Studiu Asupra Sistemelor de Management al Traficului Rutier Urban

PROIECT DE DIPLOMĂ

Studiu asupra sistemelor de management al traficului rutier urban

Memoriu justificativ

Studiu asupra sistemelor de management al traficului rutier urban

În acest proiect am intenționat să evidențiez o serie de echipamente și sisteme care asigură o bună circulație și o desfășurare în condiții de maximă siguranță a traficului rutier.

Tema proiectului meu este: ,,Studiu asupra sistemelor de management al traficului rutier urban”. Am ales această temă pentru că domeniul rutier este într-o continuă expansiune și dezvoltare iar condițiile de siguranță care trebuie impuse reprezintă o parte principală a acestui sistem.

În realizarea proiectului am respectat următoarele etape:

Studiu actual al sistemelor de semnalizare rutieră

Măsurarea unor mărimi caracterisitce de trafic

Proiectarea unui modul electronic care să reprezinte un sistem pentru soluția gestionării traficului în două intersecții și numărarea autovehiculelor într-o parcare situată între acestea.

M-am gândit la acest modul electronic deoarece semaforizarea este cel mai bun mod de a preveni accidente, iar partea de parcare inteligentă ajută conducătorii autovehiculelor să-și găsească mult mai rapid un loc de parcare fără a pierde timpul în cautarea acetuia în cazul în care nu există.

MEDIUL URBAN ȘI IMPORTANȚA ORGANIZĂRII PARTICIPANȚIILOR LA TRAFIC

Mediul urban în care populația locuiește, activează, se instruiește, își întreține, dezvoltă sau reface capacitatea de acțiune, este limitat la dimensiunile spațiului urban care trebuie distribuit, echilibrat între toate formele de existență menționate, rezervându-se, totodată, și o cotă necesară satisfacerii cerințelor de comunicare și deplasare între diferitele arii care se constituie în spațiul rutier urban. Creșterea spectaculoasă a traficului rutier care însoțeste dezvoltarea activitaților urbane nu poate fi statisfăcută de o creștere corespunzătoare a spațiului rutier. Pentru aceasta, în toate mediile economice dezvoltare s-au încercat soluții de descongestionare, orientate pe două direcții:

ameliorarea amenajării spațiului pentru creșterea gradului de utilizare și de îmbunătățire a caracteristicilor și parametrilor ce favorizează creșterea traficului;

îmbunătățirea indicilor de utilizare a spațiului concomitent cu îmbunătățirea parametrilor de desfașurare a traficului prin control și monitorizare.

Eficiența eforturilor de îmbunătățire în acest domeniu este condiționată de abordarea sistematică a elementelor ce compun un sistem de trafic rutier. Acestea sunt:

Spațiul rutier care cuprinde în configurația sa, căi rutiere, noduri rutiere (intersecții) lucrari speciale (porturi, tunele, refugii, parcări, serpentine, pante etc.), care pot facilita sau restricționa traficul rutier. La acestea se mai adaugă lucrarile speciale de semnalizare și protecție, de iluminat etc.

Participanții la trafic, care sunt:

vehicule, autovehicule (din care o categorie aparte o constituie transportul public);

pietoni și bicicliști.

Participanții la trafic au diferite caracteristici (viteze de parcurs, grade de ocupare a căilor rutiere precum și grade de securitate sau periculozitate). De asemenea, participanții la trafic prezintă diferite prioritați (grupurile de copii, bătrânii și invalizii în cadrul categoriei pietoni) sau autovehicule oficiale sau de intervenție (salvare, pompieri, poliție) în cadrul categoriei vehicule.

Condițiile naturale și de mediu, care influențează desfășurarea traficului rutier și care acționeaza asupra spațiului rutier sau asupra participanțiilor la trafic (vânt, nebulozitate, precipitații, etc.).

Controlul traficului din sistemele de trafic rutier are ca obiect creșterea capacității de trafic a rețelelor rutiere în urmatoarele condiții:

Creșterea eficienței pentru participanții la trafic (economie de timp și de carburanți, creșterea gradului de confort prin servicii de informații și de asistență service)

Creșterea gradului de siguranță pentru participanții la trafic și pentru factorii învecinați spațiului rutier;

Reducerea poluarii mediului (poluare sonoră, poluarea aerului și a apei etc.)

Prin metodele managementului traficului rutier, trebuie să se asigure corelarea în limita posibilităților, a urmăritorilor parametri mai importanți:

Mobilitatea populației;

Gradul de motorizare;

Densitatea populației în diverse zone;

Capacitatea de trafic, inclusiv staționarea și parcarea autovehiculelor, pentru a asigura desfășurarea circulației rutiere în condiții ridicate de siguranță.

Corelarea mărimii fluxurilor rutiere cu capacitatea de circulație a rețelelor rutiere presupune utilizarea unor metode adecvate de achiziție, prelucrare și interpretare, dacă este posibil în timp real, a unui volum mare de date privind numărul participanților la trafic, precum și a unor instalații flexibile de achiziție, prelucrare și dirijare automată a fluxurilor de autovehicule și pietoni, asistate și conduse de microcomputere.

De asemenea, este necesară folosirea unor instrumente matematice de analiză, simulare și coordonate, cum sunt: prelucrarea statistică a datelor și teoria probabilităților, programarea matematică, teoria estimației, prognoza matematică; teoria grafurilor și a rețelelor teoria șirurilor și a sistemelor de așteptare, teoria reglării automate; modelarea matematică a fluxurilor rutiere, metode numerice de calcul și teoria continuității.

Traficul rutier reprezintă un sistem tipic, om – autovehicul – drum și de aceea, este necesar să se acorde o atenție corespunzătoare analizei fiecăruia din acești participanți precum și implicarea directă asupra desfășurării fluente a circulației, în condiții depline de securitate rutieră. Este deci, necesară cunoașterea funcțiunilor acestora și a modului în care se poate acționa asupra lor pentru corelarea și optimizarea desfășurării normale a circulației rutiere, în vederea asigurării eficienței maxime a transportului de persoane și bunuri cu autovehiculele.

Autovehiculele care participă la traficul rutier diferă foarte mult între ele prin destinație, particularități constructive și capacitatea de trecere.

Din punct de vedere al destinației, autovehiculele se împart în:

Autovehicule pentru transport de persoane (autoturisme, microbuze, autobuze și automobile de performanță);

Autovehicule pentru transportul de mărfuri (autocamioane și autoutilitare);

Autovehicule de tracțiune (autotractoare cu semiremorci și remorci);

Autovehicule pentru servicii auxiliare și speciale (autobasculante, autocisterne, automacarale, autosanitare, etc.).

Toate aceste destinații, determină forme și dimensiuni diferite ale caroseriilor, performanțe dinamice și economice diverse, precum și capacități de trecere, de maniabilitate și stabilitate foarte diferite. De asemenea, tot în funcție de destinație, autovehiculele sunt echipate cu motoare și transmisii foarte diverse, precum și cu alte sisteme și echipamente, care contribuie la creșterea confortului acestora și la sporirea siguranței circulației rutiere.

Creșterea parcului mondial de autovehicule a dus la perfecționarea continuă a organizării și coordonării circulației lor. Un accent deosebit se pune pe proiectarea și construcția de drumuri având curbe line, suprafețe netede, declivități mici, și diferite semne, semnale și marcaje rutiere. Toate acestea sunt strâns legate de asigurarea unei vizibilități corespunzătoare, printr-o proiectare rațională a elementelor geometrice ale drumurilor.

SISTEME DE DETECȚIE A VEHICULELOR

Detecția vehiculelor are o importanță deosebită în cadrul sistemelor de reglare a traficului, deoarece furnizează informația de bază necesară pentru configurarea sistemului de semnalizare rutieră. Informația poate fi obținută static, în sensul culegerii datelor de trafic pe o anumită perioadă și apoi includerea acestora în calculele necesare pentru determinarea timpilor de semaforizare. Datele sunt, de obicei, culese pe parcursul unei perioade de cel puțin o săptămână, 24h/zi, pentru a putea obține planuri de semaforizare care să gestioneze cât mai bine fluxurile de vehicule din diferite perioade ale zilei.

2.1. Detectoare de trafic

2.1.1. Detectoare cu bucle inductive

De la introducerea lor in anii ’60 buclele inductive au devenit cele mai populare detectoare de vehicule. Componentele principale ale unui sistem detector cu buclă inductivă includ unul sau mai multe fire izolate îngropate într-un lăcaș puțin adânc săpat în pavaj, un cablu coductor de la cutia buclei până la lăcașul controllerului și o unitate de detector electronic așezat în cabina controllerului. Unitatea de detector electronic conduce energia prin sistemul buclei la o frecvență situată într-un interval cuprins între 10 kHz până la 200 kHz.

Sistemul buclei inductive formează un circuit electronic în care sârma buclei este elementul inductiv. Când un vehicul este oprit pe buclă sau trece peste buclă, scade inductanța buclei. Această scădere a inductanței actualizează rezultatul detectorului electronic și transmite noua valoare la unitatea controllerului, semnalizând trecerea sau prezența unui vehicul.

În ultimele două decenii detectoarele cu bucle inductive au devenit cele mai răspândite detectoare de trafic. Datele furnizate de o buclă inductivă sunt: trecerea vehiculelor, prezența acestora, numărarea vehiculelor și gradul de ocupare al benzii. De asemenea cu ajutorul sistemului detector cu buclă inductivă se pot detecta incidentele și congestionările de trafic cât și aproximările vitezei vehiculelor.

Pentru determinarea unor incidente care să reiasă din datele transmise, bucla este de obicei legată la un centru de management al transportului pentru o analiză computerizată.

Figura 2.1.1. Modelul sistemului cu buclă inductive

Beneficiile folosirii sistemului cu buclă inductivă sunt:

Atâta timp cat sunt corespunzător instalate și intreținute ILD (Inductive Loop Detector) continuă sa 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 in cazul unui flux scăzut de trafic în orice condiții de vreme.

Dezavantajele ar fi următoarele:

ILD (Inductive Loop Detector) poate furniza informații eronate din cauza instalării proaste conectarea greșită a cablurilor, îngropare neglijentă etc.

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 peste detector, dacă folosește o singură bucla;

pot fi deteriorate din cauza fulgerelor.

Numeroase automatizări de acces și control de trafic (auto) necesită detecția vehiculelor într-o anumită poziție. Pentru acestea se folosește efectul inducției electromagnetice: o masa metalică aflată în apropierea unei bobine, îi va modifica acesteia frecvența de oscilație. De regulă, bobina/bucla inductivă se realizează prin îngroparea în carosabil a unui conductor electric dispus în câteva spire. Acesta se leagă la un controler care monitorizează starea (inductanța) buclei inductive. Controlerele semnalizează când în proximitatea buclei apare o masă metalică, putând astfel monitoriza trecerea sau prezența unui vehicul într-o anumită pozitie. Printre aplicațiile uzuale sunt: activitatea și/sau protecția unei bariere, ușa de garaj, poartă, numărarea traficului auto, semaforizarea automată în obiective industriale, evitarea ciocnirilor stivuitoareîn hale, etc.

Bucla inductivă modul de instalare

Sistemul detector buclă inductivă este compus din unul sau mai multe bucle de sârmă incorporate in pavaj sau asfalt (se mai numește si element sensibil), este o îmbinare între un fir de plumb și un cablu de plumb.

Detectorii cu bucla inductivă sunt instalați în asfalt sau ciment după cum se observă in imaginile de mai jos:

Procesul de taiere

Procesul de spalare

Procesul de uscare

Punerea firului si

adâncirea acestuia in

șanț

Punerea etanșatorului

pe buclă

Bucla inductivă este excitată cu semnale care au frecvența între 10 kHz și 50 kHz și funcționează ca element inductiv cuplat cu o unitate electronică. Atunci când un vehicul trece sau oprește deasupra detectorului, inductanța scade. Scăderea inductanței duce la o creștere a frecvenței oscilatorului, fapt sesizat de unitatea electronică ce trimite un impuls controlerului, indicând prezența unui vehicul. Inductanțele uzuale sunt cuprinse între 20 si 200 µH.

Fluxul magnetic generat este uniform de-a lungul buclei, cu excepția porțiunilor din capete. Intensitatea câmpului magnetic este:

unde: H=intensitatea câmpului magnetic [A/m]

N= numărul de spire

I=intensitatea curentului electric (A)

L=lungimea conductorului [m]

Pe baza formulei de mai jos se poate determina lungimea exactă a vehiculului:

unde:

V=viteza stabilită anterior

= momentul începerii detecției pentru detectorul i, în m/s

=momentul terminării detecției pentru detectorul i, în m/s

Un alt mod de calcul al vitezei, din volum și gradul de ocupare este:

V=C unde C=coeficient de calibrare, determinat experimental.

Densitatea de vehicule:

Viteza=K*

K=) unde:

K=densitatea de vehicule

N=numărul de vehicule detectate în perioada de timp, T

T=perioada de timp, în ore

=viteza vehiculului detectat i

Clasificarea și numărarea vehiculelor

Poate fi realizată, de asemenea, cu bucle inductive lungi sau cu bucle scurte în serie. Acuratețea datelor în cazul măsurătorilor realizate cu ajutorul unei singure bucle de orice mărime nu poate fi mai mare decât 95%.

Acuratețea datelor provenind de la patru bucle scurte legate în serie este mai scăzută deoarece configurația prezintă o problemă de analiză foarte complexă ceea ce reduce precizia. Această capabilitate se poate dovedi a fi o perfecționare majoră pentru tehnologia de detectare cu bucle inductive. Comparativ cu înregistrările de trafic convenționale, un număr tot mai crescut de sisteme de semaforizare computerizate folosesc detectori pentru a furniza date asupra volumelor de vehicule. Datele colectate sunt transmise direct spre sistemele de computere care controlează programul de semaforizare.

Numărarea vehiculelor cu bucle detectoare

Când numărarea vehiculelor se face pe benzi multiple, nu se recomandă folosirea unei singure bucle care să traverseze toate benzile. În această situație dacă un vehicul de pe o anumită bandă de circulație pătrunde pe buclă, înainte ca cel de pe banda alăturată să fi trecut de buclă, este înregistrat doar un impuls continuu. Aceasta va conduce la valori ale traficului, situate mult sub cele reale.

Când disciplina benzii de circulație este respectată (de ex. fluxurile de trafic își păstrează banda de deplasare), se instalează câte o buclă inductivă pentru fiecare bandă de circulație.

În cazul când se constată schimbarea permanentă a benzilor de deplasare se recomandă instalarea unei bucle inductive între benzi, așa cum este prezentat în figura 2.1.1.3.1

În mod ideal, buclele ar trebui plasate în concordanță cu următoarele restricții:

cel mai lat vehicul nu va încăleca mai mult de două bucle;

cel mai îngust vehicul nu va trece printre două bucle;

două vehicule alăturate pot să traverseze trei bucle.

