Cap. I Introducere Evoluţia civilizaţiei umane este strâns legată de posibilităţile de transport ale produselor, activităţilor economice şi pentru realizarea de relaţii tot mai strânse între diferite grupuri de oameni. S-a născut astfel, necesitatea perfecţionării continue a mijloacelor de transport şi crearea unor vaste reţele de transport. O dată cu inventarea automobilului şi trecerea la producţia de masă a diverselor tipuri de autovehicule, s-a realizat dezvoltarea reţelelor de transport rutier, care leagă între ele marile aglomeraţii urbane şi practic toate localităţile unei ţări. Centrele populate, urbane şi rurale, sunt direct afectate de creşterea mobilităţii populaţiei şi de circulaţia tot mai intensă a mărfurilor. Circulaţiă rutieră reprezintă mişcarea generală de vehicule şi persoane, concentrată pe suprafeţe de teren amenajate special în acest scop, respectiv drumurile. Fenomenul circulaţiei rutiere sau a traficului rutier se manifestă tot atât de clar pe distanţe mari, în teritorii largi, cât şi în zone restrânse (oraşe şi alte tipuri de aşezări). 1.1.
Scopul şi obiective propuse
Scopul proiectului este acela de a găsi o arhitectură optimă bazată pe sisteme distribuite de senzori combinată cu algoritmii adecvaţi, pentru detectarea de ambuteiaje din traficul rutier în scopul fluidizării circulaţiei şi pentru asigurarea unui grad sporit de siguranță participanţiilor la trafic. Acest lucru se bazează pe extragerea în timp real a unui model matematic dinamic, capabil să reflecte gradul de umplere al drumului în vecinătatea intersecțiilor. În scopul determinării unui algoritm respectiv a unei arhitecturi optime pentru reţeaua de senzori, vom colecta date statistice ce vor reflecta numărul de autovehicule ce se deplasează pe fiecare sens în funcţie de perioadele critice de trafic, raportate la intervale orare O arhitectură ITS se construieşte pe baza aspiraţiilor participanţilor (respectiv a nevoilor utilizatorilor) la dezvoltarea sistemelor ITS şi este utilizată la: - definirea elementelor organizaţionale; - întocmirea programelor de derulare a implementării sistemelor inteligente de transport; - definirea specificaţiilor infrastructurii şi componentelor sistemelor; - realizarea analizei riscului dezvoltării unor astfel de sisteme; - realizarea analizei cost/beneficiu. Obiectivul principal al acestei lucrări reprezintă semaforizarea adaptivă în funcţie de cerinţele traficului rutier. Aşadar prin intermediul sistemului automat de control al traficului rutier ce se va proiecta se doreşte în primul rând fluidirarea intersecţiilor dar şi diminuarea sau rezolvarea unor probleme existente, ce generează deteriorarea mediului înconjurător, un grad ridicat de stres ȋn trafic, accidente rutiere, disconfortul participanţilor la traffic (călătorilor) sau probleme economice. Mai exact obiectivele sistemului automat de control al traficului rutier ce se va proiecta sunt: 1
-
optimizarea în timp real a secvențelor de semaforizare; economie de timp pentru vehicule private mai mare de 15%; reducerea timpului de stationare în coadă cu 50%; creşterea vitezei comerciale cu 20%; reducerea consumului de carbrant cu 10%; reducerea gradului de stres al participanțiilor la trafic; să poată fi interfaţată cu o mare varietate de automate de dirijare a traficului; să ajute operatorul de trafic, oferind un set complet de instrumente de monitorizare a traficului în timp real şi de identificare a incidentelor; să genereaze în mod automat rapoarte statistice; să avertizeze imediat funcţionarea defectuoasă făcând posibile intervenţiile rapide pentru mentenanţă; să fie interfaţabilă cu alte sisteme pentru furnizarea de date pentru servicii de informare și de asemenea, să poată gestiona cereri de prioritate pentru vehicule speciale (de exemplu: ambulanţe, maşini de pompieri etc.). 1.2.
Descriere general
Lucrarea prezintă instalaţia de semaforizare pentru controlul secvenţelor de trafic care poate schimba dinamic prioritatea şi timpi de semaforizare fiind totodată uşor de implementat. Principiul de proiectare a instalaţiei este reprezentat prin realizarea unui algoritm ce presupune selecţia automată a secvenţelor de trafic într-un flux cu multibenzi (Fig. 2). Acest algoritm poate fi extins pentru controlul mai multor intersecţii, realizând totodată un sistem de recurenţă a secvenţelor de semaforizare din cadrul intersecţiilor. Scopul acestui sistem constă în asigurarea trecerii unui volum maxim de trafic, de-a lungul traseului coordonat, fără opriri forţate, fiind în acelaş timip satisfacute şi necesităţile traficului de traversare. În figura 1 sunt prezentate fluxurile de trafic pentru intersecţia drumurilor E60 şi DJ101, intersecţie pentru care se va proiecta sistemul automat de control al traficului, reprezentând partea aplicativă a prezentei lucrări. Practic sistemul intelgient de fluidizare a traficului presupune amplasarea unor senzori pe fiecare sens de intrare în intersecţie. Fiecare sens va dispune de 3 rânduri de senzori (figura 2) amplasaţi la distanţe diferite, ei permiţând măsurarea lungimii cozii de vehicule ce se formează pe banda respectivă. Astfel în funcţie de lungimea cozilor de vehicule formate pe benzile de intrare în intersecţie şi de tipul drumului (principal sau secundar) echipamentul va genera secvenţe de semaforizare astfel încât timpul de staţionare a vehiculelor să fie minim. Sistemul automat de control al traficului va primi date de la senzorii amplasați, în asfalt, în vecinătatea celor două intersecții, și va genera secvențe de semaforizare interdependente semafoarelor din cele două intersecții.
2
Figura 1. Fluxurile de trafic pentru intersecţia drumurilor E60 şi DJ101
3
Figura. 2. Diagrama amplasării senzorilor
Cap. II Tema proiectului Modul de operare al semafoarelor din majoritatea intersecţiilor, este bazat pe un sistem de secvenţe temporizate, care este fixat în timpul instalării şi rămâne aşa până la următorul reset. Temporizarea este doar o setare pentru a controla ceea ce se consideră un trafic normal. Deşi toate intersecţiile necesită o diferită temporizare a semafoarelor, multe sisteme existente 4
operează cu sectvenţe simple. Acest lucru a instigat diferite ideei şi scenarii pentru a rezolva problema traficului rutier. Pentru a proiecta un sistem inteligent şi eficient de control al traficului, un număr de parametrii care reprezintă starea condiţiilor drumului trebuiesc identificate şi luate în calcul. Majoritatea semafoarelor inteligente din prezent sunt bazate pe un senzor care face operaţiile de comutare pentru sistem. Această abordare consideră ca traficul este lin şi nu trebuie nici un management sau monotorizare a conditiilor de trafic. Când se dezvoltă o situaţie neprevazută, sau când se produce o congestie a traficului nu există nici un mod indicat de a trata aceasta situaţie. O abordare mai elaborată a fost introdusa pentru a depăsi aceste probleme. Acesta foloseste sistemul de monitorizare al traficului în timp real cu sitemul de urmărire a traiectoriei imaginii. Desi aceasta informaţie poate descrie cantitativ traficul, implică anumite restrictii. Procesarea în timp real la o scară mai larga poate prezenta anumite pretenţii prohibitive. Anumite probleme comune implicate în procesarea imaginilor includ Rata de Acceptare Falsă (RAF) şi Rata de Refuzare Falsă (RRF). Normal, în cazul unui ambuteiaj calculatorul are ca rezultat o detecţie eronată. Controlul semaforului bazat pe senzor pe cealată parte mai îi trebuie un senzor care operează cu detecţia câmpului viziual care poate avea dificultăţi cu detecţia vehiculelor care trec prin raza de detectie a punctului orb. 2.1.
