Исследовательский проект "Светофор – техническое средство организации дорожного движения"

Управление образования Администрации г. Екатеринбурга

МБОУ ДОД Городской Дворец творчества детей и молодежи

 «Одаренность и технологии»

Открытая городская научно-исследовательская конференция

«Зажги свою звезду»

2012-2013 учебный год

                                                                    Направление: физика и химия

Светофор – техническое средство организации дорожного движения

Автор: Думов Егор Дмитриевич,

 МБОУ СОШ № 200, 9 класс

Научный руководитель: Негатина Вера Сергеевна,

МБОУ СОШ № 200, учитель физики,

высшая квалификационная категория

г. Екатеринбург, 2013

Введение                                                                                        3

Глава 1. Теоретическая часть. Светофор – техническое средство

1. История изобретения светофора.                                                   5
2. Типы светофоров.                                                                5

1. Уличные и дорожные светофоры                                                   6

1. Автомобильные светофоры                                                          6
2. Светофор на железнодорожных переездах                                   7
3. Светофор для маршрутных транспортных средств                  7
4. Светофор для пешеходов                                                   8
5. Светофор для велосипедистов                                        8
6. Трамвайный светофор                                                8

3.Светофор в других областях человеческой деятельности                            8

1. Железнодорожный светофор                                                     9

3.2 Речные светофоры                                                                   9

3.3 Светофоры в автоспорте                                                            11

Глава 2. Практическая часть. Конструкция светофоров                                    12

Заключение                                                                                            14

Список литературы                                                                        15

Приложения                                                                                                                      16

ВВЕДЕНИЕ

Чем больше город, тем интенсивнее движение на его улицах, тем выше требования к организации движения транспортных средств и людей, чтобы обеспечить безопасность пассажиров и пешеходов.

Важнейшая основа организации движения – единые правила уличного движения, обязательные и для водителей, и для пешеходов. Необходимо также оборудовать улицы сигнальными знаками. На улицах с оживлённым движением устанавливают светофоры. Чтобы сократить задержки автомобилей перед перекрёстками на важнейших магистралях применяется особая система смены светофорных сигналов. Если машины идут с заданной скоростью, зелёный сигнал автоматического светофора появляется при приближении группы автомобилей к перекрёстку, и они проезжают его без задержки.

Это очень выгодная и удобная система. Автомобилям не приходится простаивать перед каждым светофором. Такая система координированного движения применяется на важнейших магистралях столицы и других крупных городов России.

Рост автомобильного парка и объёма перевозок ведёт к увеличению интенсивности движения, что в условиях городов приводит к возникновению транспортной проблемы. Особенно она проявляется на перекрёстках, где образуются так называемые «пробки», что приводит к снижению скорости движения, к более быстрому изнашиванию механизма транспортных средств, увеличению расхода топлива. С увеличением интенсивности движения растёт количество ДТП, в которых гибнут люди. Поэтому постоянно разрабатываются новые технические средства для организации дорожного движения и модернизируются  уже имеющиеся. В настоящее время энергосбережение и сокращение эксплуатационных расходов на обслуживание различных технических средств является одной из актуальных проблем хозяйственной деятельности современного города. Одним из способов решения этой проблемы стало применение светодиодных дорожных светофоров (транспортных и пешеходных) взамен ранее установленных.

Тема работы: Светофор, как техническое средство организации движения.

Объект: Светофор.

Предмет: конструкция и работа светодиодного светофора.

Гипотеза: изучение мною данной темы и изготовление действующей модели светодиодного светофора  позволит сократить расходы на энергообеспечение и техническое обслуживание дорожных светофоров.  

Цель: создать модель программируемого  энергосберегающего светофора.

Эта цель достигается решением ряда задач:

• Изучить литературу по теме.
• Исследовав устройство и принцип действия светофора, выяснить преимущества и недостатки светодиодных светофоров.
• Разработать и создать действующую модель программируемого светодиодного светофора.

Методы исследования:

• Теоретический.
• Экспериментальный.

