Светофоры: инженерия, история и будущие инновации

История

Светофоры — обычно называемые стоп-сигналами — управляют потоком транспорта на перекрестках, визуально указывая, когда останавливаться, замедляться или двигаться. Они также могут сигнализировать о разрешенных поворотах. Некоторые работают вручную или на простых таймерах, задавая фиксированную последовательность между дорогами, другие используют сложные электронные контроллеры, адаптирующие фазы в реальном времени по плотности трафика и времени суток. Инженеры дорожного движения полагаются на эти устройства для снижения заторов и повышения безопасности водителей и пешеходов.

Первый световой сигнал появился в Лондоне в 1868 году — вручную управляемые газовые фонари и семафорные рукава. Вскоре он взорвался, трагически убив полицейского. Первый электрический сигнал установлен в Кливленде в 1914 году, добавив зуммер для предупреждения водителей о смене фаз. Нью-Йорк установил первый трехцветный (зеленый, желтый, красный) сигнал в 1918 году, а Лос-Анджелес соединил свет с гонгом и семафорными знаками.

Современная система состоит из трех подсистем: секции сигнальных светофоров, опорных столбов или консолей и электронного контроллера. Секция обычно содержит три вертикально расположенных света — зеленый внизу, желтый посередине, красный сверху — для помощи дальтоникам. Каждый свет оснащен линзой Френеля, часто с козырьком-визором, для фокусировки луча и улучшения видимости в ярких условиях. Контроллер, размещенный в герметичном ящике, оркеструет последовательность света и может включать дорожные датчики для определения потока транспорта.

Сырье

Корпус каждой секции обычно из коррозийноустойчивого алюминия; некоторые производители используют литой полипропилен. Материал линз — тонированное стекло или пластик. Долговечные лампы — обычно высокоинтенсивные разрядные или светодиодные — монтируют в полированных металлических отражателях. Визоры изготавливают из алюминия или литого пластика. Опорные столбы — оцинкованная сталь или стекловолокно для прочности и долговечности. Контроллеры находятся в стальных или алюминиевых оболочках, содержащих коммутаторы, реле и таймеры от специализированных поставщиков. Проводка — медь с толстой неопреновой или пластиковой изоляцией.

Производственный процесс

Светофоры собирают на заводе производителя перед установкой на месте.

Установлен в Детройте в 1920 году, это был первый в стране трехцветный четырехнаправленный светофор. (Из коллекций музея Генри Форда и Гринфилд Виледж.)

Улицы начала XX века не были рассчитаны на автомобили, которые делили дороги с конными экипажами, велосипедистами и пешеходами. Начальное регулирование движения опиралось на полицейских с жестовыми сигналами, приводя к частой путанице. В 1920-х изобретатель Морган Гаррет представил автоматическую систему с семафорным рычагом и промежуточным положением, эквивалентным современному желтому, позволяя водителям предвосхищать изменения. Конструкция Гаррета позже приобрела General Electric, которая производила электрические трехсветовые четырехнаправленные сигналы.

Изготовление секции светофора

• Корпус, дверца линзы и дверца лампы литуют под давлением в стальную форму. Расплавленный алюминий впрыскивают под ~2000 psi, остывает за ~15 секунд. Процесс дает ~30 деталей в час.
• После охлаждения детали обтачивают штамповочным прессом, инспектируют и удаляют заусенцы. Дверцы обрабатывают для точной посадки и собирают на шарнирных осях и пружинных защелках. Окрашенные секции затем чистят, красят и сушат в печи.
• На участке финальной сборки устанавливают лампы, держатели, отражатели и линзы. Нержавеющие крепления фиксируют компоненты, а герметичные прокладки уплотняют линзы. Проводка проложена через полый корпус к точке монтажа.

Изготовление контроллера

• Корпус контроллера литуют или фабрикуют, затем обтачивают, обрабатывают и красят. Внутри монтажные точки держат платы управления. Производители могут собирать электронику инхаусе или аутсорсить специализированным поставщикам.

Изготовление опор

• Опоры литуют, вращают или фабрикуют в полые конструкции со встроенными коробками распределения. Декоративные детали могут интегрировать сигналы с местной архитектурой, и некоторые установки вешают секции на стальные тросы через перекресток.

Установка

• Подземные кабели соединяют контроллер с каждой опорой, провода протаскивают. Питание подается к контроллеру. Если установлены дорожные датчики, они также подключаются к контроллеру. Опоры закрепляют болтами, секции монтируют. Проводка соединяется по всем компонентам. Каждый свет тонко настраивают, таймеры контроллера устанавливают по инженерным спецификациям, и система проходит множество тестовых циклов.

Контроль качества

Производство следует стандартным инспекциям и статистическим методам качества, общим для промышленности. Установка проверяется агентством по электроинспекции, обеспечивая соответствие Национальному электротехническому кодексу и всем соответствующим федеральным, штатным и местным нормам. Зарегистрированный профессиональный инженер должен утвердить планы, подтверждая, что средства регулирования движения соответствуют национальным стандартам.

Будущее

Прогресс вычислительной техники сделает светофоры все более интеллектуальными. Удаленная активация позволяет спецтранспорту командовать зеленым светом в своем направлении. Городские сети взаимосвязанных контроллеров могут синхронизировать поток трафика, снижать заторы и перенаправлять транспорт в пиковые часы. Новые технологии включают предупредители превышения скорости и детекцию инцидентов в реальном времени для повышения безопасности и эффективности.