Contextul lucrări
Ca urmare a perfecţionării continue a autovehiculelor, s-a ajuns astăzi la ritmuri ridicate şi proporţii foarte mari de evoluţie a circulaţiei rutiere. Practic are loc o explozie rutieră. Parcul mondial de autovehicule a ajuns la cifre impresionante. În întreaga lume circulă în prezent peste 700 milioane de autovehiculele de toate tipurile şi categoriile şi an de an sunt produse din ce în ce mai multe astfel de mijloace de transport. Această situaţie a dus la atingerea limitei de saturaţie a gradului de motorizare1, în special în ţările puternic industrializate. Gradul de motorizare are tendinţa continuă de creştere şi în celelalte ţări. În România, la sfârşitul deceniului nouă erau înregistrate peste 3.200.000 de autovehicule de toate felurile (autoturisme, autocamioane, autobuze, microbuze, motorete, motociclete) şi tendinţa de creştere a parcului s-a menţinut şi în ultimii ani. Nu există indici ca acest proces să se oprească. Este cunoscut faptul că limita de saturaţie a gradului de motorizare a unei ţări este în jur de 2,5...3 persoane la un autoturism convenţional. Ori, la noi în ţară, mai sunt multe de făcut în acest domeniu. În primul rând este necesară dezvoltarea puternică a infrastucturii rutiere şi modernizarea celei existente. Justificarea alegerii acestei teme este una complexă. Deşi industria auto este într-o continuă şi rapidă evoluţie, accidentele rutiere reprezintă încă o problemă majoră fără o soluţie viabilă. În medie, în fiecare minut o persoană moare într-un accident de circulaţie. În plus, pe baza statisticilor furnizate de Organizaţia pentru Cooperare şi Dezvoltare Economică Paris, facturile din spitale, deteriorarea proprietăţilor, precum şi alte costuri pot ajunge până la 1.3 la sută din 1
Indicator, definit ca numărul de autoturisme la 1000 locuitori
5
produsul intern brut al omenirii. Având în vedere doar Statele Unite, suma totală anuală se ridică la aproximativ 200 miliarde dolari SUA. Şi, foarte important, pierderile care contează cel mai mult nu sunt capturate de aceste statistici, şi nu pot fi evaluate în bani. Un alt factor important a fost acela că această temă este una interdisciplinară, combinând majoritar domeniul calculatoarelor şi tehnologiei informaţiei cu cel al transporturilor, al matematicii şi fizicii. Având în vedere faptul că aceste domenii sunt dinamice, sunt oferite numeroase posibilităţi de abordare, cât şi un vast orizont de perfecţionare a unei metode specifice. Complexitatea Sistemelor Inteligente de Transport generează nevoia definirii şi realizării unei Arhitecturi ITS. Complexitatea sistemelor ITS poate fi privită din puncte diferite de vedere: - sistemele ITS sunt sisteme integrate (şi sisteme mari, cu număr mare de subsisteme şi componente). Astfel încât, sistemul integrat, ca întreg, trebuie să reprezinte mai mult decât suma elementelor componente; - există multe relaţii de cooperare între numeroşii participanţi la astfel de sisteme (prin participant înţelegându-se acea entitate economică, persoană fizică sau juridică, care doreşte dezvoltarea de astfel de sisteme – autorităţi locale, operatori de infrastructură, care efectiv dezvoltă sisteme ITS – furnizori de componente, furnizori de elemente de infrastructură, care utilizează Sistemele Inteligente de Transport – călători, transportatori de marfă şi care reglementează domeniul ITS – guvernamentale, Uniunea Europeană); - interese comerciale de natură diferită: servicii publice şi servicii comerciale; - existenţa activităţilor multidisciplinare: software, electronică, inginerie de trafic, comunicaţii, tehnologia informaţiei etc; - implicarea diverşilor producători/tehnologii la construirea sistemelor integrate. Toate aceste aspecte prezentate mai sus fac aproape imposibilă proiectarea şi dezvoltarea sistemelor inteligente de transport fără definirea unei Arhitecturi ITS. Aceasta arhitectură trebuie să asigure pe lângă definirea specificaţiilor privind comunicarea între subsistemele componente ITS şi o concepţie comună asupra acestor subsisteme, fără de care nu se poate vorbi de o integrare consistentă a sistemului care le conţine. Concepţie comună
Sistem A
comunicaţii
Sistem B
Figura. 3. Integrarea armonică a Sistemelor ITS
2.2.
Modele similare de automate de trafic
Sistemul de control al traficului urban UTOPIA, oferă o gamă largă de strategii proiectate pentru a se potrivi în orice reţea de drumuri. În modul adaptiv complet, monitorizează în mod constant, prognozează starea traficului şi optimizează strategia de control în funcţie de eficienţa
6
fluxului de vehicule şi/sau de criteriile de mediu. Acesta oferă performanţe înalte, chiar şi în condiţii imprevizibile de trafic. Sistemul poate aloca prioritate ponderată, selectivă sau absolută anumitor categorii de vehicule (de exemplu vehiculele de transport public care sunt întarziate faţa de graficul de circulaţie), fără a afecta celelalte categorii de trafic. UTOPIA a fost dezvoltată în timpul anilor 1980. Inovarea constantă şi îmbunătăţirile l-au făcut unul dintre cele mai avansate sisteme de control al traficului urban din lume. Astăzi funcţionează cu succes în zeci de zone metropolitane. UTOPIA oferă o performanţa de neegalat, mai ales în condiţii de trafic aglomerat şi imprevizibil. Măsurătorile din teren au demonstrat următoarele beneficii: - scădere cu 15% a timpilor de călătorie pentru traficul privat - reducere cu 50% a timpilor de staţionare în coadă - scădere cu 10% a emisiilor şi consumului de combustibil în zonele urbane O gamă largă de strategii sunt disponibile: de la selecţia planurilor în functie de trafic, la complet adaptiv, permiţând astfel solutia ideală pentru orice caz specific. UTOPIA este sistemul de control al traficului urban care include următoarele caracteristici speciale şi beneficii: - optimizare în timp real a semaforizărilor - prioritate absolută sau selectivă pentru transportul public - control adaptiv complet, selecţie de planuri, strategii adaptative în funcţie de trafic - performanţe neegalate dovedite în studii independente: - economie de timp pentru vehicule private > 15% - reducerea timpului de stationare în coadă > 50% - creşterea vitezei comerciale pentru transportul public >20% - arhitectura ierarhica şi descentralizată - modulară, scalabilă şi complet integrabilă cu OMNIA - poate fi interfaţată cu o mare varietate de automate de dirijare a traficului - ajută operatorul de trafic, oferind un set complet de instrumente de monitorizare a traficului în timp real şi de identificare a incidentelor. - generează în mod automat rapoarte statistice - avertizează imediat funcţionarea defectuoasă făcând posibile intervenţiile rapide pentru mentenanţă - este interfaţabilă cu alte sisteme pentru furnizarea de date pentru servicii de informare, si, de asemenea poate gestiona cereri de prioritate pentru vehicule speciale (de exemplu: ambulanţe, maşini de pompieri etc.). ACTROS oferă o arhitectură modulară pentru o adaptare flexibilă şi individuală, potrivită pentru majoritatea sistemelor de control al traficului. Este bazat pe o arhitectură hardware rapidă şi compactă, divizată în trei parţi: - module sistem; - module funcţionale;
7
- componente opţionale. ACTROS este utilizat pentru controlul individual al intersecţiilor, sau ca modul component al unui sistem de management al traficului mai comprehensiv (inteligent). O varietate de interfeţe centrale, asigură integrarea facilă în toate mediile importante de gestionare a traficului. În acest scop, în special standardul deschis pentru interfeţele centrale, OCIT, este complet susţinut. ACTROS suportă de asemenea interfeţe specifice ale unor anumiţi producatori, incluzând interfeţele pentru computerele SIEMENS. ACTROS execută următoarele procese de control: LISA+, VS-PLUS, PDM/TL (cu Motion), TRELAN/TRENDS, cât şi modificări în cadrul secvenţelor individuale de program. În principal este folosită platforma extensivă de inginerie a traficului LISA+, echipată standard. Arhitectură hardware îmbunataţită. ACTROS oferă o arhitectură modulară pentru o adaptare individuală şi flexibilă, potrivită cu aproape toate sistemele de control al traficului. Este bazat pe o arhitectură hardware rapidă şi compactă, divizată în trei parţi: module sistem, module funcţionale şi componente opţionale. Ergonomie şi siguranţă. ACTROS oferă noi standarde în ceea ce priveşte ergonomia şi siguranţa în exploatare. Poate fi controlat cu uşurinţa, local cu ajutorul unităţii de control integrate, sau cu un server Web integrat ACTROS, prin intermediul unui PDA, sau al unei staţii de lucru cu Microsoft Internet Explorer. Conceptul de siguranţă ACTROS a condus la realizarea unui produs cu o tehnologie definită de siguranţă. Toate ieşirile de lămpi sunt monitorizate în curent şi tensiune. Toate stările semafoarelor sunt monitorizate , identificate şi controlate conform DIN VDE 0832 Part 100 şi a normelor pentru sistemele de trafic (RiLSA). Variantele de sistem ACTROS.line şi ACTROS.energyline oferă o unitate de control descentralizată , conectând în mod inteligent, componente de sistem distribuite, prin magistrale de date uşor de instalat pentru a forma un sistem complet. Automatul de dirijare a traficului, ITC2 este construit modular şi poate fi configurat pentru toate tipurile de intersecţii. Folosind TCP/IP sau un modem 3G, el poate fi conectat direct la multe sisteme de monitorizare şi control. ITC-2 este construit pentru orice climat şi este instalat în toată lumea, de la nordul îngheţat, până la Orientul Mijlociu şi regiuni din Africa. Cabinetul mai mare este echipat cu un cadru mobil, permiţând accesul uşor la spatele unitaţii. Automatul a fost proiectat în conformitate cu standardele naţionale şi Europene si dispune de următoarele beneficii: - sistem de operare Linux cu interfaţa web - panoul de operare încorporat permite controlul deplin şi acces la toţi parametrii. - panoul pentru poliţie, poate porni/opri semafoarele sau poate trece intersecţia în starea de galben intermitent, dar care poate controla şi fazele de semaforizare. - interfaţa de comunicaţie RS232 oferă acces la softul intern pentru control şi depanare. - parametrii sunt protejaţi prin parolă cu două niveluri de securitate. - sistemul de detecţie este bazat pe detectoare cu bucle inductive cu 8 bucle pe card. De asemenea, se pot instala carduri cu detecţie video Autoscope Rackvision sau Atlas.
