Sygnalizacja świetlna


Wstęp

Sygnalizacja świetlna jest stosowana w celu segregacji w czasie kolizyjnych potoków zarówno pojazdów, jak i pieszych. Nie jest ona tak skuteczna, jak segregacja w przestrzeni (węzły wielopoziomowe, przejścia nad- i podziemne), jest natomiast wielokrotnie tańsza i zajmuje mniej terenu. Dlatego też sygnalizacja świetlna jest najpowszechniej stosowanym środkiem organizacji ruchu w miastach.
Głównym zadaniem sygnalizacji świetlnej jest kierowanie ruchem pojazdów i pieszych. Zadanie to jest realizowane przez podawanie użytkowników odpowiednich sygnałów, informujących o prawie bądź zakazie przejazdu lub przejścia.
Historia rozwoju urządzeń sygnalizacji świetlnej rozpoczęła się od zainstalowania w 1868 roku w Londynie, na skrzyżowaniu Bridge Street i New Palace Yard pierwszych sygnałów świetlnych. Było to ręcznie sterowane urządzenie semaforowe z gazową lampą wysyłającą sygnały zielone i czerwone. Niestety, już po kilku dniach nastąpił wybuch gazu, co zniechęciło Brytyjczyków do stosowania tego typu urządzeń przez najbliższe 50 lat.
Właściwy rozwój sterowania ruchem rozpoczął się w 1914 roku w USA, po zainstalowaniu w Cleveland pierwszej elektrycznej sygnalizacji świetlnej (przypominającej wersję londyńską – tzn. semaforowe ramiona z latarnią). Następnym krokiem było zastosowanie sygnałów trójkolorowych (w 1918 roku, w Nowym Jorku). W 1922 roku zastosowano pierwszą koordynację sygnałów na sąsiednich skrzyżowaniach (Salt Lake City), w 1928 pierwszą sygnalizację uzależnioną od sytuacji w ruchu – akomodacyjną, reagującą na sygnał klaksonu samochodu (New Heaven – Baltimore), w 1932 – w Anglii pierwsza sygnalizacja akomodacyjna w europie z czujnikiem przyciskowym (zamienionym później na pneumatyczny), w 1933 – sygnalizację wzbudzaną przez pieszych, a w 1959 roku podjęto pierwsze próby sterowania komputerowego (Toronto).
W Polsce, pierwsza sygnalizacja świetlna pojawiła się w 1926 roku w Warszawie na skrzyżowaniu Alei Jerozolimskich i Marszałkowskiej. Po drugiej wojnie światowej nieomal równocześnie z odbudową miast i ich układów komunikacyjnych instalowano sygnalizacje świetlne. Pierwsza w Polsce sygnalizacja wzbudzana przez pieszych pojawiła się w 1967 roku w Warszawie przy ul. Grójeckiej, a rok później pojawił się pierwszy system skoordynowanego sterowania na ciągu Alej Jerozolimskich i ulicy Marszałkowskiej. Pierwsza w pełni akomodacyjna sygnalizacja wielofazowa została uruchomiona w 1974 roku.


Podział sygnalizacji

Sygnalizacje możemy podzielić wg różnych kryteriów:
A. Realizacja programu i powtarzalność
1) Cykliczne
a) stałoczasowe
- jednoprogramowe
- wieloprogramowe
b) zmiennoczasowe (akomodacyjne)
2) acykliczne
3) wzbudzane
B. współdziałanie z innymi sygnalizacjami
1) odosobnione
2) sprzężone
3) skoordynowane na ciągu lub w sieci
4) centralne sterowanie
C. Cel zastosowania:
1) ostrzegawcze (sygnał żółty, pulsujący: miejsca niebezpieczne, godziny nocne, wyjazdy pogotowia, straży itp.)
2) zabezpieczanie przejazdów kolejowych, mostów zwodzonych
3) sterowanie ruchem wahadłowym
4) sterowanie ruchem na pasach o zmiennym kierunku ruchu

Ad. A.
Sygnalizacje stałoczasowe są najpopularniejszą formą sterowania. Stosuje się je na skrzyżowaniach o dużym ruchu podlegającym regularnym wahaniom w ciągu doby.
Sygnalizacja cykliczna stałoczasowa jednoprogramowa: ma stałą sekwencję następujących faz, ze sztywno ustaloną długością cyklu i poszczególnych sygnałów.
Sygnalizacja stałoczasowa wieloprogramowa różni się wykorzystaniem w pracy kilku wcześniej ustawionych programów o różnych, ustalonych długościach cyklów i poszczególnych sygnałów. Wybór tych programów może odbywać się czasowo, zgodnie z wcześniej ułożonym harmonogramem przełączania, lub w zależności od aktualnych parametrów ruchu.

