Sisteme de Comunicatii Vehicul Infrastructura
CUPRINS
MEMORIU JUSTIFICATIV……………………………………………………………………………. ……………2
Capitolul 1. : Stadiul actual al sistemelor de semnalizare rutieră……………………………………4
1.1. Senzori de trafic. Clasificare……………………………………………………………………………………..4
1.1.1. Senzori întruzivi sau încastrați în pavaj ………………………………………………………..5
1.1.1.1. Senzori cu bucla inductivă………………………………………………………………5
1.1.1.2. Senzori magnetici………………………………………………………………………… 8
1.1.1.3. Detectorul cu magnetometru…………………………………………………………..9
1.1.2.Senzori neîntruzivi sau suspendați……………………………………………………………10
1.1.2.1.Detecția video…………………………………………………………………………..10
1.1.2.2.Senzori radar cu microunde………………………………………………………..12
1.1.2.3. Detectoare cu infraroșu………………………………………………………………..14
1.1.2.3.1. Senzori pasivi în infraroșu………………………………………………15
1.1.2.3.2. Senzori activi în infraroșu……………………………………………….15
1.1.2.4.Detectoare ultasonice……………………………………………………………………16
1.1.2.5.Detectorul cu energie proprie…………………………………………………………16
Capitolul 2 Sisteme de comunicații vehicul-infrastructură……………………………………..
Capitolul 3 Sinteza arhitecturii sistemului de semnalizare rutieră
Capitolul 4 Elemente de proiectare
Capitolul 5 Elemente de fiabilitate și tehnologie
Concluzi
Bibliografie
Dicționar explicativ de termeni și abrevieri
MEMORIU JUSTIFICATIV
Această temă are o justificare bine definită. Creșterea în ritm alert a traficului rutier, datorită evoluției și dezvoltării active, poate fi satisfăcută printr-o creștere spectaculoasă a spațiului rutier. Pentru capacitățile economice dezvoltate se caută soluții de descongestionare, bazate pe ameliorarea amenajării spațiului rutier și găsirea celor mai bune metode de îmbunătățire a indicilor de utilizare a spațiului.
Sistemul traficului rutier se poate îmbunătății prin eforturi eficiente având ca scop abordarea sistemică a tuturor elementelor care intră în componența sistemului, după cum urmează:
Spațiul rutier care are în componență: căi rutiere, noduri rutiere (intersecții), lucrări speciale (tunele, viaducte, refugii, porturi, parcări, serpentine, pante etc), care pot facilita sau restricționa traficul rutier. La acestea se mai adaugă lucrările speciale de semnalizare și protecție, de iluminat și altele.
Participanții la trafic, sunt reprezentanți:
-vehicule;
-autovehicule care includ și pe cele din tansportul public;
Participanții la trafic au diferite caracteristici:
-grade de ocupare a căilor rutiere;
-grade de securitate sau periculozitate;
-viteze de parcurs;
Participanții la trafic, cum ar fi: grupurile de copii, bătrânii și invalizii în cadrul categoriei pietoni, prezintă diferite priorități sau autovehicule oficiale sau de intervenție (salvare, pompieri, poliție ) în cadrul categoriei vehicule.
Condițiile de mediu și naturale, care influențează desfășurarea traficului rutier și care acționează asupra spațiului rutier sau asupra participanților la trafic (precipitații, vânt, nebulozitate).
Controlul traficului din sistemele de trafic rutier are ca obiect creșterea capacității de trafic și a rețelelor rutiere în următoarele condiții:
– creșterea eficienței pentru participanții la trafic (economie de timp și de carburanți, creșterea gradului de confort prin servicii de informații și de asistenta service);
-cresterea gradului de siguranță pentru participanții la trafic și pentru factorii învecinați spațiului rutier;
-reducerea poluării mediului (poluare sonoră, poluarea aerului și a apei).
Ca urmare a dezvoltării accelerate a mai multor orașe și creșterii acestora prin extinderea suprafețelor într-o perioadă foarte scurtă, a rezultat că este necesară o infrastructură de drumuri pentru un trafic modern, prin alocarea fondurilor necesare implementării acesteia. Acest fapt conduce la folosirea ineficientă a rețelei de drumuri, de multe ori sub forma unor drumuri întinse, cu multe semafoare, adesea foarte apropiate între ele.
Efectul opririi vehiculelor într-o intersecție semnalizată este formarea unei cozi în spatele liniei de oprire. Când această coadă este eliberată de culoarea verde a semaforului, ea se va descărca la capacitatea maximă (fluxul de saturație) și va înainta sub forma unui pluton. Dacă atunci când plutonul se apropie de o altă intersecție semaforizată, timpul de sosire coincide cu începutul timpului de verde, vehiculele nu au nici o întârziere la trecerea prin intersecție. Dacă plutonul trebuie să oprească, coada de așteptare se mărește și poate depăși capacitatea drumului, crescând până provoacă blocaj și în intersecția anterioară.
Obiectivele coordonării semafoarelor sunt:
prevenirea extinderii cozii de vehicule dintr-o intersecție și interferarea acesteia cu alte intersecții;
creșterea capacită îi drumului;
sporirea confortului șoferului prin reducerea numărului de opriri și fluidizarea traficului;
oferirea unor întârzieri totale minime pentru utilizatorii drumurilor, micșorând timpul de călătorie;
reducerea consumului de combustibil – deci reducerea poluării în zonă;
impunerea unei conduite de siguranța șoferilor, deoarece ei merg grupați cu viteză stabilită pentru undă verde; se reduce astfel probabilitatea depășirii vitezei maxime legale și implicit a numărului de accidente ca și gravitatea acestora.
Este cunoscut faptul că întârzierile din trafic provoacă disconfort și frustrare, accidente, pierderi de timp și de bani, creșterea consumului de combustibil și de poluare a aerului. Prin micșorarea întârzierilor, drumurile existente sunt mai eficient folosite, iar condițiile de mers ale șoferilor și situația ecologică sunt îmbunătățite. Din aceste motive, orice progres în această direcție reprezintă un câștig important economic și de mediu.
Sincronizarea semafoarelor din trafic pentru a furniza o progresie de-a lungul unei artere reduce substanțial întârzierile datorate opririlor și consumul de combustibil. Semnalul sincronizat trebuie să poată reacționa la volume de trafic și viteze diferite pe durata zilei (ex: orele de vârf și perioada din afara orelor de vârf) și la schimbări temporare ale volumelor de trafic care traversează intersecția și a celor ce virează.
Capitolul I: Stadiul actual al sistemelor de semnalizare rutieră
Un sistem de reglementare a traficului pentru o intersecție întrunește:
Echipamente de achiziție a datelor privitoare la trafic. În această categorie intră senzorii de tip bandă inductivă având diferite forme și dimensiuni și care se amplasează sub calea de acces în intersecție. În cazuri mai speciale, se utilizează detectoare radar sau cu raze infraroșii care prezintă dezavantajul că pot fi perturbate în cazul precipitațiilor abundente. Toate aceste sisteme dispun și de un detector la care se cuplează senzorul și care emite semnalul necesar către tabloul de comandă.
Echipamente de semnalizare luminoasă care sunt montate sub formă de baterii luminoase colorate ce se adresează diferitelor categorii de participanți la traficul rutier. Pe lângă bateriile principale mai exista baterii repetitoare de semnal pentru repetarea în profunzime a semnalizării pentru a fi perceput de întregul grup de participanți în trafic.
Tabloul de comandă sau controllerul de trafic, care este amplasat în proximitatea intersecțiilor și care recepționează semnalele de la detectoarele de trafic, aplica planul de semnalizare și comanda bateriile de semnalizare potrivit programelor implementate.
1.1.Senzori de trafic. Clasificare
Senzorii de trafic utilizează diferite tehnologi, având mai multe forme și dimensiuni. Aceștia pot acoperi una sau mai multe benzi de trafic, pot detecta toate tipurile sau anumite tipuri de vehicule.
Cea mai des utilizată clasificare pentru senzorii de trafic este după locul unde sunt amplasați:
Senzori întruzivi sau încastrați în pavaj:
Detectoare cu bucle inductive;
Magnetometre;
Detectoare magnetice inductive.
Senzori neîntruzivi sau suspendați:
Camere video;
Senzori radar în microunde;
Senzori pasivi în infraroșu;
Senzori activi în infraroșu;
Senzori în ultrasunete;
Senzori acustici pasivi;
Detectorul cu energie proprie.
1.1.1. Senzori întruzivi sau încastrați în pavaj
1.1.1.1.Senzori cu bucla inductivă
Senzorii cu buclă inductivă reprezintă cea mai simplă și cel mai des folosită tehnică de detecție, atât datorită costurilor reduse, cât și a gradului mare de încredere asupra măsurătorilor de trafic executate cu ajutorul lor.
Principiul de funcționare este foarte simplu. O buclă realizată din cablu este îngropată în carosabil, la o adâncime de aproximativ 50 mm și este parcursă de un anumit curent. La trecerea oricărui obiect metalic de mari dimensiuni pe deasupra buclei sau staționează deasupra acesteia creează distorsiunea câmpului magnetic al buclei. Vehiculul este detectat prin sesizarea reducerii inductanței buclei, de către un modul electronic. Atunci când modificarea inductanței depășește o anumită valoare, unitatea de detecție dă un impuls la ieșire care este înregistrat în automatul de trafic sau în sistemul adaptiv de control al traficului.
Fig.1.Modul de instalare și componentele unui senzor inductiv [5]
Prin buclă trec semnale cu frecvența cuprinsă între 10-200 KHz , în funcție de tipul detectorului, bucla funcționând ca un element inductiv. Modul de instalare și componentele unui senzor inductiv este prezentatat în fig.1.
Când un vehicul trece sau se oprește deasupra buclei, inductanța acesteia scade. Scăderea inductanței crește frecvența de oscilație, iar spre controler este emis un impuls, care indică prezența sau trecerea vehiculului.
Există două tipuri de configurații clasice de instalare a buclelor inductive pe o autostradă:
Configurație buclă simplă
Configurație buclă dublă
Fig.2. Reprezentarea schematică a amplasării buclelor inductive pe o autostradă cu două benzi: bucla simplă(stânga), bucla dublă(dreapta) [5]
Pentru buclele simple, poate fi determinat fluxul de trafic și nivelul de ocupare al autostrăzii. Prin definirea lungimii medii a unui vehicul, poate fi calculată și o estimare a vitezei, pe baza timpului în care vehiculul se află deasupra bulei.
Buclele inductive pot fi amplasate în configurație dublă. În această variantă, două bucle sunt amplasate la o distanță ∆x între ele, în sensul de circulație pe banda respectivă. Gradul de ocupare și fluxul de trafic sunt similare cu cele de la buclele simple, dar rezultatele sunt mult mai precise, deoarece combină informația primită de la ambele bucle.
În plus, poate fi calculată viteza de deplasare a vehiculului, prin măsurarea diferenței de timp între prima , respectiv cea de-a doua buclă. Un alt avantaj îl reprezintă faptul că , prin aceasta metodă, poate fi calculată și lungimea unui vehicul, date ce pot fi folosite la clasificarea numărului de vehicule ce trec pe autostradă într-un anumit interval de timp.
Avantajul buclei duble îl reprezintă precizia mărită și parametrii de trafic suplimentari care pot fi măsurați. Dezavantajul îl reprezintă costul superior față de buclă simplă.
În configurația clasică, o buclă inductivă conține, pe lângă senzorul propriu-zis și echipamentul său asociat și un controler, care are rolul de a colecta datele transmise de unul sau mai mulți senzori și de a le transmite postului central.
Cu toate că sunt simple, aceste detectoare reprezintă mijloacele cele mai sigure pentru discriminarea trecerii vehiculelor. Însă, necesită anumite lucrări în infrastructură pentru realizarea canalizării cablurilor și pentru instalarea buclelor, ceea ce reprezintă costuri suplimentare față de detectoarele neintruzive.
Pentru detrminarea unor incidente care să reiasă din datele transmise, bucla este de obicei legată la un centru de management al transportului pentru o analiză computerizată.
Fig.3.Modelul sistemului de buclă inductivă [1]
AID (Automatic Incident Detection) este un procedeu automat care urmează un algoritm cu scopul de a elimina efectele ce succed evenimentului.
Beneficiile folosirii sistemului cu buclă inductivă sunt:
-atâta timp cât sunt corespunzător instalate și întreținute ILD (Inductive Loop Detector) continuă să fie cele mai bune detectoare indiferent de vreme și de semaforizarea intersecției dintre multe aplicații;
-sunt cele mai sigure numărătoare de trafic;
-se comportă bine atât în cazul unui flux de trafic ridicat cât și în cazul unui flux scăzut de trafic în orice condiții de vreme;
Dezavantajele ar fi următoarele:
-ILD poate furniza informații eronate din cauza instalării proaste, conectarea greșită a cablurilor, îngropare neglijentă;
-incapacitatea buclelor inductive de a măsura viteza. Pentru a determina viteza sunt necesare două bucle sau un algoritm implicând lungimea buclei, lungimea medie a vehiculului, timpul petrecut pe detector și numărul de vehicule care a trecut peste detector, dacă se folosește o singură buclă;
-pot fi deteriorate din cauza fulgerelor.
Unul dintre cele mai importante elemente în determinarea folosirii unui detector este costul instalării și întreținerii acestuia, costul pe întreg ciclul de viață. Pentru o singură bandă în orașele mari costurile pot ajunge până la 1000$-1500$. ILD sunt relativ ieftine.
Dacă detectoarele nu sunt instalate în momentul în care se construiește strada instalarea necesită săpături în pavaj ceea ce ar putea destabiliza structura pavajului.
1.1.1.2.Senzori magnetici.
Senzorii magnetici sunt dispozitive pasive care detectează prezența unui obiect metalic prin intermediul perturbațiilor pe care îl produce în câmpul magnetic terestru. În Fig. 4 este prezentată anomalia magnetică creată de dipolii magnetici de pe un vehicul metalic care intra în zona de detecție a magnetometrului.
Parametrii fluxului de trafic se măsoară prin utilizarea a două tipuri de senzori magnetici:
Magnetometrul cu două fluxuri detectează schimbările survenite în componența verticală și orizontală ale câmpului magnetic terestru, ca urmare a masei feroase a vehiculelor. Conține o înfășurare primară și două înfășurări secundare realizate în jurul unui miez cu permeabilitate magnetică mare.
Una dintre înfășurările secundare simte componenta verticală a prezenței vehiculului, în timp ce cealaltă, defazată cu 90 de grade, simte componenta orizontală. Ca răspuns la perturbarea creată de vehiculul rutier, circuitele electronice asociate măsoară tensiunea apărută la bornele înfășurărilor secundare. Criteriul de detecție îl reprezintă depășirea unui prag de alarmă prestabilit. În cazul în care se dorește detecția prezenței vehiculului, odată depășit pragul de alarmă, ieșirea este menținută activă până când vehiculul iese din zona activa senzorului.
