توقيت الإشارة

يُعدّ توقيت الإشارات التقنية التي يستخدمها مهندسو المرور لتوزيع حق المرور عند التقاطعات المزودة بإشارات ضوئية. تتضمن هذه العملية اختيار قيم التوقيت المناسبة، والتي تُطبّق في وحدات تحكم متخصصة بإشارات المرور. ويشمل توقيت الإشارات تحديد مدة الإشارة الخضراء التي توفرها عند التقاطع، سواءً للمركبات المتحركة أو المركبات القادمة (بحسب تصميم المسارات)، ومدة إشارة عبور المشاة ، وتحديد أولوية مرور القطارات أو الحافلات، بالإضافة إلى العديد من العوامل الأخرى.

في أساسيات توقيت الإشارات المرورية، توجد أنماط تشغيل مختلفة يمكن لجهاز التحكم في الإشارات استخدامها. تُصنّف إشارات المرور إلى فئتين رئيسيتين حسب طريقة تشغيلها: الإشارات المُسبقة التوقيت والإشارات المُفعّلة. تُخصّص الإشارات المُسبقة التوقيت لكل مدخل تقاطع فترة زمنية محددة مسبقًا، وتُخدم كل مدخل بالتتابع، مع تكرار النمط. في التشغيل العادي، لا يتم تخطي أي حركة مرور. أما الإشارات المُفعّلة، فتعتمد على آلية لكشف المركبات عند اقترابها من التقاطع. عند الكشف، تُمنح الإشارة الخضراء للمدخل، بينما يتم تخطي المداخل التي لم يتم الكشف عنها. يُشار إلى هذين النظامين أيضًا باسم توقيت الإشارات القائم على الفترات الزمنية وتوقيت الإشارات القائم على المراحل.

وضعت الرابطة الوطنية لمصنعي المعدات الكهربائية (NEMA) مخططًا معياريًا يُمكّن من خدمة حركة المرور عند كل تقاطع دون السماح بدخول حركات مرور متعارضة إلى التقاطع في الوقت نفسه. ويُشار إلى هذا المخطط عادةً باسم مخطط NEMA المرحلي .

تُعدّ حلقات الحثّ من أكثر طرق الكشف شيوعًا . وتشمل الطرق الأخرى أجهزة قياس المغناطيسية، والفيديو، والأشعة تحت الحمراء، والرادار، والكشف بالموجات الدقيقة. يمكن أن يصل حجم تركيب كاشف الحلقة النموذجي إلى ستة أقدام مربعة أو ستة أقدام عرضًا وثلاثين قدمًا طولًا. كما يمكن استخدام أشكال أخرى، بما في ذلك الحلقات الدائرية والسداسية. تُقطع هذه الحلقات أو تُدفن تحت سطح الطريق. يُفضّل استخدام سلك نحاسي مجدول ذي غطاء عازل، مُحاط بغلاف واقٍ. كهربائيًا، تُعدّ هذه الحلقة ملفًا مسطحًا مُدمجًا في بنية الرصف، يكشف عن المركبات من خلال التغيرات في مجال الحثّ المغناطيسي للملف عند مرور معدن حديدي من مركبة عبره. يكشف المستشعر الإلكتروني في خزانة التحكم عن التغيرات في المجال المغناطيسي. يكون خرج إلكترونيات المستشعر عبارة عن "مفتاح" مغلق. يمكن أن يكون هذا المفتاح مرحلًا كهروميكانيكيًا أو مرحلًا إلكترونيًا. يكون "المفتاح" مغلقًا عادةً (NC) في حالة عدم وجود طاقة، ولكنه يبقى مفتوحًا عند توصيل الطاقة بالدائرة. يُطلق على هذا اسم "Fail-Call" بحيث إذا حدث عطل في إلكترونيات المستشعر، فإن الإخراج سيرسل "Call" إلى وحدة التحكم كما لو كانت هناك مركبة موجودة على كاشف الحلقة.