Глава 1. СВЕТОФОР – ТЕХНИЧЕСКОЕ СРЕДСТВО

1. История изобретения.

Светофор дорожный – светосигнальное устройство для регулирования движения.

        Первым в мире светофором был вращающийся газовый фонарь, который изучал сигнал красного и зелёного цветов. Был установлен в декабре 1868 года в Лондоне возле здания Британского парламента. Его изобретатель – Джон Пик Найт – был специалистом по железнодорожным семафорам. Светофор управлялся вручную и имел две семафорные стрелки: поднятые горизонтально означали сигнал «стоп», а опущенные под углом в 45 градусов – движение с осторожностью. В тёмное время суток использовался вращающийся газовый фонарь, с помощью которого подавались ,соответственно, сигналы красного и зелёного цветов. Светофор использовался для облегчения переходов пешеходов через улицу, а его сигналы предназначались для транспортных средств – пока пешеходы идут ,автомобили должны стоять. 2 Января 1869 года газовый фонарь светофора взорвался, ранив управляющего светофором полицейского. И это идея регулирования движения была реализована впоследствии только через сорок лет.

        Первая автоматическая система светофоров (способная к переключению без непосредственного участия человека) была разработана и запатентована в 1910 году Эрнстом Сиррином из Чикаго. Его светофор использовал неподсвеченные надписи «Stop» и «Proceed».

        В 1912 году в США Лестером Вайером был изобретён первый электрический светофор. С двумя круглыми электрическими сигналами (красного и зелёного цвета). Оборудование светофорами первого перекрёстка было произведено Американской светофорной кампанией 5 августа 1914 года в городе Кливленде США. 4 электрических светофора переключались с красного на зелёный свет и издавали предупреждающий звуковой сигнал. Управление осуществлял полицейский из специальной будки, расположенной на перекрёстке. Трёхцветные светофоры с использование сигнала жёлтого цвета появились в Нью-Йорке и Детроите в 1920 году.

        В Европе первые трёхцветные «регулировщики» начали использоваться в двадцатых годах XX века. Сначала в Париже и Гамбурге, затем и в городах Англии.

        В СССР эксплуатация первого светофора началась 15 января 1930 года, а в декабре того же года первый светофор заработал в Москве.

В 30-е годы светофор всё более совершенствуется. В его конструкцию вносят новые элементы. Постепенно внешний облик светофора приобретает сегодняшний вид, но вверху располагается зелёный сигнал, а внизу – красный. И только в 1949 году было введено единое размещение огней светофора: красный – вверху, зелёный – внизу.

2.Типы светофоров.

Светофоры можно классифицировать по их функциональному назначению, по конструктивному исполнению, по их роли, выполняемой в процессе управления движением.

Мне хотелось бы подробнее рассказать о функциональном назначении светофоров.

2.1.Уличные и дорожные светофоры.

2.1.1 Автомобильные светофоры.

Наиболее распространены светофоры с сигналами трёх цветов: красного, жёлтого (горит 0,5-1 сек.) и зелёного. В некоторых странах, в том числе и в России, вместо жёлтого используется оранжевый цвет. Сигналы могут быть расположены как вертикально, так и горизонтально. При отсутствии других, специальных светофоров, они регулируют движение всех видов транспортных средств и пешеходов.

Основные сигналы светофоров:

• красный сигнал светофора запрещает проезд за стоп-линию (при её отсутствии за светофор) или впереди стоящее транспортное средство на охраняемый светофором участок,
• жёлтый допускает проезд за стоп-линию, но требует снижение скорости на выезд на охраняемый светофором участок, готовность к тому, что светофор переключится на красный,
• зелёный — разрешает движение со скоростью, не превышающей максимальный уровень для данной автотрассы.

