Sincronización de señales

La sincronización de señales es la técnica que utilizan los ingenieros de tráfico para distribuir la prioridad de paso en una intersección semaforizada. El proceso incluye la selección de valores de temporización adecuados, que se implementan en controladores de semáforos especializados. La sincronización de señales implica decidir cuánto tiempo de luz verde proporciona el semáforo a una intersección según el movimiento o la aproximación (dependiendo de la configuración de los carriles), cuánto tiempo debe durar la señal de paso para peatones , si se debe dar prioridad a trenes o autobuses, y muchos otros factores.

En los fundamentos de la sincronización de señales, existen diferentes modos de operación que el controlador de señales puede utilizar para controlar la señal. Las señales de tráfico se pueden agrupar en dos grandes categorías según su método de operación: pre-temporizadas o activadas. Las señales pre-temporizadas proporcionan a cada acceso a la intersección un tiempo fijo predeterminado, sirviendo a cada acceso consecutivamente y repitiendo el patrón. En operación normal, no se omite ningún movimiento. Un semáforo activado se basa en un mecanismo para detectar vehículos a medida que se aproximan a la intersección. Cuando se produce una detección, se proporciona luz verde a ese acceso. Los accesos sin detección se omiten. Estos dos esquemas también se conocen como sincronización de señales por intervalos y por fases.

La Asociación Nacional de Fabricantes Eléctricos (NEMA) ha definido un esquema estándar que permite gestionar cada movimiento en una intersección sin que dos movimientos conflictivos entren simultáneamente. Este esquema se conoce comúnmente como Diagrama de Fases NEMA.

Uno de los métodos de detección más comunes es el uso de bucles de inducción . Otros métodos incluyen magnetómetros, video, infrarrojos, radar y detección por microondas. Una instalación típica de detector de bucle puede tener hasta seis pies cuadrados o seis pies de ancho por treinta pies de largo. También se pueden usar otras formas, incluyendo bucles circulares y hexagonales. Estos se cortan o entierran bajo la superficie de la carretera. El cable preferido es de cobre trenzado con una cubierta aislante, rodeado holgadamente por una cubierta protectora. Eléctricamente, se trata de una bobina plana incrustada en la estructura del pavimento que detecta vehículos mediante cambios en el campo de inductancia magnética de la bobina cuando el metal ferroso de un vehículo pasa a través de ella. El sensor electrónico en el gabinete del controlador detecta los cambios en el campo magnético. La salida de la electrónica del sensor es el cierre de un interruptor. Este puede ser un relé electromecánico o un relé de estado sólido. El interruptor está normalmente cerrado (NC) en estado desenergizado, pero permanece abierto cuando se aplica energía al circuito. Esto se denomina "Fallo-Llamada" para que, si se produce un fallo en la electrónica del sensor, la salida envíe una "Llamada" al controlador como si hubiera un vehículo presente en el detector de bucle.

El vídeo (tanto convencional como infrarrojo) utiliza los cambios en el contraste de la zona de detección de la imagen para detectar el tráfico. Todos los métodos de detección, excepto los detectores de bucle inductivo y los magnetómetros, sufren una reducción de la precisión debido a la oclusión. Esto limita el campo de visión de la cámara en ciertos casos.

Existen diferentes categorías de semáforos. Para ahorrar en costos de mantenimiento, algunas agencias optan por diseñar intersecciones semiactivadas. Esto significa que la intersección solo detecta los accesos desde calles secundarias y los giros a la izquierda desde calles principales. Toda la intersección se programa para operar durante un tiempo fijo en cada ciclo, pero el controlador solo gestiona los demás movimientos cuando hay una solicitud. Una serie de semáforos arteriales que operan en modo semiactivado o fijo, y, lo que es importante, con la misma duración de ciclo, pueden coordinarse. Durante la coordinación de semáforos, la mayoría de los sistemas de semáforos se diseñan para operar en modo semiactivado.