În cazul în care se dorește doar măsurarea numărului de vehicule, magnetometrul furnizează la ieșire un impuls, la trecerea fiecărui vehicul.
Fig.4. Influența masei magnetice a vehiculelor asupra câmpului magnetic terestru, detectată de un senzor magnetic [5]
Magnetometrul cu inducție detectează semnătura magnetică a vehiculului prin detecția schimbărilor ce apar în liniile de flux magnetic, la deplasarea vehiculului prin acestea.
Din punct de vedere al sensibilității, magnetometrele pot detecta două vehicule aflate la cel puțin 0,3 metri distanță unul de celălalt, ceea ce face să fie la fel de precise ca și buclele inductive, în cazul numărării vehiculelor.
Pe de altă parte, cu magnetometrul nu se poate detecta clar perimetrul vehiculului existând un interval de incertitudine ±45 cm. Prin urmare, un magnetometru este foarte rar utilizat singur pentru detectarea gradului de ocupare sau al vitezei vehiculelor.
1.1.1.3.Detectorul cu magnetometru
Acest detector constă într-un mic senzor de mărimea unei conserve implantat în pavaj, un cablu conductor și un amplificator. A apărut ca o alternativă la detectorul cu buclă inductivă pentru cazurile speciale. Este un tip special de detector magnetic creat pentru a detecta prezența vehiculelor bazându-se pe observarea modificării câmpului magnetic al Pământului într-un anumit punct când diferite corpuri metalice sunt în apropierea senzorului, cum ar fi un vehicul. Magnetometrul este folosit în locurile unde este necesară detectarea prezenței vehiculului într-un anumit loc sau pe o anumită arie. Este de asemenea bun la numărarea vehiculelor. Acest tip de detector este folosit de obicei pe podurile cu punte de oțel, unde tăierea pavajului pentru introducerea buclelor inductive nu este posibilă.
Senzorul magnetometrului și cablul conductor pot rezista mai mult pe drumuri care au tendința de fărâmițare. În plus necesită o tăietură în pavaj de dimensiuni mai mici. Atât magnetometrul cât și buclele inductive au aplicațiile lor specifice și tind să se completeze unul pe celălalt.
1.1.2.Senzori neintruzivi sau suspendați
1.1.2.1.Detecția video
Pentru procesarea unei imagini video avem nevoie de una sau mai multe camere video, un computer pentru digitizarea și procesarea imaginii, și un software pentru interpretarea imaginilor și convertirea lor în date de trafic.
Sistemul de procesare a imaginii(VIP- Video Image Processor) detectează vehiculele prin analizarea imaginii unei scene din trafic și determinarea schimbărilor față de cadrele anterioare. Algoritmii de procesare a imaginii examinează variațiile nivelului de gri a grupurilor de pixel conținute în cadrul video. Aceștia au rolul de a elimina variațiile de nuanță de pe fundal cauzate de condițiile meteo, umbre, schimbările de la zi la noapte și de a reține numai obiectele identificate drept vehicule, motociclete, biciclete. Prin analizarea cadrelor succesive se calculează parametrii de trafic.
Unul dintre numeroasele sisteme VIP utilizate permite utilizatorului să definească un număr limitat de zone de detecție, în câmpul de acțiune al camerei video. Când un vehicul traversează una dintre aceste zone, el este identificat prin observarea schimbărilor pixelilor urmăriți, față de cadrele în care vehiculul era absent. Sistemul poate estima și viteza vehiculului, prin calcularea timpului în care acesta străbate o zonă de lungime cunoscută.
În timp ce imaginea este digitizată și memorată, sunt extrase caracteristicile spațiale și temporale și vehiculele din fiecare zonă de detecție, cu o serie de algoritmi de procesare a imaginii. Procesul de detecție stabilește anumite praguri, care limitează datele ce trec mai departe, în ceilalți algoritmi.
Datele eliminate nu mai pot fi recuperate dacă se fixeză unele limite prea stricte. Se permit niște limite mai largi, chiar dacă ele duc la detectarea falsă a unor vehicule, căci aceste erori pot fi eliminate de algoritmii de clasificare și identificare a vehiculelor. Segmentarea imaginii este folosită pentru împîrțirea zonei de detecție în regiuni mai mici, ale căror caracteristici pot fi analizate mai ușor. În urma analizei caracteristicilor rezultă date pentru determinarea prezenței vehiculului, a vitezei lui, și date de clasificare și identificare. Pentru recunoașterea și numărarea diverselor clase de vehicule și pentru detectarea incidentelor pot fi folosite rețele neuronale artificiale.
Fig.5.Schema bloc a sistemului de procesare a imaginii vedeo [5]
Avantajele VIP sunt multiple. Astfel, un sistem de acest gen poate înlocui mai multe bucle inductive, poate detecta prezența vehiculelor pe mai multe benzi de circulație, presupune costuri mici de amplasare sau modificare a poziției, unghiului sau amplificării. Sistemele VIP pot clasifica vehiculele în funcție de lungime și pot determina date de prezența, viteza, grad de ocupare și fluentă a traficului, pentru fiecare clasă de vehicul.
Camerele video pot fi amplasate pe partea laterală a drumului, dacă înălțimea la care sunt plasate este suficient de mare (15 metri), sau central deasupra drumului, la înălțimi mai mici (6-10 metri).
În Fig.6, distanta d de la care pot fi distinse două vehicule apropiate depinde de înălțimea de amplasare a camerei, de distanța dintre vehicule și de înălțimea vehiculului antemergător.
Fig.6. Exemplu de amplasare a camerei video [5]
d = distanță maximă la care pot fi distinse două vehicule apropiate;
h = înălțimea de amplasare a camerei;
dveh = distanța între vehicule;
hveh = înălțimea vehiculului antemergător.
Unul dintre dezavantajele detecției video îl reprezintă imprecizia în cazul unor congestii de trafic, a predominantei unor vehicule cu gabarit mare, urmate de vehicule cu gabarit normal sau de apariția unor obstacole ce pot obtura câmpul vizual al camerei.
1.1.2.2.Senzori radar cu microunde
În aplicațiile rutiere sunt folosite două tipuri de radare cu microunde: cele bazate pe principiul Doppler și cele care transmit unde modulate continuu în frecvența.
Radarul Doppler transmite un semnal cu frecvența constantă în timp.
Conform principiului Doppler, ilustrat în Fig. 7, mișcarea unui vehicul în zona fasciculului produce o modificare a frecvenței semnalului reflectat. Diferența de frecvență poate fi folosită pentru detectarea vehiculelor în mișcare și a vitezei lor de deplasare. Radarele Doppler nu pot detecta vehicule staționare.
Fig.7.Principiul de funcționare al radarului Doppler [5]
Radarul cu microunde cu modulație în frecvența transmite o frecvență ce se modifică în permanență în timp. Distanța până la vehicul este proporțională cu diferența de frecvență ∆f a undei transmise, între momentul t1 în care este emis semnalul și momentul t2 în care este recepționat. La fel, distanța poate fi determinată cu ajutorul intervalului T între două vârfuri consecutive ale semnalului emis și cel recepționat.
Radarul cu undă modulată în frecvență, prezentat în Fig.8, acționează ca detector de prezență, și poate detecta și vehiculele staționare. Radarul cu microunde cu modulație de frecvență măsoară viteza vehiculelor de pe o singură bandă de circulație, folosind o tehnică de divizare a câmpului în direcția de circulație a vehiculului, în mai multe diviziuni înseriate. Senzorul radar cu microunde și modulație în frecvență este folosit pentru măsurarea gradului de ocupare al benzii și al volumului de trafic, pentru sistemele de semafoare cu indicație adaptată la trafic, precum și pentru monitorizarea congestiilor de circulație, a gradului de ocupare și vitezei traficului, pentru algoritmii de detectare automată a incidentelor.
Fig.8.Principiul de funcționare al radarului cu modulație în frecvență [5]
Energia microundelor este transmisă printr-un fascicul către o suprafață a drumului de la o antenă montată pe un pilon. Când vehiculul trece prin fascicul, energia este reflectată către antenă la o frecvență diferită. Detectorul simte schimbarea de frecvență, ceea ce denotă faptul că a trecut un vehicul. Frecvența operațională a semnalului este în mod normal în banda K (24 GHz) sau X (10GHz). Antena este orientată către trafic creând un efect doppler la semnalul reflectat, de aceea vehiculul trebuie să circule cu minim 5 km/h ca să fie detectat. Radarele sunt comercializate de o lungă perioadă de timp. Cu toate acestea aplicațiile lor au fost limitate la cazuri speciale deoarece erau relativ greu de întreținut, erau vulnerabile la vandalism și cel mai important puteau fi folosite doar pentru detecția prezenței, a trecerii vehiculelor prin dreptul lor, doar cele în mișcare. Noile dezvoltări la detectoarele cu radar au corectat multe din vechile probleme iar acum acestea pot detecta prezența. Un alt tip de detector cu microunde se montează lângă semafoarele suspendate și o singură unitate este capabilă să acopere mai multe benzi. În orice caz detectoarele cu microunde sau cu radar sunt limitate și sunt folosite mai ales pentru a semnaliza aproprierea unui vehicul de intersecție. Sunt bineînțeles cunoscute calitățile sale pentru determinarea vitezei.
1.1.2.3.Detectoare cu infraroșu
Detectoarele cu infraroșu sunt foarte mult folosite în Anglia pentru traversările pietonale cât și pentru controlul semnalului. În San Francisco sunt utilizate pe podul Bay Bridge și sunt montate la interval de 18 m deasupra punții podului. Ele detectează prezența vehiculelor pe cele 5 benzi astfel determinând gradul de ocupare a podului.
Dezavantajele detectoarelor cu infraroșu sunt că schimbările de lumină sau de vreme afectează fasciculul infraroșu. Deci este sensibil la apă și lumină având constrângeri de mediu. De aceea a fost pusă în discuție eficiența în caz de flux ridicat și în plus nu înregistrează nici numărul de vehicule. Dispozitivul trimite un flux infraroșu pe suprafața pe care o monitorizează și în momentul în care apar vehicule raza infraroșu este reflectată și focusată de un sistem optic într-o matrice senzorială. Un detector activ infraroșu apărut ulterior este capabil să detecteze apropierea de intersecție (cu 20,30 m față de linia de stop) cât și prezența la semafor, contorizează vehiculele, măsoară viteza și oferă informații despre coada formată. Lungimea cozilor acumulate se poate detecta, monitoriza și procesa în cazul sistemelor care au detectoarele amplasate în amonte. Acest lucru este posibil, deoarece detectorul se află amplasat în spatele cozii de vehicule. Aceste unități sunt montate undeva la 4.5m până la 9 m. Pot fi montate mai multe unități fără a apărea interferențe între ele și astfel exactitatea informației crește. Un dispozitiv pasiv de infraroșu poate determina numai vehiculele în mișcare pe o rază de 91 m de unde este amplasat. Distanța poate fi reglată prin focalizare. Pentru a elimina detecția de pe mai multe benzi la distanțe mai mari de 30 m opțiunea pentru benzi lungi este recomandată. Pentru detecție în apropiere este indicată focusarea pe lungimi medii și scurte.
1.1.2.3.1.Senzori pasivi în infraroșu
Acești senzori măsoară diferența între cele mai mici schimabări ale radiației termice, produse de deplasarea vehiculului în sau prin câmpul lor de acțiune. Analiza semnalului controlată prin microprocesor realizează o adaptare automată la condițiile de contrast ambientale.
Fig.9.Principiul de funcționare al unui senzor pasiv în inflarosu [5]
Senzorii cu o singură zonă de detecție pot măsura volumul, gabaritul sau momentul trecerii unui vehicul. Detecția multicanal oferă informații de prezență, numărarea vehiculelor și alte trăsături avansate, în funcție de configurație. Acest tip de senzori sunt proiectați pentru detectarea vehiculelor, cu funcții programabile de către utilizator în funcție de cerințele sistemului, de locul de amplasare și de utilizarea specifică, și anume: numărarea vehiculelor, detectarea prezenței la linia de stop, detectarea gradului de ocupare, detectarea coloanei de vehicule.
1.1.2.3.2.Senzori activi în infraroșu
Acești senzori iluminează zonele de detecție cu energie în infrarosu transmise de diode laser care lucrează în vecinătatea spectrului IR din radiația electromagnetică. Energia IR reflectată de vehiculele ce traversează zona activa este focalizată de un sistem optic într-un material fotosensibil montat în focarul obiectivului. Senzorii activi au două sisteme optice: sistemul de transmisie dispersează radiația în doi lobi, separați la un anumit unghi. Sistemul optic al senzorului de recepție are un unghi de deschidere al obiectivului mai mare, pentru a recepționa ușor energia reflectată de vehicule. Pentru măsurarea vitezei vehiculelor, senzorii transmit cel puțin două fascicule.
1.1.2.4.Detectoarele ultrasonice
Detectoarele ultrasonice au fost inițial descoperite în anii ’50. Foarte multe agenții le-au folosit, dar apoi au renunțat din cauza problemelor care interveneau în utilizare. Aceste detectoare folosesc aproximativ aceeași tehnologie ca cele radar. La fel, transmite un fascicul de energie într-o zonă ca apoi acesta să fie reflectat. Detectorul ultrasonic transmite energie sub formă de pulsuri ultrasonice de energie (20-50kHz-sunet pe care urechea umană nu îl detectează, 20-25 ori pe secundă) printr-un traductor. Traductorul este montat peste drum în timp ce receptorul este montat într-o altă încăpere sau la un loc cu controllerul.
1.1.2.5.Detectorul cu energie proprie
În principiu acest sistem este alcătuit dintr-un senzor cilindric încorporat în drum ce conține un traductor, un transmițător cu antenă și o baterie. Senzorul încorporat în drum operează în principiu la fel că senzorul magnetometru. El este alimentat cu o baterie internă și conexiunea să la releu este o legătură prin radio. Receptorul include un receptor FM disponibil în comerț și un decodor de sunet. Nu este nevoie de cabluri.
SPVD (Self-powered vehicle detector) poate să măsoare trecerea vehiculelor, prezența, numărul și gradul de ocupare. Măsurătorile de viteză sunt posibile folosind două astfel de detectoare setate la o distanță prestabilită. Aceste tipuri de detectoare rezolvă problema buclelor și a axei unice a magnetometrelor. Acestea utilizează o axă dublă a magnetometrului care nu numai că ia în considerare componenta verticală a câmpului magnetic terestru, ci utilizează și componenta orizontală magnetică pentru a elimina efectiv dubla numărare a vehiculelor. De asemenea include un convertor analog-digital de 14 biți și un microcalculator de 8 biți pentru autocalibrare, pentru a se acomoda cu schimbările sezoniere de temperatură. Aceasta elimină necesitatea de a veni un tehnician să calibreze detectorul. Detectorul cu energie proprie folosește energia unei baterii alcaline care furnizează energie timp de aproximativ 4-5 ani.