8
-
-
cardurile de comandă a lămpilor sunt prevăzute cu triace pentru 230 si 42 VAC, toate ieşirile fiind monitorizate în curent şi tensiune. Fiecare card controlează două grupuri de semafoare. carduri I/O (opţional) pentru controlul intrărilor şi ieşirilor pe relee. placa CPU cu procesor ARM pentru controlul şi supravegherea funcţiilor. procesorul are un ceas de timp real cu baterie de rezervă. 2.3.
Reglementarea circulației în intersecții
Următoarele noţiuni reprezintă indicatori ce pot fi luaţi în considerare pentru evaluarea traficului: - capacitatea de circulaţie este o măsură a abilităţii de a pune de acord un flux de trafic în mişcare, reprezintă un segment al aplicaţiilor planificării, care iau în calcul condiţiile de viitor şi estimările despre fluxurile de trafic de vehicule sau pietoni. - capacitatea de transport reflectă capacitatea unei artere rutiere de a servi vehiculele şi oamenii, în anumite condiţii specificate. - capacitatea de vehicule reprezintă numărul maxim al vehiculelor care pot trece, în mod fluent şi în condiţii de siguranţă, printr-un punct dat, de-a lungul unei perioade specificate, cu timpi de aşteptare acceptabili în anumite condiţii de trafic şi de mediu. - capacitatea de călători introduce conceptul de ocupare al vehiculelor şi reprezintă numărul maxim de persoane care pot trece printr-un punct dat, pe o durată specificată de timp, în anumite condiţii de trafic şi cu aşteptări acceptabile. - capacitatea de tranzit reprezintă capacitatea uneia sau mai multor rute care trec printr-un punct considerat într-o perioadă specificată de timp, este exprimată în termeni de număr de vehicule sau de calători serviţi şi, aceasta se referă la numărul călătorilor care pot fi preluaţi în anumite condiţii. Aceşti indicatori determină reglementările pentru organizarea circulaţiei rutiere şi stabilesc ordinea de prioritate sau secvenţele de semaforizare dintr-o intersecţie. Amenajarea intersecţiilor urbane are o influenţă majoră asupra exploatări reţelei stradale, condiţionând fluxul şi securitatea traficului de vehicule şi pietoni. Fluxurile, vehiculare sau pietonale, reprezintă unul dintre elementele componente cele mai importante ale traficului, deoarece materializează modul de formare, deplasare si disipare a deplasărilor. Astfel s-au definit trei tipuri de reglementări pentru organizarea şi dirijarea traficului în intersecţiile urbane: - reglementarea bazată pe priorităţi şi indicatoare de prioritate; - reglementarea cu ajutorul denivelărilor; - reglementarea prin semaforizare.
9
2.3.1. Semaforizarea intersecţiilor stradale Denumirea generică de semaforizare va trebui înţeleasă în sensul reglementării circulaţiei într-o intersecţie urbană prin folosiera unei instalaţii electrice de semaforizare. Pentru o intersecţie urbană folosirea unei inatalaţii de semaforizare, proiectată şi instalată corect, prezintă urmatoarele avantaje principale: - asigură o mişcare ordonată a traficului (stabilind şi alternînd permisiunea de circulaţie pe diferitele căi de acces într-o intersecţie); - conduce la o creştere a capacităţi generale de circulaţie, pentru intersecţiile care prezintă o organizare corespunzătoare din acest punctde vedere; - intersecţiile semaforizate prezintă o tendinţă de reducere a unor anumite tipuri de accidente, în special a celor provocate de coliziunile (conflictele) în unghi drept; - în condiţiile unei spaţieri corespunzătoare (în sensul unor distenţe cât mai egale între intersecţii) şi a unor coordonări corecte a modului de funcţionare a mai multor instalaţii de semaforizare existente de-a lungul unui treseu dat sau a unei reţele de străzi, se poate asigura o scurgere aproape continuuă a fluxurilor de trafic la viteze acceptabile; - aclo unde este necesar, instalarea unei instalaţii de semaforizare este utilă la întreruperea unui flux de trafic principal, pentru a pemite traversarea sau infiltrarea unui flux de trafic secundar; - unde este justificată, o instalaţie de semaforizare prezintă avantajul de a fi mai economică şi, în general, mult mai eficientă decat o dirijare manuală a circulaţiei. Prin instalaţia de semaforizare se întelege ansamblul format din: - semafoare; - automate de dirijare a circulaţiei; - senzori de trafic ce pot fi necesari sau nu în funcţie de tipul de automat de trafic folosit. Deosebirile în modul de funcţionare a diferitelor instalaţii de semaforizare se datorează, în primul rând, tipurilor de automate de dirijare a instalaţiei folosite. 2.3.2. Întocmirea programelor de funcţioare a semafoarelor Semafoarele electrice reprezintă componentele instalaţiei de semaforizare care concretiează modul de funcţionare al acesteia, prin furnizarea de informaţii diferiţilor participanţi la traficul stradal. Potrivit structurii traficului este necesară, în general, utilizarea a trei categorii de semafoare electrice: - semafoare electrice cu o singură indicație destinate conducatorilor auto care poate fi de culoare galbenă sau verde clipitoare; - semafoare electrice cu două indicații destinate pietonilor; - semafoare electrice cu trei indicații destinate conducătorilor de autovehicule și bicicliștilor.
10
După cum este desigur cunoscut, funcţionarea semafoarelor prezintă un caracter ciclic, indicaţiile furnizate succedându-se unele după altele, într-o ordine bine stabilită, aceeaşi indicaţie repetându-se, în cazul semafoarelor acţionate de un automat de dirijare a circulaţiei cu programe fixe, după o perioadă de timp predeterminată, denumită ciclu de semaforizare. Pentru a putea descrie modul de funcţionare al semafoarelor electrice este necesar să fie introduse câteva noţiuni care vor fi defineite în cele ce urmează: - Timpii de funcţionare a semafoarelor - Într-un regim de funcţionare normal, semafoarele destinate vehiculelor furnizează conducătorilor acestora următoarele indicaţii: verde , galben, roşu. Semafoarele electrice cu doua indicații, destinate pietonilor, ce sunt de culoare verde şi roşu. Aceste indicaţii ale semafoarelor electrice se vor denumi în cele ce urmează timpi sau secvente ale semaforizării, având următoarele semnificaţii: - timpul verde indică pietonului sau conducătorului de vehicul că are permisiunea de a circula, respectiv de a intra în intersecţie; - timpul galben are rolul de a indica conducătorului de vehicul că i-a fost ridicată permisiunea de de a circula şi că nu-şi mai menţin acest drept decât vehiculele aflate deja în perimetrul intersecţiei, trebuind totodată să evacueze intersecţia pe durata fazei respective, precum şi cele care nu mai pot opri până la linia de stop. Durata acestui timp este de 3s sau 4s în funcţie de viteza medie măsurată în deplasarea vehiculelor, cu 40 k/h, respectiv 50 km/h; - timpul roşu indică pietonului sau conducătorului de vehicul că nu mai are permisiunea de circulaţie sub nici un motiv. Timpii de funcţionare a semafoarelor prezentaţi mai înainte, ca dealtfel şi succesiunea apariţiei acestora, este comună tuturor instalaţiilor de semaforizare, indiferent de tipul automatelor de dirijare a circulaţiei utilizate pentru a le acţiona. Deoarece semafoarele electrice comandate de către automatele de dirijare a circulaţiei acţionate sau semiacţionate de vehicule, prezintă o funcţionalitate mai mult sau mai puţin întâmplătoare (sub aspectul strict al duratei timpilor, de verde respectiv roşu, furnizaţi), noţiunile de fază, ciclu şi program de funcţionare a semafoarelor care vor fi definite în continuare au sens numai în cazul instalaţiilor de semaforizare acţionate de automate de dirijare a circulaţiei cu programe fixe Fazele de functionare ale instalației de semaforizare - Modul de funcţionare a unei instalaţii de semaforizare implică: - succesiunea mai multor faze în cadrul aceluiaşi ciclu. Prin faza de funcţionare a unei instalaţii de semaforizare se înţelege o parte din durata unui ciclu destinată unei singure mişcari sau unei combinaţii de mişcări a traficului de vehicule sau de pietoni care prezintă puncte de conflict între ele sau prezintă, dar nu sunt esenţiale. Caracterizate prin faptul că au concomitent, permisiunea de circulate prin intersecţie. Se poate spune că, sub aspect funcţional, faza cuprinde, în general, două perioade distincte:
11