En operación fija, un controlador tiene un tiempo preestablecido para atender todos los movimientos en cada ciclo. El controlador atenderá todos los movimientos, independientemente de si hay demanda de vehículos. Si un detector en una señal activada se avería, ese movimiento deberá operar en modo fijo hasta que se repare el detector.

Existen tres modos generales de funcionamiento de un semáforo: LIBRE, COORDINADO y FLASH. En el modo LIBRE, el semáforo funciona según su propia demanda y parámetros de tiempo, determinados por sus detectores. No opera bajo ningún ciclo de referencia. En el modo COORDINADO, abreviatura de coordinación, el semáforo funciona con un ciclo de referencia. Los semáforos de calles secundarias suelen seguir activándose, y el controlador permanece en la calle principal hasta que se completa el ciclo de referencia. El último modo es el FLASH, en el que todos los semáforos vehiculares muestran continuamente una luz roja intermitente, o bien la calle principal muestra una luz amarilla intermitente mientras que los demás muestran una luz roja intermitente. Los semáforos peatonales permanecen apagados.

Cuando el volumen de vehículos en una intersección ya no justifica mantener el semáforo activo, este puede pasar al modo intermitente (FLASH). Cuando el volumen de tráfico aumenta nuevamente, el semáforo vuelve al modo libre (Free) o al modo coordinado (COORD). Por ejemplo, el funcionamiento diario de un semáforo puede implicar que esté en modo intermitente (FLASH) temprano por la mañana, en modo coordinado (COORD) durante el día, en modo libre (Free) por la tarde y de nuevo en modo intermitente (FLASH) a altas horas de la noche. También se puede configurar para que parpadee hasta que se desactive, lo que permite convertirlo en una baliza si el semáforo está lo suficientemente obsoleto.

Para que el controlador de tráfico funcione, es necesario programar varias funciones básicas de temporización.

El tiempo MIN determina la duración mínima del intervalo verde para cada movimiento. Los giros a la izquierda, las calles secundarias y las calles principales suelen tener tiempos MIN diferentes . Los intervalos para giros a la izquierda y calles secundarias suelen estar entre 4 y 10 segundos, mientras que en las calles principales suelen superar los 15 segundos.

El intervalo, la extensión o el tiempo de paso determinan la porción prorrogable del tiempo verde para un movimiento. El movimiento permanece en la porción prorrogable mientras haya una activación presente y el temporizador de paso no haya expirado. Si el intervalo se establece en 3 segundos y no hay ningún vehículo presente después de 3 segundos, el movimiento finalizará.

Límites de tiempo MAX para el intervalo verde. Si no hay demandas conflictivas en la intersección, el controlador ignorará el MAX y continuará con el movimiento de la vía principal.

La autorización amarilla determina el tiempo de bandera amarilla para el movimiento asociado.

La autorización roja determina el tiempo de alerta máxima para el movimiento asociado.

El tiempo de caminata indica la duración del recorrido.

La señal luminosa de "No cruzar" indica la duración del paso de peatones intermitente. Esta duración se calcula dividiendo la longitud del paso de peatones entre una velocidad de 3,5 pies por segundo, menos el tiempo de visibilidad para el movimiento de los vehículos adyacentes.

La duración del ciclo controla el tiempo entre una señal amarilla de calle principal y la siguiente, con fines de coordinación. El controlador principal suele configurarla según el plan específico en uso. También se utiliza si la señal no tiene detectores conectados.

El control de desfase ajusta la sincronización del inicio y/o el final de la luz verde de la calle principal para mantener la señal coordinada con las demás señales del plan de sincronización general. El controlador principal puede configurar esta sincronización para el plan específico en uso.

La coordinación (el término más preciso es progresión) se refiere a la sincronización de las señales de tráfico para que un grupo de vehículos que circulan por una calle llegue a una sucesión de luces verdes y continúe a través de múltiples intersecciones sin detenerse. Un sistema de semáforos bien coordinado puede mejorar el flujo de tráfico, reducir las demoras y minimizar la contaminación. Sin embargo, no siempre es posible mantener la progresión en toda una red de semáforos. También es difícil mantener la progresión de los semáforos en una calle de doble sentido . Henry Barnes , un ingeniero de tráfico pionero que fue Comisionado de Tráfico en varias ciudades, incluidas Baltimore, Maryland y Nueva York , desarrolló sistemas de sincronización de semáforos coordinados para que se pudiera gestionar un gran volumen de tráfico en las principales arterias viales.