Detectorul cu energie proprie este ușor de instalat în șosea ceea ce reduce timpul de închidere a benzii și costurile. Folosind o mașină de găurit cu un burghiu de 8 inch sau un ciocan pneumatic detectorul este îngropat la aproximativ 8 cm sub asfalt cu un inch (2,54 cm) de nisip peste el. Procedeul acesta ferește unitatea de avarie, când șoseaua este măcinată și reînnoită îmbrăcămintea rutieră. Greutatea și crăpăturile pavajului nu au nici un efect asupra operabilității detectorului. Timpul de instalare al unui detector de acest tip este de aproximativ 30-45 de minute, astfel nefiind probleme cu congestia și neprovocând inconveniente participanților la trafic. Receptorul furnizează rezultate optoizolate controllerelor de trafic pentru a indica prezența sau detectarea de puls, precum și bateria slabă și indicația de eșec.
Aplicații SPVD:
Detecția vehiculelor care merg pe contrasens
Fluxul de trafic normal va activa unitatea SPVD A și apoi unitatea B. Dacă această secvență a fost inversă, receptorul va da un rezultat care să activeze licărirea unui semnal luminos care să avertizeze faptul că se circulă pe contra-sens. Acest sistem poate fi folosit pe poduri, străzi cu sens unic, autostrăzi etc.
Detecție avansată (prevenire)
SPVD este ideal pentru a fi folosit la câteva sute de metri de la linia de stop ca și detector avansat de trafic. Folosindu-l în această aplicație se va salva timp și bani.
Detecția la trecerile de nivel de cale ferată
Unele treceri de nivel de cale ferată sunt foarte apropiate de intersecțiile rutiere, uneori la numai câțiva metri. Este foarte dificil pentru autobuzele de elevi sau pentru camioane să oprească la linia de stop pentru a fi detectate, în timp ce o parte a vehiculului ar fi pe șine. Buclele nu pot fi folosite să detecteze camionul în partea îndepărtată, spre șine, deoarece trepidațiile trenului ar putea rupe bucla și terasamentul nu ar fi adecvat pentru instalarea unei bucle și astfel autobuzul nu ar putea fi detectat la intersecție. SPVD poate transmite și peste șine, astfel autobuzul fiind detectat în siguranță la intersecție.
Detecția temporară în timpul unei construcții
În timpul construcției de drumuri, când drumul a fost măcinat și buclele împreună cu el, intersecțiile sunt adesea fără orice sistem de detecție a vehiculelor. SPVD se poate instala pe timpul construcție pentru a asigura detecția. Când este reînnoită îmbrăcămintea asfaltică SPVD poate să rămână să servească ca dispozitiv principal de detecție sau poate fi înlăturat și folosit la alte eventuale lucrări de reconstrucție.
Detecția la intersecții
SPVD poate fi folosit pentru detectarea vehiculelor la bară de oprire sau în benzile de redirecționare către stânga, la o intersecție.
SPVD poate să detecteze atât prezența cât și detectarea de puls pentru gradul de ocupare sau numărare.
Arii cu detecție dificilă
SPVD poate fi instalat în multe locuri unde buclele nu pot fi instalate. Asta include străzi murdare, pietruite, pavate cu bolovani de pavaj și pentru detectare pe poduri. SPVD poate fi montat sub un pod și mărind sensibiltatea și autoreglarea poate detecta vehiculele de pe pod prin placă astfaltică a podului.
Detecția în intersecții lăturalnice cu semafoare cu timer
În orașele mari unde semafoarele sunt planificate se irosește timp pe străzile lăturalnice unde puținele mașini încearcă să intre în intersecție. Schimbarea situației necesită săpături sub învelișul asfaltic, borduri și trotuare pentru a se adapta la operațiile de trafic inteligent din intersecție. Instalând SPVD este de departe mai eficient și mai ușor decât instalarea buclelor inductive.
Fig.10. Sistemul SPVD [1]
1.2.7.2.Avantaje și dezavantaje ale tipurilor de senzori de trafic
Bucla magnetică are avantajul unui design flexibil, ce poate satisface o gamă largă de aplicații; tehnologia este foarte bine înțeleasă; oferă parametri de trafic de bază(volum, prezenta, grad de ocupare, etc).
Bucla magnetică are dezavantajul că instalarea presupune lucrări în pavaj, implicit scăderea de viața a pavajului; lucrările de instalare și întreținere presupun închiderea drumului; deobicei este nevoie de mai mulți detectori.
Magnetometrul are avantajul că e puțin mai sensibil decât buclele, la trafic și temperatura; unele modele pot tansmite datele prin legătura RF.
Magnetometrul are dezavantajul că instalarea presupune lucrări în pavaj, și implicit scăderea de viața a pavajului; lucrările de instalare și întreținere presupun închiderea benzii de circulație; au zone de detectare mici.
Senzorii magnetici au avantajul că pot fi folosiți în zone improprii pentru buclele magnetice; sunt mai puțin sensibili decât buclele, la trafic și temperatura.
Senzorii magnetici au dezavantajul că instalarea presupune lucrări în pavaj; nu pot detecta vehicule oprite.
Radarul cu microunde are avantajul că nu poate fi afectat de condițiile climatice și măsoară direct viteza.
Radarul cu microunde are dezavantajul că antenă și formă de unda folosită trebuie să fie potrivite aplicației; senzorul Doppler nu poate detecta vehiculele.
Senzorii activi în infraroșu au avantajul că transmit fascicule multiple pentru măsurarea precisă a poziției, vitezei și clasei vehiculului.
Senzorii activi în infraroșu au dezavantajul că funcționarea poate fi afectată pe timp de ceață.
Senzorii pasivi în infraroșu au avantajul că măsoară viteza pe mai multe zone; permit operarea pe mai multe benzi de circulație.
Senzorii pasivi în infraroșu au dezavantajul unei sensibilități reduse pe timp de ploaie și ceața.
Senzorii ultrasonici au avantajul că permit operarea pe mai multe benzi de circulație.
Senzorii ultrasonici au dezavantajul că funcționarea lor poate fi afectată de unele condiții climatice, cum ar fi schimbările de temperatură; perioadele mari de repetiție a impulsurilor pot afecta măsurătorile de ocupare a benzii, în cazul circulației la viteze mari.
Senzorii acustici au avantajul unei detecții pasive; insensibili la precipitații; permit operarea pe mai multe benzi de circulație.
Senzorii acustici au dezavantajul că precizia datelor este afectată de temperaturile scăzute; unele modele nu sunt recomandate pentru detectarea vehiculelor ce se deplasează lent.
Procesarea imaginii video are avantajul că supraveghează mai multe benzi sau zone; zona de detecție este ușor de modificat; oferă o cantitate mare de date; oferă posibilitatea de detecție pe zone mari, atunci când sunt puse în legătură imaginile de la mai multe camere video.
Procesarea imaginii video are dezavantajul că obiectivul camerei este sensibil la tranziția de la noapte la zi, obstacole, apa, sare, particule de gheață, etc; camera trebuie montată la o înălțime de 20 de metri, pentru detectarea optimă a prezenței și măsurarea vitezei; unele modele au probleme din cauza mișcării camerei video la vânt puternic.
2.Monitorizarea și supravegherea traficului interurban
Într-un sistem de management al traficului, componentă de detecție și supraveghere reprezintă acea parte a sistemului în care sunt colectate datele ce descriu sau caracterizează condițiile de trafic de pe autostradă. Datele sunt folosite pentru a furniza informații referitoare la condițiile de trafic altor componente ale sistemului său altor sisteme similare. Astfel, componentă de monitorizare și supraveghere asigura informațiile necesare mai multor funcții de management al traficului, printre care : măsurarea fluxului de trafic și a condițiilor de mediu, formularea deciziilor de management al traficului, diseminarea informațiilor către călători, monitorizarea și evaluarea performantelor sistemului, detecția și verificarea incidentelor, managementul intervenției de urgență, managementul accesului pe rampă, stabilirea de strategii, etc.
Datele culese și precizia lor depind de aplicația specifică în care sunt folosite. Componentă de detecție și supraveghere nu se limitează la obținerea de informații referitoare la trafic, ci poate oferi informații referitoare la condițiile meteorologice și starea drumului, vizibilitate, poziția anumitor vehicule și altele.
În concluzie, principalele date furnizate pentru managementul traficului interurban sunt:
Volumul sau fluxul de trafic
Viteza de călătorie
Gradul de ocupare, sau densitatea
Timpul de călătorie al vehiculelor
3.Elemente de strategie a reglementării
În cele ce urmează se va insista asupra strategiei de reglementare adaptivă, care implică tehnologie informatică și importante preocupări de modelare și simulare. Această strategie este alternativă modernă la strategia de reglementare cu timpi fixați care este înlocuită treptat.
Reglementarea adaptivă depinde de informațiile recoltate printr-o rețea de detectare cu diferite caracteristici potrivit cu natura circulației și tipurile de informații necesare reglării. Rețeaua de detectare este formată din detectoare rutiere, detectoare pentru transportul în comun și detectoare pentru pietoni. Pentru detecția rutieră cele mai răspândite sunt buclele inductive de diferite tipuri:
bucle transversale pentru detectarea prezenței sau trecerii unui vehicul în apropierea liniei de oprire de pe o cale de rulare;
bucle longitudinale care se montează suplimentar față de buclă transversala și care poate avea o profunzime de până la 30m, care semnalează cererile de acces în intersecții;
bucle avansate, plasate la 80-100m de linia de oprire pe o cale de rulare care servește la măsurarea debitului pe minut și a gradului de ocupare a arterei de circulație, informații importante pentru alegerea timpului de reglementare la nivelul macroreglarii.
Detectoarele pentru transportul în comun sunt cu elemente pasive, bucle de detecție pe culoarul rezervat, dispozitive de contact pe linia aeriană de alimentare a tramvaielor sau troleibuzelor sau sine izolate de transport. Elementele de detecție active prin radio IF sunt fiabile, identifica corect vehiculele, dar presupun costuri mai mari.
Elementele de detecție pentru pietoni cele mai răspândite sunt butoane acționate de pietoni, dispozitivele cu raze infraroșii nu și-au dovedit încă eficienta.
Strategia bazată pe reglementarea adaptivă are în vedere, pe lângă alegerea sistemelor de detecție, și amplasarea lor și evaluarea încărcării fiecărei intersecții și ramuri ale acestora, precum și studierea fluctuațiilor orare și săptămânale sau sezoniere. În funcție de parametrii obținuți, se poate formula cererea de programe de reglementare și regimul dorit de funcționare ca intersecții izolate sau coordonate. Astfel, coordonarea este dorită în cazul în care coeficientul de coordonare pe un tronson este 10.
Coeficientul de coordonare este dat de relația:
în care:
TCij = volumul traficului între intersecții succesive (ij)
TȚij = traficul total de intrare în sistemul celor două intersecții
dij = distanța dintre cele două intersecții (km).
Programele de reglementare adecvate pentru diferite intensități și situații de trafic pot fi schimbate manual sau prin mecanism de temporizare însa soluția cea mai modernă este alegerea programelor în funcție de trafic.
4.Sisteme de semnalizare optică
Primul semafor din istoria omenirii a fost un model care funcționa pe gaz și a fost instalat la Londra la data de 10 decembrie 1868, la intersecția dintre Bridge Street și Palace Yard. Lanterna era montată pe un pivot de oțel de 7 m înălțime. Pe o parte era roșie iar pe cealaltă parte era verde. Pivotul de susținere era rotit cu ajutorul unui levier de către un agent de poliție.
În 1908 se stabilesc, în cadrul unei Conferințe Internaționale, primele reguli mondiale pentru semnalizarea pe drumuri. Merită menționat că în anul 1807, Napoleon a impus în Europa circulația pe dreapta, aceasta înscriindu-se printre măsurile luate în cadrul blocadei continentale contra Angliei.
Primul semafor electric, inventat de James Hodge, a fost instalat la data de 5 august 1914 în Cleveland, Ohio. Acesta era prevăzut și cu o sonerie electrică ce se declanșa la schimbarea culorii. Sistemul era compus din patru perechi de lămpi montate la colțurile străzilor, ca și în prezent pentru o intersecție simplă în cruce. În fiecare colț era montată câte o lampă pentru STOP și o lampă pentru LIBER. Lămpile erau împerecheate două câte două astfel încât să nu existe situații conflictuale la circulația pe direcțiile ortogonale, perpendiculare între ele. Comanda se dădea manual dintr-un post amplasat într-unul din colțuri.
Semaforul automat, așa cum este cunoscut astăzi, a fost introdus în 1926. Evoluția acestuia este remarcabilă, ajungându-se astăzi la semafoare inteligente. De fapt, acestea primesc informații de la camere video și senzori de prezența incastrați în carosabil, respectiv de la senzori de gaze poluante și, pe baza unui program, dirijează traficul auto în mod automat.
Semaforizarea intersecțiilor cu trafic numeros a devenit o necesitate pentru a se asigura fluidizarea traficului și pentru a se evita blocajele din trafic și alte evenimente rutiere neprevăzute.
Multe orașe s-au dezvoltat și au crescut în dimensiuni într-o perioadă foarte scurtă, lipsindu-le însă infrastructura de drumuri necesară unui trafic modern, precum și fondurile necesare implementării acesteia. Acest fapt conduce la folosirea ineficientă a rețelei de drumuri, de multe ori sub forma unor drumuri întinse, cu multe semafoare, adesea foarte apropiate între ele. Efectul opririi vehiculelor într-o intersecție semnalizată este formarea unei cozi în spatele liniei de oprire. Când aceasta coadă este eliberată de culoarea verde a semaforului, ea se va descărca la capacitatea maximă (fluxul de saturație) și va înainta sub forma unui pluton. Dacă atunci când plutonul se apropie de o altă intersecție semaforizată, timpul de sosire coincide cu începutul timpului de verde, vehiculele nu au nici o întârziere la trecerea prin intersecție. Dacă plutonul trebuie să oprească, coada de așteptare se mărește și poate depăși capacitatea drumului, crescând până provoacă blocaj și în intersecția anterioară.
