Control y coordinación de semáforos

El funcionamiento normal de los semáforos requiere más que el control visual y la coordinación para garantizar que el tráfico y los peatones se desplacen con la mayor fluidez y seguridad posibles. Para ello, se utilizan diversos sistemas de control, desde simples mecanismos de relojería hasta sofisticados sistemas computarizados de control y coordinación que se autoajustan para minimizar las demoras de los usuarios del cruce.El primer sistema automatizado para controlar las señales de tráfico fue desarrollado por los inventores Leonard Casciato y Josef Kates y se utilizó en Toronto en 1954.En Australia y Nueva Zelanda, la terminología es diferente. Una "fase" es un período durante el cual un conjunto de movimientos de tráfico recibe una señal verde, equivalente al concepto de "etapa" en el Reino Unido y EE. UU. Una salida eléctrica del controlador de semáforos se denomina "grupo de señales", similar al concepto de "fase" en el Reino Unido y EE. UU. PTV VISSIM también utiliza la terminología de grupo de señales.

Las fases son indicaciones que se muestran al tráfico en los semáforos (una sola luz en el semáforo). Por ejemplo, una fase verde da prioridad de paso a todo el tráfico procedente de una vía de acceso específica (tráfico con giros de barrera). En el Reino Unido, una fase de filtro permite que el tráfico sin conflicto realice giros específicos (normalmente a la izquierda o hacia delante) en un cruce.Un movimiento es cualquier ruta a través del cruce que se permite a vehículos o peatones. Un movimiento es conflictivo si estas rutas se cruzan. Normalmente, no se permiten movimientos conflictivos, excepto para giros opuestos a la derecha o a la izquierda (según el lado del conductor) o, en algunas jurisdicciones, para peatones y vehículos que circulan en direcciones paralelas.Una etapa es un grupo de fases no conflictivas que se desarrollan simultáneamente. Por ejemplo, un cruce con cuatro brazos de acceso podría operar en dos etapas, donde cada vía se ilumina en verde, o en tres etapas, donde la vía principal se ilumina en verde y luego cada vía secundaria se ilumina en verde, una por una. Un ciclo es una secuencia completa de etapas. El tiempo de ciclo es el tiempo que tarda un ciclo en completarse. Algunas jurisdicciones tienen tiempos de ciclo máximos. Por ejemplo, en el Reino Unido, este es de 120 segundos o de 90 segundos donde hay instalaciones peatonales. Bajo control accionado, la reversión es la etapa a la que el controlador de tráfico regresará si no hay demanda.El periodo entre etapas o entre verdes es el período comprendido entre el final de una señal verde en una fase y el inicio de una señal verde en la siguiente. Esto normalmente incluye una señal ámbar en las aproximaciones, donde la fase verde está terminando, y una etapa completamente roja, donde todas las señales que cambian a rojo para permitir que el cruce se despeje. Todas las etapas rojas producen tiempo perdido, ya que ningún usuario de la vía puede avanzar por el cruce.Un intervalo es el período entre cambios en las etapas de un semáforo. Por ejemplo, el intervalo verde vehicular es el tiempo que el tráfico vehicular tiene el semáforo en verde. Este intervalo es fijo en el control preprogramado y variable en el control accionado. En el control accionado, el intervalo mínimo es el tiempo mínimo que un semáforo permanecerá en verde antes de cambiar. Este puede ser de tan solo 2 segundos para carreteras locales, pero puede llegar a los 15 segundos para arterias viales. El intervalo máximo es el tiempo máximo que una carretera tendrá el semáforo en verde, cuando hay demanda en otra carretera.Para los peatones, el periodo de invitación es el tiempo en el que se les invita a cruzar la calle. Esto normalmente se representa con una figura masculina caminando de color verde o blanco.Un semáforo suele controlarse mediante un controlador montado dentro de un gabinete. Algunos controladores electromecánicos aún se utilizan (la ciudad de Nueva York aún contaba con 4800 en 1998, aunque la cantidad es menor debido a la prevalencia de las cajas de control de semáforos). Sin embargo, los controladores de tráfico modernos son de estado sólido. El gabinete generalmente contiene un panel de alimentación para distribuir la energía eléctrica; un panel de interfaz de detector para conectar detectores de bucle y otros detectores; amplificadores de detector; el propio controlador; una unidad de monitorización de conflictos; relés de transferencia de flash; un panel policial para que la policía pueda desactivar la señal; y otros componentes.