La sincronización de los semáforos es un tema muy complejo. Por ejemplo, sincronizar un semáforo peatonal para un cruce amplio y peatones que caminan despacio (como personas mayores) podría provocar largas esperas para los vehículos, aumentando así la probabilidad de que se salten el semáforo y causen accidentes. Por lo tanto, optimizar la seguridad de las intersecciones implica múltiples factores, como el ancho de la calle, el ancho del carril, el número de calles que se cruzan, la disponibilidad de electricidad para el semáforo, el número de vehículos por unidad de tiempo, la uniformidad o irregularidad del flujo, el número y tipo de peatones, entre otros.

Los semáforos pueden programarse con diferentes esquemas de sincronización, según la hora del día. Algunos sistemas de control de semáforos adaptan la sincronización en función de las condiciones del tráfico medidas.

La estandarización de los procedimientos, estándares y mejores prácticas de sincronización de señales se ha completado mediante el Manual de Sincronización de Señales, patrocinado por la Administración Federal de Carreteras . El Manual de Sincronización de Señales es un recurso práctico elaborado por Kittelson & Associates, Inc., el Instituto de Transporte de Texas , el Instituto de Ingenieros de Transporte (ITE) y la Universidad de Maryland .

En marzo de 2020, el ITE adoptó las recomendaciones del consultor de ingeniería Mats Järlström, de Beaverton, Oregón, sobre la duración de los semáforos en amarillo. Järlström había comenzado a investigar el asunto después de que su esposa recibiera una multa de una cámara de semáforo en rojo en 2013. Tras publicar sus hallazgos, el estado de Oregón lo multó por ejercer la ingeniería sin licencia . Järlström, quien posee un título en ingeniería eléctrica , presentó una demanda ante el Tribunal de Distrito federal alegando la violación de sus derechos de la Primera Enmienda . El tribunal le dio la razón, dictaminando que el estado no podía restringir el uso de la palabra "ingeniero". ^{[ 1 ]}

La sincronización de señales es un proceso iterativo. Una sincronización de señales típica implica los siguientes pasos: ^{[ 2 ]}

1. Determinar un plan de fases apropiado
2. Calcule el volumen de carril correspondiente en términos de unidades de vehículos que pasan, o TVU, convirtiendo los flujos vehiculares de giro en su tiempo equivalente de tráfico de paso, teniendo en cuenta la geometría de la carretera.
3. Determinar el tiempo perdido correspondiente debido a las luces rojas, amarillas y al inicio/descanso. Determinar el tiempo de ciclo para tener en cuenta el flujo de tráfico y el tiempo perdido.
4. Distribuye el tiempo de luz verde entre las diferentes fases del tráfico de forma proporcional al volumen crítico de tráfico en cada fase.
5. Adaptar según los requisitos de cruce peatonal.

Los datos de fase y sincronización de señales (SPaT) se refieren a mensajes que indican qué señales están en verde, amarillo o rojo y, en algunos casos, el tiempo restante para cruzar una intersección. ^{[ 3 ]}

Actualmente, SPaT transmite a los vehículos utilizando DSRC (Comunicaciones Dedicadas de Corto Alcance) o V2X (Vehículo a Todo). ^{[ 3 ]}

En los sistemas de control de tráfico de tiempo fijo, la información SPAT puede ser definitiva; sin embargo, en los sistemas adaptativos es indicativa. ^{[ 4 ] : 6}

La recopilación de datos de sincronización de señales mediante SPaT se debatió en una conferencia de ITS/STI Canadá en 2018. ^{[ 4 ] : 5}

• Laboratorio de Investigación del Transporte
• El sitio web del Manual de Sincronización de Señales
• Sitio web de gestión arterial de la FHWA