การกำหนดเวลาสัญญาณ

การตั้งเวลาสัญญาณไฟจราจรเป็นเทคนิคที่วิศวกรจราจรใช้ในการจัดสรรสิทธิ์ การใช้ ทาง ณ สี่แยกที่มีสัญญาณไฟจราจร กระบวนการนี้รวมถึงการเลือกค่าเวลาที่เหมาะสม ซึ่งจะถูกนำไปใช้ในตัวควบคุมสัญญาณไฟจราจรเฉพาะทาง การตั้งเวลาสัญญาณไฟจราจรเกี่ยวข้องกับการตัดสินใจว่าสัญญาณไฟ เขียว จะให้เวลานานเท่าใดสำหรับสี่แยกตามการเคลื่อนที่หรือการเข้าใกล้ (ขึ้นอยู่กับการจัดเรียงเลน) สัญญาณไฟ คนเดินควรนานเท่าใด ควรให้ความสำคัญกับรถไฟหรือรถโดยสารประจำทางก่อน และปัจจัยอื่นๆ อีกมากมาย

ในหลักการพื้นฐานของการตั้งเวลาสัญญาณไฟจราจร มีโหมดการทำงานที่แตกต่างกันหลายโหมดที่ตัวควบคุมสัญญาณไฟสามารถใช้เพื่อควบคุมสัญญาณไฟได้ สัญญาณไฟจราจรอาจแบ่งออกเป็นสองประเภทใหญ่ๆ ตามวิธีการทำงาน คือ สัญญาณแบบตั้งเวลาล่วงหน้า (Pre-timed) หรือสัญญาณแบบทำงานอัตโนมัติ (Actuated) สัญญาณแบบตั้งเวลาล่วงหน้าจะให้เวลาคงที่แก่แต่ละทางแยกตามที่กำหนดไว้ล่วงหน้า โดยให้บริการแต่ละทางแยกอย่างต่อเนื่องและทำซ้ำรูปแบบเดิม ในการทำงานปกติ จะไม่มีการข้ามการเคลื่อนที่ใดๆ สัญญาณไฟจราจรแบบทำงานอัตโนมัติอาศัยกลไกในการตรวจจับยานพาหนะขณะที่เข้าใกล้ทางแยก เมื่อตรวจพบแล้ว สัญญาณไฟเขียวจะถูกส่งไปยังทางแยกนั้น ส่วนทางแยกที่ตรวจไม่พบจะถูกข้ามไป ทั้งสองแบบนี้เรียกอีกอย่างว่า การตั้งเวลาสัญญาณแบบอิงช่วงเวลา (Interval-based) และการตั้งเวลาสัญญาณแบบอิงเฟส (Phase-based)

สมาคมผู้ผลิตอุปกรณ์ไฟฟ้าแห่งชาติ (NEMA) ได้กำหนดรูปแบบมาตรฐานสำหรับการจัดการจราจรบริเวณทางแยกแต่ละจุด โดยไม่ให้เกิดการจราจรที่มีรูปแบบขัดแย้งกันเข้าสู่ทางแยกพร้อมกัน รูปแบบนี้โดยทั่วไปเรียกว่า แผนผังเฟสของ NEMA (NEMA Phasing Diagram)

