стремиться уйти из под них тормозясь или ускоряясь и занять место под зелеными огоньками. Таким образом, будут возникать участки с пониженной концентрацией автомобилей, что позволит пешеходам более безопасно переходить дорогу в промежутках между пакетами автомобилей.
Наличие светофоров необязательно для ДСС - точно также ДСС может работать на нерегулируемом перекрестке. Необходимо лишь, чтобы на перпендикулярном участке дороги движение автомобилей также управлялось ДСС. В этом случае обе ДСС должны работать в противофазе, формируя непересекающиеся, разделенные по времени и в пространстве пакеты автомобилей, см. Рис.2
Если перекресток первый после длинного участка дороги без светофоров (например на въезде в город), то путевая линия из ИС начинается за несколько сотен метров и более от светофора, чтобы движение автомобилей стало более упорядоченным.
Поскольку ДСС располагается в поле зрения водителя, но не прямо в зоне взгляда, а в стороне или сверху, она не очень отвлекает внимание водителя.
ДСС не требуется обучения водителей или изменения правил дорожного движения. Управляющее воздействие ДСС на водителей происходит за счет интуитивно ясных и на протяжении многих десятилетий ставших привычными условностям, привитых людям.
При многополосном движении и/или и на сложных развилках, ДСС могут располагаться над каждой полосой движения, при этом на каждой полосе пакеты огней могут "бежать" с разной скоростью, по разным алгоритмам управления, замедляя или ускоряя транспортные потоки так, как это надо для оптимального управления движением автомобилей.
Поскольку контроллер имеет возможность включать любой ИС, на длинном участке трассы возможно и более гибкое управление, чем равномерно движущиеся пакеты - например:
- можно создать длинный медленный пакет далеко от светофора, а к светофору пакет сжать и ускорить,
- можно длинный зеленый пакет разделить на два пакета, при этом задний пакет будет постепенно отставать, а в промежутке между ними появится красный пакет и т.д.
Наверняка появятся и другие алгоритмы управления.
Сигналы ДСС станут также привычны, как привычны и сигналы светофора, их соблюдают даже собаки и другие животные в городах, что впрочем и понятно - те, кто не соблюдал, погибли под колесами, не прошли естественный отбор поскольку не научились жить в искусственной среде городов.
Сигналы ДСС не являются обязательными для водителей, инфу о них, по крайней мере в ближайшее время не надо вводить в ПДД, т.к. и без правил воздействие ДСС понятно и благоприятно для водителя. На первое время достаточно будет повесить плакат "Двигайся вместе с зелеными огнями!"
Полезная модель "Дорожная сигнальная система" не является новым обязательным элементом управления дорожного движения. Подчинение ДСС не надо вводить в Правила Дорожного Движения. ДСС имеет рекомендательный характер, но водители быстро поймут, что если ехать рядом с зелеными огоньками, то будешь ехать без остановок, легко и свободно.
Надо сказать и об эстетической стороне ДСС - появление на улицах городов десятков и сотен тысяч достаточно ярких источников света от ДСС, движущихся, переливающихся разными цветами в гармоничном порядке, существенно украсит интерьер городов, благоприятно воздействует на горожан, украсит городскую среду.
В сумерки и ночное время тысячи огней дополнительно осветят улицы городов, способствуя красоте улиц, безопасности граждан.
Краткое описание чертежей. Осуществление полезной модели.
В простейшем случае ДСС состоит из:
- главного контроллера, который согласовывает сигналы светофора на перекрестке с ДСС и передает в кабель сигналы связи - код для каждого ИС.
- ИС, смонтированных на несущем кабеле расположенном вдоль дороги на высоте хорошей видимости для водителей. По кабелю к ИС подаются питание и цифровой управляющий код от центрального контроллера. Код воспринимается локальным микроконтроллером, управляющим группой ближайших ИС.