Figura 2.1.1.3.1 Amplasarea celor trei bucle inductive pentru numărarea vehiculelor

Figura 2.1.1.3.1 prezintă trei bucle amplasate pentru un drum cu două benzi de circulație. Operarea buclelor A,B și C produce imediat o înregistrare. Operarea comună a buclelor A și C împreună sau A,B și C împreună produce o primă înregistrare și, după o scurtă întârziere, a doua înregistrare, dar operarea buclelor A și C simultan produce o înregistrare urmată de a dpua la un interval mic de timp.

Înregistrări cu bucle inductive lungi

Numărarea vehiculelor poate fi realizată, de asemenea, cu bucle inductive lungi sau cu bucle scurte în serie. Acuratețea datelor în cazul măsurătorilor realizate cu ajutorul unei singure bucle de orice mărime nu poate fi mai mare decât 95%.

Acuratețea datelor provenind de la patru bucle scurte legate în serie este mai scăzută deoarece configurația prezintă o problemă de analiză foarte complexă ceea ce reduce precizia. Această capabilitate se poate dovedi a fi o perfecționare majoră pentru tehnologia de detectare cu bucle inductive.

Detectarea direcțională

Când este necesar să se facă disticția între direcțiile de deplasare (de exemplu în cazul traficului de pe bezile reversibile) se folosesc două bucle, două canale de detectare, și o ,,logică direcțională”, figura 2.1.1.5.1 Cu acest system, se pot obține înregistrări separate în concordanță cu direcția de deplasare. O altă variant este activarea buclei potrivite, funcție de mometul zilei, o data cu semnalul de control al bezii reversibile.

Figura 2.1.1.5.1 Detectare direcțională

Bucla tip ,,covor”

Este un tip de buclă de detectare care constă dintr-un covor de cauciuc în care sun încorporate bucle multiple. Covorul are, de obicei, o lățime mai mică decât buclele instalate clasic. Mărimile standard variază de la 1,2 x 1,8 m la 0,9 x 1,9 m.

Figura 2.1.1.6.1 Detector tip ,,covor” cu bucle inductive

Covorul se poziționează pe mijlocul unei benzi de circulație cu lungimea paralelă cu direcția fluxului de traffic, astfel încât, cea mai mare parte a traficului, va trece peste acest echipament. Un mod obișnuit de instalare a acestui tip de detector este prezentat în figura 2.1.1.6.1 Covorul este permis de dum cu ajutorul unor cuie și șaibe de etanșare. Pentru a evita riscul ruperii marginilor, peste acesta este montat un alt covor, adeziv, cu dimensiuni ce depășesc marginile cu 7,5 cm. Racordarea echipamentului de coletare la covorul cu detector este realizată prin intermediul ramei dintre cele două straturi. Dezavantajul unui astfel de covor contă în fiabilitatea scăzută în cazul taficului greu.

2.1.2. 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 pe o anumită arie. Este de asemenea bun la numărarea vehiculelor.

Acest tip 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 tind să reziste mai mult pe drumuri care au tendință 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.

2.1.3. 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 ca senzorul magnetometru. El este alimentat cu o baterie internă și conexiunea sa la releu este o legătură prin radio. Receptorul de pe marginea drumului 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 predeterminată. Aceste tipuri de detectoare rezolvă problema buclelor și a axei unice a magnetometrului. Acestea utilizează o axă dublă a magnetometrului care nu numai că ia în considerare componenta verticală a câmpului magnetic terestru, ci utilizează și o 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 auto-calibrare, pentru a se acomoda cu schimbările sezoniere de temperatură. Acesta 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 băurit 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 opto-izolate 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 contrasesn

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 puduri, străzi cu sens unic, autostrăzi etc.

Detecția avansată(prevenire)

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 la intersecții

SPVD poate fi folosit pentru detectarea vehiculelorla bara de oprire sau în benzilor 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 sensibilitatea și autoreglarea poate detecta vehiculelor de pe pod prin placa asfaltică 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 intersectie. 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.

Figura 2.1.3.1 Sistemul SPVD

2.1.4. Detecție video

Detecția video este bazată pe procesarea imaginii în timp real, oferind o detecție eficientă pe o arie extinsă, bine adaptată pentru înregistrarea de incidente pe drumuri și in tuneluri. Conectată la automate de dirijarea a traficului, aplicația poate fi de asemenea folosită și pentru detectarea de vehicule în intersecțiile semaforizate, acolo unde instalarea buclelor inductive este dificilă sau scumpă.

Figura 2.1.4.1. Montarea la aproximativ Figura 2.1.4.2. Montare pe stâlp vertical
15 metri inaintea zonei monitorizate

Avantaje:

Instalarea sistemului de detecție video se face in mai puțin de o oră, fără intreruperea traficului rutier;

Sistemul este disponibil atât iîn configurație fixă cât și mobilă;

Transmisia datelor prin wireless între componentele sistemului elimină necesitatea săpăturilor;

Măsurarea vitezei instantanee pe două benzi de circulație;

Măsurarea vitezei medii pe două benzi de circulație;

Detectarea trecerii pe culoarea roșie a semaforului, a circulației pe contrasens, a virajelor efectuate neregulamentar și, în general, orice abatere de la traiectoria corectă;

Poate gestiona simultan mia multe tipuri de plăcuțe de înmatriculare;

Funcția de “listă neagra” pentru alarmarea imediată a autorităților;

2.1.5. Senzori cu radiații infraroșii(IR)

Senzorii IR pot fi activi sau pasivi și sunt realizați pentru diferite tipuri de aplicații în domeniul ITS. Senzorii sunt montați în special deasupra drumului, în așa fel încât să perceapă traficul care sosește în zona monitorizată sau cel care o părăsește. Aplicațiile acestor senzori se situează în domeniul controlului semnalizării rutiere, în detecția volumului de trafic a vitezei și a clasei vehiculelor, dar și pentru detecția pietonilor pe treceri.

Senzorii IR pot fi de două feluri

Senzori activi în infraroșu (AIR)

Senzori pasivi în infraroșu (PIR)

Senzori activi în infraroșu (AIR)

Iluminează zonele de detecție cu energie IR de mică putere furnizată de diode lase care lucrează în vecinătatea spectrului IR din radiația electromagnetică (0,85 microni). Energia IR reflectată de vehiculele ce traversează zona activă este focalizată de un sistem optic într-un material fotosensibil montat în focarul obiectivului. Senzorii AIR, activi, au două sisteme optice.

Primul este sistemul de transmisie care dispersează radiația în doi lobi, separate la un anumit unghi

Al doilea este sistemul optic al senzorului de recepție care are un unghi de deschidere al obiectivului mia mare, pentru a recepționa ușor energia reflectată de vehicule.Prin transmiterea a cel puțin două fascicule, acest tip de senzori permite măsurarea vitezei vehiculelor.

Ca aplicații senzorii IR sunt utilizați pentru: detecția prezenței vehiculelor la semnalele rutiere, masurarea volumului de trafic, a vitezei, a lungimi cozi de așteptare, clasificarea vehiculelor, etc. La o aceeași intersecție se pot monta mai mulți senzori, fără ca aceștia să interfereze unul cu celălalt. Senzorii lase IR moderni produc imagini bi – sau tridimensionale ce facilitează clasificarea vehiculelor. Distanța de amplasare deasupra benzii de circulație este, de obicei, cuprinsp între 6,1-7,6 m, la un unghi de incidență de 5°.

Figura 2.1.5.1. Senzor IR Figura 2.1.5.2. Detecția senzorului IR

Figura 2.1.5.3. Detecția IR multifascicul

Senzorii cu infraroșu angajează activ atât sursa de infraroșu cât și detectoarele cu infraroșu. Ele funcționează prin transmiterea de energie fie de la o diodă emițătoare de minună (LED-uri) fie de la o diodă lase. Un LED este utulizat pentru o non-imagistică activă de detector IR, și o diodă laser este utilizată pentru o imagistică activă a detectorului IR.

Detectoarele active IR oferă numărul, prezența, viteza, precum și datele de ocupare atât noaptea cât și ziua. Dioda de tip laser poate fi, de asemenea, utilizată pentru clasificarea țintă, deoarece aceasta oferă mai multe date țintă și date formă.

Senzorii pasivi în infraroșu (PIR)

Acest tip de senzori detectează energia de vehicule, suprafața drumului, alte obiecte din câmpul lor vizual, precum și din atmosferp fără a emite nici un fel de radiație. Aplicațiile ITS cu PIR conțin de obicei, un set de 1-5 senzori amplasați în planul focal, astfel încât să permită captarea energiei dintr-o zonă specifică.

În general deschiderea optică pentru acest tip de senzori este relativ mare, permițându-se divizarea, de exemplu, a planului xOy într-un număr de pixeli. Obiectele din câmpul vizual sunt analizate pe baza acestor pixeli. Senzorii CCD conțin arii bidimensionale, de detectoare, fiecare dintre aceștia având un câmp vizual instantaneu. Un parametru important pentru acest tip de senzor este rezoluția, exprimată ca un număr de pixeli pe suprafața activă a senzorului. Valorile curente se încadrează in plaja 1,2-8 mp, în timp ce la camerele profesionale pot ajunge la 14-16 mp.

Senzorii PIR cu o singură zonă de detecție pot măsura volumul, bagaritul sau momentul trecerii unui vehicul. Sursa de energie detectată de acești senzori este emisă corpului gri cu suprafața la o temperatură nenulă.

Acest tip de emisie apare la temperaturi diferite de zero absolute (273,15°C) dacă coeficientul de emisie al obiectului are valoarea de 1, atunci obiectul este denumit “corp negru”.

Cele mai bune obiecte au acest coeficient mai mic decat 1, așa că sunt denumite “corpuri gri”. Senzorii PIR pot fi proiectați pentru a reception energie la orice frecvență. Pentru genul de aplicații ITS lingimile de undă actuale sunt între 8-14 μm, pentru a se minimiza și efectul perturbator al radiației solare.

Figura 2.1.5.4 Arhitectura internă a unui senzor PIR

Senzorii wireless

Senzorii, la modul general, reprezintă dispozitive care detectează o schimbare într-un stimul fizic pe care o transformă într-un semnal care să poată fi măsurat sau înregistrat. În funcție de domeniul de utilizare și de complexitatea funcțională senzorii sunt împărțiți în mai multe categorii.

În ziua de azi, senzorii wireless au tot mai multe utilizări posibile, de la alarme, detectoare de trafic și telecomenzi, până la senzori wireless pentru pescuit.

Particularitatea senzorilor wireless o reprezintă combinarea celor trei elemente principale care-i compun, și anume:

traductorul de măsură propriu-zis (termocuplu, termorezistență, etc.);

inteligență (componenta hardware care poate lua decizii în funcție de instrucțiunile avute în memorie)ș

comunicația (sistemul de transmisie – recepție wireless).

Controlul Antenă
câștig Control Date intrare

Control
senzor
Senzor Date ieșire

Figura 2.1.6.1. Schema bloc a unui senzor wireless

Așa cum se poate observa și din figură, senzorul este controlat de un microprocesor. În acest mod este capabil să asimileze cantitați mari de date, să ia decizii autonome și astfel să acționeze în mod adecvat pentru a-și atinge obiectivele în orice mediu, chiar dacă acesta este într-o continuă schimbare.

În general, senzorii wireless sunt sisteme de dimensiuni reduse utilizate pe scară largă în instrumente de măsură. Unii dintre acești senzori sunt fabricați cu ajutorul unor tehnologii foarte noi și avansate cum ar fi cea a rețelelor neuronale sau logica Fuzzy deținând chiar și software-ul încorporat pe chip.

Pe piață, există o serie de senzori wireless, utilizabili în diverse domenii. În continuare, voi prezenta câteva din aceste modele:

Senzor wireless DSC

Producator: DSC Canada

Alimentare baterie 9V

Consum foarte redus

Perioada de viață a bateriei până la 3 ani

Raza de acțiune de 18 m

Deschidere 90º

Element piroelectric dual

Nivel înalt de securitate cu cod săritor

Controlat de microprocesor

Lentil de înaltă calitate

Utilizatorul poate selecta un cod fix de transmisie

Monitorizare baterie descărcată

Transmisiuni multiple de alarme la interval de timp aleatoare

Dimensiuni: 50x62x95 mm

Imunitate RF 10V/m pana la 1 GHz

Senzori wireless EE240-umiditate-temperatură și CO2

Senzorii wireless tip EE240 de la E+E Elektronik sunt soluția ideală și de înaltă calitate, pentru măsurători wireless a umidității, temperaturii sau CO2. În urma introducerii transmisiei de date de tip wireless, E+E Elektronik, specialistul in senzoristica, și-a lărgit experiența și în domeniul senzorilor wireless.

Se pot conecta pâna la 3 sonde pe un singur emițător. Fiecare sondă funcționează independent și pot fi schimbate în timpul funcționării. Sondele sunt concepute de așa natură încât să permită conectarea la o distanță de 10 m față de emițător.

Aceste caracteristici fac ca senzorii fără fir E + E să fie dedicați în special pentru aplicații industriale unde senzorii trebuie să fie recalibrați periodic și acest fapt să nu afecteze funcționalitatea rețelei. Valorile măsurate pot fi citite direct de pe ecranul transmițătorului sau se poate citi de la distanță cu ajutorul browser-ul web de la orice PC din rețeaua companiei.

Stația de bază dispune de o interfață Ethernet pentru conectarea digitală, eficiența la rețea și analiza datelor. Server-ul de web integrat va permite să configurați ușor și individual rețeaua de senzori wireless de la orice PC fără a instala vreun program software. Stația de bază vine cu patru ieșiri analogice pentru conectarea la un controler de sistem.

Se poate configura un sistem de măsura mobil cu până la 500 de stații de emisie fără a instala nici măcar un cablu. În plus față de acest grad ridicat de flexibilitate, comunicarea este codificată bidirecțional și astfel se asigură complet siguranța de transmitere a datelor.

Senzorii wireless E + E sunt în conformitate cu clasa de protecție IP65, ceea ce îi face potriviți pentru utilizare în condiții dificile de funcționare, precum și în aplicații de exterior.

Routerele wireless sunt disponibile pentru extinderea rețelei și pentru a ocoli diverse obstacole.

O categorie deosebită este cea de senzori medicali wireless:

De foarte multe ori, numarul mare de cabluri legate la dispozitivele de monitorizare ale pacienților cardiaci, și nu numai, încurca medicii în examinarea pacienților. De la un astfel de caz, în care un doctor nu reușea sa pună stetoscopul pe pieptul unui pacient cardiac și să-i asculte inima, a pornit ideea lui Mike Harsh de a crea o noua generație de senzori medicali wireless. De asemenea, cablurile sunt incomode chiar și pentru pacient. Ele afectează mobilitatea și libertatea de a face ceea ce își doreste pacientul.