หนึ่งในวิธีการตรวจจับที่ใช้กันทั่วไปคือการใช้ลูปเหนี่ยวนำวิธีการอื่นๆ ได้แก่ แมกนีโตมิเตอร์ วิดีโอ อินฟราเรด เรดาร์ และการตรวจจับด้วยคลื่นไมโครเวฟ การติดตั้งตัวตรวจจับลูปโดยทั่วไปอาจมีขนาดกว้างหกฟุตและยาวสามสิบฟุต อาจใช้รูปทรงอื่นๆ ได้เช่นกัน รวมถึงลูปวงกลมและหกเหลี่ยม ลูปเหล่านี้จะถูกตัดเข้าไปหรือฝังอยู่ใต้พื้นผิวถนน สายไฟที่นิยมใช้คือสายทองแดงตีเกลียวหุ้มฉนวน และมีปลอกป้องกันหุ้มอยู่หลวมๆ ในทางไฟฟ้า นี่คือขดลวด 'แบน' ที่ฝังอยู่ในโครงสร้างพื้นผิวถนน ซึ่งตรวจจับยานพาหนะโดยการเปลี่ยนแปลงในสนามเหนี่ยวนำแม่เหล็กของขดลวดเมื่อโลหะเหล็กจากยานพาหนะเคลื่อนผ่าน เซ็นเซอร์อิเล็กทรอนิกส์ในตู้ควบคุมจะตรวจจับการเปลี่ยนแปลงในสนามแม่เหล็ก เอาต์พุตจากอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ของเซ็นเซอร์คือการปิด 'สวิตช์' ซึ่งอาจเป็นรีเลย์แบบอิเล็กโทรเมคานิกส์หรือรีเลย์โซลิดสเตท 'สวิตช์' จะปิดตามปกติ (NC) ในสถานะที่ไม่มีพลังงาน แต่จะเปิดเมื่อมีพลังงานจ่ายเข้าวงจร นี่เรียกว่า 'Fail-Call' เพื่อให้หากเกิดความผิดพลาดในวงจรอิเล็กทรอนิกส์ของเซ็นเซอร์ สัญญาณเอาต์พุตจะทำการ 'เรียก' ไปยังตัวควบคุมเสมือนว่ามีรถยนต์อยู่ในบริเวณตรวจจับ

ระบบวิดีโอ (ทั้งแบบปกติและอินฟราเรด) ใช้การเปลี่ยนแปลงความคมชัดของภาพในบริเวณตรวจจับเพื่อตรวจจับการจราจร วิธีการตรวจจับทั้งหมด ยกเว้นเครื่องตรวจจับแบบเหนี่ยวนำและแมกนีโตมิเตอร์ จะมีความแม่นยำลดลงเนื่องจากการบดบัง ซึ่งจำกัดมุมมองของกล้องในบางกรณี

สัญญาณไฟจราจรแบบอัตโนมัติมีหลายประเภท เพื่อประหยัดค่าใช้จ่ายในการบำรุงรักษา หน่วยงานบางแห่งจึงเลือกออกแบบทางแยกเป็นแบบกึ่งอัตโนมัติ หมายความว่าทางแยกนั้นมีการตรวจจับเฉพาะทางเข้าจากถนนสายรองและการเลี้ยวซ้ายจากถนนสายหลักเท่านั้น ทางแยกทั้งหมดจะถูกตั้งโปรแกรมให้ทำงานเป็นเวลาคงที่ในแต่ละรอบ แต่ตัวควบคุมจะทำงานสำหรับการเคลื่อนที่อื่นๆ ก็ต่อเมื่อมี "การเรียก" หรือความต้องการเท่านั้น ชุดสัญญาณไฟจราจรบนถนนสายหลักที่ทำงานในโหมดกึ่งอัตโนมัติหรือโหมดคงที่ และที่สำคัญคือมีรอบการทำงานเท่ากัน สามารถประสานงานกันได้ ในระหว่างการประสานงานสัญญาณไฟจราจร ระบบสัญญาณไฟส่วนใหญ่โดยทั่วไปจะถูกออกแบบมาให้ทำงานในโหมดกึ่งอัตโนมัติ

ในการทำงานแบบคงที่ ตัวควบคุมจะมีเวลาที่กำหนดไว้สำหรับการให้บริการการเคลื่อนไหวทั้งหมดในแต่ละรอบ ตัวควบคุมจะให้บริการการเคลื่อนไหวทั้งหมด ไม่ว่าจะมีปริมาณรถวิ่งหรือไม่ก็ตาม เมื่อตัวตรวจจับที่สัญญาณไฟจราจรเสีย การเคลื่อนไหวนั้นจะต้องทำงานแบบคงที่จนกว่าตัวตรวจจับจะได้รับการซ่อมแซม