Sygnalizacja akomodacyjna (cykliczna, zmiennoczasowa): ustalona jest w niej pewna sekwencja faz, zaś czasy trwania tych faz są zmienne i zależne od chwilowych charakterystyk ruchu przesyłanych z detektorów. Istnieje też możliwość pomijania niektórych, zbędnych faz.
- częściowo akomodacyjna: zazwyczaj stosowana na skrzyżowaniach ulic o dużym zróżnicowaniu klas i znaczenia w układzie komunikacyjnym; zapewnia zdecydowanie lepsze warunki ruchu na wybranym kierunku – kierunek określony jako główny otrzymuje zielone światło zawsze, kierunek podporządkowany – po wzbudzeniu. Detektory instaluje się tylko na wlotach podporządkowanych
- sygnalizacja w pełni akomodacyjna: detektory instaluje się na wszystkich wlotach i wartość światła zielonego waha się w granicach od Gmin do Gmax w zależności od bieżących potrzeb ruchowych. W przypadku braku wzbudzeń na wszystkich detektorach, możliwe są warianty pracy sygnalizacji:
· sygnał zielony wyświetlany jest na kierunku głównym jako nadrzędny
· sygnał zielony wyświetlany jest na kierunku, na którym zanotowano ostatnie wzbudzenie
· sygnalizacja pracuje cyklicznie, wyświetlając kolejno minimalne wartości świateł zielonych

- sygnalizacja akomodacyjna wyższego rzędu: podobna do poprzedniej, detektory muszą być umieszczone na wszystkich wlotach (na ogół jednak w większej odległości od linii zatrzymania); zmiany polegają głównie na tym, że sterownik porównuje parametry charakteryzujące gęstość ruchu na kierunku na którym ruch jest otwarty z liczbą i czasem oczekiwania pojazdów na kierunku poprzecznym
- sygnalizacja akomodacyjna wielofazowa: eliminuje niewykorzystane okresy światła zielonego oraz niewykorzystanych faz lub łączenie faz niekolizyjnych w układy odpowiadające rozkładowi ruchu na skrzyżowaniu; są szczególnie polecane na skrzyżowaniach o bardzo różnej strukturze kierunkowej w różnych godzinach dnia i różnych dniach tygodnia

Sygnalizacja acykliczna charakteryzuje się zmienną, zależną od potrzeb ruchu sekwencją faz. Jest w pełni zależna od ruchu, fazy i czasy ich trwania są tworzone na bieżąco w zależności od potrzeb.

Sygnalizacja wzbudzana charakteryzuje się pracą w układzie stan wyjściowy – wzbudzenie – powrót do stanu pierwotnego. Można je podzielić na wzbudzane przez: pieszych, pociągi, tramwaje itd. Może ona być realizowana na wiele sposobów:
- jako fragment programu o stałych wartościach czasów trwania poszczególnych sygnałów
- jako fragment programu w którym czas potrzebny na przejazd pojazdu wzbudzającego jest zmienny (tramwaj i pociąg)
Przy wzbudzaniu przez pieszych sygnalizacja może być rozwiązana na dwa sposoby:
- sterownik pracuje cyklicznie, w sposób utajniony i po wzbudzeniu zaczyna realizację programu „na zewnątrz” na początku następnego cyklu
- sterownik rozpoczyna pracę cykliczną natychmiast po wzbudzeniu