perioada de admisie în intersecţie, care corespunde aproximativ cu durata timpului de verde ( ), această corespondenţă aproximativă datorându-se timpului pierdut la demarare şi celui determinat de prelungirea efectului timpului verde în domeniul celui galben; - perioada necesară degajării intersecţiei pentru evitarea oricarei posibilităţii de conflict a vehiculelor şi pietonilor care au intrat şi trebuie să evacueze intersecţia, pe durata fazei respective, cu vehiculele şi pietonii ce vor primi permisiunea de intrare în intersecţie odată cu apariţia fazei de circulaţie următoare. Această a doua perioadă, destinată evacuării intersecţiei pentru înlăturarea posibilităţilor de conflict, poartă denumirea de timp interverde sau intermediar ( ), şi este definit ca perioadă de timp cuprinsă între sfârşitul timpului de verde pe o fază şi începutul aceluiaş timp pe faza următoare. În mod aproximativ se poate spune că durata unei faze este: (2.1) În practică se folosesc în mod curent 2, 3 sau 4 faze de circulaţie, în funcţionarea unei instalaţii de semaforizare. Un număr mai mare de patru faze de circulaţie nu se utilizează decât foarte rar şi aceasta numai în cazul unor noduri de circulaţie foarte complexe, cu mai multe accederi şi relaţii multiple. Din considerente teoretice, care au şi o confirmare practică, se preferă în general, pe cât este posibil, alegerea soluţiei în doua faze. Argumentele care vin în sprijinul acestei alegeri sunt următoarele: - ciclul de funcţionare a semafoarelor (noţiune asupra căreia se va reveni în cele ce urmează) cerut de soluţia în doua faze este, de obicei mai mic, această caracteristică conducând la o reducere generală a timpului mediu de aşteptare a vehiculelor şi pietonilor la intrarea în intersecţie, sporind deci în final, gradul de confort al circulatiei în intersecţie; - soluţia de organizare a circulaţiei în două faze asigură maximul de timp verde pe o oră de funcţionare a instalaţiei de semaforizare, prin reducerea sumei timpilor intermediari în comparaţie cu soluţiile de trei, patru sau mai multe faze de circulaţie; în cazul soluţiilor cu mai mult de două faze de circulaţie trebiue prevăzute neaparat benzi speciale pentru fiecare mişcare independentă (relaţie de trafic), benzi care însă, în general, nu sunt complet descărcate; - capacitatea generală de circulaţie a soluţiei în două faze este mai mare decât a celorlalte soluţii (raportarea făcându-se la aceeaşi necesitate de suprafată); - soluţia cu două faze se preteaza cel mai bine la dirijarea coordonată a circulaţiei în sisteme centralizate, de tip undă verde sau coordonare de zonă. Rolul timpului intermediar este acela de a înlătura posibilităţile de conflict dintre vehiculele sau pietonii care evacuează intersecţia la sfârşitul unei faze de circulaţie (deci după terminarea timpului verde al fazei respective) şi vehiculele sau pietonii ce vor accede în intersecţie odată cu apariţia timpului verde al fazei următoare. -
12
În funcţie de durata lui, timpul intermediar poate fi: - mai mic decât suma dintre timpul galben al fazei care evacuează şi timpul roşu/galben al fazei care accede; - egal cu această sumă; - mai mare ca această sumă, diferenţa dintre timpul intermediar şi suma timpului galben (o perioadă de timp în care toate semafoarele indică roşu). Potrivit definiţiei, timpul intermediar se poate determina cu relaţia: (2.2) Unde: - este timpul de evacuare, în s ; - este timpul de acces, în s. În cazul vehiculelor, mărimile şi sunt obţinute cu ajutorul următoarelor expresii de calcul: (2.3) (2.4) Unde: t - este timpul de percepere-reacţie al conducatorului, măsurat în s; l - lungimea vehiculului, măsurată în m; a - deceleraţia, măsurată în m/s2; De - distanţa de evacuare, măsurată în m ; Da - distanţa de acces, măsurată în m; Ve - viteza de evacuare, măsurată în m/s; Va - viteza de acces, măsurată în m/s. Cănd se iau în considerare pietonii, mărimile Te şi Ta se calculează cu ajutorul expresiilor: (2.5) (2.6) Unde : t, De şi Da au aceleaşi semnificaţii ca în cazul vehiculelelor; Vp - reprezintă viteza de deplasare a pietonilor, măsurată în m/s. Unele din mărimile apărute în expresiile de mai înainte reprezintă de fapt constante, în practică luâdu-se pentru acestea următoarele valori de calcul: Simbol mărime t (s) l (m) a (m/s2) Ve (m/s) Va (m/s) Vp (m/s) Valoare 1 6 4,5 5,5 19,44 1,25 Tabel. 1. Valori folosite în practică pentru parametrii ce determină fazele de funcţionare ale instalaţiilor de semaforizare Distanţele De şi Da sunt variabile şi urmează a fi măsurate între liniile de stop ale vehiculelor, sau bordurile trotuarelor în cazul pietonilor, şi punctelor de conflict dintre vehicule sau vehicule şi pietoni.
13
Aceste puncte de conflict (figura 4) sunt stabilite în funcţie de valorile maxime ale distanţelor de evacuare şi cele minime ale distanţelor de acces. Astfel se definesc punctele pentru care valorile timpilor intermediari sunt semnificative. Aceste valori sunt necesare, după cum se va vedea în cele ce urmează la calculul duratei ciclului şi întocmirea programelor de funcţionare a semafoarelor. Pentru o determinare mai rapida a timpilor intermediari pot fi utilizate diagrame. Cu ajutorul acestor diagrame timpii intermediari sunt determinaţi în funcţie de distanţele de evacuare şi cele de acces. Trebuie menţionat totodată că la întocmirea acestor diagrame au fost luate în calcul, pentru constantele t, l, a, Ve şi Va, valorile menţionate mai înainte. Ciclul de funcționare a semafoarelor - S-a introdus mai înainte o noţiune nouă, foarte importantă, și anume aceea de durată a ciclului de funcţionare a semafoarelor sau mai scurt ciclu. Ciclul poate fi definit deci ca intervalul de timp dintre doua apariţii succesive ale aceleiasj indicații a semaforului electric reprezentând: (2.7) Unde:
- timpului de verde; - timp intermediar; F - numărul fazelor de funcţionare a instalaţiei de semaforizare aferente unei
intersecţii;
Figura. 4. Diagrama punctelor de conflict dintre vehicule din intersecţia drumurilor E60 şi DJ 101 14
După cum se poate observă, durata ciclului este o rezultantă a sumei timpilor verzi şi timpilor intermediari corespunzători fazelor de funcţionare a unei instalaţi electrice de semaforizare. Această structură a formulei indică o dependenţă liniară directă între durata ciclului şi suma timpilor verzi, pentru o anumită intersecţie, suma timpilor intermediari reprezentând de fapt o constantă, pentru intersecţia respectivă. Rezultă deci că odată cu creșterea duratei ciclului va creşte şi durata timpilor verzi, deci implicit numărul vehiculelor ce intră în intersecţie şi, odată cu aceasta, capacitatea generală de circulaţie a intersecţiei. Deci, un ciclu de funcţionare a semafoarelor va asigura, pentru intersecţia respectivă, o capacitate de circulaţie cu atât mai mare, cu cât şi durata acestuia va fi mai mare. Mărirea duratei ciclului prezintă însă şi un efect negativ prin scăderea gradului de confort al circulaţiei în intersecţie, rezultată prin lungimea timpilor de așteptare. Durata ciclului optim va trebui deci stabilită în funcţie de cele două aspecte antagoniste capacitatea necesară şi un grad de confort al circulaţiei cât mai ridicat. Din practică rezultă că un ciclu de semaforizare dimensionat corect trebuie să aibă o valoare cuprinsă între urmatoarele limite: - pentru o intersecţie cu patru intrări: - minimum, 35 s, pentru două faze de circulaţie; - minimum, 45 s, pentru trei sau patru faze de circulate; - normal, 45-60 s; - maximum, 80 s. - pentru o intersecţie cu mai mult de patru intrări: - normal, 70 - 90 s; - maximum, 120 s. În literatura de specialitate se găsesc o serie de relaţii pentru dimensionarea duratei ciclului de funcţionare a semafoarelor. Marea majoritate a acestora prezintă însa unele dezavantaje precum: - neluarea în considerare a tuturor parametrilor de calcul necesari, legaţi mai ales de configurarea geometrică a intersecţiei; - multitudinea coeficienţilor de calcul a căror apreciere admite numeroase subiectivisme; - necesitatea unor încercări succesive pentru obţinerea rezultatului final, ce constituie un mare dezavantaj în cazul calculului manual.
Cap. III Proiectara echipamentului electronic Principiul de funcţionare al sistemului inteligent de dirijare a traficului reprezintă o combinaţie între sistemul de trafic progresiv simplu "UNDĂ VERDE" şi un sistem de trafic ce poate schimba dinamic prioritatea şi timpi de semaforizare. Astfel echipamentul va funcţiona în sistemul "UNDĂ VERDE" atât timp cât lungimea cozilor de vehicule, ce se formează de-a lungul intersecţiilor, nu depăşeşte anumite valori 15
prestabilite. Lungimea cozilor formate fiind semnalată de către senzorii amplasaţi de-a lungul şoşelei pe fiecare sens de circulaţie. În situaţia în care lungimea unei cozi de vehiculem pe o anumită direcție de mers, depăşeşte valoarea stabilită, senzorii amplasaţi pe sensurile de mers, vor declanșa automatul de trafic pentru a mării timpi de verde pentru sensurile de circulaţie astfel încât să micşoreze lungimea cozii de vehicule ce depăşeşte valoarea admisibilă. Dacă lungimea cozilor de vehicule, pe mai multe direcții de mers, depășesc timpii prestabiliți, senzorii amplasați pe sensurile de mers vor declanșa automatul de trafic pentru a mării timpi de verde astfel încât lungimea cozii ce s-a format pe drumul principal sa scadă sub pragul prestabilit. După aceea va reveni în situația mai sus menționată. 3.1.