สัญญาณไฟจราจรสามารถทำงานได้ 3 วิธีหลัก ๆ คือ โหมด FREE, COORD และ FLASH ในโหมด FREE สัญญาณไฟจะทำงานตามความต้องการและพารามิเตอร์เวลาที่กำหนดโดยตัวตรวจจับ โดยไม่ทำงานภายใต้รอบการทำงานพื้นฐานใด ๆ ในโหมด COORD สัญญาณไฟจะทำงานตามรอบการทำงานพื้นฐาน การเคลื่อนที่บนถนนที่ไม่ใช่ถนนสายหลักมักจะยังคงทำงานอยู่ และตัวควบคุมจะหยุดทำงานบนถนนสายหลักจนกว่ารอบการทำงานพื้นฐานจะครบกำหนด โหมดสุดท้ายคือโหมด FLASH ซึ่งสัญญาณไฟจราจรสำหรับรถยนต์ทุกคันจะแสดงไฟสีแดงกะพริบอย่างต่อเนื่อง หรือถนนสายหลักแสดงไฟสีเหลืองกะพริบในขณะที่ถนนอื่นแสดงไฟสีแดงกะพริบ ส่วนสัญญาณไฟสำหรับคนเดินเท้าจะไม่แสดงไฟ

เมื่อปริมาณรถที่ทางแยกไม่มากพอที่จะเปิดสัญญาณไฟจราจรไว้ สัญญาณไฟจะเปลี่ยนเป็นโหมดกระพริบ (FLASH) เมื่อปริมาณรถเพิ่มขึ้นอีกครั้ง สัญญาณไฟจะเปลี่ยนกลับไปเป็นโหมดปกติ (FREE) หรือโหมดควบคุม (COORD) ตัวอย่างเช่น การใช้งานสัญญาณไฟจราจรในแต่ละวันอาจเป็นโหมดกระพริบในช่วงเช้า โหมดควบคุมในช่วงกลางวัน โหมดปกติในตอนเย็น และโหมดกระพริบอีกครั้งในช่วงดึก นอกจากนี้ยังสามารถตั้งค่าให้กระพริบจนกว่าจะมีคำสั่งให้หยุดได้ ซึ่งทำให้สามารถแปลงสัญญาณไฟจราจรเป็นไฟสัญญาณบอกตำแหน่งได้หากสัญญาณไฟจราจรนั้นล้าสมัยไปแล้ว

ต้องมีการตั้งโปรแกรมฟังก์ชันการกำหนดเวลาพื้นฐานหลายอย่างเพื่อให้ตัวควบคุมการจราจรสามารถทำงานได้

เวลา MINกำหนดระยะเวลาขั้นต่ำของสัญญาณไฟเขียวสำหรับการเคลื่อนที่แต่ละประเภท การเลี้ยวซ้าย ถนนสายรอง และถนนสายหลักมักจะมี เวลา MIN ที่แตกต่างกัน การเลี้ยวซ้ายและถนนสายรองมักจะมีช่วงเวลาตั้งแต่ 4 ถึง 10 วินาที ในขณะที่ถนนสายหลักมักจะมีช่วงเวลามากกว่า 15 วินาที

ช่องว่าง ส่วนขยายหรือเวลาผ่านจะกำหนดส่วนที่ขยายได้ของเวลาไฟเขียวสำหรับการเคลื่อนที่ การเคลื่อนที่ยังคงอยู่ในส่วนที่ขยายได้ตราบใดที่มีการกดปุ่มอยู่และ ตัวจับเวลา ผ่านยังไม่หมดเวลา หากตั้งช่วงเวลาไว้ที่ 3 วินาทีและไม่มีรถคันใดอยู่หลังจาก 3 วินาที การเคลื่อนที่จะสิ้นสุดลง

MAXคือขีดจำกัดเวลาสูงสุดของช่วงไฟเขียว หากไม่มีความต้องการที่ขัดแย้งกันที่ทางแยก เจ้าหน้าที่ควบคุมการจราจรจะเพิกเฉยต่อค่า MAXและปล่อยให้การจราจรบนถนนสายหลักดำเนินต่อไป

ค่าสัญญาณไฟเหลืองจะกำหนดเวลาสัญญาณไฟเหลืองสำหรับการเคลื่อนที่ที่เกี่ยวข้อง

Red Clearanceจะกำหนดช่วงเวลาที่ไฟแดงทั้งหมดสำหรับการเคลื่อนไหวที่เกี่ยวข้อง

เวลา เดินจะแสดงระยะทางในการเดินโดยประมาณ

สัญญาณไฟห้ามเดินกระพริบหมายถึงระยะเวลาที่ไฟสัญญาณคนเดินข้ามทางม้าลายกระพริบ โดยคำนวณจากความยาวของทางม้าลายหารด้วยความเร็ว 3.5 ฟุตต่อวินาที ลบด้วยระยะเวลาไฟสีเหลืองสำหรับการเคลื่อนที่ของยานพาหนะที่อยู่ติดกัน