В свою очередь ИС состоит из:
- как минимум 3-х светодиодов (красный, желтый, зеленый), с отражателями,
- микроконтроллера-дешифратора, который распознает сигналы связи от главного контроллера, управляет включением и яркостью светодиодов.
В качестве ИС может использоваться светодиод, и/или лампочка со светофильтром, механически выдвигающаяся из корпуса отражающая окрашенная поверхность и\или поверхность определенной формы - «кирпич», «стрелка» и/или, совокупность этих элементов. В качестве поверхности специальной формы будет привычно использовать стрелку - двигайся вперед, кирпич - стой, круг - жди.
Разумно установить, чтобы цвет ИС соответствовал цвету привычных сигналов светофора - красный, желтый, зеленый.
Для улучшения восприятия возможно и сочетание - например сигнал "движение" это выдвижение зеленой стрелки и одновременное включение зеленого ИС - светодиода и.или лампочки подсветки стрелки.
Сигнал "стоп" - зеленая стрелка спряталась в корпус, но выдвинулся красный кирпич, подсвеченный ночью красной лампой и включился светодиод.
Также, для обеспечения движения ИС возможно их физическое перемещение на тележках по рельсам, направляющим, в прозрачных трубах и т.д.
ИС могут располагаться над дорогой, сбоку дороги, в дорожном полотне, на обочине дороги. Над дорогой - подвешенные в виде гирлянд на тросах, сбоку - на ограждениях, снизу - вмонтированные в асфальт и дорожное полотно с прозрачными экранами.
Яркость свечения ИС регулируется в зависимости от времени суток, освещенности, днем - ярче, ночью не очень ярко, чтобы не слепить водителя.
Отражатели и линзы вокруг ИС излучают свет в направлении на приближающийся автомобиль, за счет этого ИС видны водителю издалека.
ДСС полностью изготавливается и проверяется на заводе и укладывается в контейнер. Установка ДСС на дороге технологична и может производиться быстро - с движущейся машины, оснащенной площадкой на крыше, где монтажник крепит быстро фиксирующимися зажимами несущий кабель с ДСС к натянутым между столбами проводам.
Ориентировочная скорости монтажа ДСС-1 километр в час, что вполне приемлемо и позволяет быстро разворачивать ДСС даже при каких-либо мероприятиях - проезд кортежей, делегаций, массовые редкие события и т.д..
ДСС не дорогая система, т.к недороги входящие в нее узлы и компоненты - кабель, трос, светодиоды, контроллер. Невелико и потребление электроэнергии, т.к. даже мощный светодиод потребляет 1-3 ватта, на километр требуется около 300 светодиодов, то есть потребление электроэнергии составит менее 1 квт электроэнергии на километр дороги.
Оценка стоимости материалов - около 100 рублей на один метр в ценах 2010 года, то есть около 100.000 рублей на 1 километр дороги, что вполне посильно даже городу с небогатым бюджетом.
Это вполне приемлемо, т.к. стоимость дороги составляет несколько десятков миллионов рублей за километр, а стоимость ДСС составит менее 1% от стоимости участка дороги, на котором ДСС будет установлена.
Эксплуатация системы не дорога, т.к. все элементы ДСС не требуют обслуживания: например светодиоды имеют срок службы 5-10 лет, а кабели, канаты и тросики еще больше.
Микроконтроллеры также очень долговечны.
Источники информации принятые во внимание при составлении описания полезной модели дорожная сигнальная система - ДСС:
1. Фонари сигнальные отличительные http://www.morelektro.ru/signalno-otlichitelnye-ogni/
2. Огни заградительные малой интенсивности http://www.elintel.ru/zom.html
3. Светофор http://www.sdd.ru/prod/sf.php
4. Зеленая волна http://www.drivingplus.ru/driving/dorojnoe-dvijenie/6.html
5. Патент на полезную модель «Судовой сигнальный огонь» №32082
6. Патент на изобретение «Предупреждающий сигнал транспортного средства №2177886»
7. Пол Матиас http://www.sotovik.ru/news/news_13537.html