Obiectivele coordonării semafoarelor sunt:
– prevenirea extinderii cozii de vehicule dintr-o intersecție și interferarea acesteia cu alte intersecții;
– creșterea capacității drumului;
– sporirea confortului șoferului prin reducerea numărului de opriri și
fluidizarea traficului;
– oferirea unor întârzieri totale minime pentru utilizatorii drumurilor,
micșorând timpul de călătorie;
– reducerea consumului de combustibil – deci reducerea poluării în zonă;
– impunerea unei conduite de siguranță a șoferilor, deoarece ei merg grupați cu viteză stabilită pentru undă verde; se reduce astfel probabilitatea depășirii vitezei maxime legale și implicit a numărului de accidente ca și gravitate a acestora.
La mijlocul anilor ’90 au fost introduse semafoarele cu leduri în locul celor care utilizau becuri incandescente sau cu halogen. Spre deosebire de luminile incandescente, care folosesc un singur bec, semafoarele cu leduri conțin o mulțime de elemente luminatoare aranjate în diferite modele. Văzute de la distanță, acestea par ca o continua sursa de lumină.
Semafoarele cu leduri au câteva avantaje față de semafoarele cu bec, cum ar fi:
– mai mare eficiență energetică (pot fi și solare);
– durată mai mare de funcționare maasurata în ani;
– mai bună iluminare și un contrast mai bun împotriva razelor soarelui;
– abilitatea de a afișa mai multe culori pe aceeași lampă (în cazul în care leduri de mai multe culori sunt dispuse pe aceeași lampă);
– schimbare a luminii mult mai rapidă;
În prezent majoritatea semafoarelor pentru autovehicule pot avea următoarele proprieteti:
-trei culori de avertizare: roșu, galben, verde,
-in majoritatea situațiilor culoarea galbenă a semaforului apare ca tranziție de la culoarea verde la culoarea roșie a semaforului, pentru a avertiza conducătorii auto să încetinească în vederea opririi,
-contoare de timp pentru ambele culori verde și roșu ale semaforului care își decrementează valoarea la fiecare secundă, reprezentând timpul rămas până la schimbarea culorii curente.
Cea mai utilizată metodă de interconectare a semafoarelor folosete un timp de ciclu (serie completă de etape în care toate manevrele de trafic sunt servite pe rând. Timpul de ciclu este suma timpilor tuturor etapelor) comun pentru toate intersecțiile și semafoarele sunt sincronizate astfel încât perioadele de plecare de la semafoare să fie în legătură unele cu altele în concordantă cu viteză pe drumul respectiv pentru a rezultă o "progresie" de perioade de verde de-a lungul drumului, în ambele direcții. Viteza de deplasare trebuie considerată rezonabilă de către șoferi. Dar dacă depășirea vitezei era un lucru des întâlnit înainte de coordonare, atunci viteza măsurată va fi prea mare pentru o deplasare sigură. În acest caz trebuie folosită o viteză moderată pentru a asigura deplasarea plutonului conform limitei legale.
Fig.11.Timpii semafoarelor într-un sistem progresiv simplu poate fi stabilit cu ajutorul diagramelor[10]
Pe aceste diagrame, distanțele între intersecții de-a lungul drumului sunt reprezentate pe abscisă (axa Y), iar timpii de călătorie sunt reprezentați pe ordonată (axă X). Liniile înclinate reprezintă vitezele alese pentru progresie și stadiile de verde în intersecții succesive. În mod normal, problema este de determinare, prin încercări și erori, a vitezei optime pentru un timp de ciclu fixat. Pentru drumul cu sens unic, benzile verzi urmează una alteia, în secvență. Șoferul, trecând printr-o intersecție, va avea culoarea verde când va ajunge în fiecare intersecție.
Atunci când strada este cu sens dublu și intersecțiile nu sunt la distanțe egale, apare o situație mai complexă și poate fi necesar să se ajungă la un compromis pentru progresiile celor două direcții. Poate fi de asemenea necesar să se tină cont și de alte condiții, cum ar fi fluxurile de vehicule de pe străzile laterale.
Metoda diagramei timp-distantă poate fi folosită pentru a favoriza o anumită direcție, de exemplu favorizarea vârfului de trafic de dimineața pe o direcție cu costul creșterii întârzierii a câtorva vehicule călătorind pe direcția opusă. Situația poate fi inversată pentru vârful de trafic de seară. Timpul de ciclu pentru un sistem de semnalizare coordonată este în mod normal stabilit de semnalizarea unei intersecții principale (de exemplu intersecția cu fluxul de trafic cel mai mare). Timpul de verde care este în plus, ar trebui alocat pentru a elibera traficul care intră pe strada principală de pe drumurile secundare, pentru a nu întârzia plutonul ce traversează intersecția.
Echipamentele de semnalizare luminoasă sunt montate sub forma unor baterii luminoase colorate care se adresează diferitelor categorii de participanți la traficul rutier. Pe lângă aceste baterii principale mai există și baterii repetitoare de semnal pentru repetarea în profunzime a semnalizării pentru întregul grup de participanți la trafic.
4.1.Mecanisme pentru interconectarea semafoarelor
4.1.1. Interconectarea prin cablu
Controlerele locale de semnalizare ce lucrează în intersecții, pot fi legate prin cablu de un controler principal. Acesta asigură sincronizarea controlerelor locale, prin trimiterea unor semnale de control sau a unor instrucțiuni.
4.1.2. Interconectarea fără cablu
Legătura între semafoare se poate realiza, de asemenea, prin alte tipuri de legături, ce nu necesită cablu, cum ar fi radio, etc. Concepute inițial pentru a oferi avantajul unei coordonări pe arie largă, evitând în același timp costul mare al cablurilor subterane, aceste sisteme sunt acum mai pu în competitive decât sistemele controlul traficului zonal (CTZ), deoarece nu permit supervizarea rețelei și detectarea defectelor sau folosirea unor sisteme dependente de trafic, cum ar fi controlul cozilor de la semafor.
4.1.3. Semnale coordonate cu timp prestabilit
Aceste sisteme se bazează pe presupunerea că valorile fluxurilor de trafic se repetă săptămânal și setările de semnalizare pot fi pregătite pentru a face fată unor fluxuri previzibile. Timpii de semnalizare pot fi stabiliți pentru o zi din săptămână sau pentru o oră din zi. Aceste sisteme au nevoie de controlere cu ceasuri interne sincronizate și, tipic, un minim de 6 planuri de semnalizare din care să aleagă.
De obicei, acestea includ planuri pentru:
vârfurile de dimineață;
vârfurile de după-amiază;
vârfurile de seară:
sâmbete, duminici și sărbători;
lumini galbene intermitente pentru noapte.
4.1.4. Controlul traficului zonal (CTZ)
Controlul traficului zonal este un control centralizat al semafoarelor de pe o zonă extinsă, ce folosește microprocesoare și tehnologii informatice. De obicei, controlerele locale de pe străzi sunt legate la unul sau mai multe calculatoare centrale, prin cabluri de transmisie de date. Cablurile acestei rețele pot fi dedicate sau pot fi circuite închiriate ale companiei telefonice (sau o combinație a ambelor, în funcție de cost). Controlul urban al traficului (CUT) implică coordonarea centrală a semafoarelor, la fel ca și CTZ, dar include și alte facilitați, cum ar fi controlul spațiilor de parcare sau panouri cu mesaje variabile.
Principalele facilitați oferite de CTZ sunt:
condiții optimizate de semnalizare: cu ajutorul controlului calculatorului central setările semafoarelor pot fi optimizate pentru o zonă pentru a produce întârzieri minime și pentru a reduce timpul de călătorie
flexibilitatea controlului: schimbarea condițiilor de trafic poate fi furnizată pentru actualizarea valorilor fluxurilor. Setările semafoarelor pot fi ușor modificate prin intervenție manuală de la centrul de control; astfel se poate modifica planul actual de semnalizare sau acesta se poate înlocui cu un nou plan
monitorizarea defectelor: una dintre cele mai importante facilitați oferite este monitorizarea continuă a operațiunilor semafoarelor legate la calculator. Orice defect este detectat și raportat imediat astfel încât repararea să poată începe cât mai rapid.
prioritatea vehiculelor de urgentă sau a celor destinate transportului public de călători: pentru mașinile de pompoeri, de exemplu, care pornesc mereu din același loc, pot fi stabilite planuri speciale de semaforizare, în funcție de anumite „trasee preferate", acestea fiind memorate în calculatorul central.
reducerea numărului de accidente: sistemul CTZ îmbunătățește siguranță în trafic, din implementările actuale (Canada, Anglia, Scoția și altele.) rezultând o diminuare a numărului de accidente cu până la 20%.
Implementările sistemului CTZ sunt multiple, pornind de la analizarea timpilor actuali de semaforizare și modificarea acestora, la analiza intersecției și stabilirea tuturor modificărilor necesare (numărul de benzi, lățimea acestora, timpii de semaforizare etc.) și până la implementarea unui sistem dependent total de trafic.
5.Automatul de trafic
Tabloul de comandă sau controllerul de trafic, care este amplasat în proximitatea intersecțiilor și care recepționează semnalele de la detectoarele de trafic, aplica planul de semnalizare și comanda bateriile de semnalizare potrivit programelor implementate. Planul de semnalizare este un ansamblu de programe care asigura elaborarea soluțiilor pentru comanda optimă a semafoarelor, în raport cu fluctuațiile de trafic.
În cazul unei intersecții independente, se pot aplica programe de reglare la intervale fixe (sistemele ce se bazează pe o automatizare clasică), sau programe de reglare adaptivă care în seamă de fluctuațiile momentane ale traficului rezultate din măsurători. Reglarea adaptivă aplica algoritmi de programare aciclică sau ciclică, testează și verifică pentru a avea rezultate optime pentru anumiți parametri de trafic orar său zilnic.
Intersecțiile unui tronson rutier, care funcționează în regim coordonat, beneficiază de un nivel de microreglare care ține seama de parametrii de programare ai tronsonului rutier, iar în cazul unei rețele, coordonarea în ansamblu a traficului este încredințată unui nivel de macroreglare.
Sistemele moderne adaptive includ echipamente de calcul capabile să susțină sistemele de programare prezentate, sisteme care sunt rezultatul unor importante etape pregătitoare de simulare și testare, aplicate flecarei intersecții sau fiecărui sistem de trafic rutier având în vedere parametrii specifici ai acestora.
6.Ecranul de afișare
O componentă care lipsește sistemelor de conducere în timp real, implementate în prezent, este informarea continuă a participanților la trafic în legătură cu condițiile de trafic de pe porțiunea de drum pe care aceștia se deplasează sau nu numai. Prin instalarea repetoarelor de-a lungul carosabilului, infrastructura este deja pregătită pentru adăugarea unor ecrane de informare a participanților la trafic alături de repetoare sau chiar prin integrarea cu acestea. Caracteristicile pe care ecranele de informare trebuie să le îndeplinească sunt următoarele:
dimensiuni care să permită vizibilitatea din traficul rutier urban, intre 4m2 și 20m2;
funcționarea indiferent de condițiile meteo;
dimensiunea ledului intre 10mm (pentru ecranele de dimensiuni mici) și 22mm (pentru ecranele cu dimensiuni mari);
comunicare serială RS232 și RS485.
Capitolul II: Sisteme de comunicații vehicul-infrastructură
Tipuri de comunicații de date
Comunicațiile de date sunt necesare pentru colectarea datelor și pentru distribuirea informațiilor. În ceea ce privește infrastructura, sunt utilizate comunicațiile staționare. Datele obținute de la sursele fixe, cum sunt detectorii în buclă și televziunile cu circuit închis, pot fi transmise la centrele de management și apoi distribuite de acestea prin intermediul comunicațiilor staționare sau mobile. În ceea ce privește vehiculul, sunt necesare comunicațiile mobile. Datele obținute de la sursele mobile, precum patrulele din elicopter și ieșirile din procesoarele de date amplasate în vehicul, precum coordonatele GPS, trebuie să fie transmise la centrul de management prin intermediul comunicațiilor fără fir sau mobile.
Toată infrastructura de telecomunicații existenta și viitoare, staționară și/sau mobila poate și trebuie să fie utilizată pentru funcțiile ITS în scopul de a minimiza costurile și de a valorifica în continuu progresul tehnologic din industria telecomunicațiilor. Rețeaua digitală de servicii integrate(ISDN-Integrated Service Digital Network) este o infrastructură de telecomunicații obișnuită pentru integrarea tuturor formelor de semnale – voce, imgine, video și date – toate la forma digitală în concordanță cu un standard internațional. O posibilă aplicație ISDN pentru managementul traficului este transmiterea de semnale digitale prin intermediul camerei video.
Fibre optice
Fibrele optice reprezintă un mediu pentru undele luminoase purtătoare de semnal sau pulsațiile care transmit informații de la un punct la altul prin intermediul unor fibre optice foarte subțiri. Caracteristicile lor atractive se referă la absența interferențelor, atenuare relativ scăzută și lățime de banda extrem de mare sau debit mare de biți, astfel încât poate fi transmisă simultan o cantitate foarte mare de informații. Costul fibrelor optice este atât de scăzut încât costul cel mai mare se referă la instalarea lor mai degrabă decât la materiale. Unele autorități de trafic au considerat că este mai bine să partajeze dreptul de conexiune a drumului cu industria telecomunicațiilor și să instaleze fibre optice de-a lungul autostrăzilor în timpul construirii acestora decât să efectueze ulterior instalarea acestora.
Comunicații fără fir
În ceea ce privește vehiculul, comunicațiile fără fir sunt din ce în ce mai utilizate în ITS. În multe țări, conducătorii vehiculelor raportează din ce în ce mai des incidentele de trafic de pe autostrăzi prin intermediul telefoanelor mobile. Noile sisteme de comunicații personale sunt digitale. Comunicațiile de date prin intermediul sistemelor celulare digitale au devenit realizabile datorită pachetelor de date digitale celulare și a unor tehnici particulare de comunicații de date fără fir cu comutare de pachete. Noile servicii de telefonie digitală celulare, bazate pe standarde TDMA( Time Division Multiple Acces – Acces multiplu prin divizarea timpului), CDMA(Code Division Multiple Acces – Acces multiplu prin divizarea codului) precum și pe standardul european GSM(Global System for Mobile communications – Sisteme globale pentru comunicații mobile) au fost lansate deja pe piață.
Aceste comunicații mobile prezentate mai sus sunt destinate comunicațiilor pe zone întinse, în care transmițătorul și receptorul se afla la distanțe foarte mari unul de celălalt(de ordinul kilometrilor). De obicei, în comunicațiile e zone întinse, datele sau informațiile ITS sunt grupate împreună cu alte mesaje, în general cu comunicațiile administrate, de operatorii din industria telecomunicațiilor.
Pe de altă parte exista și comunicațiile dedicate de rază scurtă(DSRC – Dedicated Short Range Communications) pentru ITS, în care raza de acoperire este atât de scurtă încât comunicațiile sunt utile doar pentru anumite scopuri dedicate.