ความยาวรอบ (Cycle Length)ควบคุมระยะเวลาจากไฟเหลืองหลักดวงหนึ่งไปยังไฟเหลืองหลักดวงถัดไป เพื่อวัตถุประสงค์ในการประสานงาน โดยปกติแล้วตัวควบคุมหลักจะกำหนดค่านี้สำหรับแผนเฉพาะที่ใช้งานอยู่ นอกจากนี้ยังใช้ในกรณีที่ไม่มีอุปกรณ์ตรวจจับติดตั้งอยู่บนสัญญาณไฟจราจรด้วย

ค่าชดเชย (Offset)ควบคุมจังหวะการเริ่มต้นและ/หรือการสิ้นสุดของไฟเขียวบนถนนสายหลัก เพื่อให้สัญญาณไฟจราจรทำงานประสานกับสัญญาณไฟอื่นๆ ในแผนการกำหนดเวลาโดยรวม ตัวควบคุมหลักสามารถตั้งค่าจังหวะเวลานี้สำหรับแผนเฉพาะที่ใช้งานอยู่ได้

การประสานงาน (คำที่ถูกต้องกว่าคือ การเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่อง) หมายถึง การกำหนดเวลาของสัญญาณไฟจราจร เพื่อให้ขบวนรถที่วิ่งบนถนนมาถึงสัญญาณไฟเขียวต่อเนื่องกันและวิ่งผ่านสี่แยก หลายแห่ง โดยไม่หยุด ระบบสัญญาณไฟจราจรที่มีการประสานงานอย่างดี สามารถช่วยให้การจราจรไหลลื่น ลดความล่าช้า และลดมลพิษได้ อย่างไรก็ตาม การรักษาการเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องตลอดทั้งเครือข่ายสัญญาณไฟจราจรนั้นไม่ใช่เรื่องง่ายเสมอไป นอกจากนี้ยังยากที่จะรักษาการเคลื่อนที่อย่างต่อเนื่องของสัญญาณไฟจราจรบนถนนสองเลนวิศวกรจราจรยุคแรกอย่างเฮนรี บาร์นส์ซึ่งดำรงตำแหน่งเป็นผู้ตรวจการจราจรในหลายเมือง รวมถึงบัลติมอร์ รัฐแมริแลนด์และนครนิวยอร์กได้พัฒนาระบบกำหนดเวลาสัญญาณไฟจราจรที่มีการประสานงานกัน เพื่อให้สามารถรองรับปริมาณการจราจรจำนวนมากบนถนนสายหลักได้

การตั้งเวลาสัญญาณไฟจราจรเป็นเรื่องที่ซับซ้อนมาก ตัวอย่างเช่น การตั้งเวลาสัญญาณไฟ "เดินข้าม" สำหรับทางข้ามคนเดิน ถนนที่กว้าง และคนเดินถนนที่ เดินช้า (เช่น ผู้สูงอายุ) อาจทำให้รถยนต์ต้องรอเป็นเวลานาน ซึ่งจะเพิ่มโอกาสที่รถยนต์จะฝ่าไฟแดงและอาจก่อให้เกิดอุบัติเหตุได้ ดังนั้น การเพิ่มประสิทธิภาพด้านความปลอดภัยของทางแยกจึงเกี่ยวข้องกับหลายปัจจัย เช่น ความกว้างของถนน ความกว้างของเลน จำนวนถนนที่ตัดกัน ความพร้อมของไฟฟ้าสำหรับสัญญาณไฟ จำนวนรถยนต์ต่อหน่วยเวลา ความสม่ำเสมอหรือไม่สม่ำเสมอของการจราจร จำนวนและประเภทของคนเดินถนน และปัจจัยอื่นๆ อีกมากมาย