تستخدم تقنية الفيديو (العادية والأشعة تحت الحمراء) تغيرات تباين منطقة الكشف في الصورة لرصد حركة المرور. وتعاني جميع طرق الكشف، باستثناء أجهزة الكشف الحثية الحلقية وأجهزة قياس المغناطيسية، من انخفاض الدقة بسبب الحجب، مما يحد من مجال رؤية الكاميرا في بعض الحالات.

توجد فئات مختلفة من الإشارات المرورية المُفعّلة. ولتوفير تكاليف الصيانة، تختار بعض الجهات تصميم التقاطع بنظام شبه مُفعّل. يعني النظام شبه المُفعّل أن التقاطع لا يرصد إلا مداخل الشوارع الفرعية والانعطافات يسارًا إلى الشوارع الرئيسية. يُبرمج التقاطع بأكمله للعمل لمدة زمنية محددة في كل دورة، بينما يتولى جهاز التحكم خدمة الحركات الأخرى فقط عند وجود طلب. يمكن تنسيق سلسلة من الإشارات الرئيسية التي تعمل بنظام شبه مُفعّل أو ثابت، والأهم من ذلك، بنفس طول الدورة. أثناء تنسيق الإشارات، تُصمم معظم أنظمة الإشارات عادةً للعمل بنظام شبه مُفعّل.

في وضع التشغيل الثابت، يكون لدى وحدة التحكم وقت محدد لخدمة جميع الحركات في كل دورة. وستقوم وحدة التحكم بخدمة جميع الحركات، سواءً كان هناك طلب على المركبات أم لا. وعندما يتعطل كاشف عند إشارة تشغيل، سيتعين على تلك الحركة العمل كحركة ثابتة حتى يتم إصلاح الكاشف.

توجد ثلاث طرق عامة لتشغيل الإشارة: حرة، وتنسيقية، ووميضية. في الوضع الحر، تعمل الإشارة وفقًا لمتطلباتها الخاصة ومعايير التوقيت التي تحددها أجهزة الكشف الخاصة بها، دون أي دورة خلفية. أما في الوضع التنسيقي، فتعمل الإشارة بدورة خلفية، حيث تبقى حركة المرور في الشوارع غير الرئيسية نشطة، بينما تبقى الإشارة في الشارع الرئيسي حتى اكتمال الدورة الخلفية. أما الوضع الأخير فهو الوميض، حيث تعرض جميع إشارات المركبات ضوءًا أحمرًا وامضًا باستمرار، أو تعرض إشارات الشارع الرئيسي ضوءًا أصفرًا وامضًا بينما تعرض إشارات الشوارع الأخرى ضوءًا أحمرًا وامضًا. وتكون إشارات المشاة مظلمة.

عندما لا يستدعي حجم حركة المرور عند التقاطع إبقاء الإشارة الضوئية فعّالة، يمكن تحويلها إلى وضع الوميض. وعندما يزداد حجم حركة المرور مجددًا، تعود الإشارة إلى وضع التشغيل الحر أو المنسق. على سبيل المثال، قد يتضمن التشغيل اليومي للإشارة أن تكون في وضع الوميض في الصباح الباكر، ثم المنسق خلال النهار، ثم الحر في المساء، ثم تعود إلى وضع الوميض في وقت متأخر من الليل. كما يمكن ضبطها على وضع الوميض حتى يتم إيقافه، مما يسمح بتحويلها إلى منارة ضوئية إذا أصبحت إشارة المرور قديمة.

يجب برمجة العديد من وظائف التوقيت الأساسية لكي يعمل جهاز التحكم المروري.

يُحدد الحد الأدنى للوقت (MIN time) أقصر مدة للإشارة الخضراء لكل حركة مرور. عادةً ما يكون للانعطافات يسارًا والشوارع الفرعية والشوارع الرئيسية أوقات دنيا مختلفة . تتراوح مدة الانعطافات يسارًا والشوارع الفرعية عادةً بين 4 و10 ثوانٍ، بينما تتجاوز 15 ثانية في الشوارع الرئيسية.