Detecţia autovehiculelor folosind senzori intruzivi
Detecţia vehiculelor şi a condiţiilor de trafic se poate realiza prin dispositive plasate pe suprafaţa drumului, în pavaj sau sub pavaj, sau montate în lungul drumului. 3.1.1. Senzori pe suprafaţa drumului Există mai multe tipuri de dispozitive care pot fi plasate pe suprafaţa drumului, pentru a fi utilizate în detectarea vehiculelor, printre care: - plăcile cu buclă; - plăcile de presiune; - magnetometrele. Plăcile cu buclă sunt similare cu buclele inductive convenţionale, în sensul că generează un câmp electromagnetic, care este perturbat la trecerea unui vehicul. Diferenţa, dintre cele două tipuri de senzori, este aceea că plăcile cu buclă nu sunt încastrate în pavaj. Plăcile de presiune detectează vehiculele pe bază altui principiu. La trecerea roţilor peste ele. se produce un contact electric acest dispozitiv se limitează la detectarea osiilor, nu a vehiculelor, şi în consecinţă nu poate fi folosit pentru măsurarea unei bune părţi a parametrilor de trafic. Magnetometrele măsoară modificarea câmpului magnetic al pamântului, la trecerea unui vehicul. 3.1.2. Senzori în pavaj Exemple de dispozitive încastrate în pavaj, utilizate pentru detectarea vehiculelor: - bucle magnetice inductive; - sonde magnetice; - cabluri senzitive. Fiind încastrate în pavaj, acest tip de dispozitive prezintă o serie de dezavantaje, cum ar fi blocarea traficului pentru lucrările de montare şi întreţinere, probleme în momentul deteriorării pavajului.
16
Buclele magnetice inductive reprezintă tipul de detector cel mai des utilizat. Ele generează un câmp electromagnetic, care este perturbat la trecerea vehiculelor a căror prezenţă o detectează în acest mod. Mărimea unei bucle este în general de 1x1,5m. Sondele magnetice măsoară schimbările în câmpul magnetic al pământului, pentru a detecta trecerea vehiculelor pe deasupra lor. Cablurile senzitive. La trecerea vehiculelor peste un cablu senzitiv, roţile produc comprimarea cablului piezoelectric, care generează în acel moment un semnal electric. Nu pot măsura unii parametri de trafic, limitându-se la detectarea osiilor. 3.1.3. Senzori montaţi în lungul drumului Detecţia prin senzori montaţi în pavaj este cea mai folosită tehnologie din prezent. Totuşi, alte tipuri de dispozitive, montate în lungul drumului încep să-şi facă apariţia şi să ocupe o pondere tot mai mare. Exemple de astfel de tehnologii sunt: senzorii radar, laser, ultrasonici, cu imagini video, identificarea automată a vehiculelor. Senzorii montaţi în lungul drumului sunt plasaţi de obicei pe structure suspendate deasupra dramului sau pe lateralul acestuia, şi, în consecinţă, lucrările de instalare şi întreţinere a lor nu ridică probleme mari pentru trafic. Senzorii radar Doppler realizează măsurători foarte precise ale vitezei de deplasare a vehiculelor şi pot face diferenţa între maşinile care se apropie şi cele care se departează de senzor. Principalul dezavantaj al acestei tehnologii îl reprezintă faptul că nu pot sesiza prezenţa unui vehicul staţionar şi în consecinţă, nu pot oferi informaţii referitoare la densitatea traficului. Cu toate acestea, multe autorităţi rutiere folosesc aceşti senzori atunci când colectarea datelor legate de viteză este prioritară, cum ar fi în cazul monitorizării traficului în timp real. Tehnologia radar Doppler este robustă şi dă rezultate bune în orice condiţii de mediu. Radarul cu microunde de detectare a prezenţei foloseşte unde continue modulate în frecvenţă pentru detectarea volumului, prezenţei şi calcularea vitezei. Spre deosebire de senzorii cu radar cu microunde, Doppler, radarul cu unde modulate în frecvenţă poate fi montat în lateralul drumului. Avantajele radarelor de acest tip sunt uşurinţa instalării şi integrării în sistemele existente, precizia deosebită şi costul redus. Televiziunea cu circuit închis (CCTV - Closed-Circuit Television) este un element esenţial al supravegherii video pentru ITS. CCTV reprezintă un sistem format din diverse echipamente din industria securităţtii, printre care unităţi camere CCTV/obiective. echipamente de control şi sistemul de comunicaţii. Acesta din urma conectează camera TV la un centru de control. Obiectivul principal al camerelor CCTV este să asigure supravegherea unor segmente de drum sau intersecţii şi să realizeze confirmarea vizuală a incidentelor, dar pot fi folosite şi pentru detectarea incidentelor. Un al doilea beneficiu îl reprezintă urmărirea condiţiilor de mediu, inclusiv a precipitaţiilor şi a vizibilităţii. CCTV ajută şi în alte aplicaţii, cum ar fi clasificarea vehiculelor sau aplicarea regulilor rutiere. Plasarea camerelor CCTV trebuie să se facă strategic, în funcţie de o serie de factori, cum ar fi volumul traficului, numărul de coliziuni, geometria
17
intersecţiei, obstacolele vizuale, costul comunicaţiilor, al asigurării alimentării, usurinţa de montare şi altele. Performanţele CCTV pot fi afectate de viteza cu care îşi pot modifica unghiul de înclinare , direcţia de vizibilitate şi deschiderea. Procesarea digitală a semnalelor oferă mai multe avantaje faţă de procesarea analogică convenţională a semnalelor. Printre aceste avantaje, se număr: - control sporit; - usurinta instalarii; - conexiuni simplificate pentru comunicaţii; - capacităţi sporite de modificare a deschiderii obiectivului; - operare mai uşoară la lumina slabă. 3.2.
Schema bloc şi descrierea blocurilor componente
Figura 5. Schema bloc a sistemului automat de control al traficului rutier Principiul de funcționare este unul simplu după ce s-au alimentat senzorii, semafoarele și placa de achiziții de date se verifică dacă lungimile cozilor de vehicule din vecinătatea intersecțiilor a depășit pragul prestabilit. Dacă nu este depășit, placa de achiziții de date v-a genera secvențele de semaforizare stabilite conform datelor statistice colectate.
18
Dacă este depășită lungimea cozii de vehicule prestabilită, se găsește direcția de mers aglomerată și în funcție de lungimea cozii se generează o secvență de semaforizare ce va decongestiona intersecția (intersecțiile). Pe întreg timpul de semaforizare, placa de achiziții de date va transmite date către centru de management care vor conține: - numărul de osii ce traversează fiecare senzor precum și ora la care a fost traversat; - lungimea cozii create pe fiecare direcție de mers; - starea de funcționalitate a semafoarelor și a echipamentelor aferente. 3.2.1. Blocul senzorilor Senzorul de tip buclă inductivă constă dintr-o bobină ce generează un camp electric în momentul în care este străbătută de un autovehicul. R3 1k
R7 C1 1uF
1k
R9
R1
1.2k
V1
U3
VCC
1
8
8
D4
C4
R6
R8 2
150
1k 1n
3
+
2
-
U2A
0Vdc
1 LM393/SO
D2
C2 1uF
D3
4
7
5
R4
4 6 2
CV
R2 2.5k
LM555
RST DSCHG THRSD TRIG
OUT
3
50k
R5
D1 LED
100k
15k
1 2
2 C5
C7 470uF 1
2
1n 1
Figura 6. Schema electrică a senzorului de tip buclă inductivă Semnalul electric generat de bobină la trecerea unui autovehicul este transmis plăcii de achiziții de date. 3.2.2. Sursa de alimentare Sursa stabilizată este formată din următoarele blocuri funcţionale: - transformator de reţea; - redresor; - filtru de netezire; - element regulator serie (ERS): - menţine tensiunea de ieşire la nivelul specificat, sub controlul amplificatorului de eroare; - furnizează curentul de ieşire; - reduce sau blochează curentul la ieşire la acţionarea circuitelor de protecţie; - micşorează rezistenţa serie a stabilizatorului.
19
Figura 7. Schema bloc a sursei de tensiune stabilizată -
sursă de tensiune de referinţă (REF): furnizează o tensiune de referinţă caracterizată printr-o mare stabilitate în timp, faţă de variaţia tensiunii de intrare sau a temperaturii; amplificator de eroare tensiune (AEU): compară tensiunea de referinţă cu o parte sau cu întreaga tensiune de ieşire, pentru a acţiona asupra elementului regulator; convertorul tensiune-tensiune (U/U): furnizează o tensiune proporţională cu tensiunea de ieşire; amplificator de eroare curent (AEI): compară tensiunea de referinţă cu o tensiune proporţională cu curentul de ieşire, pentru a acţiona asupra elementului regulator; convertorul curent-tensiune (I/U): furnizează o tensiune proporţională cu curentul de ieşire; elemente de protecţie (la supratensiuni şi supracurenţi); 3.2.3. Multiplexorul 74HC4067D
Multiplexorul este un comutator digital care transmite la ieşire datele provenite de la una dintre cele n surse disponibile.