Ȋn prezent, specialistul dorește să dezvolte o nouă generație de senzori wireless care se atașează pe corp asemenea unui plasture. Aceștia s-ar alimenta de la o baterie minusculă integrată și ar folosi unde radio pentru a comunica cu un receptor aflat fie în buzunarul pacientului, fie în salonul de spital. Ȋn afara spitalului, informația din senzori agregată local ar putea fi transmisă într-o rețea celulară și astfel ar oferi imediat medicilor și spitalelor o monitorizare permanentă a pacienților și un flux neîntrerupt de date.

COMUNICAȚII UTILIZATE ÎN MEDIUL URBAN

Undele radio

Undele radio sunt unde electromagnetice utilizate în special pentru transmisii de radio și televiziune, cu frecvențe de la câțiva kilohertz până al câțiva gigahertz (1 GHz=109 Hz). În anumite aplicații speciale însă domeniul de frecvențe poate fi mult extins. Uniunea Internațională a Telecomunicațiilor, forul care reglementează telecomunicațiile prin unde radio, stabilește prin convenție limita superioară a frecvenței undelor radio la 3.000 GHz.

Pentru transmisii radio și TV se definesc benzile:

Radio

Unde lungi: 153 kHz-279 kHz

Unde medii: 531kHz-1.620 kHz

Unde scurte: 2.310 kHz-25.820 kHz

Unde ultrascurte: 88MHz-108 MHz

Televiziune

Banda I(canalele 2-6): 54 MHz-88MHz

Banda III(canalele 7-13): 174 MHz-216 MHz

Benzile IV și V(canalele 14-69): 470 MHz-806MHz

Radio a fost la origine o metodă de transmitere a sunetelor prin unde radio, care prin natura lor sunt unde electromagnetice. Tot “radio” se mai numește și aparatul receptor corespunzător. Azi se transmit prin radio (unde radio) o gamă largă de semnale diferite, inclusiv imagini mișcătoare (televiziune) și fluxuri enorme de date. Undele radio călătoresc prin aer și pot trece prin cele mai multe corpuri nemetalice inclusiv corpul omenesc.

De foarte multă vreme omul a fost nevoit să transmită informații la distanțe mari. În antichitate semnalele cu ajutorul focurilor constituiau singura cale de comunicare la mari distanțe; așa s-a aflat de exemplu de căderea Troiei sau a Ierusalimului.

Existența undelor radio a fost făcută cunoscută publicului larg în special de către Guilermo Marconi, un inventator italian. Fizicianul sârb din America Nikola Tesla a contribuit în mod esențial, pe lângă alți câțiva inventatori, la crearea primului aparat de radio (precum și la alte multe invenții din domeniul electrotehnicii). El a construit un sistem care putea transmite și primi semnale radio de la o distanță de aproape 3 km. În 1895 a trimis un semnal radio pentru prima dată; în 1907 el a recepționat prima dată un semnal radio din Canada, și anume semnul “x” din Codul Morse.

Odată cu acesta a început să se dezvolte telegrafia fără fir și folosirea codului Morse, care au fost foarte importante mai ales pentru comunicarea între nave în cazul unor dezastre pe mare. Primul care a transmis un mesaj vocal prin undele radio a fost Reginald Fessenden în 1900. Nikola Tesla a început în 1900 construcția primei stații de emisie de radio, dar din lipsă de fonduri a abandonat idea. Totuși el este considerat inventatorul ideii de stații radio cu emisiuni.

Rețelele fără fir sunt rețele de aparate și dispozitive interconectate prin unde radio,infraroșii și alte metode fără fir.

În ultimii ani ele au cunoscut o dezvoltare semnificativă pe plan mondial, reprezentând o solutie alternativă la legăturile cu fir (electric, din fibra optică și altele). Conexiunile fără fir devin tot mai populare, deoarece ele rezolvă probleme ce apar în cazul când avem multe cabluri, conectate la multe dispozitive. Tehnologiile moderne fără fir pot interconecta echipamentele (sau și rețelele locale, LAN-urile) la distanțe mici, dar și la distanțe mari.

În prezent există mai multe moduri de a transmite date cum ar fi prin Wi-Fi, fibră optică, Bluetooth, GPRS,, GPS etc.

Senzori wireless(Wi-Fi)

Rețelele fara fir sunt rețele de aparate și dispozitive interconectate prin unde radio, infraroșii și alte metode fără fir. În ultimii ani ele au cunoscut o dezvoltare semnificativă pe plan mondial, reprezentând o soluție alternativă la legăturile cu fir(electric, din fibră optică și altele). Conexiunile fără fir devin tot mai populare, deoarece ele rezolvă problemele ce apar în cazul când avem multe cabluri, conectate la multe dispozitive. Tehnologiile moderne fără fir pot interconecta echipamentele (sau rețelele locale, LAN-urile) la distanțe mici, dar și la distanțe mari.

Wi-Fi este o tehnologie folosită deseori la implementarea rețelelor locale de calculatoare de tip rețea locală fără fir (Wireless Area Network, WLAN). Un WLAN este un sistem de comunicații implementate ca extensie la, sau ca alternativă pentru o rețea locală (LAN) cablată, într-o clădire sau campus, combinând conectivitatea la viteză mare cu mobilitatea utilizatorilor, într-o configurație mult simplificată.Avantajele evidente, cum ar fi mobilitatea, flexibilitatea simplitatea în instalare, costurile de întreținere reduse și scalabilitatea, au impus Wi-Fi și WLAN ca o soluție tot mai mult utilizată.

O tehnologie suplimentară, care poate capta datele de șapte ori mai repede și de o mie de ori mai departe decât populara tehnologie Wi-Fi, este tehnologia WiMAX. În timp ce rețelele Wi-Fi simple au o rază de acțiune de aproximativ 30 m, WiMax utilizează o tehnologie de microunde radio care mărește distanța la aproximativ 50 km. Astfel se pot construi chiar rețele metropolitane (MAN) bazate pe tehnologia WiMAX.

Tipuri de echipamente:

Echipamentele de transmisie/recepție fără fir sunt de obicei de două tipuri:

stații bază (Base Stations, BS)

stații client (Subscriber Units, SU)

Stațiile bază au deschiderea antenei de obicei de la 60 până la 360 de grade, asigurând conectivitatea clienților pe o anumită arie. Ele pot fi legate la o rețea cablată prin fibră optică, cablurile metalice sau chiar relee radio. Stațiile client au antene cu deschidere mult mai mică și trebuie orientate spre BS-uri. Subnivelul Media Access Control (MAC) are următoarele sarcini:

Pentru stațiile client:

Auntetificare (înregistrare în condiții sigure)

Deauntetificare (dezînregistrare în condiții sigure)

Transmisie în coniții de siguranță

Livrare de MAC Service Data Units (MSDU) între echipamentele wireless

Pentru stațiile bază:

Asociere (înregistrare)

Deasociere (dezînregistrare)

Distribuție de cadre MAC

Integrare (rețeaua existentă wireless poate comunica cu rețele bazate pe alt tip de tehnologie wireless)

Reasociere (suportă cedarea dinamică a clienților unui alt BS, precum și comunicația cu alte BS)

În general, pentru orice echipament wireless, fie acesta o stație bază, fie o stație client, antenele sunt cele care oferă robustețe și flexibilitate. Chiar dacă sunt abia amintite în discuție pe marginea rețelelor fără fir, antenele sunt cele care optimizează anumite aplicații, cum ar fi legătura între mai multe clădiri, etc. Întrucât mediul fară fir este unul foarte dinamic, prin folosirea unor antene direcționale se poate influența modalitatea de propagare a semnalului radio. Astfel, energia și caracterisitca unui semnal pot fi direcționale de-a lungul unui culoar îngust în loc să se lovească de pereți, ceea ce ar aduce la o risipă de energie sau la interferențe de semnal nedorite.

Antenele omnidirecționale emit radio în toate direcțiile (sferă), în timp ce antenele unidirecționale concentrează semnalul pe o direcție preferențială dată de orientarea antenei. Cu cât unghiul de emisie este mai mic, cu atât mia mare este distanța acoperită. Avantajul antenelor omnidirecționale constă în faptul că antena clientului nu trebuie să fie foarte precis orientată, fiind suficient să se afle în aria de acoperire a antenei stației bază. Dezavantajele sunt numeroase: risipă de putere de emisie, securitate scăzută datorită riscului de interceptare a undelor radio.

Antenele unidirecționale se situează pe o poziție mai bună în ceea ce privește folosirea eficientă a puterii de emisie dar și a riscului mai scăzut de interceptare a transmisiei. Dezavantajul lor constă în faptul că acordarea antenelor bază-client trebuie făcută foarte precis și dimensiunea este semnificativă. În practică, antenele unidirecționale se folosesc numai pentru legături fixe de tipul punct-la punct, cum ar fi cazul unui bridge sau al unui ruter de tip wireless.

Diversitatea antetelor oferă beneficii substanțiale implementărilor rețelelor locale fără fir, cum ar fi luxul folosirii mai multor antene sau posibilitatea de a alege cel mai bun tip de antenă pentru o locație dată. Pentru aceasta este nevoie de o bună cunoaștere a proprietăților semnalului radio și a modalităților de amplasare corectă a antenelor radio. În practică, antenele amplasate prea aproape una de alta duc la o degradare a performanței receptorului. Utilizarea diferitelor tipuri de antenă are, de asemenea, impact și asupra metodei, dar și a rezultatelor monitorizării unei locații.

Clasificarea rețelelor fără fir după aria acoperită, de la mic la mare:

Wireless Personal Area Network (WPAN) – v. Rețea personală

Wireless Local Area Network (WLAN) – v. Rețea locală

Wireless Metropolitan Area Network (WMAN) – v. Rețea metropolitană cf. Standardului 802.16 sau WiMAX

Wireless Wide Area Network (WWAN) – v. Rețea de arie largă

Fibra optică

Fibra optică este un mediu de transmisie transparentă la radiația luminoasă, format dintr-un miez dielectric (sticlă sau material plastic) înconjurat de un înveliș dielectric cu indice de refracție mai scăzut. Fibrele optice sunt utilizate pentru transmisiuni pe distanțe foarte mari (continetale, oceanice), dar pot fi folosite și pentru distanțe foarte mici.Pentru semnalul digital, cea mai bună soluție este transmisia pe fibră optică, ce permite regenerarea pe secțiuni mai mari de 50 km.

În sistemele optice de transmisie, fibrele optice (FO) se utilizează ca mediu de transmisie, înlocuind cablurile convenționale, față de care prezintă o serie de caracteristici net superioare: imunitatea la interfețele electromagnetice, izolarea electrică a transmițătorului de receptor, absența problemelor legate de scurtcircuitare și stăpungere, pierderi reduse, lărgime de bandă extrem de ridicată, reducerea volumului, a greutății și a prețului de cost.

Există și două mari dezavantaje importante ale transmisiilor pe fibră optică și anume atenuarea în fibră și dispersia.

Structura fibrei optice

Un conductor de fibră optică este format din următoarele părți așa cum reiese din figura de mai jos:

miezul – centrul subțire al fibrei pe unde circulă lumina;

învelișul – material plastic;

mediul protector – înveliș de plastic care protejează fibra de eventualele deteriorări și de umezeală.

înveliș

miez mediu

Figura 3.3.1.1. Structura fibrei optice

Din punct de vedere tehnic transmisia datelor prin fibră optică se bazează pe conversia impulsurilor electrice în lumină. Aceasta este apoi transmisă prin mănunchiuri de fibre optice până la destinație, unde este reconvertită în impulsuri electrice.În figura 3.3.1.2 și 3.3.1.3 sunt prezentate două imagini reprezentând structura fibrei optice.

Figura 3.3.1.2 Structura fibrei optice Figura 3.3.1.3 Structura fibrei optice

Transmisiile optice ghidate s-au dezvoltat mult odată cu perfecționarea tehnologiilor legate de fibrele optice cu pierderi mici (sub 10 dB/km), pierderile în fibră (L f ), reprezentând principal sursă de pierderi în astfel de canale.

Celelalte surse de pierderi sunt pierderile de cuplaj , pierderile în conectori și pierderile de îmbinare .

Ținând seama de aceste pierderi puterea la receptive se poate scrie:

=–2⋅ –

unde: este puterea de ieșire a sursei

este numărul de îmbinare de tronsoane ale FO

este lungimea totală a fibrei optice utilizate

Tipuri constructive de fibră optică

Sunt cunoscute două tipuri de fibre optice:

fibre optice din material plastic;

fibre optice din sticlă.

Fibra optică din plastic este mai flexibilă și mai robustă decât fibra optică din sticla convențională. Este deja mai uțor de utilizat ți mai uțor de fabricat. Are o gamă largă de aplicații, de la industria de automobile la industria aeronautică, iluminat și telecomunicații. Fibra optică din plastic s-a dovedit a fi soluția ideală, atât pentru cerințele din industrie, cât și pentru utilizări personale, în ambele cazuri fiind de dorit performanțe superioare la costuri mai mici.

Fibrele optice din polimeri sau poliamidici au o ductibilitate, o rezistență și o elasticitate mult superioare fibrelor din sticlă minerală. Polimerii cu structură tridimensională de foarte mare regularitate, cilindrică sau în lamele echidistante reprezintă o altă soluție bună de realizare a fibrelor optice.

Fibra optică din sticlă are o atenuare mai mică decât fibra din plastic, rezultă că pot fi folosite pentru lungimi foarte mari în comunicații cu un număr redus de amplificatoare.

Pot fi executate de diamnetru foarte mic (100 microni) ceea ce permite un fascicul cu multe canale pe același cablu și flexibilitate mecanică.

Pot fi folosite pentru transmisii de imagini optice atunci când au un număr suficient de mare de fibre optice pe același cablu.

De asemenea fibrele optice mai pot fi clasificate astfel:

Single-mode: Acestea au miezul de 9 microni în diametru ți transmit lumina de la laser în infraroțu (lungimea de undă este de la 1300 nm până la 1550 nm).

Multi-mode: fibrele optice multi-mode au miezul de 62.5 microni în diametru și transmit lumina în infraroșu de la LED-uri (lungimea de undă de la 850 nm la 1300 nm).

Pentru fibrele optice făcute din plastic cu miezul de până la un milimetru diamentru și lungimea de undă de 650 nm, lumina roție transmisă prin acestea este vizibilă.

Propagarea luminiii în fibra optică

Legile opticii permit descrierea reflexiei totale la sufrapața de separație dintre miez-înveliș a fibrei optice. Reflexia totală poate avea loc doar în cazul trecerii unei raze luminoase dintr-un mediu mai dens într-un mediu mai puțin dens; invers nu este posibil.