În general, cei care investesc în infrastructura transmițătoarelor(balizelor) DSRC nu fac parte din industria telecominicatiilor ci din organizații publice sau private interesate de anumite sisteme de tip ITS care utilizează cominicatii dedicate cu rază scurtă.
Serviciile ITS bazate pe comunicații dedicate cu rază scurtă sunt următoarele:
colectarea electronică a taxelor(ETC – Electronic Tel Collection);
operarea vehiculelor comerciale(CVO – Commercial Vehicle Operations);
managementul parcărilor;
programarea semnalelor;
semnalizarea în vehicul;
informarea călătorilor în vehicul;
ghidarea rutei bazată pe balize.
Deoarece balizele pentru colectarea electronică a taxelor(ETC) pot fi instalate de-a lungul infrastructurii drumului, precum și la locul de colectare a taxelor, poate fi obținut și timpul călătoriei unui vehicul, în scopul managementului traficului.
Informarea conducătorului vehicului
Utilizarea informațiilor referitoare la trafic poate furniza conducătorului vehiculului informații privind ghidarea asupra rutei sau un suport suplimentar pentru controlul vehiculului, de exemplu evitarea accidentelor.
Referitor la serviciile de navigare, datele privind localizarea vehiculului, determinate cu ajutorul sistemelor de poziționare globală și a altor mijloace complementare pot fi furnizate în vehicul pe o hartă digitală. În ceea ce privește serviciile de ghidare asupra rutei, harta digitală trebuie să ofere caracteristici ale segmentelor de drum, precum dimensiune, restricții de întoarcere, taxe, timp de călătorie în funcție de limitele de viteza și durata zilei, etc. Cunoscând punctul de origine și destinația, un software specializat, poate furniza ruta optimă. Pentru optimizarea rutei se pot utiliza diferite criterii precum: distanța cea mai scurtă, cele mai puține taxe de plătit, etc.
Ghidarea dinamică asupra rutei ia în considerare condițiile de trafic. Ea utilizează poziția geografică actuală a vehiculului ca punct de plecare și determină ruta optimă pentru orice destinație dată. Determinarea poate fi realizată în vehicul prin intermediul sistemelor localizate în acesta, la centrul de control al traficului, sau la furnizorul de servicii de informare. Alegerea uneia dintre aceste opțiuni depinde de realizarea echilibrului dintre costurile de prelucrare și cele de comunicare, precum și pe baza unor criterii cum ar fi necesitatea actualizării harților digiatle, preferința intre optimul pentru utilzator și optimul pentru sistemul de control al traficului.
ITS ajută conducătorul vehiculului să ia decizii strategice prin intermediul ghidării, navigării și furnizează asistență conducătorului de vehicul prin controlul lateral și longitudinal al distanței dintre vehicule. Senzorii utilizați pentru controlul longitudinal sunt radarul și dispozitivele cu laser, care pot furniza date relative la localizarea vehiculului prin măsurarea distanței până la vehiculul din față, a ratei de micșorare a spațiilor dintre vehicule și prin detectarea obstacolelor de pe autostradă. Sunt utilizați senzori cu ultrasunete, în special pentru detectarea persoanelor și obiectelor din spatele vehiculului.
ITS este un tip de sistem ale cărui componente sunt complexe și în același timp puternic intercorelate. Arhitectura ITS este un cadru de lucru în care pot fi dezvoltate serviciile și funcțiile ITS precum monitorizarea traficului, tratarea incidentelor, suportul pentru cazurile de urgență și alte funcții. Arhitectura sistemului definește modul la care componentele sale sunt legate, lucrează împreună și precizează funcțiile sistemului întreg și ale fiecărei componente.
Arhitectura ITS nu trebuie să identifice tehnologii specifice. Aceasta permite dezvoltatorilor să proiecteze sistemul specificând interfețele dintre componente și utilizatori, în scopul obținerii unor beneficii viitoare, creșterii concurenței, reducerii riscurilor cu costuri mai scăzute prin promovarea standardizării.
Principala forța a arhitecturii ITS este aceea că ea furnizează un cadru de lucru strategic prin care activitatiile efectuate de agenți economici diferiți pot fi integrate.
Modulul controlere
Descriere-functionare modul controlere.
Modul controlere reprezintă modulul de interfață intre subsistemul de procesare locală și modulul de informare a conducătorilor de vehicule. Este compus din automatele de trafic(controlerele) care comanda echipamentele de semnalizare și informare din teren, și anume:
controler semafoare urban/interurban: controlerul semaforului aflat la trecerea din rețeaua urbană, în cea interurbană.
controler semafoare rampa acces: controlerul semaforului amplasat pe rampa de acces pe autostradă.
controler panouri mesaje variabile informare: controlerul alocat panourilor cu mesaje variabile de informare, pe autostrada sau rampele de acces.
controler panouri afișare limita variabilă de viteza: controlerul panourilor de afișare a limitei variabile de viteză.
controler panouri afișare restricții benzi circulație: controlerul panourilor indicatoare pentru restricțiile benzilor de circulație, pentru inversarea unei benzi sau pentru rezervarea ei pentru trecerea unui vehicul de intervenție de urgență.
controler panouri afișare informații zone serviciu: controlerul alocat panourilor aflate în apropierea zonelor de serviciu, pe care se indica distanța până la acestea și gradul lor de ocupare.
Modul controlere asigura interfața dintre echipamentele de semnalizare și de informare a conducătorilor auto și subsistemul de procesare locală.
Controlerul semaforului urban/interurban are rolul de a transmite semaforului/semafoarelor din intersecția respectivă planul de semaforizare primit de la subsistemul de procesare locală. În același timp, trebuie să se asigure că nu există faze conflictuale și asigură trecerea la noul plan de semaforizare în condiții de siguranță pentru participanții la trafic. Controlerul transmite în permanență subsistemului de procesare locală planul de semaforizare aplicat, pentru că acesta să fie verificat pentru conformitate cu cel comandat.
Controlerul semaforului de pe rampa de acces pe autostrada are funcții similare cu cele explicate mai sus. Problematica este mult mai simplă, deoarece de această dată se circulă într-o singură direcție și nu se mai pune problema fazelor conflictuale. Controlerul trebuie să verifice conformitatea cu parametrii de siguranță specifici locației respective și să comunice subsistemului de procesare locală dacă aceștia nu sunt respectați.
Controlerul panourilor cu mesaje variabile pentru informarea călătorilor transmite către panouri mesajele ce trebuie afișate, primite prin comanda de la subsistemul de procesare locală. Mesajul afișat efectiv de PMV(Panou mesaje variabile) este transmis înapoi către SPL(Subsistem procesare locală), pentru a fi verificat dacă este identic cu cel comandat.
Similar funcționează și controlerele panourilor de afișare a limitelor de viteză, a restricțiilor referitoare la benzile de circulație și a celor referitoare la gradul de ocupare și la starea zonelor de serviciu. Pentru acestea, mesajele sunt mult mai simple(valori numerice pentru limita variabilă de viteză, semne de circulație și text pentru rezervarea sau inversarea benzilor de circulație, valori numerice și text pentru afișarea gradului de ocupare al zonelor de serviciu, respectiv pentru semnalizarea apropierii acestora). Și în cazul acestor echipamente, mesajele afișate efectiv în teren sunt transmise pentru verificare subsistemului de procesare locală.
Toate controlerele enumerate mai sus au și rolul de a transmite către subsistemul de procesare locală starea de funcționare a echipamentelor de semnalizare și informare pe care le comanda. Ca și în cazul senzorilor de trafic, echipamentele din teren transmit către controler un cod de autoidentificare și un cod de buna funcționare, a căror absență semnalează o defecțiune.(exemplu de cod: F1.5.3 -Asigurarea de acțiuni ale elementelor de control al traficului; F1.5.4-Asigurarea managementului accesului pe autostradă; F1.5.5-Asigurarea managementului vitezei de circulație; F1.5.6-Asigurarea managemetului benzilor de circulație; F1.5.7-Asigurarea managementului zonelor de serviciu).
Subsistemul infrastructura locală(SIL)
Subsistemul infrastructura locală asigura toată funcționalitatea din teren necesară pentru managementul traficului.Acesta include senzori(bucle inductive, camere video, senzori speciali de recepție a cererilor de prioritate), controlere(ale semafoarelor, panourilor cu mesaje variabile, etc) și alte dispozitive de interacțiune cu conducătorii de vehicule(panouri cu mesaje variabile pentru informare, pentru afișarea limitei variabile de viteză, a restricțiilor pentru benzile de circulație, a indicației gradului de ocupare al zonelor de serviciu).
Subsistemul infrastructura locală comunica bidirecțional cu subsistemul de procesare locală asociat. Astfel SIL transmite către SPL asociat datele de trafic colectate, cererile de prioritate locală, starea echipamentelor din care este compus și indicațiile oferite de acestea către conducătorii de vehicule. SIL recepționează de la SPL comenzile de acțiune ale elementelor de control al traficului(semafoare, panouri cu mesaje variabile de informare, limita variabilă de viteză, etc). De remarcat că este posibil, ca un singur SPL să deservească mai multe subsisteme SIL.
Terminalele cu care interacționează subsistemul infrastructura locală sunt: traficul(colectarea datelor reale din trafic) și conducătorul vehiculului de urgență(recepționarea cererilor de prioritate locală).
Deoarece subsistemul infrastructura locală este compus din mai multe module, nu se va stabili o relație directă între subsistem și funcțiile sistemului integrat de management al traficului interurban.
Subsistemul infrastructura locală este compus din trei module:
Modul senzori trafic
Modul controlere
Modul informare conducători vehicul
Metode de fluidizare a traficului
Una din cele mai uzuale metode de a informa participanții la trafic despre posibilele incidente apărute, sau despre condițiile meteo este reprezentată de rezervarea unei anumite frecvențe radio pe care sunt transmise informațiile, fie din timp în timp cu scopul de reamintire sau actualizare a mai vechilor informații, fie în scopul de a atrage atenția asupra unui eveniment sau a unei condiții nou apărute. O altă posibilă formă de punere în practică a tehnicii bazate pe mesaje este cea prin panourile de informare. Dezavantajul acestei metode este bazat pe faptul că doar prezintă un incident sau o situație deja creată, fără a încerca însă să anticipeze situația.
Având scopul de a fluidiza traficul rutier, de a reduce timpul petrecut în aglomerație, dar și cu o intenție declarată de ecologizare, unul din cei mai mari producători de mașini, Audi, a implementat la nivel urban, Travolution, un sistem capabil să comunice șoferului viteza cu care ar trebui să se deplaseze astfel încât la următoarea intersecție să prindă semaforul pe verde, și în acest mod să reducă ambuteiajele create în intersecții. Din păcate acest sistem nu este răspândit la scară industrială, astfel încât să poată fi utilizat pentru orice marcă de autovehicul, fiind aplicate doar pe câteva bucăți din modelele A5 și A6 ale producătorului, cât și în alte locații în afara orașului Ingolstadt. Rolul acestui proiect a fost acela că pe lângă operațiunea frustrantă și consumatoare de combustibil, de a opri la semafor, traficul să fie optimizat și de asemenea să se reducă emisia de CO2. Sistemul se bazează pe module de comunicații integrate în fiecare semafor, și care sunt capabile de a trimite mesaje spre mașinile din vecinătatea lor, alertându-le de timpul rămas până la următoarea fază verde.
Mașina de la bord este capabilă de a calcula viteza pe care conducătorul auto trebuie să o mențină, în scopul de a trece prin lumina verde în timpul acestei faze, și afișează acest lucru prin intermediul ecranului cu interfață multimedia. Sistemul este alcătuit dintr-o rețea de 46 semafoare „inteligente” ce a fost instalată în centrul orașului și din software-ul capabil de optimizare treptată. Scopul acestuia este acela de a reduce opririle la minim, de reducere a consumului de combustibil și a poluării în acest proces. În vederea evaluării proiectului încă 20 autoturisme și 50 de instalații de lumină urmează să fie încorporate.
Un alt mod de informare al participanților la trafic, este Suna, produs și comercializat în special în Australia . Suna GPS Trafic Updates furnizează în timp real informații despre trafic direct sistemului de navigare. De asemenea acest sistem este compatibil cu toate mărcile lidere din domeniu GPS. Sistemul a fost conceput că, în timp real, să determine condițiile de drum și să informeze sistemul de navigație de posibilele probleme, în perspectivă, și să recomande rute care ar reduce congestia. Din păcate și acest sistem are o întindere restrânsă, fiind disponibil în prezent, doar la Melbourne, Sydney, Brisbane, Gold Coast, Adelaide și Perth. Suna GPS Trafic Updates se actualizează continuu, bazat pe monitorizarea traficului și condițiilor rutiere aducând informații detaliate despre incidente, congestionarea traficului în întreaga zonă metropolitană, sau a zonelor care ar putea afecta călătoria. Sistemul este bazat pe o combinație de senzori și camere video pentru a monitoriza continuu nivelele de congestie pe o suprafață de mii de kilometri de drumuri locale, naționale, și autostrăzi. În plus, avertismente despre incidente majore (cum ar fi accidentele), importante lucrări de drumuri, condițiile meteorologice severe din punct de vedere rutier, precum și evenimente speciale cu posibil impact în trafic sunt transmise periodic. În funcție de caracteristicile dispozitivului GPS deținut, Suna se integrează perfect cu dispozitivul iar o dată activat, acesta va beneficia de un număr de caracteristici noi: mesaje audio de avertizare cu privire la schimbarea condițiilor meteo, afișarea hărții cât și a locației și natura problemelor de trafic în special cele care afectează traseul. De asemenea sistemul este capabil să estimeze întârzierile posibile, iar în acest caz să calculeze și să recomande o rută auxiliară. Urmărirea și determinarea poziției corecte a unei mașini a devenit o problemă importantă pentru un management robust al traficului. Prin urmare, numeroase sisteme inteligente de supraveghere și de transport au fost dezvoltate în ultimii ani. Un aspect important al acestei activități este de a obține rezultatele corecte prin utilizarea unor radare și a unor dispozitive low-cost și trimiterea doar a câtorva cadre pe minut, având astfel la îndemână informații incomplete și afectate de zgomote. Aceste sisteme necesită de obicei informații precise cu privire la situația actuală a traficului. Unele sisteme extrag date și estimează fluxul de trafic, pe baza informațiilor de la senzori, aflați într-o vecinătate bine definită. În scopul de a filtra zgomotele și de a folosi aceste măsurători distorsionate sau incomplete pentru a calcula o stare optimă, o posibilă soluție este să se folosească metode de filtrare adecvate, de tip stocastic.