Figura. 8. Multiplexor 20
Figura 24 prezintă intrările şi ieşirile unui multiplexor de b biţi, cu n intrări. Există n surse de date, fiecare de b biţi, şi b biţi de ieşire. La multiplexoarele comercializate în mod obişnuit, n =1, 2, 4, 8 sau 16 şi b =1, 2 sau 4. Există şi intrări cu care se pot selecta cele n surse, deci s=[log2n]. O intrare de activare, EN, permite ca multiplexorul să-şi facă treaba; când EN=0, toate ieşirile sunt 0. Adesea, denumirea „multiplexor” este prescurtată în mux. Figura 25 prezintă un circuit cu comutatoare echivalent, în linii mari, cu un multiplexor. Însă, spre deosebire de circuitul cu comutatoare mecanice, multiplexorul este un dispozitiv unidirecţional: informaţiile circulă numai dinspre intrări (în stânga) către ieşiri (în dreapta).
Figura. 9. Circuit cu comutatoare Dispunerea pinilor multiplexorului 74HC4067D este prezentată în figurile 26 a), b), c):
a) configuraţia pinilor
b) simbolurile logice c) ICE simboluri logice Figura. 10. Dispunerea pinilor multiplexorului
21
Nr.crt.
MUX1, MUX2 (out)
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16
MUX1
MUX2
P9 - I0 SR1, SR7 - R SR4, SR5 - R P8 - I1 SR1, SR7- G SR4, SR5 - G P7 - I2 SR1, SR7- V SR4, SR5 - V P6 - I3 SR2 - R SR9, SR10 - R P5 - I4 SR2- G SR9, SR10 - G P4 - I5 SR2- V SR9, SR10 - V P3 - I6 SR8 - R SP5....SP8 - R P2 - I7 SR8- G SP5....SP8 - V P23 - I8 SR8- V P22 - I9 SP1, SP2 - R P21 - I10 SP1, SP2- V P20 - I11 SP3, SP4 - R P19 - I12 SP3, SP4 - V P18 - I13 SR3, SR6 - R P17 - I14 SR3, SR6- G P16 - I15 SR3, SR6- V Tabel. 2. Conexiunile pinilor celor două muiltiplexoare
Nr.crt. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 H
Intrări Canal deschis ̅ S3 S2 S1 S0 Y0 L L L L L Y1 L L L L H L L L H L Y2 L L L H H Y3 L L H L L Y4 L L H L H Y5 L L H H L v6 L L H H H Y7 L H L L L Y8 L H L L H Y9 L H L H L Y10 L H L H H Y11 L H H L L Y12 L H H L H Y13 L H H H L Y14 L H H H H Y15 X X X X X Tabel. 3. Tabelul de adevăr al multiplexorului 22
USB 6008 P0 - S0 P1 - S1 P2 - S2 P3 - S3 P4 - S0 P5 - S1 P6 - S2 P7 - S3
Tabel. 4. Valorile limită a parametrilor multiplexorului
Tabel.5.valori recomandate a parametrilor multiplexorului 3.2.4. Placa de achiziții de date În prezentul proiect am folosit o placă de achiziții de date modelul NI - USB-6008: - 8 intrări analogice, de 12 sau 14 biţi, de până la 48 kS /s - 2 ieşiri analogice de 12 de biţi, temporizate software - 12 TTL / CMOS I / O linii digitale - 32-bit, contor 5 MHz - declanşare digitala - Bus-powered - 1 an garantie Sisteme de operare - Windows Vista (32 şi 64-bit) / XP/2000 - Mac OS X1 - Linux ® 1 - Windows Mobile1 - Windows CE1 23
Software-ul a recomandat - LabVIEW - LabVIEW SignalExpress - LabWindows ™ / CVI - Măsurarea Studio Alte software compatibil - C #, Visual Basic. NET - ANSI C / C + + Servicii de măsurare - Software-ul (inclus) - NI-DAQmx driver software - Measurement & Automation Explorer utilitarul de configurare - LabVIEW SignalExpress LE Prezentare generală şi Aplicaţii - Cu lăţimi de banda recent imbunatate şi noi inovatii de la National Instruments, USB-ul a evoluat într-o masina de bază de alegere pentru aplicaţii de măsurare.NI USB-6008 si USB-6009 sunt punctele de intrare lowcost la NI dispozitive de achiziţie de date reprezentative (DAQ) . Cu conectivitate USB plug-and-play , aceste module sunt destul de simple pentru măsurători rapide, dar suficient de flexibile pentru aplicaţii de măsurare mai complexe. USB şi USB-6008-6009 sunt ideale pentru un număr de aplicaţii în cazul low-cost, factorul mic de forma şi simplitatea sunt esenţiale. Exemplele includ: - înregistrarea datelor - utilizarea in laborator Academic - aplicaţii OEM ca I / O pentru sisteme integrate Accesorii recomandate USB şi USB-6008-6009 au terminale detaşabile cu şurub pentru un uşor semnal de conectivitate. Pentru flexibilitate sporită atunci când manipulaţi mai multe cabluri configuraţii, NI oferă kit de conectare USB-600x , care include două seturi suplimentare de terminale cu şurub, etichete suplimentare, şi o şurubelniţă. În plus, kitul prototip USB-600x ofera spatiu pentru adăugarea de mai mult circuitele de la intrările USB-6008 sau USB-6009. Level Input low voltage Input high voltage Input leakage current Output low voltage Output high voltage (push-pull, I = -8.5 mA) Output high voltage (open-drain, I = -0.6 mA, nominal) Output high voltage (open-drain, I = -8.5 mA, with external pull-up resistor) Tabel. 6. Digital logic levels
Min -0.3 2.0 2.0 2.0 2.0
Max 0.8 5.8 50 0.8 3.5 5.0 -
Units V V μA V V V V
3.2.5. Semafor Semafoarele de circulație cu leduri - LED reprezintă cea mai nouă aplicație a tehnologiei care folosește ledurile. Noua tehnologie permite instituțiilor care gestionează semafoare de circulație să economisească sume importante prin utilizarea redusă de energie electrică. 24
De asemenea noile semafoare cu leduri - LED prezintă avantaje de ordin ecologic, funcțional și elimină efectele nesănătoase asupra sănătății. Din punct de vedere ecologic, semafoarele cu leduri - LED emit mult mai puțină caldură în atmosferă. Astfel, noul concept european privind conservarea mediului capată sens. Funcțional, un semafor cu leduri - LED emite o lumină mult mai eficientă comparativ cu lumina emisă de un semafor tradițional. Dacă vă intrebați de ce noile stopuri ale autovehiculelor par a fi costruite din zeci de mii de beculețe, răspunsul nu ține de estetic. Toți marii constructori de autovehicule utilizează leduri deoarece pe lângă faptul că sunt mai economice și au o durată mai lungă de viață, emit și o lumină a cărui efect nu este anulat de razele soarelui. Aceeași explicație este și în cazul unui semafor de circulație. Semafoarele cu leduri - LED emit o lumină care nu este atât de intens anulată de lumina solara, au o durată de viață mult mai lungă și prezintă o eficiență mult mai bună pentru dirijarea traficului. Utilizate la nivel local, economiile generate de semafoare cu leduri - LED sunt considerabile și se simt la nivelul bugetului. Cu atât mai mult economiile datorate reducerii consumului energetic se simt la nivel regional sau național. Un sistem de circulație bazat pe semafoare ce utilizează tehnologia led este un sistem modern, în conformitate cu cerințele pieței și ale societății.
25
(XCK/T0) (T1) (INT2/AIN0) (OC0/AIN1) (SS) (MOSI) (MISO) (SCK)
ET
MUX - 1 1
CI/O
10 11 14 13
S0 S1 S2 S3
15 PA0 (ADC0) PA1 (ADC1) PA2 (ADC2) PA3 (ADC3) PA4 (ADC4) PA5 (ADC5) PA6 (ADC6) PA7 (ADC7) AREF GND AVCC
EN
40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30
SR1 - SR7 --> RGV
9 8 7 6 5 4 3 2 23 22 21 20 19 18 17 16
SR1
SR2 --> RGV SR8 --> RGV
10k
SP1 - SP2 --> RV SP3 - SP4 --> RV SR3 - SR6 --> RGV
SR1-R SR1 - GSR1 - V
29 28 27 26 25 24 23 22
10k
10k
5v
74HC4067
1 PC7 (TOSC2) PC6 (TOSC1) PC5 (TDI) PC4 (TDO) PC3 (TMS) PC2 (TCK) PC1 (SDA) PC0 (SCL)
I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I10 I11 I12 I13 I14 I15
SR3
U4
2 1
(RXD) (TDX) (INT0) (INT1) (OC1B) (OC1A) (ICP1) (OC2)
Schema electrică general
3.3.