สัญญาณไฟจราจรสามารถตั้งโปรแกรมให้มีแผนการกำหนดเวลาสัญญาณที่แตกต่างกันได้ ขึ้นอยู่กับช่วงเวลาของวัน ระบบควบคุมสัญญาณบางระบบจะปรับเวลาสัญญาณตามสภาพการจราจรที่วัดได้

การกำหนดมาตรฐานขั้นตอน มาตรฐาน และแนวปฏิบัติที่ดีที่สุดเกี่ยวกับการตั้งเวลาสัญญาณไฟจราจรได้เสร็จสมบูรณ์แล้วผ่านคู่มือการตั้งเวลาสัญญาณไฟจราจร ซึ่งได้รับการสนับสนุนจากสำนักงานบริหารทางหลวงแห่งสหรัฐอเมริกาคู่มือการตั้งเวลาสัญญาณไฟจราจรเป็นแหล่งข้อมูลแบบตั้งโต๊ะที่รวบรวมโดย Kittelson & Associates, Inc., สถาบันการขนส่งแห่งรัฐเท็กซัส , สถาบันวิศวกรการขนส่ง (ITE) และมหาวิทยาลัยแมริแลนด์

ในเดือนมีนาคม พ.ศ. 2563 ITE ได้นำ คำแนะนำ ของ Mats Järlströmที่ปรึกษาด้านวิศวกรรมจาก Beaverton รัฐโอเรกอน มา ใช้เกี่ยวกับ การกำหนดเวลาสัญญาณไฟเหลือง Järlström เริ่มตรวจสอบเรื่องนี้หลังจากที่ภรรยาของเขาได้รับใบสั่งจากกล้องจับสัญญาณไฟแดงในปี พ.ศ. 2556 หลังจากที่เขาเผยแพร่ผลการค้นพบ รัฐโอเรกอนได้ปรับเขาฐานประกอบวิชาชีพวิศวกรรมโดยไม่มีใบอนุญาต Järlström ซึ่งมีปริญญาด้านวิศวกรรมไฟฟ้าได้ยื่นฟ้องต่อศาลแขวง ของรัฐบาลกลางโดยอ้างว่ามีการละเมิดสิทธิ แก้ไขเพิ่มเติมครั้งที่ 1ของเขาศาลเห็นด้วยกับเขา โดยตัดสินว่ารัฐไม่สามารถจำกัดการใช้คำว่า "วิศวกร" ได้^{[ 1 ]}

การกำหนดเวลาสัญญาณเป็นกระบวนการแบบวนซ้ำ การกำหนดเวลาสัญญาณโดยทั่วไปประกอบด้วยขั้นตอนต่อไปนี้: ^{[ 2 ]}

1. กำหนดแผนงานเป็นระยะ ที่เหมาะสม
2. คำนวณปริมาณการจราจรในแต่ละเลนในหน่วยจำนวนรถที่วิ่งผ่าน (TVU) โดยแปลงปริมาณการจราจรที่เลี้ยวให้เป็นเวลาเทียบเท่าการจราจรวิ่งผ่าน โดยคำนึงถึงรูปทรงเรขาคณิตของถนนด้วย
3. คำนวณเวลาที่สูญเสียไปเนื่องจากสัญญาณไฟแดง ไฟเหลือง และสัญญาณเริ่ม/เคลียร์เส้นทาง กำหนดเวลาวงจรเพื่อให้สอดคล้องกับการไหลของจราจรและเวลาที่สูญเสียไป
4. แบ่งช่วงเวลาไฟเขียวออกเป็นช่วงการจราจรต่างๆ โดยให้สัดส่วนเหมาะสมกับปริมาณการจราจรในแต่ละช่วง
5. ปรับให้สอดคล้องกับข้อกำหนดสำหรับการข้ามถนนของคนเดินเท้า

ข้อมูลเฟสและเวลาสัญญาณ (SPaT) หมายถึงข้อความที่ระบุว่าสัญญาณใดเป็นสีเขียว สีเหลือง หรือสีแดง และในบางกรณี เวลาที่เหลือในการข้ามทางแยก^{[ 3 ]}

ปัจจุบัน SPaT ส่งสัญญาณไปยังยานพาหนะโดยใช้ DSRC (Dedicated Short Range Communications) หรือ V2X (Vehicle to Everything) ^{[ 3 ]}