Могут также подаваться мигающие сигналы. Автомобили, приближающиеся к светофору с мигающим зелёным сигналом, могут принять меры к своевременному торможению, чтобы избежать выезда на охраняемый светофором перекрёсток или переход на запрещающий сигнал. Мигающий жёлтый сигнал требует снизить скорость для проезда перекрёстка или пешеходного перехода как нерегулируемого (например, в ночные часы, когда регулирование не требуется из-за низкой интенсивности движения). Мигающий красный сигнал может означать предстоящее переключение к зелёному в случае, если на данном светофоре отсутствует сочетание красный + жёлтый.                                        

Стоимость одного светофорного объекта в зависимости от его технического оснащения и сложности участка дороги составляет от 800 тыс. руб. до 2,5 млн. руб.

2.1.2. Светофор на железнодорожных переездах

Состоит из двух горизонтально расположенных красных фонарей и, на части переездов, одного фонаря лунно-белого цвета. Белый фонарь расположен между красными, ниже или выше соединяющей их линии. Значение сигналов следующее:

• два попеременно мигающих красных фонаря — движение через переезд запрещено; данный сигнал обычно сопровождается звуковой сигнализацией (звонком);
• мигающий белый фонарь означает, что техническая система переезда находится в исправности. Так как он не горит, когда переезд закрыт или закрывается, бело-лунный фонарь часто неправильно считают разрешающим сигналом.

Иногда вместо лунно-белого фонаря ставится зелёный немигающий, который в отличие от лунно-белого является разрешающим сигналом. Часто лунно-белый фонарь отсутствует, светофор состоит только из двух красных фонарей. (Приложение 1)

2.1.3 Светофоры для маршрутных транспортных средств.

Для регулирования движения маршрутных транспортных средств (трамваев, автобусов, троллейбусов), либо маршрутного движения всех автотранспортных средств, используют специальные светофоры, вид которых отличается от страны к стране.

В России Правилами дорожного движения предусмотрено использование Т-образного светофора с «четырьмя круглыми сигналами бело-лунного цвета». Верхние сигналы используются для указания разрешённых направлений движения (налево, прямо, направо), а нижний — разрешает начало движения. Также в последние годы в тех случаях, когда направление движения маршрутных транспортных средств только одно, или для всех направлений движение разрешается всегда одновременно, применяют иногда светофор в виде обычной круглой одиночной секции со светящейся буквой «Т» жёлтого цвета, разрешающий движение, когда освещён, и запрещающий, когда не освещён.

Также существуют светофоры на трамвайных станциях (конечных) — то есть вне автомобильных дорог, имеющие по 2 секции — красную и зелёную. Они служат для указания порядка отправления трамвайных поездов с разных путей станции.

Не существует международного стандарта для светофоров для маршрутных транспортных средств, и они могут сильно отличаться даже в соседних странах. В качестве примера посмотрим сигналы таких светофоров в Бельгии и Нидерландах:

2.1.4. Светофор для пешеходов.

Такие светофоры регулируют движение пешеходов через пешеходный переход. Как правило, он имеет два вида сигналов: разрешающий и запрещающий. Обычно для этой цели используют соответственно зелёный и красный свет. Сами сигналы имеют различную форму. Чаще всего используют сигналы в виде силуэта человека: красный — стоящего, зелёный — идущего. В США красный сигнал часто выполняют в виде силуэта поднятой ладони (жест «стоп»). Иногда используют надписи «не идите» и «идите». В столице Норвегии для запрещения движения пешеходов используются две стоящие фигуры, окрашенные красным цветом. Делается это для того, чтобы слабовидящие или люди, страдающие дальтонизмом, могли понять, можно им идти или нужно стоять. На оживлённых магистралях устанавливают, как правило, автоматически переключающиеся светофоры. Но часто применяется и вариант, когда светофор переключается после нажатия специальной кнопки и разрешает переход в течение определённого времени после этого.

Современные светофоры для пешеходов дополнительно оборудуют также звуковыми сигналами, предназначенными для слепых пешеходов, а иногда и табло обратного отсчёта времени (впервые появились во Франции в 1998 г.).

2.1.5. Светофор для велосипедистов

Для регулирования движения велосипедов иногда применяют специальные светофоры. Это может быть светофор, сигналы которого выполнены в форме силуэта велосипеда, или обычный трёхцветный светофор, снабжённый специальной табличкой. Как правило, такие светофоры имеют меньший размер, чем автомобильные, и устанавливаются на удобной для велосипедистов высоте.  