10 11 14 13 15
CI/O S0 S1 S2 S3 EN
I0 I1 I2 I3 I4 I5 I6 I7 I8 I9 I10 I11 I12 I13 I14 I15
9 8 7 6 5 4 3 2 23 22 21 20 19 18 17 16
SR4 - SR5 --> RGV 10k
SR9 - SR10 --> RGV
10k
10k
5v
10k
SP1 SP3
SR7
SR3-R SR3 - GSR3 - V
10k10k
10k
5v
SR7-R SR7 - GSR7 - V 5v
10k10k
SP3
10k10k SP1-R
10k
SP1 - V
SP3-R
5v
SP3 - V
74HC4067 SP3-R
SP3 - V 5v
SR6
SR9 10k
10k
10k
10k 5v
10k
10k
5v
SR2
SR6-R SR6 - GSR6 - V
SP2
SR9-R SR9 - GSR9 - V
SP4
10k10k
10k
SP4 5v
10k10k
10k
10k
5v
SR2 - RSR2 - GSR2 - V 5v
10k10k SP2-R SP4-R
SP2 - V
SP4-R
SP4 - V
SP4 - V 5v
SR4
SR10
10k
10k
10k
5v
SR8
SR4-R SR4 - GSR4 - V 10k
10k
10k
5v 10k
10k
10k
5v
SR10-RSR10 - SR10 G -V SR8-R SR8 - GSR8 - V
SR5 10k
10k
10k
5v
SR5-R SR5 - GSR5 - V
SP1 10k10k
SP1-R
5v
SP1 - V
SP2 10k10k
SP2-R
Figura. 11. Schema electrică general a automatului de trafic
26
5v
SP2 - V
Cap. IV Proiectare software Bine cunoscute sunt următoarele legi de mişcare: - distanţa parcursă în funcţie de timp [m] - viteza de deplasare în funcţie de timp [m/s] - acceleraţia în funcţie de timp [m/s2] Considerând
(4.1) (4.2) (4.3)
obţinem: (4.4) (4.5)
Folosind aceste formule putem calcula timpul necesar unui vehicul să ajungă din intersecţia 1 în intersecţia 2. 4.1.
Diagrama secvenţelor de semaforizare
Presupunând că un autoturism accelerează cu o acceleraţie m/s2 şi cunoscând faptul că distanţa dintre intersecţii este de 1 km iar viteza macimă permisă pe acest tronson este de 19,44 m/s obţinem: (4.6) Unde: - timpul necesar unui vehicul să ajungă din intersecţia 1 în intersecţia 2; - timpul în care autovehiculul descrie o mişcare uniform accelerată; - timpul în care autovehiculul descrie o mişcare uniform neaccelerată. (4.7) (4.8) (4.9) (4.10) (4.11)
27
Pentru a uşura calculele voi considera semaforizare:
s. Astfel rezultă unrmătorii timpi de
Figura 12. Diagrama secvenţelor de semaforizare
4.2. Analiza fluxurilor de trafic folosind Synchro În cele ce urmează vom face o comparație între parametrii de trafic ce rezultă când intersecțiile nu sunt corelate respectiv întreaga rețea nu este optimizată și când intersecțiile sunt corelate, conțin senzori (cum este menționat în capitolul 3) respectiv rețeaua este optimizată. Parametrii ce se vor compara sunt: - Total delay este compus din Control Delay si Queue Delay. Întârzierea totală pentruo perioadă de timp
(4.12) (4.13)
viteza maximă a vehiculului
(4.14)
viteza actual a vehiculului -
-
-
(4.15)
Delay/veh reprezintă raportul dintre întârzierile totale și numărul de vehicule. Stop/veh este raportul dintre opriri și numărul de vehicule. Travel distance reprezintă însumarea efectivă a distanțelor parcurse de vehicul. Travel time reprezintă timpul total al fiecărui vehicul prezent în zona. Acesta include și timpul petrecut de vehicul la semafor. Este recalculat de fiecare dată când viteza sau distanța se schimbă. Avg Speed reprezintă raportul dintre distanța totală și timpul total. Este ponderată de volum și include timpi de stop și de intrare întarziată. Timpul folosit pentru a calcula viteza medie nu include și timpul de așteptare a vehiculelor pentru a intra în rețea. Fuel used este calculat cu ajutorul parametrilor consumului de combustibil. Acești parametri sunt localizați într-un fișier în directorul Trafficware. Combustibilul consumat pe fiecare porțiune de timp este determinat de flota de autovehicule (mașini, camioane sau autobze), viteza și accelerația.
28
-
Calculul emisiilor se bazează doar pe consumul de combustibil. Oarecum simplifică calculele multiple ale consumului de combustibil folosind anumiți factori pentru determinarea ratelor de emisii. emisia de monoxide de carbon (CO emission) (4.16) componenți volatile organici
(4.17)
consumul de combustibil (gal) hidrocarburi agenți poluanți emiși de automobile
(4.18) (4.19)
Start Time End Time Total Time (min) Time Recorded (min) # of Intervals # of Recorded mScheduledIntervals Vehs Entered Vehs Exited Starting Vehs Ending Vehs Denied Entry Before Denied Entry After Travel Distance (mi) Travel Time (hr) Total Delay (hr) Total Stops Fuel Used (gal)
6:57 7:10 13 10 2 1 269 251 46 64 0 7 118 9.7 5.5 330 5.6
Interval #0 Information Seeding Start Time End Time Total Time (min) Volumes adjusted by Growth Factors. No data recorded this interval. Interval #1 Information Recording Start Time End Time Total Time (min) Volumes adjusted by Growth Factors
6:57 7:00 3
7:00 7:10 10
Vehs Entered Vehs Exited Starting Vehs Ending Vehs Denied Entry Before Denied Entry After Travel Distance (mi) Travel Time (hr) Total Delay (hr) Total Stops Fuel Used (gal)
Tabel 7. Intervale pe care s-au realizat măsurătorile E60 & DJ101 Performance by movement Movement
EBL
EBT
WBT
SBL
All
Total Delay (hr) Delay / Veh (s) Stop/Veh Travel Dist (mi) Travel Time (hr) Avg Speed (mph) Fuel Used (gal) Fuel Eff. (mpg) HC Emissions (g) CO Emissions (g) NOx Emissions (g)
3.0 462.7 1.57 2.7 3.1 1 0.8 3.4 1 70 4
0.5 27.0 0.75 7.4 0.7 10 0.4 20.3 2 106 8
1.0 28.5 0.68 31.3 2.0 16 1.3 24.4 13 373 44
0.3 30.7 0.86 4.3 0.5 9 0.2 19.0 2 79 7
4.7 70.0 0.81 45.6 6.3 7 2.7 17.2 18 629 62
Tabel 8. Valorile parametrilor de trafic pentru intersecția E60 & DJ101
29
269 251 46 64 0 7 118 9.7 5.5 330 5.6
DJ101 & E60 Performance by movement Movement
EBL
EBT
WBL
WBT
SBR
NWL
NWR
All
Total Delay (hr) Delay / Veh (s) Stop/Veh Travel Dist (mi) Travel Time (hr) Avg Speed (mph) Fuel Used (gal) Fuel Eff. (mpg) HC Emissions (g) CO Emissions (g) NOx Emissions (g)
0.1 22.0 1.04 6.2 0.4 17 0.2 26.1 1 58 5
0.2 8.1 0.40 19.7 0.9 23 0.7 26.4 7 234 24
0.0 17.7 0.78 0.9 0.1 11 0.0 23.1 0 9 1
0.3 10.1 0.57 12.4 0.7 17 0.5 25.9 6 185 18
0.0 1.8 0.00 0.1 0.0 23 0.0 62.9 0 0 0
0.0 7.0 0.50 2.0 0.1 19 0.1 34.8 0 10 1
0.0 8.2 0.60 . 1.3
0.7 10.6 01.57 42.7 2.2 19 1.6 26.6 14 505 49
0.1 17 0.0 31.9 0 10 1
Tabel 9. Valorile parametrilor de trafic pentru intersecția DJ101 & E60 Movement
EB L 656 448 687 647 7 0
Directions Served Maximum Queue (ft) Average Queue (ft) 95th Queue (ft) Link Distance (ft) Upstream Blk Time (%) Queuing Penalty (veh) Storage Bay Dist (ft) Storage Blk Time (%) Queuing Penalty (veh)
EB T 578 187 514 647
EB T 203 111 192 647
WB T 233 176 253 1382
WB TR 198 163 214 1382
SB L 80 53 79 651
SB LR 92 74 100 651
Tabel 10. Valorile parametrilor de trafic pentru intersecța E60 & DJ101 Movement
EB
EB
EB
WB
WB
WB
NW
NW
Directions Served
L
T
TR
L
T
TR
LR
R
Maximum Queue (ft)
89
85
88
35
66
102
37
48
Average Queue (ft)
65
39
52
14
44
53
22
23
95th Queue (ft)
90
96
110
33
67
99
45
48
1382
1382
1382
590
590
590
677
677
Link Distance (ft) Upstream Blk Time (%) UpstreamPenalty Blk Time (%) Queuing (veh) Storage Bay Dist (ft) Storage Blk Time (%) Queuing Penalty (veh)
Tabel 11. Valorile parametrilor de trafic pentru intersecția DJ101& E60 Total Delay (hr) 5.5 Delay / Veh (s) 76.0 Stop/Veh 1.27
Travel Dist (mi)
118.3
Travel Time (hr) 9.7 Avg Speed (mph) 12
Fuel Used (gal)
5.6
Fuel Eff. (mpg) 21.2 HC Emissions (g) 45
CO Emissions (g) 1613 NOx Emissions (g) 161
Tabel 12. Valorile parametrilor de trafic pentru întraga rețea de intersecții
30
Tabelele 2, 3, 4, 5, 6, 7 conțin valori ale parametrilor măsurate pentru intersecțiile necorelate, neoptimizate respectiv întreaga rețea neoptimizată. În cele ce urmează vom prezenta parametrii de trafic măsurați pentru intersecțiile corelate, optimizate respectiv întreaga rețea neoptimizată la care s-au adăugat și senzorii. Start Time End Time Total Time (min) Time Recorded (min) # of Intervals # of Recorded mScheduledIntervals Vehs Entered Vehs Exited Starting Vehs Ending Vehs Denied Entry Before Denied Entry After Travel Distance (mi) Travel Time (hr) Total Delay (hr) Total Stops Fuel Used (gal)