Superpoziția a două sau mai multe unde și combinarea lor într-o singură undă se numețte interferență.

O manifestare tipică a interferenței a două unde este obținută când ele au aceeași lungime de undă și când există un defazaj constant între ele. Astfel de unde se numesc unde coerente.

Dacă se consideră două surse luminoase obișnuite (becuri electrice) cu incandescență și suprapunem aceste surse nu se va observa nici un tip de interferență pentru că lumina lor e incoerentă. Acest fapt e datorat procesului de emisie a luminii (în acest caz precizat: filamentele incandescente).

În virtutea fenomenelor spontane și aleatorii, fiecare atom al filamentelor incandescente emite flash-uri de lumină care sunt serii de unde cu o durată de viață în jur de s. Considerând că viteza luminii în aer este de 3 · m/s, aceste serii de unde au o lungime de 3m purtând denumirea de lungime coerentă. Suprapunerea acestor serii de unde este complet neregulată și produce doar iluminarea globală a spațiului înconjurător.

Pentru transmisia pe fibre optice este necesar să se găsească o sursă luminoasă cât mai coerentă, prin urmare lărgimea spectrală va trebui să fie cât mai mică. Spre deosebire de diodele electroluminiscente, dioda laser oferă, grație unei emisii simulate, o diferență de fază constantă la o aceeași lungime de undă.

Prin urmare, fenomenele de interferență apar în ghidul de undă, ceea ce poate fi constatat din faptul că lumina se propagă doar sub unghiuri bine precizate în miezul fibrei; prin ,,precizate” înțelegându-se că propagarea are loc în direcții în care undele luminoase sunt amplificate prin suprapunerea lor și prezintă o interferență constructivă.

Parametrii fibrei optice: atenuarea fibrei optice și banda de trecere

Lumina care se propagă într-o fibră optică, suferă o atenuare, adică are loc o pierdere de energie. Aceste pierderi trebuie să rămână mici, pentru a putea pargurge mari distanțe, fără regeneratori intermediari. Atenuarea fibrei optice este un parametru important pentru efectuarea proiectării instalării cablurilor optice. Ea se datorează, în principal, fenomenelor fizice: absorbție și difuzie.

Importanța acestor pierderi luminoase depinde, între altele, de lungimea de undă a luminii injectate. Din această cauză este, în general, util să se măsoare atenuarea fibrei optice în funcție de undă (măsura spectrală). Putem, astfel, determina gamele de undă cu pierderi mici, deosebit de interesante pentru transmisia optică.

Dacă se observă propagarea luminii într-o fibră optică în stare de echilibru, se poate constata că puterea luminii P descrește exponențial cu lungimea L a fibrei optice:

P(L)=P(0) ·

P(0) este puterea luminii injectate în fibra optică;

P(L) este puterea luminii care se calculează la lungimea L și a este coeficientul de atenuare, care este o măsură oentru atenuarea pe unitatea de lungime. Atenuarea unei fibre optice de lungime L și cu un coeficient de atenuare a este egală cu:

=101logdB/km

În timp ce atenuarea descrie pierderile optice de linie ale fibrei optice, banda de trecere reprezintă o măsură a fenomenului de dispersie.

Conectoare optice

Conectoarele sunt sunt utilizate pe linie de transmisie optică pentru a separa cu ușurință două fibre optice și, dacă e cazul, de a le cupla cu pierderi minime.

Primul conector folosit înaintea invenției fibrei de tip single-mode a fost conectorul SMA. La ora actuală cel mai folosit pentru fibrele multi-mode este conectorul ST (prezintă mai puțin de 1dB pierdere). Există conectori ST și pentru fibrele single-mode. Un alt conector de largă răspândire folosit pentru fibrele single-mode este cel de tip SC. Are un preț scăzut, este simplu și durabil.

Figura 3.3.5.1 Conector ST Figura 3.3.5.2 Conector SC

Dacă diametrul miezului fibrei utilizate și atenuarea de inserție tolerabilă (admisibilă) pentru conexiune, trebuie satisfăcute cerințe variate în ceea ce privețte toleranțele mecanice ale conectoarelor.

Din punct de vedere al funcționării lor, putem împarți conectoarele în două grupe. Prima grupă se bazează pe principiul cuplajului prin lentile figura 3.3.5.3 iar cea de-a doua pe principiul cuplării fețelor figura 3.3.5.3.

Plan de joncționare

Figura 3.3.5.3 Principiul cuplării prin lentile

Cuplarea prin intermediul lentilelor

Acest procedeu utilizează lentile sau alte sisteme optice transformatoare de imagini, cu care se poate efectua o transformare a luminii care iese din fibra emițătoare. Lumina care iese este transformată, mai întâi, în raze aproape paralele de un diametru cât mai mare și apoi este focalizată din nou pe fața fibrei receptoare. Avantajul acestei metode de cuplare constă în cea mai mare toleranță de separație, care poate fi toleranță în mod parțial la nivelul regiunii de cuplare (reprezentată prin planul de alăturare din figura Principiul cuplării prin lentile).

Totodată, acest avantaj este obținut cu prețul unor pierderi suplimentare, produse de către sisteme transformatoare de imagini și datorită reflexiei interferențelor individuale, indicilor de refracție diferiți ți celei mai stricte limite de alimentare unghiulară. Cu excepția câtorva aplicații speciale, cum ar fi cuplarea diferitelor semiconductoare cu fibră, în practică, se utilizează conectoare funcționând după principiul cuplajului frontal al fețelor. Parametrul important în determinarea fracțiunii din radiația emisă care se cuplează la fibră este apertura numerica a fibrei sin θc, unde unghiul critic:

Θc= arcsin

Reprezintă cea mai mare valoare a unghiului de incidență pentru care razele emise de sursă mai intră în fibră; și sunt, respective, indicia de refractive ai miezului canalului și învelișului (anvelopei) fibrei.

Cuplajul frontal a două fețe

O caracteristică a cuplajului frontal a fețelor figura 3.3.2.7 este faptul ca fețele de ieșire și de recepție a luminii sunt plasate în paralel și foarte aproape una de alta; aceasta contează atât pentru o fibră, cît și pentru o diodă. Acest sistem permite realizarea unor conexiuni cu pierderi mici numai pentru gama lungimilor de undă 860 nm și 150 nm.

Plan de joncționare

Figura 3.3.7.1 Principiul cuplării fețelor

Pentru a evalua calitatea transmisiei unei conexiuni (legături), se consideră atenuarea sa de inserție, adică se determinp creșterea de atenuare a unui segment de legătură, când se inserează o conexiune suplimentară. Pierderile de inserție rezultă din tolerantele părților conectorului și ale fibrei.

Fețele trebuie curățate și uscate cu grijă, fără a le zgâria. Îm general, trebuie considerat că pierderile sunt datorate nu numai reflexiilor la interfață sticlă – aer (Pierderi Fresnel), ci și variațiilor de atenuare prin interfețe. Pierderile pot fi reduse printr-un tratament antireflexie și/sau prin aplicarea unui “gel de indice”.

Cablurile cu elemente de tracțiune din materiale sintetice sau fibre de oțel (pentru aplicații speciale) pot fi aprinse în mod suficient prin sertizare (punerea în funcție a unei conexiuni mecanice bune prin deformarea permanentă a unei bucșe în jurul unui element de fixare). După diametrul fibrei – și de asemenea pentru egalizarea toleranțelor diametrului – este disponibil un sortiment de racorduri cu grade de precizie variate (gradații cu pas de 3 µm).

Există formate speciale de conexiune pentru alte aplicații, de exemplu pentru racordarea la convertoare optoelectronice sau pentru montarea în baiuri (rame) sau în alveole de contact. Atenuarea de inserție este de aproximativ 1 dB. Pentru conexiunile monomod, se încearcă să se stingă valori mai mici de 1 dB, ceea ce implică în mod natural toleranțe în mod considerabil mai mici.

Pentru montajul pe șantier, în cazul în care fișele nu pot fi preconfecționate la fabricant, sunt disponibile kit-uri de montaj care permit un montaj ușor și rapid al conectoarelor. Atenuarea de inserție este, în general, puțin mai ridicată comparată cu conectoarele perfecționate.

Principiul comutației optice

Pentru a fi posibilă transmisia de semnale prin intermediul fibrelor optice pe lîngă cablul de fibră optică sunt necesare și echipamente optoelectronice de conversie, transmise și recepție a semnalelor optice (figura de mai jos). Aceste echipamente optoelectronice sunt cunoscutecu denumirea de traductoare optoelectronice.

Un traductor optoeșectomoc trebuie să asigure:

Conversia semnalelor electrice în semnale optice;

Conversia semnalelor optice în semnale electrice.

Traductorul optoelectonic conține două tipuri de elemente: transmițătorul și receptorul.

Transmițătorul – realizează conversia semnalelor electrice în semnale optice. Acesta conține un driver, o sursă de lumină și un dispozitiv de conectare la cablul de fibră optică. Sursa de lumină poate fi realizată cu LED (Light Emitting Diode) sau cu LD (Laser Diode) în domeniul vizibil sau invizibil.

Receptorul – realizează conversia semnalelor optice în semnale electrice. Acesta este compus dintr-un cuplor de fibrăm un detector de lumină (fotodiode, fototranzistoare) și un circuit de interfață optoelectronică.

Figura 3.3.8.1 Principiul comunicației optice

Tehnologii de tipul GPRS

Pentru că GSM-ul nu a fost niciodată creat pentru a permite comunicarea la viteză, calitatea și costurile cerute de un utilizator al anului 2001, transmisiile mobile de date la viteză de 9,6 kbps precum și tarifarea la timp oferită de tehnologia GSM au fost mult timp o stavilă în calea dezvoltării comunicațiilor mobile de date.

Spre deosebire de GSM, tehnologia GPRS și, implicit serviciile oferite de aceasta, oferă câteva avantaje clare pentru utilizator:

O caracteristică importantă a tehnologiei GPRS este conectarea permanentă a utilizatorului. Conceptul de “always on” înseamnă că utilizatorul, în mod similar unui calculator (PC) conectat într-o rețea, poate rămâne permanent conectat, dar plătind numai pentru volumul de date transferat și nu la timp, așa cum se întâmplă în cazul transferurilor de date pe rețeaua clasică GSM. Plata, deci, se face în funcție de volumul de date transmise și nu în funcție de durata transmisiei. Pe piață sunt disponibile diferite modele de abonamente, unele cu volum de date incluse, pentru “heavy users” de date sau dimpotrivă abonamente mai scăzute ca preț, pentru cei care consultă informațiile doar ocazional.

Timpul de conectare – în sistemul GPRS conectarea se face extrem de rapid, tipic 2-3 s în loc de 30-40 s cât eram obișnuiți la o conexiune de date peste GSM sau chiar la un dial-up fix de internet. Acest lucru este critic pentru aplicații bancare, securizate, de tip “remote credit card authorization” unde nu poți obliga utilizatorul să mai aștepte încă 30 s pentru conectare.

Viteza de transmisie a informației – vitezele de transfer de date oferite sunt de asemenea net superioare GSM, ele ajungând astăzi la valori uzuale de 33-35 kbps. Pe măsura dezvoltării acestor servicii, vitezele oferite vor crește spre 80-90 kbps.     Viteza maximă teoretică oferită de GPRS este de 171 kbps (atunci când se utilizează toți cei 8 time slot ai purtătoarei radio). Aceasta este de cca 3 ori mai mare, net superioară unei conexiuni fixe de telecomunicații (de dial up) de 64 kbps și de cca 10 ori mai mare decât cele oferite de GSM. Astfel informația este transmisă mai repede și mai eficient de-a lungul rețelei mobile.

GPRS permite folosirea în regim de mobilitate totală a aplicațiilor de tip navigare pe internet, acces al informațiilor de companie de la birou, aplicații de transmisie text sau imagini video, comunicare personală, comerț mobil, localizare etc. Toate acestea fie la birou, fie acasă pe laptop, fie în mașină afișate pe display-ul inteligent al acesteia, sau când mergem pe jos, pe ecranul terminalului nostru mobil, fie el telefon sau PDA. Practic informația este cu noi, oriunde, oricând, accesibilă de pe orice terminal.

Tehnologia GPRS permite dezvoltarea și lansarea de noi aplicații, care nu au putut fi disponibile datorită limitărilor tehnologiei GSM (transmisie de date la 9,6 kbps) și ale SMS (mesaj cu lungime de maximum 160 de caractere). De exemplu putem naviga pe internet, în condiții de viteză de acces net superioare soluțiilor clasice de dial-up fix. Timpul petrecut în accesarea unui site de pe internet se scurtează considerabil. Putem face mai multe în timp mai puțin și să nu uităm că vom plăti doar pentru ceea ce vedem/accesăm.

Putem accesa, de asemenea, în condiții de totală securitate (prin intermediul VPN) și mobilitate, informațiile aflate pe intranetul firmei noastre, ca să consultăm ultima prognoză de vânzări, ultimul tabel de prețuri, sau financiare – acțiuni, oriunde ne-am afla.

Practic se poate face accesul la orice informație aflată pe intranetul companiei, aici incluzând accesul la e-mail, agenda electronică personală cu date despre întâlniri, lista de telefoane, adrese, sarcini și priorități, fișiere diverse, baze de date etc. se face oricând și de oriunde.

Putem fi în contact permanent cu prietenii prin intermediul aplicațiilor de comunicare personală tip “Instant Messaging”, putem sta la un chat de pe telefonul mobil sau laptop sau putem descărca de pe internet și citi eBooks, cărți în format electronic, etc.

Tehnologia GPRS permite de asemenea transmitere de eCard, ePictures, imagini electronice sau chiar mici filmulețe video în formatul Mpeg4 movie. De exemplu, pentru presă, poate fi posibilă transmiterea la ziar de fotografii de la locul relatării faptei, în timp real, utilizând doar o cameră digitală, un laptop și telefon GPRS.

O altă aplicație ar putea fi monitorizarea de la distanță contra intrușilor a unei proprietăți/loc public, și transmisia de imagini în timp real, la un dispecerat central de pază și securitate/poliție etc. Comanda de la distanță și automatizarea unor aplicații casnice este un alt exemplu. Transmiterea către serviciul de urgență al spitalului, a unor analize/date despre un pacient aflat într-o stare critică, în ambulanță, i-ar putea salva acestuia viața. GPRS este aici ca să ne ofere posibilități de dezvoltare.

Pentru prima dată rețelele mobile devin compatibile cu internetul 100%. Acum se permite funcționalitatea de mobile internet, toate aplicațiile care se folosesc în internetul “fix” pot fi acum portate pe GPRS, ex. navigare pe internet, transfer de fișiere – ftp, chat, email, telnet etc.

GPRS este un standard cu adevărat global, permițând roaming global și este susținut atât de către tehnologia europeană GSM cât și de CDMA, care există pe scară largă atât în SUA cât și în Japonia.