يُحدد وقت الفجوة أو التمديد أو المرور الجزء القابل للتمديد من وقت الإشارة الخضراء لحركة المرور. وتبقى الحركة ضمن هذا الجزء طالما وُجدت حركة مرور ولم ينتهِ مؤقت المرور . إذا تم ضبط الفاصل الزمني على 3 ثوانٍ ولم تكن هناك مركبة بعد مرور 3 ثوانٍ، فستنتهي الحركة.

الحد الأقصى لوقت الإشارة الخضراء. إذا لم تكن هناك طلبات متضاربة عند التقاطع، فسيتجاهل جهاز التحكم الحد الأقصى ويستمر في حركة المرور على الطريق الرئيسي.

تحدد فترة التوقف الصفراء الوقت المخصص للحركة المرتبطة بها.

تحدد إشارة التوقف الأحمر مدة الإشارة الحمراء الكاملة للحركة المرتبطة بها.

يوفر وقت المشي مدة الإشارة إلى المشي.

مدة إشارة "ممنوع العبور" الوامضة هي مدة إشارة المشاة الوامضة. ويتم حسابها بقسمة طول ممر المشاة على سرعة 3.5 قدم في الثانية، مطروحًا منها مدة الإشارة الصفراء المخصصة لحركة المركبات المجاورة.

يتحكم طول الدورة في الفترة الزمنية بين إشارة المرور الصفراء في شارع رئيسي وأخرى في شارع رئيسي آخر لأغراض التنسيق. ويقوم المتحكم الرئيسي عادةً بضبطه وفقًا للخطة المحددة المستخدمة. ويُستخدم هذا الخيار أيضًا في حال عدم وجود أجهزة استشعار متصلة بالإشارة.

يتحكم نظام الإزاحة في توقيت بدء وانتهاء الإشارة الخضراء في الشارع الرئيسي، وذلك للحفاظ على تزامن الإشارة مع الإشارات الأخرى في خطة التوقيت العامة. ويمكن لجهاز التحكم الرئيسي ضبط هذا التوقيت وفقًا للخطة المحددة المستخدمة.

يشير التنسيق (أو بالأحرى التتابع) إلى توقيت الإشارات الضوئية بحيث تصل مجموعة من السيارات على الطريق إلى سلسلة من الإشارات الخضراء وتستمر في عبور التقاطعات المتعددة دون توقف. يمكن لنظام إشارات منسق جيدًا أن يُحسّن انسيابية المرور، ويقلل التأخير، ويحد من التلوث. مع ذلك، ليس من الممكن دائمًا الحفاظ على التتابع في جميع أنحاء شبكة الإشارات. كما يصعب الحفاظ على تتابع الإشارات في الشوارع ذات الاتجاهين . قام المهندس المروري الرائد هنري بارنز ، الذي شغل منصب مفوض المرور في العديد من المدن، بما في ذلك بالتيمور، ميريلاند، ومدينة نيويورك ، بتطوير توقيتات منسقة لإشارات المرور لاستيعاب كميات كبيرة من حركة المرور على الطرق الرئيسية.

يُعدّ توقيت إشارات المرور موضوعًا بالغ التعقيد. فعلى سبيل المثال، قد يؤدي ضبط توقيت إشارة "المشاة" لعبور مشاة واسع وبسرعة منخفضة (ككبار السن مثلاً) إلى انتظار طويل جدًا للسيارات، مما يزيد من احتمالية تجاوز السيارات للإشارة، وهو ما قد يتسبب في حوادث. لذا، يتطلب تحسين سلامة التقاطعات مراعاة عوامل متعددة، كعرض الشارع، وعرض المسار، وعدد الشوارع المتقاطعة، وتوفر الكهرباء للإشارة، وعدد السيارات في وحدة الزمن، وانتظام أو عدم انتظام تدفق حركة المرور، وعدد وأنواع المشاة، وغيرها الكثير.

