Как работают умные светофоры
Главная>Блог>Как работают умные светофоры: преимущества и недостатки технологии

Как работают умные светофоры: преимущества и недостатки технологии

26 июня 2021

Как работают умные светофоры? Стоит начать с того, что в России полноценно такая система функционирует лишь в нескольких крупных городах. Флагманом внедрения технологии и одновременно экспериментальным полигоном является, конечно же, Москва и Московская область. «Умность» их заключается в умении адаптироваться под постоянно меняющиеся условия городского трафика.

Существует два вида умных светофоров: адаптивные и нейросетевые. Работать они могут в нескольких режимах, при необходимости переключаясь на ручное управление. Из нашего материала вы узнаете о принципах их работы, преимуществах и недостатках разных технологий, опыте использования в России и за рубежом.

Актуальность технологии умных светофоров

Пробки на дорогах стали настоящим бичом крупных городов. Количество автомобилей постоянно растет, и транспортная инфраструктура оказывается не готова к увеличению трафика в таких масштабах. Это провоцирует снижение производительности труда, ухудшение логистики, негативное отношение горожан к власти, которая не может справиться с ситуацией. Не в лучшую сторону меняется качество жизни людей: многочасовое стояние в пробках, дополнительные траты на бензин. Кроме того, увеличивается выброс вредных веществ в атмосферу.

Специалисты американского Университета Карнеги-Меллона посчитали потери экономики США из-за проблем на дорогах, сумма вышла внушительная – более $120 млрд. Эти потери связаны с неэффективным использованием трудовых ресурсов и дополнительным выбросом в атмосферу около 25 млрд. кг вредных веществ.

Актуальность технологии умных светофоров
Актуальность технологии умных светофоров

Вместе с тем, ученые исследовали влияние системы «Умный светофор» на дорожную ситуацию. Выяснилось, что ее внедрение позволяет сократить автомобилю время в пути почти на 25 %, а время нахождения в пробках – более, чем на 40 %. Кроме того, почти на 21 % уменьшаются вредные выбросы в атмосферу. Выходит, умные светофоры – изобретение весьма полезное как для водителей, так и для планеты.

Как работают умные светофоры? В основе принципа действия системы лежит возможность динамического управления сигналами. Благодаря этому происходит увеличение пропускной способности перекрестков. Система состоит из контроллеров, камер и удаленных датчиков движения, которые в режиме реального времени анализируют ситуацию на перекрестках, оценивают степень их загруженности и передают эту информацию на центральный сервер управления. Передача осуществляется посредством радиосреды или по оптическим линиям связи.

Получив свежие данные, центральный сервер посылает контроллерам светофоров определенную команду, которая позволяет разгрузить перекресток как можно быстрее. То есть зеленый или красный сигнал светофора включается определенным образом для сокращения времени пребывания автомобилей на перекрестках. Допустим, в случае усиленного трафика на одной из магистралей система продлит время действия зеленого сигнала светофора, для того чтобы избежать образование пробок.

Кроме того, умный светофор может прогнозировать дорожную ситуацию на 15-30 минут вперед. Это позволяет скорректировать его работу, выбрав более эффективную стратегию управления потоком автомобилей. При возникновении ДТП на перекрестках в план оперативно вносятся изменения.

Несмотря на большое количество плюсов системы, она не в состоянии полностью избавить города от пробок. Ее главная функция – увеличить производительность перекрестков. Невозможно наладить комфортный трафик без изменения транспортной инфраструктуры: расширения дорог, строительства развязок и т.п.

На данный момент одна дорожная полоса в городе в среднем способна обслужить не более 1800 автомобилей в час. Причем рассматривается идеальная ситуация, при которой транспортное средство постоянно находится в движении, то есть не останавливается на перекрестках и не сталкивается с препятствиями вроде плохого дорожного покрытия, сужения дороги и т.п. Однако в жизни, особенно это касается российских реалий, идеальная картинка возможна только в теории. Рост количества автомобилей сегодня заставляет решать проблему дорожного трафика в разных ее аспектах, без этого города начнут задыхаться от выхлопных газов автомобилей, стоящих в многокилометровых пробках.

Умные светофоры в России и за рубежом

Умные светофоры пытались создать еще в 60-ые годы 20 века в США и Канаде, однако тогда это сводилось к их централизованному управлению. Сегодня система «Умный светофор» эффективно работает в большинстве развитых стран, кроме того, продолжается ее активное внедрение. К примеру, в Дании, где существует целая велосипедная культура, хотят потратить $ 9 млн. бюджетных средств на установку около 400 умных светофоров, которые будут давать приоритет велосипедистам и общественному транспорту. Такой подход заставляет людей осознанно пересаживаться с личных автомобилей на автобусы и велосипеды, что уменьшает общий трафик и способствует улучшению экологической ситуации.