În mod evident toate aceste caracteristici fac din serviciul GPRS unul extrem de eficient, atractiv și rentabil atât în ceea ce privește timpul și banii utilizatorilor, cât și investiția și interesul operatorilor de telefonie celulară.

Pentru utilizarea posibilității de transmitere a datelor în sistemul GPRS, sunt necesare următoarele clase de  terminale:

Clasa A – terminalul permite existența legăturii vocale simultan și lucrul în regimul GPRS;

Clasa B – terminalul susține atît legătura vocală cât și transmiterea datelor în regimul de pachete GPRS, dar aceste regimuri se utilizează concomitent (în timpul transmiterii datelor prin GPRS abonatul nu poate emite și recepționa apeluri și invers);

Clasa C – terminalul asigură doar transmiterea datelor în pachete.

Avantajele folosirii tehnologiei GPRS:

Conectarea permanentă. GPRS iți permite o conectare permanentă prin rețeaua de telefonie mobilă. Astfel, odată realizată, conectarea rămâne permanentă (în mod asemănător unui calculator legat în rețea), iar tu plătesti doar pentru volumul de date efectiv transferat. Ȋn intervalul de timp în care nu se efectuează transferuri de date poți primi și da telefoane fără ca revenirea ulterioară la transmiterea de date să necesite o nouă conectare.

Conectarea instantanee. GPRS facilitează conectarea instantanee, prin care datele pot fi transmise sau primite imediat. Aceasta este esențială în cazul aplicațiilor în care operativitatea este foarte importantă, cum ar fi, de exemplu, autorizarea de la distanță a unei cărți de credit.

În cadrul firmelor care dispun de un parc auto, este din ce în ce mai răspândit controlul forței de muncă și a vehiculelor, care, pe lângă funcția de prevenire a furtului, include o serie de servicii care contribuie la reduceri semnificative ale cheltuielilor de funcționare și creșterea eficienței operaționale ale firmei. Astfel de servicii pot fi: măsurarea consumului de combustibil, timpul de lucru și km parcurși, deci un control total al forței de muncă și un management eficient de flotă.

Echipamentele instalate în autovehicule fac posibil comunicația GPRS și măsurarea consumului de combustibil cu ajutorul cărora se poate verifica mișcarea flotei auto. Prin imprimarea datelor rezultate prin GPRS și măsurarea consumului de combustibil se reduc muncile administrative ale conducătorilor auto și nu în ultimul rând, cheltuielile de funcționare ale firmei.

Bluetooth

În prezent există multe exemple de comunicație digitală pe distanțe scurte în ceea ce privește computerele și dispozitivele de comunicație în general. O mare parte din această comunicație se face prin mijlocirea legăturilor pe fire și cabluri. Aceste cabluri conectează între ele o multitudine de dispozitive făcând uz de o mare varietate de conectori cu diverse forme, mărimi și număr de pini.

Fiind necesar un cablu între fiecare două dispozitive aceasta soluție nu mai pare atât de folositoare. Folosind tehnologia Bluetooth se înlătură acest neajuns deoarece dispozitivele pot comunica prin aer și nu prin fire, folosind unde radio pentru a transmite și recepționa date. Această tehnologie este special proiectată pentru comunicații pe distanțe scurte (nominal 10 m), ceea ce are ca rezultat un consum foarte redus de putere, făcând-o astfel potrivită pentru a fi utilizată de către dispozitive mici, portabile,care sunt alimentate de obicei cu baterii. Tehnologia Bluetooth prezintă un sistem de comunicație, fără fir, cu rază mică de acțiune, care intenționează să înlocuiască comunicarea bazată pe conectare cablată, cu fir, prin intermediul căreia se pot transmite date.

Se remarcă din ce în ce mai mult o tendință de întrepătrundere a domeniului computerelor cu cel al telecomunicațiilor, liniile tradiționale din acestea devenind tot mai puțin distincte. Un bun exemplu este cel al telefonului mobil care, la bază, este utilizat pentru aplicații de voce dar acum poate fi folosit și pentru aplicații de date ca accesul la informație sau browsing. Unele tehnologii de comunicație wireless sunt proiectate să transporte doar voce, pe când altele tratează doar trafic de date. Prin Bluetooth se pot transporta atât date cât și voce și în felul acesta este o tehnologie ideală pentru unificarea acestor două domenii, permițând tuturor tipurilor de dispositive să comunice, ele transportând fie voce, fie date, fie pe amândouă.

Trăsăturile de bază ale sistemelor de comunicație Bluetooth sunt: robustețea, consumul scăzut de energie și prețul mic. Multe dintre caracteristicile de bază ale specificațiilor Bluetooth sunt opționale, implementarea reprezentând diferența dintre produse.

Bluetooth-ul este un set de specificații bazate pe undele radio, pentru o rețea wireless personală (PAN – personal area network) și creează o cale prin care se poate realiza schimbul de informații între aparate precum telefoane mobile, laptop-uri, calculatoare personale, imprimante, camere digitale și console video printr-o frecvență radio sigură și de rază mică. Clasificarea dispozitivelor Bluetooth în funcție de raza de acoperire este prezentată în tabelul 3.5.1.

Tabelul 3.5.1. Clasificarea dispozitivelor Bluetooth în funcție de raza de acoperie

Dispozitivele Bluetooth comunică între ele atunci când se află în aceeași rază de acțiune. Acestea folosesc un sistem de comunicații radio astfel încât nu este nevoie să fie aliniate față în față pentru a transmite, pot fi chiar în camere diferite dacă transmisia este suficient de puternică.

Figura 3.5.2. Simbol Bluetooth

GPS

Global Positioning System (în românește sistem de poziționare globală) este un sistem global de navigație prin satelit și unde radio. Principalul sistem de poziționare prin satelit de tip GPS este sistemul militar american numit "Navigational Satellite Timing and Ranging" (NAVSTAR). Acest sistem, inițiat și realizat de către Ministerul Apărării al Statelor Unite ale Americii (DOD), poate calcula poziția exactă = coordonatele geografice exacte ale unui obiect pe suprafața Pământului, cu condiția ca acesta să fie echipat cu dispozitivul necesar – un receptor GPS. Obiectul poate fi și o persoană, care poate astfel să se orienteze pe pământ, pe apă, în aer sau în spațiu (în apropierea Pământului). NAVSTAR utilizează sistemul geodezic  WGS84, la care se referă toate coordonatele geografice calculate de sistem.

Principiul de funcționare al GPS-ului este folosirea câtorva sateliți din spațiu ca puncte de referință pentru localizarea la sol. Sistemul NAVSTAR dispune la ora actuală în total de 24 sateliți, care se află la o înălțime de 20.183 km de suprafața Pământului. Printr-o măsurare foarte exactă a distanței în linie dreaptă dintre receptor și cel puțin 4 sateliți se poate determina poziția oricărui punct de pe Pământ (latitudine, longitudine, altitudine). În mod normal pentru determinarea poziției în 3D a unui punct de pe suprafața terestră cu ajutorul poziției sateliților ar fi nevoie de doar trei distanțe (trei sateliți), deoarece metoda care se utilizează este cea a triangulației.

Totuși la GPS este nevoie și de a patra distanță pentru minimizarea erorilor de poziționare datorate ceasurilor din receptoare, care nu sunt sufficient de exacte în comparative cu ceasurile atomice din sateliții utilizați. Distanța dintre satelit și receptor se calculează prin cronometrarea timpului de care are nevoie semnalul radio să ajungă de la satelit la receptor. Știind că semnalul radio se deplasează cu 300.000 km/s (viteza luminiii), dacă cronometrăm timpul lui de propagare de la satelit la receptor putem să deduce distanța dintre aceștia. Fiecare satelit are semnalul propriu (Pseudo Random Code), astfel încât receptorul știe exact despree ce sateliți este vorba.

Recepționarea semnalelor emise de sateliți și calculul poziției se poate face în două moduri: modul absolut și modul diferențial:

Modul absolut folosește un singur receptor GPS, iar precizia de poziționare este de circa 10 – 15 m;

Modul diferențial presupune folosirea a două receptoare, dintre care unul are rolul de stație de bază, fiind instalat într-un punct fix cu coordonate cunoscute. Se măsoară diferența dintre coordonatele punctului cunoscut și cele rezultate pentru același punct din analiza semnalelor GPS. Aceste diferențe se folosesc pentru corectarea coordonatelor determinate cu un receptor mobil în alte puncte din zona respectivă. Acest mod de lucru este foarte precis (1 – 5 cm), dar distanța dintre receptorul mobil și stația de bază fixă nu are voie să depășească 30 km.

În general sistemul militar american NAVSTAR este foarte precis; totuși, pentru folosirea sa de către alte organizații sau state, de obicei numai pentru scopuri civile (navigație rutieră), NAVSTAR pune la dispoziție doar o exactitate redusă. De asemenea, SUA își rezervă dreptul de a nu mai pune la dispoziție sistemul deloc, de exemplu în cazul unor conflicte militare.

Figura 3.6.1 Sigla oficială a sistemului NAVSTAR GPS

SISTEME DE MANAGEMENT AL TRAFICULUI

Algoritmi pentru coordonare la nivelul rețelei-introducere

Sistemele de management al traficului (UTC-Urban Traffic Control) reprezintă modalități de dirijare și control centralizat al traficului pe ari extinse, care înglobează tehnologii ITS pentru detecția, prelucrarea, transmiterea și distribuția informațiilor legate de trafic. În ultima vreme se pune tot mai mult accentul pe combinarea sistemelor de management al traficului cu monitorizarea condițiilor de mediu și poluare și și dirijarea transportului public urban, realizându-se astfel un grad tot mai mare de integrare a acestor sisteme.

Sistemele UTC pot oferi baza pentru un sistem de control extins, în general denumit Controlul și Managementul Traficului Urban (UTMC – Urban Traffic Management and Control). Acestea includ operarea cu vehicule pentru servicii de urgență și prioritatea transportului public cum ar fi prioritatea autobuzelor și integrarea cu sistemele de informare ca de exemplu panourile cu mesaje variabile, sisteme de informare a conducătorilor auto în timp real și sisteme de ghidare de rută, precum și informarea privind locurile de parcare.

Sistemele de management al traficului urban nu trebuie numai să știe să funcționeze corect. Ele trebuie, de asemenea, să poată să își poarte singure de grijă. De aceste sarcini se ocupă sistemele auxiliare, de tip Fault Management (Sisteme auxiliare de monitorizare a stării de funcționare și de management al defectelor și reparațiilor), care vor anunța personalul de întreținere de apariția unui defect la un automat de trafic, la un senzor sau la sistemul de comunicații. Fără un asemenea sistem auxiliar, funcționarea la parametrii proiectați a unui sistem mare cum este cel UTC nu ar fi posibilă. De aceea, la orice implementare de sisteme de management al traficului urban trebuie să se gândească o nouă întreprindere. Aceste sisteme au nevoie în primul rând de o politică în domeniul traficului rutier urban, de strategii de dezvoltare de care să țină cont în viitor, pentru a nu deveni din unealtă utilă o frână, de personal și de exploatare și întreținere. A realiza într-un oraș un sistem de management al traficului nu înseamnă doar montarea în stradă sau ăn centrul de management a echipamentelor. Lucrarea nu se încheie niciodată în acest punct și implicațiile sunt foarte mari, din multe puncte de vedere. Practic, sistemele de management al traficului rutier urban sunt niște organisme vii, care au nevoie de întreținere permanentă. Senzorii unui sistem de acest tip reprezintă simțurile acestui organism, sestemele de calcul și comunicațiile sistemului său nervos iar automatele de trafic și semafoarele, sau panourile cu mesaje variabile, mebrele sale și sistemul muscular, cu care dirijează traficul.

Sistemul poate fi afectat de condițiile meteorologice, de aceea un sistem nou implementat într-o anumită zonă trebuie particularizat pentru condițiile locale. De exemplu, în țara noastră iernile sunt cu mai multe alternanțe ger-căldură, cu mai multe tipuri de precipitații, din această cauză apar gropi în carosabil. Un sistem UTC bazat exclusiv pe bucle inductive ca senzori de trafic nu ar face față mult timp acestor condiții. Este, prin urmare, de reținut faptul că sistemele UTC nu sunt universal valabile, ci numai soluțiile care conduc la elaborarea acestora, tehnologiile de management al traficului. În rest, este permanent o problemă de studiu, de cercetare și de adaptare la condițiile locale. Asemenea sisteme trebuie concepute, născute și crescute în spiritul condițiilor locale, de aceea ele întotdeauna reprezintă o probemă de decizie politică nu tocmai ușoară pentru o administrație a drumurilor, sau una urbană, în funcție de destinația acestora.

La nivelul celor mai avansate arhitecturi ale acestor sisteme au fost recent implementate module predictive pentru strategiile de nivel superior, capabile să estimeze aprioric efectul strategiei implementate asupra traficului și să prezinterezultatele operatorului uman, pentru a asista procesul de luare a deciziilor în caz de situații de excepție.

Figura 4.1.1. Diagrama conceptuală a arhitecturii sistemelor avansate de management al traficului

Concepția sistemelor avansate de management al traficului trebuie să înceapă în mod obligatoriu cu analiza de detaliu a condițiilor de implementare. Urmează apoi o etapă de simulare la nivel micro și apoi macroscopic, pentru ca sistemul să nu se nască „orb”, ci să fie capabil să pornească de la o strategie inițială de trafic. Simularea microscopică este metodologia cel mai des folosită, nu numai datorită capabilității de a surprinde modul de desfățurare a fenomenelor dependente de trafic, ci și pentru că este capabilă să evalueze și comportamentul conducătorilor auto atunci când acționează în prezența sistemelor inteligente de transport. Simulatoarele microscopice de trafic reprezintă instrumente care emulează în mod realist traficul de vehicule pe o rețea de drumuri. În continuare vor fi prezentate tipurile de sisteme UTC existente.

Sisteme cu timp fix

Multe din sistemele UTC sunt variante ale acetui tip de sistem cu timp fix. Proiectantul are control considerabil asupra obiectivelor sale și poate optimiza diferite părți ale rețelei pentru a obține rezultate diferite. Sistemele cu timp fix nu pot răspunde dinamic pentru că acestea folosesc planuri de sincronizare pre-calculate. De aceea sistemele nu răspund automat la incidente, cum ar fi accidentele, care cauzează pierderea capacității de operare în rețea. Cel mai important aspect este faptul că aceste sisteme nu răspund la schimbările modelului de trafic în timp. Planurile cu timp fix sunt optime la implementarea strategiilor fixe, cum ar fi limitarea capacității de trafic la anumite ore din zi.