2.1.6. Трамвайный светофор.

Т-образные (трамвайные) светофоры предназначены для регулирования движения трамваев. Обычно устанавливаются перед участками с ограниченной видимостью, перед затяжными подъёмами, спусками, на въезде/выезде трамвайных депо, а также перед трамвайными стрелками и сплетениями путей.

Обычно трамвайные светофоры имеют 2 сигнала: красный и зелёный.

Основное предназначение трамвайных светофоров состоит в том, чтобы сигнализировать водителям трамваев о занятости следующей за светофором части трамвайного пути. Действие трамвайных светофоров распространяется только на трамваи.

Светофоры такого типа работают в автоматическом режиме.

3. Светофор в других областях человеческой деятельности

1. Железнодорожный светофор

Железнодорожные светофоры предназначены для регулирования движения поездов, маневровых составов, а также регулирования скорости роспуска с сортировочной горки:

• красный — путь занят, проезд запрещён;
• жёлтый — проезд разрешён с ограничением скорости (40 км/ч) и до следующего участка перегона;
• зелёный — 2 и более участка свободны, проезд разрешён;
• лунно-белый — пригласительный сигнал (ставится на железнодорожных вокзалах, сортировочных и грузовых станциях).

Также светофоры или дополнительные световые указатели могут информировать машиниста о маршруте или как-либо ещё конкретизировать показание. Если на входном светофоре горит два жёлтых — это значит, что поезд будет ехать с отклонением по стрелкам, следующий сигнал закрыт, а если два жёлтых и верхний мигающий — следующий сигнал открыт.

Существует отдельный тип двухцветных железнодорожных светофоров — маневровые, которые подают следующие сигналы:

• один лунно-белый огонь — разрешается производить манёвры;
• один синий огонь — запрещается производить манёвры. (Приложение 2)

3.2 Речные светофоры

Речные светофоры предназначены для регулирования движения речных судов. В основном используются для регулирования прохода судов через шлюзы. Такие светофоры имеют сигналы двух цветов — красного и зелёного.

Различают дальние и ближние речные светофоры. Дальние светофоры разрешают или запрещают подход судов к шлюзу. Ближние светофоры устанавливаются непосредственно перед и внутри камеры шлюза на правой стороне по ходу движения судна. Они регулируют вход судов внутрь шлюзовой камеры и выход из неё.

Следует отметить, что неработающий речной светофор (не горит ни один из сигналов) запрещает движение судов.

Существуют также речные светофоры в виде одного фонаря желто-оранжевого цвета, вмонтированные в знак «Бросать якорь запрещено» для обозначения этого знака в ночное время. Они имеют три линзы указанного цвета, направленные по течению, против течения и перпендикулярно.

3.3  Светофоры в автоспорте

        В автоспорте светофоры могут устанавливаться на маршальских постах, на выезде с пит-лейн и на стартовой черте.

Стартовый светофор подвешивается над трассой таким образом, чтобы он был хорошо виден всем стоящим на старте. Расположение огней: «красный — зелёный» или «жёлтый — зелёный — красный». Сигналы светофора дублируются с противоположной стороны (чтобы всем болельщикам и судьям была видна процедура старта). Зачастую на гоночном светофоре не один красный фонарь, а несколько (на случай, если лампа сгорит).

Сигналы стартового светофора таковы:

• Красный: Приготовиться к старту!
• Красный гаснет: Старт! (старт с места)
• Зелёный: Старт! (старт с хода, квалификация, прогревочный круг)
• Мигающий жёлтый: Остановить двигатели!

Сигналы для старта с места и старта с хода разные по такой причине. Гаснущий красный не позволяет стартовать рефлекторно — это снижает вероятность того, что кто-либо тронется с места на «тревожный» жёлтый свет. Во время старта с хода эта проблема не стоит, зато гонщикам важно знать, был ли дан старт (если судья посчитает стартовый строй неподходящим, автомобили отправляются на повторный формировочный круг). В этом случае зелёный стартовый сигнал информативнее.