Aceste dispozitive de supraveghere a traficului sunt încorporate în sisteme de transport inteligent. Utilitatea acestor sisteme poate fi observată în principal legat de probleme economice și sociale de transport, în cea mai mare parte a țărilor industrializate. Rolul lor esențial este de detecție a incidentelor, de gestionare a traficului, și de colectare a timpilor de călătorie. Mai exact acestea pot îmbunătăți gestionarea traficului în rețele congestionate. Acest lucru necesită o înțelegere clară a funcționarii fluxului de trafic și a metodelor de evitarea congestionării segmentelor. Alte probleme sunt de a stabili ora și locația unde are loc un blocaj în trafic și de a urmării modul în care congestia se propagă prin interiorul rețelei. În acest scop un raport cu starea traficului și un set de parametri sunt necesari. În cele mai multe cazuri de determinare a stării traficului, cum ar fi cu ajutorul densității, de obicei, nu sunt disponibile direct din măsurători în orice punct al rețelei rutiere.
Există două tipuri de bază ale sistemelor de supraveghere a traficului: pe partea carosabilă a drumului și cele așezate pe vehicule. Dintre cele mai populare amplasate pe drum sunt reprezentate de către buclele magnetice, detectoarele laser și camerele video. Un detector bazat pe o buclă magnetică este reprezentat de o sârmă îngropată în suprafața drumului și alimentată cu un curent continuu. În cazul în care un vehicul trece pe deasupra acesteia induce o creștere de curent prin buclă. Aceste schimbări de intensitate pot fi măsurate și luate în considerare în vederea obținerii de informații despre densitatea fluxului de trafic.
Detectoarele laser, nu necesită instalare în asfalt, și, prin urmare, ele pot înlocui cu succes detectoarele bazate pe bucle magnetice și, de asemenea, clasicele dispozitive de supraveghere video, mai ales în timpul nopții sau în zonele cu un nivel scăzut de vizibilitate.
Convenționalele dispozitive de supraveghere video necesită o bună vizibilitate. În condiții de ceață deasă, zăpadă, ploaie sau de particule de fum sau praf în aer, și în momentele de iluminare naturală scăzută, aceste metode pot fi inadecvate. Totuși, tocmai în aceste condiții de vizibilitate scăzută există o nevoie mai mare de încredere în monitorizarea traficului. În aceste condiții, cel mai probabil candidat îl reprezintă detectorul radar bazat pe infraroșu și care prezintă numeroase avantaje mai ales în condiții de întuneric și de ceață. Cu toate acestea, dispozitivele mai sus menționate nu intră în categoria de aparat cu un cost redus.
Din categoria dispozitivelor care nu sunt amplasate în infrastructura rutieră avem de-a face cu cele montate pe vehicule de supraveghere. Aceste sisteme implică vehicule sondă echipate cu dispozitive de urmărire, cum ar fi transponderele, care să permită vehiculelor care le urmează să fie urmărite de către facilitățile unui computer central.
Din cauza diferiților factori cum ar fi costul, mediu, infrastructura de proiectare și de amplasament, dispozitivele de supraveghere transmit în regulat date care sunt însoțite de zgomote și care pot fi, de asemenea, corupte sau nesigure.
Tehnologii pentru comunicarea vehiculară
În prezent pentru realizarea comunicării vehiculare sunt propuse următoarele modalități:
Comunicare vehiculară bazată pe infrastructuri informaționale dedicate (fig.12);
Comunicare vehiculară bazată pe sisteme de telefonie celulară (fig.13);
Comunicare intervehiculară directă (fig.14).
Fig.12. Comunicare vehiculară bazată pe infrastructuri
informaționale dedicate
Fig. 13 Comunicare vehiculară bazată pe sisteme de telefonie celulară
Fig. 14. Comunicare intervehiculară directă
Concluziile privind analiza modalităților de aplicare a sistemelor de comunicare vehiculară sunt prezentate în tabelul de mai jos:
Prin analiza bazată pe îndeplinirea cerințelor legate de siguranța activă și a cerințelor legate de conceptul de comunicare vehiculară, putem afirma pe baza celor de mai sus că sistemul de comunicare vehiculară directă se dovedește a fi cel mai bun sistem pentru realizarea transferul de date și informații legate de siguranță în trafic dintre vehicule.
Utilizarea comunicației directe dintre vehicule nu necesită dezvoltarea sau construcția infrastructurii cerute ceea ce reprezintă un grad mare de flexibilitate a acesteia. Un astfel de sistem de comunicare integrat vehiculelor poate fi folosit nu doar pe autostrăzi și drumuri expres modernizate ci poate fi utilizat pe orice tip de drum și mai ales în orice arie geografică (indiferent de dezvoltarea economică a acesteia). Astfel, comunicarea directă vehiculară deschide oportunități în dezvoltarea viitoare a unui sistem dedicat comunicării vehiculare, dezvoltare și realizare efectuată cu costuri minimale.Implementarea sistemului de comunicare vehiculară necesită dezvoltarea unui protocol de comunicare între vehicule. Structura și algoritmul protocolului de comunicare este prezentat în figura 15.
Fig. 15. Structura protocolului de comunicare
Prin acceptarea a diferitelor tipuri de mesaje, protocolul de comunicare oferă atât schimbul de date parametric permanent cât și eventuale mesaje de avertizare provenind din traffic. Filtrarea acestor informații în funcție de importanța lor asigură vehiculului receptor obținerea celor mai relevante informații față de condițiile momentane de trafic (fig.16).
Fig.16. Informațile transmise între vehicule prin comunicare
vehiculară directă
Parametrii considerați în mișcarea unui vehicul sunt :
Poziția vehiculului;
Viteza vehiculului;
Distanța relativă dintre vehicule;
Poziția relativă a două vehicule;
Tipul de drum;
Alte informații legate de drum, ca de exemplu: limitare de viteză, starea drumului.
Prin utilizarea combinată a senzorilor integrați în construcția vehiculului cu un sistem de comunicare vehiculară se pot detecta situații periculoase din trafic și a atrage atenția conducătorului auto pentru a le evita.
Prin utilizarea informațiilor de poziție obținute cu ajutorul sistemului GPS și corelarea lor cu informațiile legate de condițiile de deplasare a autovehiculelor se poate proiecta un sistem de comunicare intervehiculară directă care să evite coliziunea dintre două sau mai multe vehicule prin aplicarea algoritmului prezentat.
Dezvoltarea viitoare a conceptului de comunicație intervehiculară trebuie să pună accentul:
pe dezvoltarea de algoritmi bazați pe modelele matematice ce caracterizează mișcarea autovehiculelor;
pe implementarea acestora în sisteme deja existente în construcția unui vehicul (ex. sisteme de poziționare GPS dedicate, sisteme de recunoaștere rutieră bazate pe PDA-uri etc.)
Sistemul eCall
Salvarea vieților folosind sistemul de comunicații de la bordul vehiculului
În viitorul apropiat, autovehiculul dumneavoastră va fi ehipat cu un sistem automat de apelare a serviciului de urgență în cazul implicării într-un accident rutier grav. Chiar dacă sunteți inconștient, sistemul va furniza echipei de intervenție coordonatele exacte ale accidentului care va putea ajunge la locul acestuia în câteva minute. Sistemul, denumit "eCall", va funcționa în toate Statele Membre ale Uniunii Europene. urmând să fie extins și în Islanda, Norvegia și Elveția.
La momentul depistării de către dispozitivul eCall a implicării autovehiculului într-un accident grav, acesta inițiază automat un apel de urgență la serviciul 112 la cel mai apropiat centru și transmite coordontale geografice exacte ale accidentului precum și alte informații. În același timp, inițierea unui apel eCall se va putea face și manual, prin acționarea unui buton. Activarea manuală a sistemului poate fi folosită, de exemplu, în situația în care sunteți martor al unui accident. Indiferent de modul de activare, manual sau automat, suplimentar față de schimbul automat de informații, se inițiază și o conexiune vocală între vehicul și centrul de apeluri de urgență. În acest fel, orice ocupant al autovehiculului apt să răspundă la întrebări poate furniza detalii suplimentare despre accident centrului de apeluri de urgență.
Fig.17. Sistemul eCall [7]
Accidentele rutiere – cum poate ajuta serviciul eCall
Luarea de măsuri pentru reducerea accidentelor și deceselor pe drumurile europene este imperios necesară! În 2009, aproximativ 35 000 de persoane au decedat și 1,5 milioane au fost rănite în 1,15 milioane de accidente rutiere doar în rețeau de drumuri europene.
Alertarea imediată în caz de accident și cunoașterea exactă a locației acestuia reduce timpul de răsuns al echipelor de intervenție cu 50% în mediul urban și cu 40% în mediul rural. Datorită acestei reduceri de timp, eCall poate salva până la 2 500 de vieți în Uniunea Europeană în fiecare an și va limita efectele a zeci de mii de răniri grave. eCall va conduce la aplicarea mai rapidă a tratamentului, cu perspective de recuperare mult mai bune ale victimelor. Ajungerea mai devreme la locul accidentului va permite și degajarea rapidă a acestuia, reducând astfel riscul unor accidente secundare, scăzând timpul de congestie a traficului, a risipei de carburant și a emisiilor de CO2.
Vehicular ad-hoc Network
Siguranța în trafic a căpătat prioritate și, odată cu dezvoltarea tehnologiilor în domeniul comunicațiilor și al rețelelor wireless, au fost create și rețelele VANET.
VANET sau Vehicular ad-hoc Network asigură un protocol de comunicație între vehiculele apropiate sau între un automobil și infrastructura (indicator, semafor, intersecție). Se așteaptă ca între entități, comunicarea sa se realizeze wireless în banda de 5.9Ghz cu ajutorul tehnologiei Dedicated Short-Range Communications (DSRC). Automobilele sunt folosite ca noduri mobile pentru a creea o rețea ad-hoc. Fiecare nod reprezintă de fapt un router wireless care permite altor noduri să se conecteze la rețea, extinzându-i raza de acoperire. Se estimează că primele sisteme care vor implementa această tehnologie vor fi destinate pentru poliție și pentru pompieri, pentru că mașinile să poate comunica între ele din motive de siguranță.
Vehicular ad-hoc Network poate fi văzut că o componentă a Sistemului Inteligent de Transport (ITS). Principalul scop al acestor rețele rămâne siguranța pasagerilor și confortul în trafic.
Prin dotarea automobilelor cu echipamente de comunicare, și prin organizarea acestora în rețele ad-hoc, nu ne mai rămâne decât un pas pentru proiectarea de servicii și aplicații care să îmbunătățească experienta conducerii automobilului.
Găsirea drumului optim
Găsirea drumului optim într-un oraș a luat naștere o dată cu apariția navigatoarelor GPS. Un drum optim poate fi drumul cel mai scurt din punct de vedere al distanței. Poate fi drumul cel mai scurt din punct de vedere al timpului parcurs în trafic sau poate fi drumul cel mai ieftin economic. Cea mai întâlnită soluție este găsirea drumului cel mai scurt. Aceasta se bazează pe informații statice (drumurile orașului) și de poziția automobilului în trafic. Însă străzile unui oraș au un caracter dinamic. Ele pot fi închise pentru lucrări de reabilitare, se pot întâmpla blocaje rutiere, pot fi aglomerate sau pot fi libere. Având aceste informații la dispoziție, putem calcula drumul drumul cel mai scurt (din perspectiva temporală). Traseul astfel găsit va avea în plus mai multe beneficii: se vor reduce numărul de frânari și accelerări ale automobilului rezultând un consum de combustibil mai mic; de altfel se reduce și gradul de uzură al vehicolului și se micșorează riscul de a fi prins într-un ambuteaj rutier.
Pentru găsirea drumului optim, se va folosi un serviciu bazat pe modificarea dinamică a traseelor. Se va face referire în special la orașele aglomerate, unde confortul de trafic este minim datorită numărului mare de automobile care depășește capacitatea infrastructurii. De asemenea serviciul poate fi implementat și în orașele care nu sunt în general aglomerate, dar în care fenomenul de „ore de vârf” este prezent. Soluția folosește tehnologia VANET pentru transferul de informații intre automobile și între automobile și infrastructura.
Pentru modificarea dinamică a traseelor se va folosi harta orașului împreună cu starea curentă a fiecărei străzi (inaccesibilă, aglomerată, liberă). Aceste date sunt culese din comunicarea automobil-infrastructură și trimise unui server centralizat. În acest moment se poate crea online și în timp real o hartă a orașului cu gradul de aglomerare al drumurilor. Serverul centralizat va ține ulterior în memorie și starea medie de aglomerare a fiecărei străzi. Din diferență celor două se poate determina deopotrivă atât drumurile aglomerate cât și cele libere. Noua informație vă putea fi trimisă în sens invers înapoi la computerul de bord al automobilelor, care împreună cu modulul GPS va putea calcula dinamic traseul către destinația finală.
Capitolul III:Sinteza arhitecturii sistemului de semnalizare rutieră
Arhitectura unui sistem de semnalizare rutier
Fig.18. Sistem de semnalizare rutier
Acest echipament se compune din urmatoarele entitați:
– echipamentul hard – menit să asigure procesarea semnalului de la senzorii de trafic și alimentarea cu semnal etalon a senzorilor;
– componentă soft – care trebuie asigure o procesare cît mai completa a datelor de trafic, în acord cu cernitele operatorilor de trafic și sa fie acceptate ca date de intrare pentru o gama larga de programe de optimizare și modelare a traficului;
– semafoare – care comunică cu automatul de trafic;
– modul de comunicatie – care asigură comunicațiile cu alte automate de trafic, centrul de control, etc;
– placă interfată senzori – are rolul de a prelua informația și a o transmite catre unitatea controlerului;
– senzorii de trafic – aleși pe criterii de eficiență în lucru și fiabilitate în funcționare;
Buclele inductive sunt plasate în asfalt și detectează vehiculele care trec prin dreptul lor masurând câmpul magnetic al acestora. Cei mai simplii detectori numară vehiculele care trec într-o unitate de timp, în timp ce senzorii mai sofisticati estimează viteza, lungimea, greutatea automobilelor precum și distanța dintre ele. Buclele inductive pot fi plaste pe una sau mai multe benzi si detectează atât vehiculele oprite sau care se mișcă cu viteză redusă, cât și vehiculele care se deplasează cu viteză mare.
Masurarea traficului și detectarea in mod automatic al accidentelor se realizează cu ajutorul camerelor video. Acestea nu se amplasează în interiorul străzilor, ci pe stâlpi sau pe structuri similare suspendate. Imaginile video alb-negru sau color sunt trimise unui procesor (automat de trafic) care poate analiza simultan datele provenite de la acestea. În mod frecvent, un astfel de sistem de detecție monitorizează viteza automobilelor, numarul lor și gradul de ocupare al benzilor.
Acest sistem de semnalizare rutieră este capabil sa estimeze periodic efectul strategiei implementate asupra traficului, și să prezinte rezultatele operatorului uman pentru a asista la procesul de luare a deciziilor în caz de situatii de excepție.