Sisteme de Selecție a Planurilor

Sistemele de selecție a planurilor folosesc mai multe planuri de timp fix și îl selectează pe acela pe care îl vor folosi în funcție de informația primită de la detectoarele de trafic plasate pe rețeaua de drumuri. Acest sistem nu s-a dovedit a fi mia eficient decât implementarea în planurile de timp fix a intervalelor orare simple. Dacă este necesar, sistemul poate rula un plan specific pentru un eveniment special. Dar întârzierea suplimentară cauzată de alegerea planului greșit compensează câștigul datorat schimbării la momentul potrivit când sistemul ia o decizie corectă. În concluzie, sistemele de selecție a planurilor se semaforizare au aproape aceleași avantaje și dezavantaje ca și sistemele de timp fix.

Sisteme de Generere a Planurilor

Aceste sisteme generează propriile planuri de semaforizare cu timp fix pe baza datelor primite de la detectoarele de trafic. Comparat cu operațiile de timp fix, sistemul este mult mia puțin sub controlul inginerului de trafic pentru că nu se poate defini exact comportamentul acestuia. În principiu sistemul ar putea răspunde la incidente neașteptate, cu toate că în practică nu i se permite realizarea de schimbări majore ale planurilor existente pentru a oferi un răspuns corect la toate tipurile de evenimente apărute.

Adaptarea Locală

Unele sisteme UTC utilizează o metodă de adaptare locală a automatelor de trafic pentru a modifica planurile cu timp fix impuse de la postul central. Operația de bază constă în rularea unui plan de bază, automatele locale putând omite sau termina mai devreme fazele se semaforizare depinzând de cererea locală pentru fazele ciclului curent. Astfel, adaptarea locală poate crește timpul de verde în unele cicluri, ceea ce ar trebui să conducă la o optimizare a traficului. Adaptarea locală este în general combinată cu sistemele de selecție de plan sau generare de plan.

Sisteme Dinamice Centralizate de Trafic

Aceste sisteme lucrează pe baza unui calculator central care comunică cu automate de trafic locale. Avantajele acestui sistem sunt acelea că ar trebui să răspundă prompt la cererile de trafic, în funcție de intervalul orar din zi sau în funcție de incidentele care apar. Un sistem centralizat are avantajul că toate informațiile relevante, de la detectoare și alte surse, sunt disponibile în același loc.

Caracteristicile și avantajele sistemelor dinamice distribuite sunt aproximativ aceleași ca și la sistemele dianmice centralizate. O diferență majoră constă în tipurile de comunicație folosit de sistem. Automatele unui sistem dinamic centralizat sunt în legătură directă cu postul central, în timp ce la sistemul dinamic distribuit fiecare automat de trafic este conectat cu automatele învecinate. Mesajul poate fi transferat între oricare două automate, fiind ghidat pentru a ajunge acolo unde este necesar.

În tabelul 4.6.1 sunt prezentate câteva tipuri de sisteme UTC folosite in lume:

Tabelul 4.6.1.Sisteme UTC folosite în lume

Algoritmi statici și semi-adaptivi

Acești algoritmi se bazează pe pre-determinarea fluxului de vehicule (manuală sau efectuată prin alte mijloace); pe baza informațiilor culese despre geometria intersecției/intersecțiilor șiu a datelor de trafic se calculează timpii cei mai buni pentru semaforizare, luându-se sau nu în considerație corelarea semafoarelor pentru realizarea sitemului ,,undă verde”.

Principalul avantaj al acestei metode este dat de implementarea facilă, ieftină și ușor de modificat, fără a influența circulația (cum se întîmplă în cazul instalării unor detectori de trafic). Dezavantajul este dat de faptul că nu se ține cont de condițiile curente de trafic și astfel algoritmul de semaforizare impementat nu are metode de a adapta semaforizarea pentru evitarea formării de blocaje.

Sistemele semi-adaptive au la bază algoritmi statici (cu timp prestabilit) care sunt în funcțiune până la activarea unui anumit eveniment (plasarea unui vehicl deasupra unui detector, apăsarea butonului de la semafor de către un pieton etc.), care determină o schimbare în planul normal de semaforizare ca răspuns la evenimentul produs (în primul caz se paote stabili temporar un timp mai mare de verde considerând că este o coadă de vehicule mai mare; în al doilea caz se adaptează planul de semaforizare pentru a permite trecerea pietonului/pietonilor).

Un exemplu de oraș în care a fost implementată o combinație de algoritmi statici și semi-adaptivi a fost Seattle. Orașul are peste 975 de intersecții semaforizate, dintre care mai mult de 75% sunt situate pe arterele principale ale orașului sau în centrul său. Sistemul implementat se bazează pe reevaluarea periodică a situației traficului și introducerea datelor într-un program informatic pe care calculează cei mai buni timpi de semaforizare pentru fiecare intersecție în parte și realizează corelarea semafoarelor pentru o obține un trafic fluent. Astfel, fiecare intersecție poate fi prevăzută cu până la 16 planuri diferite de semaforizare, în funcție de situația traficului.

Sistemul implementat se bazează pe următoarele considerente:

La intersecțiile cu trafic redus sunt utilizate semafoare cu control semi-adaptiv, active în momentul în care un vehicul staționează deasupra detectorului sau un pieton apasă butonul corespunzător de la semafor;

În funcție de momentul din zi sunt implementate până la 16 programe diferite pentru a adapta indicațiile semafoarelor la intensificarile traficului;

În majoritatea intersecțiilor sunt utilizate semafoare separate pentru virajul la stânga, pentru a evita fluxurile conflictuale;

Este implementat un sistem de prioritate pentru transportul public; la detectarea unor astfel de vehicule se prelungește timpul de verde pentru a permite trecerea;

Vehiculele de urgență pot controla semafoarele pentru a obține culoare liberă de trecere

Un sistem foarte cunoscut în cadrul sistemelor semi-adaptive este RHODES (Real Time Hierarchical Optimized Distributed Effective System – Sistem efectiv în timp real, ierarhic, optimizat și distribuit). Acest sistem este unul dintre cele mai simple pentru managementul centralizat al traficului rutier, întrucât nu este un sitem adaptiv, ci el se bazează pe comutarea mai multor planuri de semnalizare fixe, determinate pe baza unor măsurători de trafic realizate manual. Sistemul este prin urmare ,,orb” din punctul de vedere al traficului pe care in administrează și buna funcționare a sa depinde în mare măsură de condițiile și acuratețea cu care au fost determinate măsurătorile de trafic. În general, determinările informațiilor de trafic prin detecție sunt necesare pentru:

Determinarea lungimii cozilor de vehicule la semafoare

Aflarea numărului de vehicule care schmbă direcția de mers în intersecții

Detecția incidentelor și blocajelor rutiere

Figura 4.7.1 Arhitectura logică RHODES

Pe baza unor dezvoltări recente, sistemul RHODES a fost îmbunătățit cu noi algoritmi de analiză a traficului, bazați pe informații de trafic captate de senzori amplasați în intersecții. Principiul de funcționare este acela că detectoarele amplasate într-o intersecție informează mai întâi propriul automat de trafic despre numărul de vehicule, apoi acest automat transmite mai departe, la intersecția din aval informații privind nivelul de trafic ce sosește. Principiul de bază după care are loc schimbarea planurilor de semnalizare este însă de tip TOD (Time Of The Day), adică depinde de ora din modificare duratelor de semnalizare, pe baza determinărilor apriorice ale comportamentului traficului pe rețea.

Se realizează în prealabil o estimare a duratelor de semnalizare ținând cont de traficul pe artera principală, apoi se iau în considerare și datele de pe artelel laterale. Metoda inițială de programare se bazează pe volumele de trafic așteptate să solicite intersecția. Această metodă poate însă avea unele deficiențe:

Planurile de semnalizare să devină neactuale prea rapid timp;

Planurile de semnalizare să nu reflecte situația reală din teren;

Schimbările bruște de trafic nu pot fi tratate de sistem.

Pe baza introducerii sistemelor de detecție, sistemul a evoluat, permițând să reacționeze la schimbările neașteptate de trafic. Acest sistem este un exemplu tipic de implementare care a evoluat prin adăugarea de funcții specifice ITS unui sistem non-ITS.

Algoritmi adaptivi

MOVA – Microprocessor Optimised Vehicle Actuation

Dezvoltat în anii ’80, algoritmul reprezintă o strategie de control a semafoarelor pentru intersecțiile izolate, care nu sunt corelate cu intersecțiile învecinate. Poate fi utilizat și pentru trecerile de pietoni, în aceleași condiții, în care nu este necesară coordonarea cu semafoare adiacente. Algoritmul este proiectat pentru a oferi soluții pentru toate condițiile de trafic, de la un trafic lejer și până la congestii, fiind capabil de adaptare la situația curentă printr-o reevaluare a condițiilor de trafic la fiecare 30 de minute.

Sunt utilizate două tipuri de modelări: pentru situația în care nu sunt congestii scopul este de a minimiza întârzierile, iar în cazul apariției suprasaturației scopul este de a maximiza capacitatea interesecției. MOVA poate fi aplicat în toate tipurile de intersecții, incluzându-le pe cele cu mai multe faze de semaforizare și mai multe bezi pe fiecare intrare.

Algoritmul se potrivește în situațiile în care:

Amplasamente în care fuxurile de trafic sunt mari și acolo unde acestea sunt sezoniere și intermitente (de exemplu traseele de vacanță)

Intersecții cu congestii pe una sau mai multe intrări

Este necesară asigurarea unei capacități suplimentare pentru trecerea pietonilor

APTTCA – Adaptive Predictive Traffic Timer Control Algorithm

A fost implementat în orașul Chennai din India, la intersecția dintre Mount Road și Venkatnarayana Road

Este un algoritm complet adaptiv

Algoritm predicitv în ceea ce privește traficul în următoarea perioadă (relativ scurtă) de timp

Folosește trei vectori: de așteptare, în rulare și completat

Figura 4.8.2.1 Arhitectura sistemului APTTCA

Figura 4.8.2.2 Modul de dispunere al senzorilor în sistemul APTTCA

ACS-Lite

ACS-Lite este sistemul software de control adaptiv al FHWA (Federal Highway Administration-Administrația Federală a Autostrazilor). Acesta este un sistem de control.

Sistemul a fost conceput pentru a adapta diviziunea fazelor și timpul între două semnale adiacente, cu incremente mici, între 2 și 5 secunde, pentru a ajusta semaforizarea în funcție de datele de trafic care sunt citite la fiecare 10 secunde. Aplicația centrală ACS-Lite preia de la controlerele din intersecții datele se semaforizare în care se întrerupe comunicația cu sistemul central, automatul local de semaforizare va dirija circulația pe baza planurilor deja stocate la nivelul local.

Sistemul realizeazp optimizarea prin interogarea la fiecare minut a fiecărui controler referitor la datele de trafic și compararea acestor date referitoare la gradul de ocupare cu timpii de semaforizare utilizați de fiecare controler local în parte. În acest mod rezultă dacă există timp de verde neutilizat sau este necesar un timp de verde mai mare decât cel curent. Sunt realizate analize prin care sunt ajustați cei doi parametri menționați anterior: diviziunea fazelor și timpul între două semnale adiacente, pentru fiecare intersecție în parte. Deoarece modificările rezultate nu depășesc în general 5 secunde, de cele mai multe ori tranziția se realizează pe durata unui ciclu. Testările inițiale ale algoritmului au avut rezultat o reducere de 5-25 % în timpul de călătorie.

SCOOT

SCOTT este un sistem adaptiv de control al traficului rutier. Acesta coordonează funcționarea tuturor semnalelor de trafic într-o zonă pentru a da o bună progresie prin intermediul rețelei. Coordonarea tuturor semnaleor se face în mod inteligent și continuu ca modificări ale fluxului traficului și oscilează pe tot parcursul zilei. Se elimină dependența de sisteme mai puțin sofisticate cu privire la planurile de semnal, care trebuie să fie actualizate scump.

Laboratorul de Cercetări în Transporturi (TRL) în colaborare cu furnizorii de siteme de trafic din Marea Britanie au realizat sistemul de control al traficului urban SCOOT (Split Cycle Offset Optimisation Technique). SCOOT este acum deținut de Peek Traffic Ltd, TRL Ltd și Siemens Traffic Controls Ltd. Primele sisteme au fost testate în Glasgow la sfîrșitul anilor ’70. SCOOT a fost folosită pentru prima oară în Converty, primele sisteme comerciale fiind instalate în 1980 pe Maidstone. SCOOT este folosit în acest moment în peste 170 de orașe din lume.

SCOOT permite reglarea adaptivă a traficului pe baza măsurării acestuia cu ajutorul unor detectoare amplasate în amonte pe legăturile care aduc flux de trafic în intersecții. Se creează planuri de semaforizare optimizate pentru un anumit interval de timp și la fiecare ciclu se recalculează durata optimă de semnalizare. SCOOT poate răspunde rapid la modificările de trafic, dar nu întotdeauna pentru că poate deveni instabil; acesta evită fluctuațiile mari în comportamentul controlului ca rezultat al schimbărilor temporare a tipului de trafic.

SCOOT nu numai că reduce întârzierile și congestiile, dar conține și alte facilități de management al traficului, cum ar fi prioritatea autobuzelor care se realizează cu ajutorul detectoarelor sau prin sisteme de localizare automată a autovehiculelor, precum și detecția automată a incidentelor.

Beneficiile pe care le-a avut SCOOT asupra sitemelor de timp fix sunt reducerea ântârzierilor autovehiculelor în medie cu 27% pe strada Foleshill din Converty – o rețea radială din Converty cu lungimi mari a legăturilor. În Worcester folosirea SCOOT în schimbul sistemelor UTC cu timo fix a adus la economisirea a 357.000 lire sterline la nivelul economic din 1985. Înlocuirea sistemelor de control izolate cu SCOOT în acelați oraș a adus la economisirea în același an a 750.000 lire sterline.

SCOOT a dar rezultate mult mai bune decât sistemele de timp fix. În tabelul următor sunt prezentate rezultatele utilizării SCOOT în cinci orașe din momentul introducerii acestuia:

Tabelul 4.9.1 Rezultatele utilizării SCOOT în cinci orașe

În 1993 SCOOT a fost prezentat în Toronto ca un proiect demonstrativ. Acesta a redus timpul de călătorie în medie cu 8% și întârzierile vehiculelor cu 17% fașă de sistemele existente cu planuti de semaforizare de timp fix. În timpul serilor din cursul săptămanii și sâmbăta, întârzierile vehiculeoor au fost reduse cu 21% și 34%. În condiții neobișnuite, în urma unui medi de baseball, întârzierile au fost reduse cu 61%, demonstrând că SCOOT poate reacționa la evenimente neprevăzute.

Un studiu realizat în 1997 în San Paulo a arătat că SCOOT a redus întârzierile vehiculelor în medie cu 20%, iar ăntr-o zonă cu sisteme de semaforizare cu timp fix TRANSYT au fost reduse cu 38%. Beneficiile economice ca urmare a acestor reduceri acumulau în total un milion șu jumătate de dolari pe an.

