Методи оптимізації роботи світлофорів із сонячними панелями на базі цифрових технологій

Abstract

Щороку автопарк транспортних засобів продовжує зростати, що призводить до збільшення заторів на дорогах [1]. Однак причина цієї проблеми полягає не лише у зростанні кількості автомобілів, а й у поведінці самих водіїв. Ефективним вирішенням цієї ситуації може стати цифровізація управління транспортною інфраструктурою. У зв’язку з цим багато компаній активно працюють над створенням інтелектуальних транспортних засобів і «розумних» доріг. За умови державної підтримки [2] такі ініціативи мають великий потенціал, особливо у сфері проектування та впровадження інноваційних дорожніх рішень. На сьогоднішній день завдання впровадження безпілотних автомобілів на дорогах значно ускладнюється. У зв’язку з цим одним із можливих рішень є контроль транспортних потоків за допомогою адаптивних світлофорів, які здатні змінювати напрямок руху залежно від завантаженості автомагістралей. Однак експерименти з реальними світлофорами є технічно складними та ризикованими, а також вимагають значних ресурсів для аналізу даних. Для розв'язання цієї проблеми доцільно застосовувати методи моделювання, що дозволяють створити віртуальну модель руху та оптимізувати роботу світлофорів без ризику для реального трафіку. Світлофори відіграють ключову роль у забезпеченні безпеки дорожнього руху та зниженні кількості конфліктних ситуацій між різними учасниками транспорту. Вони сприяють регулюванню транспортних потоків, покращують організацію руху на перехрестях і забезпечують більш плавний та безпечний рух для водіїв і пішоходів. Основна функція світлофорів полягає в координації потоків транспорту і пішоходів шляхом надання чітких сигналів, які визначають, коли слід рухатися, а коли зупинятися, але їхня загальна мета залишається незмінною - забезпечення безпеки та упорядкованості дорожнього руху. Зростання попиту на електроенергію спостерігається як у розвинених країнах, так і в тих, що розвиваються. У цьому контексті дедалі важливішим стає впровадження відновлюваних джерел енергії та електрифікація транспорту. Використання таких ресурсів, як вітрова та сонячна енергія, все ще перебуває на стадії вдосконалення, адже для повної відмови від викопного палива необхідні подальші технологічні прориви. Серед відновлюваних джерел сонячна енергія посідає важливе місце. Її перетворення в електрику за допомогою фотоелектричних панелей є одним із найперспективніших напрямків, нарівні з іншими технологіями у сфері відновлюваної енергетики. Сонячна енергія - це вид енергії, отриманий завдяки використанню сонячного випромінювання. Це найчистіше джерело енергії, адже воно майже не впливає на стан клімату та не спричиняє забруднення довкілля. Однак сонячна енергетика має певні обмеження, зокрема низький коефіцієнт корисної дії сонячних елементів, що знижує її ефективність. Це особливо актуально для регіонів, де рівень сонячної інсоляції значно змінюється залежно від сезонів, що обмежує можливість її постійного та ефективного використання. Актуальність роботи. У сучасному світі, де екологічна стійкість стає дедалі важливішим пріоритетом, технології сонячної енергетики набувають популярності як спосіб зменшення вуглецевого сліду. Одним із перспективних застосувань є використання світлофорів на сонячних батареях. Ці системи відіграють ключову роль у забезпеченні порядку та безпеки на дорогах, водночас демонструючи значну економічну та екологічну ефективність. Окрім економічної вигоди, сонячні світлофори сприяють підвищенню безпеки й видимості на дорогах і в громадських місцях. Вони також є символом сталого розвитку та екологічної свідомості, демонструючи прагнення до збереження ресурсів і зменшення впливу на довкілля. Об’єктом дослідження є модель транспортного потоку для оптимізації роботи світлофорів та відповідні моделі, що дозволяють виконати багатокритеріальну оптимізацію. Предметом дослідження є адаптивний алгоритм управління режимами роботи світлофору, джерелом живлення якого є сонячна панель. Мета роботи. Метою даної роботи є аналіз ефективного використання сонячних панелей для живлення світлофорів з розробкою алгоритму управління режимами його роботи на основі моделі кліточних автоматів. Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити наступні завдання: − Дослідити сучасний стан використання сонячних панелей для живлення світлофорів. − Розглянути існуючі методи управління світлофорами та їх енергоефективність. − Проаналізувати технічні характеристики сонячних панелей і їх придатність для забезпечення енергопотреб світлофорів у різних кліматичних умовах. − Розробити алгоритм управління режимами роботи світлофора на основі кліточних автоматів. − Запропонувати програмну реалізацію запропонованого алгоритму. Наукова новізна. До наукової новізни можна віднести розробку адаптивного алгоритму роботи світлофору та застосування моделі, яка базується на теорії кліточних автоматів, а не на широковідомих моделях затримки Бекмана та Вебстера. Практична цінність роботи. Розроблений алгоритм дозволяє скоротити час перебування автомобілів на перехресті, забезпечує збільшення пропускної здатності світлофору й відповідне зменшення впливу вихлопних газів на навколишнє середовище. А засосування сонячних панелей гарантує безперебійну роботу світловору навіть під час вдключеннь електоенергії.