Умные светофоры в России и за рубежом
Умные светофоры в России и за рубежом

В данный момент разработкой умных светофоров занимается несколько компаний, лидируют среди которых IBM, SCOOT, SCATS, RHODES, UTOPIA. Интересно, что 2010 году компания IBM заявила о намерении создать систему, которая позволила бы удаленно отключать двигатели автомобилей, проезжающих на красный свет.

В нашей стране интеллектуальные системы сначала появились конечно же в Москве, это произошло примерно 10 лет назад. Они были установлены на опытном участке протяжённостью 7,5 км. Благодаря успешному прохождению испытаний к 2015 году «умными» стали светофоры во многих районах города. Их подключили к автоматизированной системе управления дорожным движением (АСУДД). С 2016 года столичные светофоры, установленные на магистралях, стали анализировать и оценивать не только дорожный трафик, но также метеоусловия и ДТП.

3 режима работы умных светофоров

Как работают умные светофоры? Они имеют связь с компьютером и управляются специальной программой. Благодаря ей система может самостоятельно выбирать режим работы, а также объединяться с другими светофорами для получения нужного результата. В Москве насчитывается более 40 тыс. светофоров, 2,5 тыс. из которых являются интеллектуальными. Управляются они несколькими способами.

  • Локальный режим. Он предполагает автономную работу светофора по заранее заложенной программе (это может быть сценарий для вечернего или утреннего часа пик).
  • Координированное управление. Это синхронная работа нескольких светофоров в связке. Чаще всего данный режим используется на вылетных магистралях, он необходим для поддержания определенной интенсивности движения на участке дороги.
  • Адаптивный режим. Светофор получает информацию, на основании которой проводит анализ ситуации на дороге и подстраивает свою работу под нее. Данные о трафике передаются светофору от индукционных петель или датчиков, вмонтированных в дорожное полотно на перекрестке. Это сложное оборудование, которое умеет определять не только интенсивность потока, но и тип автомобиля, подъезжающего к перекрестку – к примеру, общественный транспорт. Вся получаемая светофорами информация передается ими в центр управления.

В самом центре умную систему обслуживают специалисты, которые работают посменно в связке со многими городскими службами, включая ГИБДД и МЧС. Такой комплексный подход дает возможность принимать оперативные решения, а если необходимо, вручную регулировать трафик на проблемных участках.

В России умные светофоры установлены не только в Москве, но также в Петербурге, Ярославской области.

Принцип работы адаптивных умных светофоров

Адаптивные светофоры устанавливаются на относительно простых перекрестках, то есть там, где отсутствует постоянное интенсивное движение транспорта во всех направлениях. Дело в том, что для их работы необходим трафик разной динамики – в этом случае светофор и будет адаптироваться к его изменениям. Подобные системы впервые появились в США в начале 70-х годов 20 века, а у нас в стране они стали внедрятся относительно недавно. На сегодняшний день число адаптивных светофоров в России не превышает 3 000. Нужно сказать, что такие системы не имеют ничего общего с обычными светофорами – теми, что меняют режим работы в зависимости от времени суток и дней недели.

Принцип работы адаптивных умных светофоров
Принцип работы адаптивных умных светофоров

В России, к сожалению, используются довольно несовременные технологии подсчета автомобилей на перекрестках: физические датчики или видеодетектор фона. Датчики могут фиксировать транспортное средство исключительно в том месте, где они установлены. Разумеется, можно проложить их на протяжении всей проезжей части, однако это обойдется в круглую сумму.

Видеодетектор фона показывает только степень заполнения дороги автомобилями. При этом камера должна четко видеть всю площадь, что не всегда возможно: препятствием является большое расстояние и даже осадки.

К примеру, метель будет рассматриваться камерой как транспортное средство, так как она не различает тип детекции. Нужно отметить, что адаптивные светофоры могут работать даже в таких условиях, потому что для нормального выполнения своих функций им не нужны абсолютно точные данные. Их смысл в переключении режимов в очевидных ситуациях исключительно на слабо загруженных перекрестках.

При этом работа светофоров очень сильно зависит от выполнения правил установки видеокамер, высоты подвеса, отсутствия препятствий на линии обзора (это требование, кстати, выполнить непросто, так как всегда имеются какие-то провода или столбы, загораживающие вид). Нередко для монтажа оборудования приходится строить специальные фермы, так как существующие опоры просто не подходят. Как итог – он становится очень дорогим.

Кроме того, камеры адаптивных светофоров регулярно меняют свое положение под действием ветра и дорожной вибрации, что приводит к нарушениям в их работе, ведь видеодетектор четко привязан к виду дорожного полотна. Их необходимо возвращать в исходное положение, что требует ресурсов – временных, человеческих, финансовых. Помимо этого, приходится ограничивать движение на время работ.

Преимущества использования нейросетевых умных светофоров

Нейросетевые светофоры сложнее и технологичнее. Они регулируют трафик на более высоком уровне. Учитывается сразу множество факторов, влияющих на него. «Мозги» умного светофора на основании полученных данных подбирают самый эффективный алгоритм его работы – так, чтобы в единицу времени по участку дороги проезжало больше автомобилей.