ในระบบควบคุมการจราจรแบบกำหนดเวลาตายตัว ข้อมูล SPAT อาจมีความแน่นอน แต่ในระบบปรับตัว ข้อมูล SPAT เป็นเพียงตัวบ่งชี้^{[ 4 ] : 6}

การรวบรวมข้อมูลเวลาสัญญาณโดยใช้ SPaT ได้รับการหารือในการประชุม ITS/STI Canada ในปี 2018 ^{[ 4 ] : 5}

Transport for NSW (หน่วยงานขนส่งในรัฐนิวเซาท์เวลส์ประเทศออสเตรเลีย ) กำลังทดลองแบ่งปันข้อมูลนี้กับลูกค้าผู้ใช้บริการขนส่ง โดยเน้นที่ลูกค้าที่มีความบกพร่องทางการมองเห็นและการเคลื่อนไหว^{[ 5 ]}

SPaT ได้รับการสนับสนุนโดยระบบจราจรปรับตัวแบบประสานงานของซิดนีย์โดยใช้ผลิตภัณฑ์ Cit-e Cit-e มีเป้าหมายเพื่อปรับปรุงพฤติกรรมของผู้ขับขี่ เพิ่มประสิทธิภาพของยานพาหนะ และวิเคราะห์ข้อมูลเพื่อปรับปรุงประสิทธิภาพและการเพิ่มประสิทธิภาพ ของเครือข่าย ^{[ 6 ] : 3}

ในปี 2013 ทีม Sydney Coordinated Adaptive Traffic Systemได้เผยแพร่วิดีโอความยาว 3 นาทีที่สาธิตการทดลองใช้ SPaT ใน SCATS การสาธิตนี้จัดขึ้นสำหรับการประชุมสุดยอด ITS Australia ในเดือนกันยายน 2013 การสาธิตนี้แสดงให้เห็นการส่งข้อความ SPaT และ MAP ที่ถนน Henderson และถนน Mitchell (ทางแยกหมายเลข 934) ^{[ 7 ]}

ในปี 2559 มีการวางแผนการทดลองภาคสนามเบื้องต้นเป็นเวลา 3 เดือน ณ จุดตัด 116 แห่งตามเส้นทางขนส่งสินค้า 3 เส้นทางทั่วซิดนีย์ รวมถึงถนนเพนแนนท์ฮิลส์ถนนพาราแมตตาและถนนคิงจอร์จ โดยใช้หน่วย Cohda Wireless MK5 ในรถบรรทุก 116 คัน^{[ 8 ] : 7}

ภายในเดือนเมษายน พ.ศ. 2561 สี่แยกที่มีสัญญาณไฟจราจร 7 แห่งในรัฐนิวเซาท์เวลส์ได้ออกอากาศข้อมูลเฟสและเวลาของสัญญาณไฟจราจร^{[ 9 ]}

การทดสอบยานยนต์อัตโนมัติในชิปเพนเดล รัฐนิวเซาท์เวลส์สิ้นสุดลงในช่วงกลางปี ​​2023 โดยใช้ทรานซีฟเวอร์ Cohda Wireless MK5 ในการสื่อสารผ่านเครือข่าย V2X ^{[ 10 ]}

ทีมงาน Sydney Coordinated Adaptive Traffic System (SCATS) และ Future Mobility ได้ติดตั้งอุปกรณ์ Roadside Unit (RSU) เข้ากับสัญญาณไฟจราจรที่มีอยู่เดิม อุปกรณ์ Roadside Unit นี้ใช้ DSRC ในการส่งข้อความ SPaT และ MAP ไปยังอุปกรณ์บนรถ (OBU) และได้ทำการทดสอบการสื่อสารระหว่างยานพาหนะกับสัญญาณไฟจราจร^{[ 11 ]}

ในปี 2024 มีการวางแผนขยายจากทางแยก 3 แห่งเป็นมากกว่า 30 แห่ง^{[ 6 ] : 12}

• ห้องปฏิบัติการวิจัยด้านการขนส่ง
• เว็บไซต์คู่มือการกำหนดเวลาสัญญาณ
• เว็บไซต์การจัดการถนนสายหลักของ FHWA