Studii asupra sistemelor de prioritate a transportului public din cadrul SCOOT au avut loc în orașul Camden și pe strada Edgeware din Londra în 1996. Rețeaua Camden conține 11 noduri și 28 de linkuri. Zona străzoo Edgeware este o rețea liniară care conține 8 noduri și 2 treceri la nivel. Rutele autobuzelor au fost unmărite între orele 7:00 – 12:00 și 14:00 – 19:00. Rezultatele oferite au arătat că se obțin beneficii mai bune acolo unde nivelul de saturație a traficului este mai redus

Tabelul 4.9.2 Studii asupra sistemelor din cadrul SCOOT

Divizarea pe faze

Optimizarea divizării pe faze:

Optimizarea divizării pe faze este rulată pentru un nod, într-un punct optim, înaintea fiecărei schimbări de faze. Se ia în considerare efectul scurtării, prelungirii sau menținerii schimbării de fază și efectul acestei schimbări asupra gradului de saturație pe brațele de legătură. Gradul de saturație este definit ca raportul dintre fluxul mediu de trafic ce poate trece peste o linie de oprire.

În termeni SCOOT, acesta se traduce prin raportul între cererea profilului de trafic și rata de eliberare (sau gradul de ocupare la saturație) multiplicat cu durata de verde efectiv. Optimizarea divizării pe faze va încerca să minimizeze gradul maxim de saturație pe arterele care se apropie de nod. Dacă gradul mediuu de saturație pe o periadă de cinci minute este mai mare decât cel dorit (de obicei 90 %) atunci durata ciclului va crește, pentru a oferi o capacitate mai mare în nodul critic. S-a dovedit că prin acestea sunt minimizate întârzierile. Dacă o arteră de legătură are traficul congestionat este inclusă cu gradul de saturație folosit de optimizare, în momentul luării deciziei. Termenul congestie va permite unei legături congestionate să încerce să obțină un timp de verde mai mare, indiferent de gradul de saturație arătat de model, permițând configuarea factorului de imporanță a congestiei pentru artera de legătură.

Decalajul

Optimizarea decalajului (diferența între timpii de start de fază dintre noduri).

O dată pe ciclu, optimizarea decalajului folosește profilul de trafic pentru predicția opririlor și întârzierilor din timpul ciclului, pentru toate legăturile din amonte și aval ale unui anumit nod. Prin acesta se obține cel mai bun decalaj general pentru nod, iar în momentul de start pentru nod este ajustat astfel încât să se apropie de acest punct ideal. Optimizarea realizează această predicție pentru fiecare legătură și apoi le însumează pentru un nod. După aceea este facută alegerea pentru o deplasare spre decalaj, stabilindu-se întârzierea și opririle minime. Congestia pe o arteră este folosită și ea în optimizarea decalajului, astfel încât o legătură congestionată primește prioritatea față de legăturile fără congestie. Gradul de prioritate este legat de factorul de pondere al congestiei.

Durata ciclului

Optimizarea duratei ciclului – cycle time

Optimizarea budatei cicplului operează asupra unei regiuni de noduri între care esste așteptat să existe trafic variabil. Inginerul de trafic alege această grupare. Optimizarea duratei rulează de obiceila fiecare cinci minute pentru fiecare regiune, deși acest interval poate fi variat de utilizator în versiunile 4 și cele ulterioare. În cadrul SCOOT există prevederea ca această optimizare să fie rulată de două ori mai des, dacă se observă o tendință de creștere sau scădere a fluxului de trafic. În acest moment, se calculează gradul de saturație pentru toate legăturile, pentru fiecare nod din regiune. Dacă vreunul dintre acestea este egal cu nivelul de saturație ideal (configurabil de utilizator, dar în general 90%), durata minimă a ciclului este crescută în trepte mici fixate. Dacă toate valorile sunt sub nivelul de saturație ideal, durata minimă efectivă a ciclului este redusă în trepte mici fixate. Optimizarea ia în calcul toate duratele ciclului, de la durata minimă efectivă cea mia mare a ciclului în nodul critic, la durata maximă a ciclului din regiune, care este funcțională în momentul resprectiv.

Acestea sunt considerate durate de încercare ale ciclului. Pentru reducerea întârzierilor în intersecțiile cu încărcare foarte mică, optimizarea ciclului poate dubla ciclul în noduri, dacă prin această acțiune se reduce întârzierea în rețea. Deoarece o astfel de schimbare poate produce reduceri ale întârzierilor dacă durata ciclului este schimbară cu valori mari, optimizarea ciclului este singura optimizare care urmărește efectul schimărilor mari.

Descrierea unui sistem tipic SCOOT

O instanță tipică a unui sistem SCOOT bazată pe UTC trebuie să conțină centrală de procesare, echipamente de transmisie și terminale PC pentru operatori și imprimare.

Figura 4.9.4.1 Instanța tipică a unui sistem SCOOT bazată pe UTC

La un sistem sunt legate mai multe stații (terminale adaptate pentru a lucra cu sistemul, PC-uri) și mai multe seturi de imprimare specializate pentru a genera istorice specifice și rapoarte de analiză. Specificațiile detaliate depinzând de nevoile particulare ale proiectului. Există un terminal special, pentru ca operatorii UTC să poată accesa sistemul când nu sunt în camera de control. În camera de control trebuie așezate toate echipamentele necesare controlului sistemului și a managementului bazelor de date pe care fucționează sistemul.

Sistemul SCOOT este mai departe ajutat de alte două sisteme: Falut Management – managementul erorilor și Remote Monitoring System – sistem de monitorizare de la distanță. Aceste două sisteme ajută operatorul să intervină asupra sistemului oricând apare o eroare. Pentru a ajuta și mai mult o eventuală intervenție în cazul incidentelor de trafic, împreună cu senzorii tip bucla inductivă se folosesc pe scară largă camere CCTV.

UTOPIA-SPOT

Sistemul UTOPIA-SPOT reprezintă o strategie de management al traficului rutier urban, dezvoltă de Mizar Automazione din Italia, ce combină optimizarea la nivel loca, caracterizată de viteză de răspuns ridicată la schimbările de trafic, cu interacțiunea puternică cu celelalte intersecții și optimizarea globală pe arii extinse.

Opimizarea la nivel local facilitează adaptarea unui sistem de prioritizare a transportului public urban, datorită vitezei de răspuns, ceea ce este mia greu realizabil cu o configurație centralizată, mai ales în mari aglomerări urbane unde transportul public este bine reprezentat și cererea de prioritate la semafoare ar putea sofoca sistemul de calcul centralizat. Optimizarea la nivel local reprezintă o funcșie obiectivă de analiză a costurilor, ce încorporează termeni de calcul pentru întârziere și opriri la stop de le legăturile care aduc și eliberează trafic din intersecția în cauză, termeni legați de analiza corzilor de vehicule.

Modul de funcționare al sistemului UTOPOA-SPOT

UTOPIA-SPOT este un sistem care permite coordonarea într-o zonă în care intersecțiile nu au nici același timp total al ciclului semafoarelor și nici timpi prestabiliți. Sistemul este compus din trei straturi:

Un computer central numit UTOPIA, utilizat pentru supraveghere și monitorizare;

Computere industriale, unități SPOT, care sunt integrate în controlerele de trafic și realizează optimizarea locală;

Controlerele de trafic care execută strategia de semnalizare.

Spre deosebire de alte sisteme UTC, UTOPIA-SPOT utilizează date legate de traficul care se apropie în momentul resprectiv de intersecție. Unitățile SPOT utilizează bucle inductive și numărătoare video pentru a ajusta strategia de semaforizare pentru următoarele două minute. Strategia de semaforizare, bazată pe traficul vehiculelor, mijloace de transport public și al pietonilor, este ajustată la fiecare trei secunde.

În plus, unitățile SPOT realizează schimburi de informații cu unitățile vecine, referitoare la strategia de semaforizare și plutoanele de vehicule care urmează să ajungă.

Figura 4.10.1.1Strategia de control optimizat în buclă închisă de la sistemul UTOPIA

Din punct de vedere general, estimarea densității traficului necesită detectoare de trafic (de tip buclă electromagnetică sau de alte tipuri):

La intrarea în intersecție, pe fiecare bandă, pentru măsurători de densitate

La iețirea din intersecție, pe fiecare bandă de circulație, pentru estimarea parametrilor dinamici (procente de viraje, rapoarte părăsiri legătură etc.).

Atunci când sistemul UTOPIA controlează mai multe intersecții pe un coridor sau o rețea de intersecții adiacente, detectoarele de la ieșirile fiecărei intersecții din amonte se compară ca detectoare de intrare pentru intersecțiile din aval. În această situațiem informațiile de la detectoare sunt distribuite în mod automat prin rețeaua de comunicații a sistemului și nu este nevoie de secțiuni dublate pentru măsurători.

Din punct de vedere practic, nu toate mișcările vehiculelor necesită monitorizare și nu toate benzile trebuie echipate cu detectoare: numai acele mișcări în care volumele de trafic trebuie optimizate și nu sunt neglijabile, ele variind pe durata unei zile. Acolo unde volumele de trafic sunt neglijabile (nu este afectat procesul de optimizare), sau unde acestea pot fi definite prin valori medii zilnice, nu este necesară aplasarea de detectoare de trafic.

Metode de optimizarea a traficului

Cele mai importante elemente în realizarea optimizării traficului sunt estimarea și predicția. UTOPIA-SPOT utilizează tehnici avansate în combinație cu configurații flexibile de detecție, precum și date istorice ce permit dirijarea traficului și în absența funcționării detectoarelor, utilizând istoricul nivelurilor de trafic înregistrate la aceleași date și/sau în aceleași condiții. Realizarea optimizării la nivel local are și un alt mare avantaj, atât pentru sistemul de reglare a traficului, cât și pentru cel de management al transporturilor publice: nu încarcă rețeaua cu mesaje, întrucât o bună parte din calculele de optimizare se realizează local, fără a mai fi nevoie să se transmită datele prin sistem. În acest mod este micșorată și durata de răspuns.

Există o funcție separată pentru monitorizarea vehiculelor destinate transportului public în rețea: locatorul transportului public. Pe baza indormațiilor de la diferite tipuri de detectoare și pe baza estimării duratelor de călătorie ale acestui tip de vehicule, sunt predicționate momentele sosorii acestora la intersecții. În București, prima impelmentare de acest gen a fost pe linia de metrou ușor 41.

Optimizarea tradițională a rețelelor de drumuri și intersecții trebuie să se bazeze în primul rând pe măsurători ale traficului în rețea. Apoi se calculează un anumit optim la nivelul rețelei, de exemplu pentru durata unui ciclu de semnalizare pentru toată zona. În zonele controlate de sitemul UTOPIA-SPOT optimizările se fac însă mai întâi la nivelul fiecărei intersecții și apoi la nivelul zonal. La nivelul intersecției optimizarea consideră că intersecțiile învecinate interacționează cu intersecția în cauză; în principiu, fiecare intersecție își calculzează propria optimizare și ciclurile pot varia de la o intersecție la alta.

Semnificativ pentru sistemul SPOT este că acesta a fost proiectat inițial pentru a acorda prioritate vehiculelor de transport public. Ideea de la baza sistemului SPOT este să execute calculele pentru ajustarea duratelor de semnalizare (setarea semafoarelor), în timp real, cu scopul de a minimiza ,,costul” socio-economic total al sistemului de traffic. Principalele ,,costuri” sunt produse de întârzierile și de opririle vehiculelor. Pentru a acorda prioritate pentru autobuze și tramvaie, acestor vehicule le-au fost associate costuri mari.

SPOT este un program special, care operează pe un processor separate, conectat la automatul de traffic al semaforului printr-o interfață specială; procesul poate fi o simplă placă sau poate fi un PC industrial complet.

Din punctul de vedere al controlului întregii rețele, nivelul central este cel care determină criteriul general de control. Pentru diferitele zone alre rețelei, și pe baza cererii de trafic determiante prin măsurare, precum și pe baza istoricului, nivelul central calculează un plan staționar optim, care este utilizat ca referință pentru automatele de trafic. În plus, nivelul central furnizează celui local crieriile de optimizare pe care trebuie să le aplice în reglarea traficului. Aceste criterii de optimizare contau în:

Factori de ponderare care se aplică algoritmului calculat de automatele locale de trafic;

Profilele corzilor de vehicule așteptate în rețea ce ingluențează costurile (duratele de tranzit) ale legăturilor.

Nivelul central poate fi integrat, la rândul său și coordonat de un alt nivel, superior (Supervizor). Se poate lucra astfel într-un context cooperativ. Strategiile de mobilitate globale (debite și viteze dorite ale traficului) sunt folosite pentru a determina planurile de referință, precum și criteriile de optimizare pentru nivelul local. Toate aceste metodologii intră în categoria controlului cooperativ.

Utopia are un răspuns de tip adaptiv la variațiile de trafic. Prin monitorizarea continuă a cererii de trafic – atât a traficului privat, cât și a transportului public urban, sistemul aplică tehnici de optimizare destinate minimizării duratelor de timp de parcurgere a rețelei și a numărului de opriri la semafoare. Pentru a obține acest deziderat, sistemul aplică controlul în buclă închisă la ambele niveluri de funcționare. Un bloc funcțional are sarcina de a achiziționa datele de trafic și de a realiza un estimator de stare al zonei controlate. Un al doilea bloc calculează strategia optimă de control pentru reglarea unei singure intersecții din rețea, pe baza stării estimate.

Funcția de cost adoptată de automatul local de trafic constă dintr-o varietate de elemente atât pentru legăturile de intrare, cât și pentru cele de ieșire. Aceste elemente sunt:

Duarta de parcurgere a legăturii de către traficul particular;

Numărul de opriri la semafoare pentru traficul particular;

Protecția funcție de capacitatea de stocare a legăturilor;

Durata de parcurgere a legăturii de către vehiculele transportului public;

Numărul de opriri la semafoare pentru transportul public;

Profilul dorit al cozii, funcție pentru transportul ciclului.

Pentru fiecare dintre aceste valori se asocieazăă un factor de cost, precum și profilul dorit al cozii pentru toate legăturile din intersecție, de la nivel central, funcție de politica de control adoptată la nivelul întregii rețele. Acest mecanism stă la baza aplicării principiului ,,coordonării-țintă”.

Capacitatea de a reacționa aproape imediat la schimbările de trafic din intersecție face controlul foarte efficient, prin reactive imediată la perturbațiile locale cauzate de acordarea priorității pentru mijloacele de transport în comun.