В отдельных гоночных сериях встречаются и другие сигналы.

Маршальские светофоры встречаются в основном на овальных трассах и отдают те же команды, которые маршалы отдают флагами (красный — остановить гонку, жёлтый — опасный участок, и т. д.)

Светофор на пит-лейн имеет такие сигналы:

• Красный: Выезд с пит-лейн запрещён.
• Зелёный: Выезд с пит-лейн разрешён.
• Мигающий синий: к выезду приближается автомобиль, уступите ему дорогу.

Глава 2. КОНСТРУКЦИЯ СВЕТОФОРОВ

Конструкция светофоров

Светофор состоит из отдельных секций, каждая из которых предназначена для определённого сигнала. В зависимости от типа светофора секции могут иметь различные конструктивные особенности. Общим для всех секций является наличие оптического устройства. Светофор состоит из секций соединённых между собой резьбовыми пустотелыми втулками, через которые пропущены провода. Секция представляет собой корпус с крышкой и противосолнечным козырьком. В крышке смонтировано оптическое устройство, состоящие из отражателя, цветного светофильтра, резинового кольца уплотнителя и подвижного стакана с электролампой. При перемещении стакана нить лампы устанавливается в фокусе отражателя. В качестве источников света применяют лампы накаливания общего и специального назначения. В некоторых конструкциях светофоров в качестве источника света используются низковольтные галогенные лампы. Обладая при малых размерах повышенной удельной светоотдачей и компактной нитью, эти лампы хорошо фокусируются. Однако широкого распространения они не подучили вследствие их сравнительно высокой стоимости и необходимости применения повышающих трансформаторов. В качестве альтернативного света в светофоре могут быть использованы энергосберегающие лампы.

В настоящее время энергосбережение и сокращение эксплуатационных расходов на обслуживание различных технических средств является одной из актуальных задач хозяйственной деятельности современного города.

        Одним из способов решения этой задачи стало применение светодиодных дорожных светофоров (транспортных и пешеходных) взамен ранее установленных.

Необходимость замены обусловлена следующими существенными недостатками:

• повышенное энергопотребление;
• малый срок службы (наработка на отказ ламп накаливания составляет до двух тысяч часов);
• повышенный износ светотехнической арматуры из-за высокой рабочей температуры:
• образование «фантомного эффекта» при восходе и закате.

Светодиодные светофоры имеют ряд существенных преимуществ:

• малая потребляемая мощность;
• увеличение срока службы в десятки раз;
• высокая эксплуатационная надёжность (средняя наработка на отказ составляет 50000 часов);
• исключение появления ложных сигналов светофора при отражении солнечных лучей из-за отсутствия цветных светофильтров;
• повышенная механическая прочность за счёт использования современных материалов.

В ходе данной работы мною была сконструирована модель светодиодного светофора.

Данная модель работает на основе микроконтроллера Arduino, который программируется с помощью компьютера на языке С++. (приложение 3)

Заключение

В ходе работы над проектом, я узнал интересные факты из истории появления светофора, о том, что есть разные виды светофоров, ознакомился со светофорами нашего города.

        Результатом работы является созданная модель светофора, которую можно использовать на занятиях по изучению правил дорожного движения с детьми. Лично я собираюсь передать эту модель в детский сад, куда ходит мой младший брат.

        И, рассмотрев светофор изнутри, я решил пойти дальше. И сейчас принимаю участие в совместном проекте Уральского Федерального университета и программного предприятия СКБ – Контур. Задача нашей группы – создать программу, для систематизации работы светофоров.

Список источников информации

1. Камнковштейн Г. И. и Афанасьев М. Б.

Организация дорожного движения. Учебник для вузов.

Издательство «Трансифт». Москва 1992 г.

2. Кременец Ю. А. Технические средства организации дорожного движения. Издательство «Трансифт». Москва 1990 г.
3. Музей железнодорожной техники.
4. http://amperka.ru/