Sistemul poate fi afectat de condițiile meteorologice, de aceea unde trebuie implementat, trebuie sa se țina cont de condițiile locale.
Practic acest sistem este un organism viu, care are nevoie de întreținere permanentă. Senzorii unui sistem de acest tip reprezintă simțurile acestui organism, sistemele de calcul si comunicațiile sistemului sau nervos, iar automatele de trafic și semafoarele, sau panourile cu mesaje variabile, membrele sale ți sistemul muscular, cu care dirijeaza traficul.
Concepția sistemului trebuie sa înceapa in mod obligatoriu cu o analiza privind condițiile de implementare. Dupa aceea, urmeaza o etapa de simulare la nivel micro și apoi macroscopic, pentru că sistemul să nu fie greșit, ci sa fie capabil sa porneasca de la o strategie initiala de trafic.
Simularea microscopica este metodologia cel mai des folosită, pentru ca este capabila să evalueze și comportamentul conducatorilor auto atunci când acționează în prezența sistemelor inteligente de transport. Aceste simulatoare microscopice, reprezintă instrumente care monitorizează în mod realist traficul de vehicule pe o rețea de drumuri.
Realizarea unui modulator de radio frecvență
Fig.19. Schema bloc a modulatorului de radio frecvență[11]
Blocurile functionale
Schema bloc cuprinde urmǎtoarele blocuri functionale:
blocul de alimentare;
blocul adaptor de semnal de intrare;
blocul oscilatorului local;
blocul dublor de frecvență;
blocul mixer-amplificator-modulator;
blocul formator de semnale;
automatul de trafic.
Blocul de alimentare – furnizeazǎ tensiunea de alimentare, filtrată și stabilizată, cu valoarea de 12 – 15Vcc la 100 mA, realizând adaptarea la tensiunea de rețea 220Vc.a. Tot el asigurǎ tensiunile continue de 11 respectiv 6V, stabilizate pentru blocurile oscilatorului local, dublorului de frecvență, respectiv blocului audio.
Blocul de semnal – asigurǎ furnizarea semnalului la intrare și modularea în freventǎ a unui semnal oscilant de 5,5MHz de către semnalul de intrare.
Blocul oscilatorului local-genereazǎ și formează semnalul purtător cu frecvența de 240MHz.
Blocul dublor de frecventa-asigurǎ dublarea semnalului cu frecvența de 240MHz la valoarea de 480MHz.
Blocul mixer-modulator-amplificator-realizeazǎ modularea purtătoarei în frecvența de către semnalul audio și în amplitudine de către semnalul video, amestecarea celor două semnale modulate și amplificarea semnalului de radiofrecvența de 480MHz rezultat,în vederea aplicării acestuia către antenă și transmiterii către receptorul TV.
Blocul formator de semnale preia semnalul de la automatul de trafic și îl transmite la amplificator.
Interfața de intrare a automatului de trafic are rolul de a primi informațiile sub forma unor semnale electrice de la traductoare sau de la butoanele de comandă. Semnalele electrice primite din exteriorul automatului programabil trebuie mai întâi prelucrate și apoi transmise pe magistrala internă la unitatea centrală a automatului. Intrările din proces pot fi reprezentate de următoarele elemente: butoane, comutatoare, limitatoare de curs, senzori fotoelectrici, senzori de proximitate, traductoare de nivel, traductoare de deplasare.
Prezentarea funcționarii circuitului după schemă bloc
Oscilatorul local generează oscilații gama 190-260MHz.
Circuitul de sarcină, selectează semnalul cu frecvența de 240MHz, care va reprezenta semnalul cu frecvența fundamentală a circuitului. Acesta se aplică dublorului de frecvență care selectează armonica a doua și oferă la ieșire frecventa purtătoare de 480 MHz. Semnalul cu această frecvență se transmite mixerului-modulator-amplificator.
În blocul audio, semnalul audio modulează semnalul oscilant de 5,5MHz generat de oscilatorul blocului audio, rezultând o subpurtǎtoare modulatǎ în frevență pe 5,5MHz care se va aplica modulatorului simultan cu semnalul video, furnizat de blocul video.
În mixer, semnalul video modulează fundamentală în amplitudine, iar semnalul audio o modulează în frecvența. Cele două semnale sunt amestecate și amplificate, apoi trimise spre antenǎ, în vederea transmiterii către receptorul TV.
Capitolul IV:Elemente de proiectare
SCHEMA ELECTRICĂ A MODULATORULUI DE RADIOFRECVENȚĂ.
Fig.20. Schema electrică a modulatorului de radiofrecvență[11]
Funcționarea circuitului după schema electrică
Frecvența purtătoare este generată de către un oscilator local format pe tranzistorul T2 a cărui polarizare corectă este asigurată de către divizorul rezistiv format din rezistoarele R14 și R11.
Oscilatorul de tip Colppits prezintă în sarcinǎ un circuit oscilant format din bobina L1 și trimǎrul capacitiv CV1 care ajută la selectarea frecvenței de oscilație prin reglare fină.
Circuitul oscilant poate oscila în gama 190 – 260 MHz dar prin reglarea trimǎrului CV1 se va selecta frecventa purtătoare de 240 MHz care se va regăsi după condensatorul de cuplaj C2 la intrarea etajului dublor de frecvență construit pe tranzistorul C3.
Se folosește un dublor de frecvență pentru că se dorește obținerea la ieșire a unei frecvente în gama 450 – 500 MHz corespunzătoare canalului 21 UHF. Reglajul oscilatorului este util, ajutând la evitarea suprapunerii peste canalele vecine deja ocupate .
Astfel în dublorul de frecvență, semnalul cu frecvența de 240 MHz este dublat la valoarea de 480 MHz, acesta încadrându-se ca valoare în intervalul 450 – 500MHz, evitându-se suprapunerea.
Pentru realizarea operației de dublare, din spectrul frecventelor oscilatorului local care prezintă atât armonici superioare cât și inferioare, este selectată armonica a doua a oscilatorului de către circuitul acordat pe această armonică, aflat în sarcina tranzistorului T3, pe care este construit dublorul.
La ieșirea dublorului de frecvență se poate verifica existența semnalului cu frecvența de 480 MHz care se aplicǎ mai departe modulatorului-amestecǎtor, construit pe tranzistorul T.
Circuitul audio modulează în frecvența un oscilator pe 5,5 MHz, aceasta reprezentând subpurtatoarea audio. Semnalul cu frecvența de de 5,5 MHz este generat de către un oscilator de tip Colppits, construit în jurul tranzistorului T1, ce are în sarcinǎ un circuit oscilant format din C11, C12 și primarul tansformatorului de radiofrecvența L4, care determină frecvența de oscilație. Menționăm că semnalul audio are normǎ standard și este de tip mono. Semireglabilul RV1 dispus la intrarea oscilatorului, reglează nivelul oscilațiilor.
Semnalul de intrare audio de 5,5 MHz se aplică mixerului amplificator T4 care prezintă în sarcinǎ un circuit LC acordat pe frecvența de 480 MHz.
Semnalul cu frecvența fundamentală de 480 MHz se aplică mixerului pe baza lui T4 prin condensatorul de cuplaj T3. Tot aici prin intermediul lui C6 fundamentală se modulează în frecvența cu semnalul audio modulat pe 5,5 MHz.
Prin intermediul condensatorului de cuplaj C5 semnalul de radiofrecvența se aplică conectorului de antenă, iar de aici fie prin cablul coaxial, fie printr-o miniantenǎ, se va transmite către receptorul de semnal
Alimentarea montajului se realizează cu ajutorul unui alimentator universal de 12-15V /100mA prin intermediul unui filtru trece jos și apoi prin stabilizatoarele cu diode zenner formate pe R1, ZD1 și C23 respectiv R8, ZD2 și C18.
Proiectarea blocurilor funcționale.
Oscilatorul local 240MHz
Fig.21.Blocul oscilatorului local[11]
Se dorește realizarea unui oscilator local, care să furnizeze la ieșire un semnal oscilant cu frecvența f=240MHz, cu o amplitudine Vosc=200mV și care să aibă o rezistenatǎ de sarcină R=10k, fiind aleasă ca valoare maximă.
Se impune o stabilitate a frecvenței Sf=100 și o variație relativă, maximum 2% a curentului de colector al tranzistorului amplificator, corespunzătoare unei variații de temperatură de +/-25grdC în jurul valorii T=25grdC.
Se apreciază
Ținând seama de valoarea ridicată a frecvenței de lucru, se alege schema oscilatorului Colppits cu tranzistor în conexiune emitor comun. Se presupune că efectul capacităților interne ale tranzistorului este neglijabil.
Se dorește ca raportul capacităților C1(în schemă C8 ) și C2(în schemă C1 ) să nu fie prea mare.
astfel încât:
Dacă alegem C2=3pF, rezultă:
Frecvența de oscilație este :
, aproximativ
.
Din formula frecvenței, cunoscându-se frecvența și capacitatea condensatorului, se poate obține valoarea inductanței bobinei L:
aproximativ L=3uH (s-a considerat π2 =10)
Factorul de calitate:
unde R reprezintă rezistența totală în paralel cu bobina L.
Deoarece Sf=2Q=200 rezultă Q=100
R=Q
R=2K
Se va ține cont de faptul că R<<RL(rezistența de sarcină)
Dacă R se obține prin punerea în paralel a lui RL cu o rezistență R', atunci
rezultă:
R'=2,5k
Factorul de calitate al bobinei:
QL=113
Rezistenta echivalentă serie este:
Condiția de oscilație:
Din dependența:
pentru rezultǎ
Tranzistorul trebuie polarizat cu un curent constant, egal cu valoarea calculată mai sus, pentru ca amplitudinea semnalului să fie cea dorită.
Rezistența de bază se determinǎ din condiția cǎ tranzistorul nu trebuie să intre în regiunea de saturație.
Tensiunea UCB este :
Pentru evitarea saturației, vom impune UCE>0 pentru oricare t
și alegând tranzistorul MPSH10 cu β=29 rezultă că pentru polarizarea bazei este necesară o rezistență
Folosim pentru polarizarea bazei divizorul rezistiv:
R2=2,7k și R1=5,6k
Ținând cont de faptul că UBE=0,6V și că IE=IC=0,210mA se poate determina rezistența de emitor și tensiunea UCE.
Etajului dublor de frecvență 480MHz
Fig.22. Blocul dublorului de frecvență[11]
Considerându-se semnalul furnizat de oscilatorul local cu frecvența de 240MHz ca fiind frecvența fundamentală, se dorește obținerea la ieșirea modulatorului un semnal purtător în gama 450-500MHz. Pentru acesta s-a introdus în schema aparatului modulator, un multiplicator de frecvență, al cărui coeficient de multiplicare este egal cu 2, numit dublor de frecvență. Acesta va oferi la ieșirea sa un semnal identic ca formă cu cel de la intrarea sa, doar ca frecvența acestuia va fi dublată, la valoarea de 480MHz, care se încadrează în banda 450-500MHz.
Pentru realizarea procesului de dublare a frecvenței, în proiectare s-a ținut cont de faptul că , cicuitul de sarcină LC, va trebui să fie acordat pe cea de-a doua armonică, rezultată din semnalul de 240MHz, produs de oscilatorul local.
fk=(k+1)fp , iar pentru k=1 rezultă f1=2fp unde f1 este a doua armonică a semnalului fundamental.
Se utilizează proprietatea semnalelor periodice conform căreia, orice semnal periodic poate fi descompus într-o sumă de componente sinusoidale (serie Fourier).
Componentele se numesc armonici, iar descompunerea este unică, în sensul că amplitudinea și defazajul fiecărei componente armonice sunt unic determinate pentru un anumit semnal periodic.
Dacă frecventa semnalului periodic este f0, atunci componentele seriei au frecvențele: f0,2f0,3f0.
Componenta f0 se numește fundamentală sau prima armonică, componenta a doua se numește armonica a doua.
Modelul matematic al semnalului periodic descompus în componente armonice are forma: unde
C0 =media semnalului
Ck=amplitudinea componentei armonice de ordin k
=faza componentei armonice de ordin k
Pentru realizarea dublorului de frecvență s-a ținut cont de următoarele:
1.Asigurarea unei bune polarizări pentru tranzistorul de bază
2.Adapatarea puterii pentru un transfer maxim de putere
3.Asigurarea unei impedanțe mici de intrare pentru toate armonicele și o impedanță mare pentru frecvența fundamentală f0
4.Asigurarea unei impedanțe mici de ieșire pentru toate armonicile și o impedanță mare pentru armonica dorită spre selecție, adică armonica a doua.
5.Asigurarea unui nivel mare de semnal la intrare pentru facilitarea nonliniarităților
Ideea de bază este să reușim reflectarea tuturor armonicelor înapoi în dispozitiv, pentru o reconversie în armonica dorită.
Cum intrarea este acordată pe semnalul de 240MHz, datorită sarcinii circuitului oscilant, iar ieșirea dublorului de frecvență va prezenta în colectorul tranzistorului un circuit LC acordat pe frecvența de 480 MHz, se va obține o poziționare a tuturor armonicelor nedorite cu cel puțin 18dB sub frecvența selectată de LC, anume 480MHz. Atâta timp cât intrarea și ieșirea sunt rezonante pe cele două frecvențe, 240MHz, respectiv 480MHz, armonicile vor fi reflectate în dispozitiv, și convertite în armonica dorită și selectată de circuitul LC de sarcină.
Pentru realizarea nonliniarități, se folosește un tranzistor prin intermediul căruia, curenții de colector sunt conduși în zona neliniară a curbelor I-IV, clasa B, realizându-se astfel conversia neliniarității circuitului dublor.
Multiplicatorul de frevență, cu coeficient 2, seamănă cu un amplificator de putere, doar că e acordat pe armonica a doua, și nu pe frevența fundamentală.
Tranzistorul utilizat asigura o bună izolare între circuitul de intrare și circuitul de ieșire, putând fi utilizat un singur filtru de selecție a armonicii, în colectorul său.
Componenta Fourier în funcție de unghiul de conducție este:
Pentru proiectare se folosește UBE – controlul unghiului de conducție și teniunea UCE.
Pentru punctul static de funcționare și polarizare a circuitului, se consideră
Se calculează:
Pentru RB1=2,7k rezultă RB2=10k
Intrarea are Z pentru f0, dar odată cu apariția armonicilor, frecventa fundamentală este pusă la masă prin C16.
Linia de mare impedanță devine pentru 2f0 și reprezintă scurtcircuit pentru cea de-a doua armonică.
Similar linia de mare impedanță cu la frecvența de ieșire 2fO este folosită pentru polarizarea colectorului, printr-un condensator pus la masă și o bobină.
Factorul de stabilitate trebuie să fie K>>1.