6:57 7:10 13 10 2 1 276 278 50 48 0 0 126 7.0 2.5 238 5.0
Interval #0 Information Seeding Start Time End Time Total Time (min) Volumes adjusted by Growth Factors. No data recorded this interval. Interval #1 Information Recording Start Time End Time Total Time (min) Volumes adjusted by Growth Factors
6:57 7 7:00 3
7:00 7:10 10
Vehs Entered Vehs Exited Starting Vehs Ending Vehs Denied Entry Before Denied Entry After Travel Distance (mi) Travel Time (hr) Total Delay (hr) Total Stops Fuel Used (gal)
Tabel 12. Intervale pe care s-au realizat măsurătorile E60 & DJ101 Performance by movement Movement
EBL
Total Delay (hr) Delay / Veh (s) Stop/Veh Travel Dist (mi) Travel Time (hr) Avg Speed (mph) Fuel Used (gal) Fuel Eff. (mpg) HC Emissions (g) CO Emissions (g) NOx Emissions (g)
0.3 28.9 0.80 4.9 0.5 10 0.2 19.6 1 66 5
EBT 0.4 22.2 0.55 7.8 0.7 11 0.4 22.1 2 82 7
WBT 0.5 14.3 0.32 30.3 1.5 20 1.1 26.6 14 358 45
SBL 0.5 55.8 0.82 4.3 0.7 6 0.3 15.0 3 99 8
All 1.8 23.6 0.51 47.2 3.4 14 2.0 23.4 20 606 65
Tabel 13. Valorile parametrilor de trafic pentru intersecția E60 & DJ101
31
276 278 50 48 0 0 126 7.0 2.5 238 5.0
DJ101 & E60 Performance by movement Movement
EBL
EBT
WBL
WBT
SBR
NWL
NWR
All
Total Delay (hr) Delay / Veh (s) Stop/Veh Travel Dist (mi) Travel Time (hr) Avg Speed (mph) Fuel Used (gal) Fuel Eff. (mpg) HC Emissions (g) CO Emissions (g) NOx Emissions (g)
0.1 17.5 0.60 6.5 0.3 20 0.2 27.9 1 54 6
0.1 5.4 0.15 20.9 0.8 25 0.8 27.7 7 209 23
0.0 14.7 0.78 0.9 0.1 13 0.0 25.6 0 7 1
0.3 10.1 0.52 12.4 0.7 17 0.4 28.2 5 150 15
0.0 1.8 0.00 0.1 0.0 23 0.0 62.9 0 0 0
0.1 15.1 0.56 2.0 0.1 14 0.1 25.4 0 21 2
0.0 9.7 0.50 1.3 0.1 16 0.0 34.0 0 7 1
0.6 9.6 0.42 44.2 2.2 20 1.6 27.9 14 448 46
Tabel 14. Valorile parametrilor de trafic pentru intersecția DJ101 & E60 Movement
EB L 140 117 158 647
Directions Served Maximum Queue (ft) Average Queue (ft) 95th Queue (ft) Link Distance (ft) Upstream Blk Time (%) Queuing Penalty (veh) Storage Bay Dist (ft) Storage Blk Time (%) Queuing Penalty (veh)
EB T 183 112 179 647
EB T 200 106 191 647
WB T 157 92 150 1382
WB TR 203 143 228 1382
SB L 102 68 116 651
SB LR 92 75 110 651
Tabel 15. Valorile parametrilor de trafic pentru intersecța E60 & DJ101 Movement Directions Served
EB
EB
EB
WB
WB
WB
NW
NW
L
T
TR
L
T
TR
LR
R
Maximum Queue (ft)
90
23
44
34
90
111
58
26
Average Queue (ft)
35
9
34
13
61
82
33
14
95th Queue (ft)
82
28
51
35
96
116
57
34
1382
1382
1382
590
590
590
677
677
Link Distance (ft) Upstream Blk Time (%) UpstreamPenalty Blk Time (%) Queuing (veh) Storage Bay Dist (ft) Storage Blk Time (%) Queuing Penalty (veh)
Tabel 16. Valorile parametrilor de trafic pentru intersecția DJ101& E60 Total Delay (hr) Delay / Veh (s) Stop/Veh
2.5
Travel Dist (mi)
126.1
32.6 0.86
Travel Time (hr) Avg Speed (mph)
7.0 18
Fuel Used (gal)
5.0
CO Emissions (g)
1490
Fuel Eff. (mpg) HC Emissions (g)
25.1 46
NOx Emissions (g)
159
Tabel 17. Valorile parametrilor de trafic pentru întraga rețea de intersecții
32
Figura 13. Intersecţia drumurilor E60 şi DJ101 simulată în Synchro
33
4.3. Schema logică
Figura 14. Schema logică a automatului de trafic Logica după care lucrează automatul de trafic este următoarea: START Setări generale porturi - în această etapă se defines variabilele de lucru, se stabilesc întreruperile şi se initializează stiva;
34
Este mod "UNDĂ VERDE?" – automatul are două moduri de lucru fie în sistem undă verde, când semafoarele nu ţin cont de semnalele furnizate de către senzori, microcontrolerului, ele funcţionând după o secvenţă de semaforizare prestailită sau în modul în care secvenţa de semaforizare este stabilită cu ajutorul semnalelor primite de către senzori. Astfel în această etapă se testează dacă lungimea unei cozi de vehicule a depăsit mărimea limita admisă. În cazul în care lungimea nu a depăşit această valoare atunci automatul va funcţiona în mod "UNDĂ VERDE" şi va urma ramura stânga a schemei logice. În caz contrar se va parcurge ramura dreaptă a schemei logice. mod "UNDĂ VERDE" - în această etapă automatul generează semnale electrice, pentru fiecare secvenţă de semaforizare. stabileşte timpii intersecţie 1 - în această etapă se iniţializează regiştrii, şi se pun valori ce reprezintă durata ce trebuie un anumit port să rămână în 1 logic. stabileşte timpii intersecţie 2 - în această etapă se calculează timpul necesar unui autovehicul ce părăseşte intersecţia 1 să ajungă în intersecţia 2. După care se stabilesc timpii de semaforizare din intersecţia 2, corelaţi cu timpii de semaforizare din intersectia 1. După această etapă se acţionează semafoarele. după terminarea unui ciclu complet de semaforizare se revine la verificarea modului de funcţionare a semafoarelor. În cazul în care modul de funcţionare al automatului depinde de senzori se procedează în felul următor: se verifică starea senzorilor şi se determină lungimea cozii de autovehicule formată se calculează timpul ce trebuie adăugat secvenţei de semaforizare conform formulei (3.10.) stabileşte timpii intersecţie 1 - în această etapă se iniţializează regiştrii, şi se pun valori ce reprezintă durata ce trebuie un anumit port să rămână în 1 logic durată la care se adaugă durata calculată la pasul precedent. stabileşte timpii intersecţiei 2 - în această etapă se calculează timpul de semaforizare din intersecţia 2. după care se acţionează semafoarele.
35
Cap. VI Caracteristici speciale ale echipamentului 6.1.Calcule de fiabilitate Calitativ, fiabilitatea reprezintă capacitatea unui sistem sau produs de a funcţiona fără defecţiuni, pe o perioada de timp dată, în condiţii date de exploatare. Cantitativ, fiabilitatea reprezinta probabilitatea ca un sistem sau produs să funcţioneze fără defecţiuni, într-un interval dat, în condiţii date de exploatare. Din punct de vedere economic, cu cât un echipament prezintă o fiabilitate mai ridicată, în condiţii tehnologice date, costul de investiţie Ci este mai ridicat; costurile de mentenanţă CM sunt însă mici întrucât defecţiunile sunt rare şi de intensitate redusă. Invers, un echipament ieftin şi puţin fiabil implică nişte costuri de mentenanţă mai mari. Media timpului de buna functionare MTBF, inversul ratei de defectare, se exprima prin si reprezinta raportul dintre intervalul total de functionare fata de numarul total al defectelor. ;
(5.1.)
;
(5.2.)
;
(5.3.)
MTBF – mean time between failure – este media timpului de bună funcţionare şi reprezintă măsura cantitativă ce se referă la siguranţa în funcţionare a sistemului. MTD – mean time downtime – este media timpului de defectare şi reprezintă măsura cantitativă ce caracterizează timpul de defectare al sistemului. Expresia analitică a timpului de bună funcţionare, MTBF, se poate determina cu relaţia generală: ∫
;
(5.4.)
În cazul în care ∫
∫
;
(5.5.)
Fiabilitatea elementului nereparabil este caracterizată de variabila aleatoare “timp de funcţionare neîntreruptă până la prima defectare” (Tf), variabilă care poate fi cunoscută prin funcţia de repartiţie: (5.6.)
36
şi prin funcţia de distribuţie sau densitatea de probabilitate a timpului de funcţionare: (5.7.) ;
(5.8.) (5.9.)
37