يمكن برمجة إشارات المرور لتطبيق خطط توقيت مختلفة، تبعاً لوقت اليوم. كما تقوم بعض أنظمة التحكم بالإشارات بتعديل توقيت الإشارات بناءً على ظروف المرور المقاسة.

تم إنجاز توحيد إجراءات ومعايير وأفضل ممارسات توقيت الإشارات المرورية من خلال دليل توقيت الإشارات، برعاية إدارة الطرق السريعة الفيدرالية . يُعدّ دليل توقيت الإشارات مرجعًا عمليًا أعدته شركة كيتلسون وشركاؤه، ومعهد تكساس للنقل ، ومعهد مهندسي النقل ، وجامعة ميريلاند .

في مارس 2020، اعتمد معهد مهندسي النقل (ITE) توصيات ماتس يارلستروم ، مستشار الهندسة من بيفرتون بولاية أوريغون، بشأن توقيت الإشارة الصفراء. وكان يارلستروم قد بدأ التحقيق في الأمر بعد أن تلقت زوجته مخالفة مرورية من كاميرا مراقبة الإشارات الحمراء عام 2013. وبعد نشره لنتائج بحثه، فرضت ولاية أوريغون عليه غرامة لممارسته الهندسة دون ترخيص . رفع يارلستروم، الحاصل على شهادة في الهندسة الكهربائية ، دعوى قضائية أمام المحكمة الفيدرالية الجزئية ، مدعيًا انتهاك حقوقه المكفولة بموجب التعديل الأول للدستور الأمريكي . وقد أيدت المحكمة دعواه، وقضت بأن الولاية لا يحق لها تقييد استخدام كلمة "مهندس". ^{[ 1 ]}

توقيت الإشارة عملية تكرارية. يتضمن توقيت الإشارة النموذجي الخطوات التالية: ^{[ 2 ]}

1. تحديد خطة مرحلة مناسبة
2. احسب حجم المسار المقابل من حيث وحدات المركبات العابرة، أو TVUs، عن طريق تحويل تدفقات المركبات المنعطفة إلى الوقت المكافئ لحركة المرور العابرة، مع مراعاة هندسة الطريق.
3. حدد الوقت الضائع الناتج عن الإشارات الحمراء والصفراء وبداية/إخلاء الطريق. حدد زمن الدورة لاستيعاب تدفق حركة المرور والوقت الضائع.
4. قسّم وقت الإشارة الخضراء بين مراحل المرور المختلفة بما يتناسب مع أحجام المسارات الحرجة لكل مرحلة.
5. قم بتعديلها وفقًا لمتطلبات عبور المشاة.

تشير بيانات طور الإشارة وتوقيتها (SPaT) إلى الرسائل التي توضح أي الإشارات خضراء أو صفراء أو حمراء، وفي بعض الحالات، الوقت المتبقي لعبور التقاطع. ^{[ 3 ]}

حالياً، تقوم SPaT بالإرسال إلى المركبات باستخدام إما DSRC (الاتصالات قصيرة المدى المخصصة) أو V2X (الاتصالات بين المركبات وكل شيء). ^{[ 3 ]}

في أنظمة التحكم المروري ذات التوقيت الثابت، قد تكون معلومات نظام مراقبة حركة المرور عبر الأقمار الصناعية (SPAT) نهائية؛ ومع ذلك، فهي مؤشرية في الأنظمة التكيفية. ^{[ 4 ] : ​​6}

تمت مناقشة جمع بيانات توقيت الإشارات باستخدام برنامج SPaT في مؤتمر ITS/STI Canada في عام 2018. ^{[ 4 ] : ​​5}

• مختبر أبحاث النقل
• موقع دليل توقيت الإشارات
• موقع إدارة الشرايين التابع لإدارة الطرق السريعة الفيدرالية