Ad. B.
Sygnalizacje odosobnione – działające niezależnie od innych sygnalizacji
Sygnalizacje sprzężone – sterowanie na sąsiadujących ze sobą skrzyżowaniach (i przejściach) jest prowadzone z jednego sterownika
Sygnalizacje skoordynowane na ciągu lub w sieci: (liniowo i sieciowo)
- sterowanie z jednego sterownika – pod względem instalacyjnym, jest to jedna, rozbudowana sygnalizacja; program jest w zasadzie ten sam dla wszystkich skrzyżowań, różniący się offsetem (przesunięciem) sygnału zielonego
- sterowanie skoordynowane ze sterownikiem nadrzędnym – jest podstawowym sposobem koordynacji sygnalizacji świetlnej; możliwe są dwa warianty: gdy instalowany jest oddzielny sterownik nadrzędny, koordynujący pracę wszystkich sterowników lokalnych, lub gdy funkcję sterownika nadrzędnego pełni dodatkowo jeden ze sterowników lokalnych. Zmiana planu sygnalizacji następuje na podstawie wskazań zegara lub na podstawie informacji o warunkach ruchowych z detektorów;
Centralne sterowanie: najwyższy technicznie poziom sterowania skoordynowanego; dwa podstawowe rozwiązania techniczne to:
- system hierarchiczny
- system sterowania bezpośredniego
Obecnie istnieją 3 generacje systemów centralnego sterowania:
- selekcja planów, której dokonuje komputer na podstawie danych z detektorów
- tworzenie planów w czasie rzeczywistym, jako najbardziej optymalnych dla warunków ruchu, dla których dane zostały przekazane z detektorów
- obliczanie metodą mikrosymulacji komputerowej programów sygnalizacji dla każdego skrzyżowania oraz planów poszczególnych połączeń

Zalety i wady sygnalizacji świetlnej
Zalety:
- porządkowanie ruchu i ułatwienie jazdy kierowcom
- zwiększenie przepustowości wlotów przez grupowanie pojazdów
- zmniejszenie liczby wypadków niektórych rodzajów (zwłaszcza czołowych oraz z udziałem pieszych)
- umożliwienie przejazdu pojazdom z kierunków podporządkowanych w poprzek ulic o dużym natężeniu ruchu
- zmniejszenie strat czasu pojazdów na wlotach podporządkowanych
- wysoka efektywność ekonomiczna ze względu na stosunkowo niskie koszty instalacji i eksploatacji

Wady:
- wzrost strat czasu w pozaszczytowych okresach doby, zwłaszcza na kierunku z pierwszeństwem przejazdu
- wzrost liczby niektórych wypadków (np. najechań z tyłu)
- niepotrzebne straty czasu, prowokowanie do łamania przepisów powodowane niedostosowanym programem

Kryteria stosowania sygnalizacji świetlnej

Sygnalizacja świetlna tylko wówczas może spełniać swoją rolę, gdy zostanie zastosowana w sytuacji uzasadnionej i w sposób właściwy.
Zainstalowanie sygnalizacji na skrzyżowaniu mogą uzasadniać:
a) natężenia ruchu kołowego na drodze głównej i podporządkowanej
b) natężenia ruchu pieszego
c) wypadki drogowe oraz ich skutki
d) sterowanie ruchem na sąsiednich skrzyżowaniach
e) zła widoczność na wlotach i złożoność skrzyżowań
f) znaczenie arterii
g) konieczność ręcznej regulacji

Kryteria stosowania sygnalizacji świetlnej:
1. wg wytycznych projektowania ulic: gdy na skrzyżowaniu w godzinach szczytu pojawia się 1500-2000 E/h; kryteria pomocnicze to: gdy czas oczekiwania przekracza 3 min, lub długość kolejki jest większa od 10 pojazdów
2. kryterium wypadków: gdy na skrzyżowaniu zdarza się spora liczba wypadków charakterystycznych dla braku sygnalizacji (zderzenia boczne i skośne, najechania na pieszego); do analizy należy wziąć okres min 12 miesięcy (zalecane 36 mies.)
3. kryterium wielkości (obciążenia skrzyżowania): po analizie

a. funkcji trasy głównej i charakter ruchu
b. funkcji ulicy podporządkowanej
c. stosunek natężenia ruchu na trasie podporządkowanej do ruchu na trasie głównej
d. możliwość przejazdu przez skrzyżowanie w lukach wytworzonych przez sąsiednią sygnalizację
e. struktura rodzajowa ruchu na ulicy podporządkowanej (zwłaszcza odsetek pojazdów komunikacji publicznej)