Rejecția celorlalte armonici se face prin lăsarea în gol și filtrare.
Unghiul de conducție este:
pentru cea de-a doua armonică n=2
Tensiunea de polarizare pentru atingerea θt
Rezistența de sarcină optimă
Puterea la ieșirea armonicii a doua
Pentru amplificatorul de putere Uce=5V
Puterea de intrare aproximată
Câștigul conversiei
Se mai constată:
-pierderile de conversie:-1,6dBm
-rejecția armonicilor nedorite:> 20dB
-aplatizarea benzii de trecere:0,7dB
Selectarea armonicii dorite se realizează de către un circuit LC, compus din bobina L2 și condensatorul C16, acordat pe armonica a doua a semnalului de intrare. Impedanța față de armonica a doua este determinată de reactanțele celor două elemente:
Circuitul este la rezonanță pe armonica a doua dacă Zn=0, adică n2ω2LC=1
Frecvența armonicii rezonante este :
Pentru C=1nF rezultă o bobină L=2uH
Filtrul selectează armonica a doua și îi oferă o cale de curent de impedanță minimă.
Bloc adaptor semnale de intrare
Fig.23.Bloc de semnale audio de intrare[11]
Se dorește realizarea unui oscilator local, care să furnizeze la ieșire un semnal oscilant cu frecvența f=5,5MHz, cu o amplitudine Vosc=200mV, care să aibă o rezistenatǎ de sarcină R=10k.
Se impune o stabilitate a frecvenței Sf=100 și o variație relativă , maximum 2% a curentului de colector al tranzistorului amplificator, corespunzătoare unei variații de temperatură de +/-25grdC în jurul valorii T=25grdC.
Se apreciază :
Ținând seama de valoarea ridicată a frecvenței de lucru, se alege schemă oscilatorului Colppits cu tranzistor în conexiune emitor comun. Se presupune că efectul capacităților interne ale tranzistorului este neglijabil.
Se dorește că raportul capacităților C1(în schemă C13 ) și C2(în schemă C12) să nu fie prea mare .
astfel încât:
Dacă alegem C2=100pF, rezultă
Frecvența de osciltie este:
, aproximativ:
.
Din formula frecvenței, cunoscându-se frecvența și capacitatea condensatorului, se poate obține valoarea inductanței bobinei L:
(s-a considerat π2 =10)
S-a folosit o bobină standard pentru media frecvenței de 10,7 MHz cu dimensiunile 8x8mm, având în primar 8 spire de 0,12mm și în secundar 25 spire din aceiași sârmă.
Factorul de calitate:
unde R reprezintă rezistenta totală în paralel cu bobina L.
Deoarece Sf=2Q=200 rezultă Q=100
Se va ține cont de faptul că R<<RL(rezistența de sarcină)
Dacă R se obține prin punerea în paralel a lui RL cu o rezistență R', atunci
rezultă:
R'=40k
Factorul de calitate al bobinei:
1
Rezistența echivalentă serie este:
Condiția de oscilație:
Din dependența:
pentru rezulta
Tranzistorul trebuie polarizat cu un curent constant egal cu valoarea calculată mai sus, pentru că amplitudinea semnalului să fie cea dorită.
Rezistența de bază se determinǎ din condiția cǎ tranzistorul nu trebuie să intre în regiunea de saturație.
Tensiunea UCB este :
Pentru evitarea saturației vom impune UCE>0 pentru oricare t
VCB=0,5V>Vosc=0,2V
și alegând tranzistorul BC547 cu β=162 rezultă că pentru polarizarea bazei este necesară o rezistență
Ținând cont de faptul că UBE=0,6V și că IE=IC=0,325mA se pot determina rezistența de emitor și tensiunea UCE.
Transformatorul L4 se realizează pe carcasa unui circuit de medie frecvență de 10,7MHz cu dimensiunile 8x8mm. Bobina primară are 8 spire din sârmă de 0,12mm diametru cu izolație de email. Bobina secundară are 25 spire bobinate peste primar, din aceiași sârmă.
La alegerea bobinei s-a ținut cont de factorul de calitate care reprezintă raportul dintre reactanța și rezistența proprie astfel încât la o rezistența mică să existe o calitate cât mai ridicată.
Alt parametru de care s-a ținut cont este inductanța, care depinde în special de formă, dimensiunile și numărul de spire ale bobinei precum și de permeabilitatea magnetică a miezului, dacă există.
Creșterea frecvenței de lucru este însoțită de creșterea rezistenței conductoarelor de bobinaj, datorită efectului pelicular și apariției curenților turbionari. Efectul pelicular se datorează distribuției neuniforme a câmpului magnetic în interiorul conductorului. Curentul circulǎ numai la suprafață conductorului, interiorul rămânând gol, ceea ce echivalează cu reducerea secțiunii transversale.
Un alt parametru important este capacitatea proprie care reprezintă capacitatea dintre spirele bobinei. Pentru micșorarea ei, se realizează bobinaj pas cu pas sau se pot utiliza sisteme de bobinaj speciale, la care spirele nu sunt paralele ci se intersectează sub un anume unghi.
S-a folosit ecranarea bobinei pentru a evita cuplajul parazit între bobina parcursă de curent de înaltă frecvență și alte elemente de circuit și tensiuni parazite provocate în bobinǎ de către câmpurile perturbatoare.
Blocul de alimentare
Fig.24.Blocul de alimentare[11]
Proiectarea stabilizatorului de 11V
S-a folosit dioda zenner DZ11V cu următorii parametrii:
1.Tensiunea stabilizată: Vz=11v;
2.Curentul minim prin dioda zenner Izm=19mA;
3.Curentul maxim prin dioda zenner IzM=100mA;
Impedanța zenner Rz=3Ω
Dacă tensiunea de intrare variază între 12V și 14V, vom impune ca tensiunea stabilizată să aibă valoarea de 11V, iar curentul de sarcină IL=2mA.
Rezistența de polarizare pentru dioda zenner se determină:
și poate fi cuprinsă între două valori extreme:
pentru
pentru
Valoarea minimă a lui Iz se obține atunci când teniunea redresata de la intrare are valoarea minimă Uim=12V, iar curentul de sarcina are valoarea maximă IL=2mA, deci
Calculăm
Calculăm
Vom alege R=Rmax=47Ω deoarece variațiile de tensiune la ieșire vor fi reduse la valori minime.
Parametrii dinamici ai circuitului:
1.Coeficientul de stabilizare
pentru ΔiL=0
2.Rezistența de ieșire
pentru ΔVi=0
Proiectarea stabilizatorului de 6V
S-a folosit dioda zenner DZ6V1 cu următorii parametrii:
1.Tensiunea stabilizată: Vz=6V;
2.Curentul minim prin dioda zenner Izm=1,5mA;
3.Curentul maxim prin dioda zenner IzM=6mA;
Impedanța zenner Rz=100Ω
Dacă tensiunea de intrare variază între 10V și 12V, vom impune ca tensiunea stabilizată să aibă valoarea de 6v, iar curentul de sarcină IL=1mA.
Rezistența de polarizare pentru dioda zenner se determina:
și poate fi cuprinsă între două valori extreme:
pentru
pentru
Valoarea minimă a lui Iz se obține atunci când teniunea redresata de la intrare are valoarea minimă Uim=10V, iar curentul de sarcina are valoarea maximă IL=1mA, deci
Calculăm
Calculăm
Vom alege R=Rmax=1,5kΩ deoarece variațiile de tensiune la ieșire vor fi reduse la valori minime.
Parametrii dinamici ai circuitului:
1.Coeficientul de stabilizare
pentru ΔiL=0
2.Rezistența de ieșire
pentru ΔVi=0
Blocul mixer amplificator
Modulația semnalului audio de intrare
Semnalul audio cu frecvența de 5,5MHz se aplică de la oscilatorul audio, a cărui stabilitate este foarte ridicată, asigurând astfel o largmie de bandă, cât să asigure o deviație de frecvență și o frecvență de modulație satisfăcătoare, lărgimea minimă de bandă fiind dată de: B-W>Δf(2,5+4f/Δf).
Deviația maximă de frecvență produsă de deviația maximă de faza a oscilatorului este: Δf=5,5*106*0,12/Q, unde Qmax pentru modulație este <36 și pentru deviație este <22. Lărgimea de bandă a modulației este 150KHz,iar deviația de frecvența este 30KHz.
Dacă se alege un Q aproximativ egal cu 10, oscilațiile vor scădea cu temperatura, curentul din oscilator schimbându-și faza cu 2 grade la o creștere cu 50 grade a temperaturii, ceea ce va provoca o scădere aproximativă de 9KHz.
Un receptor tipic poate genera mai puțin de 3% distorsiuni la deviații de vârf, dar dacă se dorește mărirea performanțelor, atunci factorul de calitate Q trebuie mărit.
Cu un circuit acordat corespunzător pe frecvența de 5,5MHz, o creștere liniara a amplitudinii semnalului audio va produce o creștere liniara corespunzătoare a deviației de frecvență.
Senzitivitatea intrării modulatorului audio este de 150Hz/mV ceea ce înseamnă că 118mVrms va da o deviație de vârf de 25KHz.
Dacă considerăm o descreștere în spectrul energiei sub 10KHz precum vârfurile de supramodulare, atunci putem permite unui semnal de 10KHz să producă deviația întreagă de modulație. Cum semnalul audio în general la 10KHz este cu cel puțin 6dB sub nivelul de mijloc al benzii de frecvență, putem calibra intrarea cu -6dB amplitudine, un ton de 10KHz, pentru a produce deviația dorită. La frecvențe ale semnalului de mai puțin de 2KHz, amplitudinea semnalului modulat va fi de sub 8dB sub vârful anticipat de 10KHz, producând modulația de 100%.
Aceasta corespunde unui nivel de intrare în modulator de 118/2,2=45,4 mVrms.
Se va sesiza că, odată cu creșterea amplitudinii modulației, purtătoarea scade către zero ca apoi să crească din nou. Aceasta are loc deoarece indicele de modulație "m" se mărește. Indicii de modulație pentru care purtătoarea tinde spre zero pot fi calculați, și este important de știut că primul punct de nul al purtătoarei este atins pentru m=2,4048.
Pentru un sistem, deviația maximă de 25KHz a frecvenței modulatoare este dată de: f=25*1000/2,4048=10,4KHz.
Dacă folosim un semnal de intrare cu frecvența de 10,4KHz, odată cu creșterea amplitudinii, primul nul pentru purtătoare va indica deviația de vârf.
Dacă am insista cu cei -6dB la 10KHz, calibrarea ar consta în ajustarea semnalului audio de intrare astfel încât -6dB, 10,4KHz provoacă nulul purtătoarei. Aceasta va corespunde la 500mV rămas pentru 10,4KHz.
Semnalul de radiofrecvența rezultat la ieșirea modulatorului va reprezenta semnalul de 5,5MHz, ce modulează în frecvența de 480MHz.
S-a ales un divizor rezistiv pentru polarizarea corectă a tranzistorului, format dintr-o rezistența de 2,7k și una de 1,5k.
Sarcina modulatorului este formată dntr-un circuit LC, acordat pe frecvența de 480MHz, valorile bobinei și ale condensatorului fiind calculate conform f=1/2π√LC, obținându-se L=3nH respectiv C=1nF.
Eventualele armonici nedorite sunt puse la masa prin condensatorul C4=1pF, iar cuplajul capacitiv cu antenă este realizat prin intermediul condensatorului C5=3pF.
SCHEMĂ ELECTRICĂ A DETECTORULUI DE BUCLĂ INDUCTIVĂ
Bucla inductivă este îngropată în banda de trafic. Aceasta este formată dintr-o sârmă care iese și intră din același punct. Cele două capete sunt conectate la un cablu de extensie al buclei, care la rândul său, se conectează la detectorul de vehicule. Acest detector poate să creeze un câmp magnetic în zona buclei.
Detectorul monitorizează bucla la o frecvență constantă. Frecvența de bază se stabilește atunci când nu există nici un vehicul peste buclă.
Atunci când un obiect metalic de dimensiuni mari, precum un vehicul, calcă peste bucla, crește frecvența de rezonanță. Acest lucru se întâmpla deoarece suprafețele metalice ale vehiculului sunt mai aproape de buclă.
Este o concepție greșită ca detectarea unui vehicul cu bucla inductiva se bazează pe masa metalică. Acest lucru, pur și simplu nu este adevărat. Detectarea se bazează pe suprafața metalică. Cu cât aria suprafeței metalice este mai mare, cu atât frecvența este mai mare.
Capitolul V: Elemente de fiabilitate și tehnologie
Pentru realizarea scheamei electrice a detectorului cu bucla, din punct de vedere tehnlogic s-a folosit:
-timer 555
-LM 393
-led de 3V
-potentiometre de 50K, respectiv 2,5K
-condesatori polarizati de 1uF
-condensatori nepolarizati de 470pF, 0.01nF
-rezistente de 15K, 150K, 100K, 1.2K, 1K
-o bobina
-diode 1N4148
-sursa de alimentare de 12V
Bibliografie:
[1] http://www.agir.ro/buletine/1259.pdf;
[2] http://rria.ici.ro/ria1998_1/art06.html;
[3] http://www.referatele.com/fizica/IMPORTANTA-SEMAFORIZARII-IN-CE248.php;
[4] Adrian Eșanu, Doina Banciu, George Mihai, Lucian Anghel, Mihail Alexandrescu, Rodica Hrin, București 2003, ”Sisteme Inteligente de Transport” ;
[5] Radu Șerban Timnea, București 2009, “Teza de Doctorat”;
[6] http://bigfoot.cs.upt.ro/~naghiu/Proposal.pdf
[7] www.heero-pilot.eu/view/ro/ecall.html
[8] www.termo.utcluj.ro/confstud07/lucrari/socea.doc
[9] http://cipsm.hpc.pub.ro/documentation/DiplomaAndrei.pdf
[10] Sisteme de dirijare a traficului rutier, laborator 2, laborator 3, laborator 5
[11]http://www.rasfoiesc.com/inginerie/comunicatii/REALIZAREA-PRACTICA-A-UNUI-MOD41.php
[12]http://www.ipa.ro/AMTRANS/ceex2007/simpozion/PARTEA-I/33-Lucrare-X2C34.pdf
Dicționar explicativ de termeni si abrevieri
Copyright Notice
© Licențiada.org respectă drepturile de proprietate intelectuală și așteaptă ca toți utilizatorii să facă același lucru. Dacă consideri că un conținut de pe site încalcă drepturile tale de autor, te rugăm să trimiți o notificare DMCA.
Acest articol: Sisteme de Comunicatii Vehicul Infrastructura (ID: 163593)
Dacă considerați că acest conținut vă încalcă drepturile de autor, vă rugăm să depuneți o cerere pe pagina noastră Copyright Takedown.