Soluția pentru gestionarea traficului în intersecțiile Bulevardul Republicii cu Bulevardul I.C. Brătianu și Bulevardul Republicii cu Bulevardul Eroilor

Prezentare machetă

Intersecțiile alese pentru realizarea studiului sunt zone de mare interes în ceea ce privește traficul rutier.

Acestea sunt situate în centrul Municipiului Pitești la intersecția dintre Bulevardul Republicii și Bulevardul I.C. Brătianu resprectiv intersecția dintre Bulevardul Republicii și Bulevardul Eroilor.

3

1

1

2

Figura 5.1.1 Intersecția dintre Bulevardul Republicii și Bulevardul I.C. Brătianu (Google Maps)

Pentru a descrie benzile în figura 5.1 am numerotat Bulevardul Republicii cu 1 și Bulevardul I.C Brătianu cu 2 respectiv 3.

Bulevardul Republicii este format din două benzi de circulație, ulterior in apropierea intersecției mărindu-se la 4 benzi din care una pentru virajul la stânga, două pentru mers înainte și una pentru virajul la dreapta, ulterior dupa trecerea intersecției revenind la două benzi de circulație.

Bulevardul I.C. Brătianu este format din șase benzi de circulație. Sensul de circulație notat cu 2 este format din două benzi de circulație pentru mers înainte și una pentru viraj la stânga, iar sensul decirculație notat cu 3 este format din două benzi de circulație înainte și una pentru circulație înainte și la dreapta

5

6 1

Figura 5.1.2 Intersecția dintre Bulevardul Republicii și Bulevardul Eroilor(Google Maps)

Pentru a descrie benzile în figura 5.1.2 am numerotat Bulevardul Republicii cu 1 și Bulevardul Eroilor cu 5 respectiv 6.

Bulevardul Republicii este format din două benzi de circulație, ulterior in apropierea intersecției mărindu-se la 3 benzi din care una pentru virajul la stânga și înainte,una pentru mers înainte și una pentru virajul la dreapta, ulterior dupa trecerea intersecției revenind la două benzi de circulație.

Distanța dintre cele două intersecții este de 800 m după cum se observă în figura 5.1.3.

Figura 5.1.3 Distanța între cele două intersecții.

Pentru realizarea machetei am considerat figura 5.1.4 .

Figura 5.1.4 Schema pentru realizarea machetei

Parcarea dintre intersecții este situată la 140 m de intersecția dintre Bulevardul Republicii și Bulevardul I.C. Brătianu resprectiv 580 m de intersecția Bulevardul Republicii și Bulevardul Eroilor.

Parcarea are lungimea de 80 m, iar in realitate are o capacitate de aproximativ 100 locuri de parcare. În proiectul meu am considerat capacitatea parcării de 30 de locuri.

Figura 5.1.5 Parcarea situată între cele două intersecții

Intersecția dintre Bulevardul Republicii și Bulevardul I.C. Brătianu este formată din patru semafoare pentru autovehicule reprezentat în figura 5.1.6 și șase semafoare pentru pietoni reprezentat în figura 5.1.7.

Intersecția dintre Bulevardul Republicii și Bulevardul Eroilor este formată din trei semafoare pentru autovehicule reprezentate în figura 5.1.6 și patru semafoare pentru pietoni reprezentat în figura 5.1.7.

Figura 5.6 Semafor automobile Figura 5.7 Semafor pietoni

Semafoarele pentru automobile sunt notate în figura 5.4 cu SVeh iar semafoarele pentru pietoni sunt notate cu SP.

În tabelul 5.8 este prezentată diagrama de semaforizare pentru ambele intersecții, inclusiv pentru pietoni. Am realizat această diagramă pentru a vedea dacă două sau mai multe semafoare au același ciclu de semaforizare, în cazul acesta programarea de la microcontroler se poate face doar pentru 3 pini în cazul semaforului pentru automobile și 2 pini în cazul semafoarului pentru pietoni indiferent de numărul de leduri care trebuie aprinse simultan.

Tabelul 5.8 Diagrama de semaforizare a ambelor intersecții

Dupa cum se observa în tabelul 5.8 SVeh1 corespunde cu SVeh 5 și SVeh2 cu SVeh7. În cazul semafoarelor pentru pietoni sunt grupate câte două deoarece acestea sunt situate pe ambele părți ale străzii și sunt comandate identic.

Schema bloc a sistemului

Figura 5.2.1 Schema Bloc a sistemului

Blocul de alimentare

Acesta are următoare schemă electrică:

Figura 5.3.1 Schema electrică a blocului de alimentare

Blocul de alimentare este compus ca o sursă stabilizată de 5V. Are la intrare 220 V de la rețeaua națională și furnizează în secundar o tensiune de 5V curent continuu.

Schema electrica este formată din:

O punde redresoare formată din diode 1N4009

Stabilizator LM7805CT care furnizează la ieșire o tensiune constantă de 5V

Blocul de semnale luminoase

Blocul de semnale luminoase are următoarea schemă electrică:

Figura 5.4.1 Schema electrică a blocului de semnale luminoase

Schema electrică este formată dintr-un microcontroler ATmega16, 41 rezistențe de 400Ω și 41 de leduri de 3 V și 0.002 A. Dintre cele 41 de leduri 17 sunt roșii, 7 galbene și 17 verzi.

Detalii despre ATmega16

ATmega 16 este un micronontroler CMOS de 8-biți de mică putere bazat pe arhitectura RISC AVR îmbunătățită.

Dispune de un set de 131 instrucțiuni și 32 registri de uz general. Cele 32 de registre sunt direct adresabile de Unitatea Logică Aritmetică (ALU), permițând accesarea a două registre independente într-o singură instrucțiune. Se onține astfel o eficientă sporită în execuție (de până la zece ori mia rapide decât microcontrorele convenționale CISC).

ATmega 16 este un microcontroler RISC pe 8 biți realizat de firma Atmel. Caracteristicile principale ale acestuia sunt:

16 KB de memorie Flash reinscriptibilă pentru stocarea programleor

1 KB de memorie RAM

512 B de memorie EEPROM

Două numărătoare/temporizatoare de 8 biți

Un numărător/temporizator de 16 biți

Conține un convertor analog-digital de 10 biți, cu intrări multiple

Conține un comparator analogic

Conține un modul USART pentru comunicație serială (port serial)

Dispune de un cronometru cu oscilator intern

Oferă 32 de linii I/O organizate în patru porturi (PA,PB,PC,PD)

Structura internă generală a controlerului este prezentă în figura 5.4.1.1. Se poate observa că există o magistrală generală de date la care sunt conectate mai multe module:

Unitatea aritmetică și logică(ALU)

Registrele generale

Memoria RAM și memoria EEPROM

Liniile de intrare (porturile-I/O) și celelalte blocuri de intrare/ieșire. Aceste ultime module sunt controlate de un set special de registre, fiecare modul având asociat un număr de registre specifice.

Memoria Flash de program împreună cu întreg blocul de extragere a instrucțiunilor, decodare și execuție comunică printr-o magistrală proprie, separată de magistrala de date menționată mai sus. Acest tip de organizare este conform principiilor unei arhitecturi Harvad și permite controlerului să execute intrucțiunile foaarte rapid.

Modul Power-down salvează conținutul registrelor, dar blochează Oscilatorul, dezactivând toate celeleate funcții al chip-ului până la următoarea Intrerupere Externă sau Reset hardware. În modul Power-save, timer-ul asincron continuă să meargă, permițând user-ului să mențină o bază de timp în timp ce restul dispozitivului este oprit.

În modul Standby, Oscilatorul funcționează în timp ce restul dispozitivului este oprit. Acest lucru permite un start foarte rapid combinat cu un consum redus de energie. În modul standby extins (Extended Standby Mode), atât Oscilatorul principal cât și timer-ul asincron continuă să funcționeze.

Memoria flash (On-chip) permite să fie reprogramată printr-o interfață serială SPI, de către un programator de memorie nonvolatilă convențional, sau de către un program de boot On-chip ce rulează pe baza AVR. Programul de boot poate folosi orice interfață pentru a încărca programul de aplicație în memoria Flash.

Combinând un CPU RISC de 8 biți cu un Flash In-System auto-programabil pe un chip monolithic, ATmega 16 este un microcontroler puternic ce oferă o soluție extrem de flexibilă și cu un cost reduc în comparație cu multe altele de pe piață.

ATmega 16 AVR este susținut de o serie completă de instrumente de program și de dezvoltare a sitemului, care include: compilaroare C, macroasambloare, programe debug/simulate etc.

Structura internă generală a controlerului

Figura 5.4.1.1 Structura internă generală a controlerului

Descrierea pinilor:

VCC-Sursa de current
GND-Masa

Port A(PA7…..PA0)

Portul A servește drept port de intrări analogice pentru Concertorul A/D. Acesta servește de asemenea și ca un port bidirectional I/O de 8 biți, în cazul în care Convertorul A/D nu este folosit. Pinii de port pot fi conectați optional la VCC prin rezistori interni(selectați pentru fiecare bit). Buffer-ele de ieșire ale portului A au caracteristici de amplificare.

Port B(PB7…..PB0)

Portul B este un port I/O de 8 biți bidirectional cu rezistori interni(opționali). Buffer-ele de ieșire ale Portului B au caracteristici de amplificare. Portul B indeplinește de asemenea funcții special ale microcontrolerului ATmega 16.

Port C(PC7…..PC0)

Portul C este un port I/O de 8 biți bidirectional cu rezistori interni(opționali). Buffer-ele de ieșire ale Portului C au caracteristici de amplificare. Dacă interfața JTAG (de depanare este activate, rezistorii pinilor PC5(TDI), PC3(TMS) și PC2(TCK) vor fi activați, chiar dacă are loc o resetare. Portul C indeplinește de asemenea funcții ale interfeței JTAG și alte funcții special ale ATmega16.

Port D(PD7…..PD0)

Portul D este un port I/O de 8 biți bidirectional cu rezistori interni conectați opțional la VCC (selectați pentru fiecare bit). Buffer-ele de output ale Port-ului D au caracteristici de amplificare. Port-ul D indeplinește de asemenea funcții special ale ATmega16.

Reset

Un nivel scăzut la acest pin mia mare ca durată decât o valoare prestabilită, va genera o inițializare.

XTAL1: Intrare pentru amplificatorul inversor al Oscilatorului;

XTAL2: Ieșire pentru amplificatorul inversor al Oscilatorului.

AVCC: AVCC este pin de laimentare pentru Port-ul A și Convertorul A/D. Trebuie conectat extern la Vcc, chair dacă ADC nu este folosit. Dacă ADC este folosit, ar trebui conectat la VCC printr-un filtru trece-jos

AREF: AREF este pinul de referință analogical pentru Convertorul A/D

Glosar termeni

Listă figuri

Figura 2.1.1. Modelul sistemului cu buclă inductive……………………………………….Pag.9

Figura 2.1.1.3.1 Amplasarea celor trei bucle inductive pentru numărarea vehiculelor……Pag.14

Figura 2.1.1.5.1 Detectare direcțională……………………………………………………………………Pag.15

Figura 2.1.1.6.1 Detector tip ,,covor” cu bucle inductive…………………………………Pag.16

Figura 2.1.3.1 Sistemul SPVD………………………………………………………………………………..Pag.19

Figura 2.1.4.1. Montarea la aproximativ 15 metri inaintea zonei monitorizate……………..Pag.20

Figura 2.1.4.2. Montare pe stâlp vertical…………………………………………………………………..Pag.20

Figura 2.1.5.1. Senzor IR………………………………………………………………….Pag.22

Figura 2.1.5.2. Detecția senzorului IR………………………………………..………….Pag.22

Figura 2.1.5.3. Detecția IR multifascicul………….………………………………..…….Pag.22

Figura 2.1.5.4 Arhitectura internă a unui senzor PIR………………………………………………….Pag.23

Figura 2.1.6.1. Schema bloc a unui senzor wireless ………………………………………………….Pag.24

Figura 3.3.1.1. Structura fibrei optice……………………………………………………………………..Pag.32

Figura 3.3.1.2 Structura fibrei optice……………………………………………………………………….Pag.32

Figura 3.3.1.3 Structura fibrei optice………………………………………………………………………Pag.32

Figura 3.3.5.1 Conector ST…………………………………………………………………………………….Pag.36

Figura 3.3.5.2 Conector SC…………………………………………………………………………………….Pag.36

Figura 3.3.5.3 Principiul cuplării prin lentile…………………………………………………………….Pag.36

Figura 3.3.7.1 Principiul cuplării fețelor…………………………………………………………………..Pag.37

Figura 3.3.8.1 Principiul comunicației optice……………………………………………………………Pag.39

Figura 3.5.2. Simbol Bluetooth……………………………………………………………………………….Pag.44

Figura 3.6.1 Sigla oficială a sistemului NAVSTAR GPS…………………………………Pag.46
Figura 4.1.1. Diagrama conceptuală a arhitecturii sistemelor avansate de management al traficului………………………………………………………………………………………………………………Pag.49

Figura 4.7.1 Arhitectura logică RHODES……………………………………………………………….Pag.54

Figura 4.8.2.1 Arhitectura sistemului APTTCA………………………………………………………..Pag.56

Figura 4.8.2.2 Modul de dispunere al senzorilor în sistemul APTTCA………………………..Pag.57

Figura 4.9.4.1 Instanța tipică a unui sistem SCOOT bazată pe UTC…………………………….Pag.63

Figura 4.10.1.1Strategia de control optimizat în buclă închisă de la sistemul UTOPIA….Pag.65

Listă tabele

Tabelul 3.5.1. Clasificarea dispozitivelor Bluetooth în funcție de raza de acoperie…..…Pag.44

Tabelul 4.6.1.Sisteme UTC folosite în lume……………………………………………………………..Pag.51

Tabelul 4.9.1 Rezultatele utilizării SCOOT în cinci orașe…………………………………………..Pag.59

Tabelul 4.9.2 Studii asupra sistemelor din cadrul SCOOT………………………………………….Pag.60

Bibliografie

Bibliografie

http://www.tet.pub.ro/studenti-materiale-an3-miccurs.html

http://www.tet.pub.ro/studenti-materiale-an4-sdtrlab.html

http://www.scoot-utc.com/documents/1_SCOOT-UTC.pdf

http://www.scoot-utc.com/documents/2_Congestion.pdf

http://www.scoot-utc.com/documents/3_PedestrianFacilities.pdf

http://www.scoot-utc.com/documents/4_BusPriority.pdf

http://www.agir.ro/buletine/1259.pdf

http://www.scribd.com/doc/38050157/SR-1848-4-95-semafoare-rutiere

http://ro.wikipedia.org/wiki/Bluetooth

https://www.fhwa.dot.gov/publications/research/operations/its/06139/06139.pdf

http://www.scoot-utc.com/

http://rria.ici.ro/ria1998_1/art06.html

http://snet.elth.pub.ro/snet2005/cd/papers/s3o13.pdf