4. kryterium strat czasu: najbardziej wymierne, pozwalające precyzyjnie określić skutki budowy sygnalizacji
Oceny konieczności zastosowania sygnalizacji należy dokonać analizując następujące dane:
- istniejące i przewidywane natężenie ruchu pojazdów w charakterystycznych okresach doby i tygodnia
- natężenie i charakter ruchu pieszego
- liczba i rodzaj zdarzeń drogowych w ostatnich 12 (36-zalecane) miesiącach
- ocena warunków ruchu
- ocena widoczności na wlotach
- wielkość kolejek na wlotach podporządkowanych
- możliwości dokonania zmian w geometrii skrzyżowania

Zastosowanie sygnalizacji dla tramwajów mogą uzasadniać:
- niedostateczna widoczność nadjeżdżającego tramwaju
- duży iloczyn natężeń strumieni kolizyjnych
- duża liczba zdarzeń drogowych między pojazdami a tramwajami

Czynniki uzasadniające zastosowanie sygnalizacji dla pieszych i rowerów:
- duże natężenie ruchu pojazdów, znacznie wydłużające czas oczekiwania pieszych na możliwość bezpiecznego przejścia/przejazdu
- znaczna liczba wypadków z pieszymi/rowerzystami
- duży udział osób niepełnosprawnych i dzieci (zwłaszcza na drodze o podwyższonej prędkości)
- znaczne natężenie ruchu rowerowego

Urządzenia sygnalizacji świetlnej

Możemy je podzielić na:
1) podstawowe:
· sygnalizatory
· sterowniki
2) uzupełniające
· detektory
· sygnały dźwiękowe
· wyświetlacze prędkości

Sygnalizatory
W Polsce stosuje się sygnały:
· dla pojazdów: zielony, żółty, czerwony oraz czerwony z żółtym
· dla pieszych: zielony, zielony pulsujący i czerwony – wszystkie z sylwetką pieszego
· specjalne (dla pojazdów komunikacji miejskiej) – białe, wyraźnie różniące się od sygnałów ogólnych
Do przekazywania sygnałów uczestnikom ruchu służą sygnalizatory. Sygnalizatory dla pojazdów składają się z trzech komór sygnałowych (oprócz sygnalizatorów kierunkowych), wyposażonych w soczewki. Średnica komory sygnałowej może wynosić 10, 20 lub 30 cm.
Soczewkami „standardowymi” są soczewki o średnicy 20 cm. Na sygnalizatorach kierunkowych, przy prędkościach powyżej 60 km/h, na pierwszym skrzyżowaniu w ciągu, na sygnalizatorach wiszących zaleca się stosowanie soczewek o średnicy 30 cm. Soczewki o średnicy 10 (lub 9) cm są stosowane na sygnalizatorach pomocniczych, umieszczanych na wysokości 110 cm nad ziemią, dla poprawy widoczności sygnału przez kierujących pierwszymi w kolejce samochodami.
Komora sygnałowa powinna posiadać następujące cechy:
- duży kontrast ułatwiający spostrzeżenie i rozróżnienie sygnału
- konstrukcję antyfantomową (przeciwdziałającą powstawaniu zjawiska emisji światła z komory pod wpływem oświetlenia słonecznego)
- zbliżoną intensywność światła dla wszystkich kolorów i różnych kątów patrzenia
- pewne i niezawodne źródło światła (podwójne źródło, żarówki dwuwłóknowe, diody LED)
- osłony, osłaniające soczewki od słońca i zapobiegające „podglądaniu” sygnału

Sygnalizatory powinny być umieszczone w sposób zapewniający dobrą widoczność i czytelność sygnałów dla tych uczestników ruchu, dla których są przeznaczone. Nie mogą ograniczać skrajni jezdni, torowiska lub chodnika.
Sygnalizatory mocuje się na odpowiednich konstrukcjach wsporczych. Mogą one być umieszczone obok lub nad jezdnią. Do mocowania sygnalizatorów wykorzystuje się zarówno ustawione specjalnie do tego celu konstrukcje, jak i istniejące już elementy wsporcze, jak słupy, maszty oświetleniowe, ściany budynków itp. Sygnalizatory nad jezdnią mocuje się do wysięgników, przewieszek, konstrukcji bramowych, jak również można wykorzystać w tym celu istniejące kładki dla pieszych, wiadukty itp.
Położenie sygnalizatorów (ogólne zasady):
- nie powinny ograniczać skrajni drogi (torowiska, chodnika)
- sygnalizatory obok jezdni powinny być odchylone o kąt 5-10° w stronę jezdni
- sygnalizatory podwieszone nad jezdnią powinny być pochylone 5-10° w stos. do płaszczyzny drogi