Преимущества использования нейросетевых умных светофоров
Преимущества использования нейросетевых умных светофоров

Объекты на дороге распознаются нейронными сетями, благодаря чему светофоры получают более точную картину происходящего. Нейронные сети способны распознавать самые разные образы в их любых положениях и на больших расстояниях (машины, коляски, велосипеды, чемоданы и даже оружие), они более точно считают количество транспортных средств и способны определять их качественный состав, а также умеют распознавать людей. Последнее очень важно учитывать, ведь пешеходам тоже нужно предоставить возможность перейти дорогу.

По сравнению с адаптивными светофорами, нейронные сети почти не ограничены в плане мест их монтажа. Они способны распознавать любые объекты даже при больших перекрытиях, им хватает всего лишь 15 % изображения, чтобы понять, что это. По этой причине нейросетевой светофор становится дешевле в установке, сокращается количество видеокамер, уменьшается длина проводов и т.п.

Нейросетевые камеры не боятся смены положения под воздействием внешних факторов (в рамках разумного), они могут снимать все, что происходит на дороге, пока это в принципе возможно.

Сегодня на рынке имеются еще и геоинформационные системы. Даже компания Яндекс занималась их продвижением. Как работают умные светофоры этого типа? Принцип их действия основан на использовании GPS и GLONASS навигации для определения типа транспортных средств: автомобилей, общественного автотранспорта, а также спецмашин. Светофор подстраивается под них, обеспечивая свободное движение. Однако на практике оказалось, что геоинформационные светофоры не работают. Дистанционное планирование нарушается постоянными изменениями трафика. Расчеты оказываются неактуальными обстановке на перекрестке, ведь для нормальной работы светофора важна оперативная информация.

Умные светофоры в паре с умными камерами

Что включает в себя интеллектуальная транспортная система?

  • Подсистему мониторинга параметров транспортного потока.
  • Подсистему информирования участников ДД с помощью ДИТ и ЗПИ.
  • Подсистему метео-мониторинга.
  • Подсистему мониторинга состояния дорог и дорожной инфраструктуры.
  • Подсистему мониторинга экологических параметров.

Большую важность имеет учет уникальных черт региона при установке в нем подсистем ИТС. Индивидуальный подход способствует росту их эффективности.

Подсистемы выполняют важную функцию – они передают полезную информацию органам управления дорожным хозяйством. Это данные о состоянии дорожных объектов, погодных условиях, транспортной ситуации, нарушениях нормативов содержания и ремонта, состояния производственных процессов, экологических параметрах и др.

Умные светофоры в паре с умными камерами
Умные светофоры в паре с умными камерами

Благодаря систематически поступающей информации от интеллектуально-аналитических модулей специальные службы, ответственные за дорожную ситуацию, могут создавать более грамотные прогнозы в рамках своей работы, принимать правильные решения, осуществлять контроль за происходящим. Кроме того, ИТС позволяют автоматизировать процессы принятия решений диспетчерскими службами. В целом это способствует более эффективной трате средств из государственного или муниципального бюджета. Кроме того, метеорологические данные, предоставленные оперативно, дают возможность значительно повысить безопасность дорожного движения.

Организации, которые занимаются ремонтно-строительными работами, а также эксплуатационные компании могут оптимизировать производственно-технологические процессы, повысить рентабельность дорожных работ благодаря внедрению интеллектуальных подсистем.

Одна из компаний, которые занимаются разработкой и внедрением такого оборудования, – АО «ТРАССКОМ». Она создает решения, которые легко интегрируются в региональные интеллектуальные модули, занимается подготовкой квалифицированных специалистов в области систем мониторинга и прогнозирования состояния дорог. Продукт компании представляет собой надежную многофункциональную систему мониторинга, аналитики и поддержки процессов принятия решений. Мониторинг дорожной ситуации осуществляется благодаря использованию мобильных комплексов, применению технологии искусственного интеллекта, прогнозирования и термокартирования. Кроме того, система может работать автономно.

Интеллектуальные подсистемы
Интеллектуальные подсистемы

Уникальная разработка «ТРАССКОМ» – мобильный комплекс дорожного мониторинга (МДКМ) «Иней-М». Он имеет относительно небольшие размеры и может быть установлен на любое транспортное средство. Собирая информацию, комплекс оперативно передает ее в диспетчерский центр, сообщая свои точные координаты.

Технологические решения компании «ТРАССКОМ» способны значительно повлиять на безопасность дорожного движения. Кроме того, их внедрение уже дает значительную экономическую отдачу. Например, в Свердловской области приобретение оборудования для контроля дорожных работ окупилось всего за один зимний период. Более того, система каждый год подтверждает свою эффективность и важность.

Специалисты АО «ТРАССКОМ» нацелены на разработку и внедрение по-настоящему полезных и востребованных технологий и инструментов, которые позволят сделать трафик более легким и безопасным, повысить эффективность производственных процессов.