Sygnalizatory powinny być lokalizowane w taki sposób, by uczestnicy ruchu byli zatrzymywani w bezpiecznej odległości przed pkt. kolizji z innymi strumieniami, jednak tak blisko skrzyżowania, jak jest to możliwe.
Podstawową zasadą lokalizacji sygnalizatorów, jest umieszczenie ich na wszystkich wlotach po prawej stronie. Obecnie wymagane jest, aby z każdego pasa ruchu widoczne były min. 2 sygnalizatory. Na skrzyżowaniach rozległych (np. z wyspą centralną) można stosować wewnątrz skrzyżowania lub na wylotach dodatkowe sygnalizatory. Sygnalizatory umieszczone obok jezdni obowiązują wszystkich kierujących na tym wlocie (chyba że są to sygnalizatory kierunkowe). Sygnalizatory umieszczone nad poszczególnymi pasami ruchu, obowiązują wyłącznie kierujących poruszających się tym pasem.

Detektory:
Można wyróżnić kilka rodzajów detektorów: akustyczne (historia), pneumatyczne, radarowe, czy też optyczne.
Obecnie, najczęściej stosowanym typem detektorów, są detektory indukcyjne. Czujnikiem w takim detektorze jest pętla indukcyjna, wykonana z kilku zwojów drutu, zagłębiona w nawierzchni jezdni. W zależności od konstrukcji i ustawień, detektor może reagować na pojazdy w danym zakresie prędkości, na pojazdy stojące nad czujnikiem, tylko przejeżdżające lub zarówno przejeżdżające jak i stojące nad czujnikiem. Czujniki te posiadają również możliwość detekcji prędkości, z jaką porusza się pojazd. Mogą być też sprzęgnięte z np. aparatem fotograficznym, który fotografuje pojazdy przejeżdżające skrzyżowanie w chwili zapalenia czerwonego światła, lub z nadmierną prędkością.
Dla pieszych stosuje się proste w konstrukcji detektory przyciskowe. Są to instalowane na słupach, oznakowane przyciski.
Dla pojazdów komunikacji miejskiej nie poruszających się po wydzielonych pasach, a mających być uwzględnione w programie sygnalizacji, stosuje się specjalne nadajniki sygnałów.

Podstawowe zasady tworzenia programu sygnalizacji

- program sygnalizacji powinien spełniać odpowiednie wymagania dotyczące długości i kolejności sygnałów
- długości poszczególnych sygnałów powinny wynosić:
· żółty: 3 s
· czerwony z żółtym: 2 s
· zielony migający 4 s
· zielony min. 2 s
· zielony dla pieszych: minimalnie 100% czasu potrzebnego na przejście pieszego z prędkością 1,4 m/s
- w sygnalizacji cyklicznej każdy strumień ruchu, powinien co najmniej raz na cykl otrzymać sygnał zezwalający na ruch lub sygnał jazdy warunkowej
- przy sygnalizacji acyklicznej, strumienie ruchu nie poddane detekcji muszą otrzymać sygnał zezwalający na jazdę co najmniej raz na 120 s
Przejście z sygnału ostrzegawczego (żółty migający) do programu trójbarwnego powinno następować wg następującej sekwencji:
- sygnał żółty migający dla pojazdów, brak sygnałów dla pozostałych uczestników ruchu
- sygnał żółty ciągły przez 5s dla pojazdów, sygnały czerwone dla pozostałych uczestników ruchu
- sygnały zabraniające wejścia i wjazdu dla wszystkich uczestników ruchu
- sygnał trójbarwny o założonym programie


Literatura:
[1] A. Dobiecki, Z. Użdalewicz: Organizacja ruchu w miastach. WKŁ Warszawa 1985
[2] F. D. Hobbs, B. D. Richardson: Badania ruchu drogowego. WKŁ Warszawa 1971
[3] Praca zbiorowa pod red. M. Tracza. Pomiary i badania ruchu drogowego. WKŁ Warszawa 1984
[4] S. Datka, W. Suchorzewski, M. Tracz: Inżynieria ruchu. WKŁ Warszawa 1999
[5] Instrukcja o drogowej sygnalizacji świetlnej

opracowanie: Adam Stepaniuk 2002