En Estados Unidos, los controladores están estandarizados por la NEMA, que establece estándares para conectores, límites operativos e intervalos. El estándar TS-1 se introdujo en 1976 para la primera generación de controladores de estado sólido.Los controladores de estado sólido deben contar con una unidad de monitorización de conflictos (CMU) independiente, que garantiza un funcionamiento a prueba de fallos. La CMU monitoriza las salidas del controlador y, si se detecta una falla, utiliza los relés de transferencia de destellos para activar la intersección en modo intermitente, con todas las luces rojas destellando, en lugar de mostrar una combinación de señales potencialmente peligrosa. La CMU está programada con las combinaciones de luces permitidas y detectará si el controlador da direcciones contradictorias; por ejemplo, señales verdes orientadas tanto al tráfico en dirección norte como al este en una intersección. Los monitores de conflictos son susceptibles a falsas activaciones durante tormentas eléctricas debido a sobretensiones y ruido inducido por rayos cercanos.A finales de la década de 1990, el Instituto de Ingenieros de Transporte (ITS) emprendió en Estados Unidos un proyecto nacional de estandarización, conocido como controlador avanzado de transporte (ATC). El proyecto busca crear un estándar nacional único para los controladores de semáforos. Esta estandarización forma parte del programa del Sistema Nacional de Transporte Inteligente (NTS), financiado por diversas leyes de carreteras, comenzando con ISTEA en 1991, seguido por TEA-21 y leyes posteriores. Los controladores se comunicarán mediante el Protocolo Nacional de Comunicaciones de Transporte para ITS (NTCIP), basado en el Protocolo de Internet, ISO/OSI y ASN.1.

Los semáforos deben recibir instrucciones para cambiar de etapa y, por lo general, están coordinados para que los cambios de etapa se produzcan en relación con otras señales cercanas, con la pulsación de un botón peatonal, con la acción de un temporizador o con otras entradas.En zonas propensas a cortes de energía, añadir baterías de respaldo a los sistemas de control de tráfico puede mejorar la seguridad de conductores y peatones. Anteriormente, se requería una mayor capacidad de suministro de energía ininterrumpida para que los semáforos con luces incandescentes continuaran funcionando correctamente. El costo de este sistema era prohibitivo. Con las nuevas generaciones de semáforos que utilizan luces LED, que consumen entre un 85 % y un 90 % menos de energía, ahora es posible incorporar baterías de respaldo a los sistemas semafóricos. Estas baterías se instalarían en el gabinete del controlador de tráfico o en un gabinete propio junto al controlador.Las baterías de respaldo pueden operar el controlador en modo de emergencia con la luz roja intermitente o en modo completamente funcional. En 2004, la Comisión de Energía de California recomendó a los gobiernos locales que convirtieran sus semáforos en LED con baterías de respaldo. Esto reduciría el consumo de energía y mejoraría la seguridad en las intersecciones principales. La recomendación era un sistema que proporcionara semáforos completamente funcionales durante dos horas después del corte de energía. Posteriormente, los semáforos tendrían luces rojas intermitentes durante otras dos horas.Existen varios tipos de mecanismos de control para cruces controlados por semáforos:

Tipo	Significado	Condiciones	Ejemplo de uso
Isolated pre-timed	Longitud del ciclo fijo	Para operaciones temporales, donde no se dispone de detección	Carreteras
Coordinado pre-timed	Longitud del ciclo fijo	Donde el tráfico es consistente	Centros municipales, intercambios
Semi-actuated	No longitud de ciclo fijo, predeterminado a un movimiento	Desequilibrio de tráfico -	Operaciones de carretera
Totalmente actuado	No longitud de ciclo fijo, detección utilizada en todos los enfoques, respuesta a las condiciones	Dónde se utiliza la detección en todas las carreteras	Localizaciones rurales, de alta velocidad o dos carreteras arteriales
Coordinado actuado	Longitud del ciclo fijo	Tráfico pesado en carreteras arteriales	arterial suburbana

En el control de tráfico, los controladores de semáforos más simples y antiguos se conocen como controladores electromecánicos. A diferencia de los controladores computarizados, los controladores electromecánicos se componen principalmente de piezas móviles (levas, diales y ejes) que controlan las señales conectadas directamente a ellos. Además de las piezas móviles, también se utilizan relés eléctricos. En general, los controladores electromecánicos utilizan temporizadores de dial con planes de tiempo fijos para intersecciones señalizadas. La duración de los ciclos de las intersecciones señalizadas se determina mediante pequeños engranajes ubicados dentro de los temporizadores de dial. Los engranajes de ciclo, como se les conoce comúnmente, varían de 35 a 120 segundos. Si un engranaje de ciclo de un temporizador de dial falla, se puede reemplazar por otro adecuado. Dado que un temporizador de dial solo tiene un plan de tiempo para intersecciones señalizadas, solo puede controlar las fases en una intersección señalizada de una manera. Muchas intersecciones antiguas con semáforos aún utilizan controladores electromecánicos, y los semáforos controlados por ellos son eficaces en redes unidireccionales, donde a menudo es posible coordinar los semáforos con el límite de velocidad establecido. Sin embargo, presentan desventajas cuando la sincronización de los semáforos en una intersección se beneficiaría de una adaptación a los flujos dominantes que cambian a lo largo del día.

Con frecuencia se intenta colocar semáforos en un sistema coordinado para que los conductores se encuentren con una ola verde, una sucesión de luces verdes. La distinción entre semáforos coordinados y semáforos sincronizados es fundamental. Los semáforos sincronizados cambian todos al mismo tiempo y solo se utilizan en casos especiales o en sistemas más antiguos. Los sistemas coordinados (progresivos) se controlan desde un controlador maestro y están configurados para que las luces se "en cascada" (progresen) en secuencia, de modo que los pelotones de vehículos puedan pasar por una serie continua de luces verdes. Una representación gráfica del estado de fase en un plano de dos ejes de distancia versus tiempo muestra claramente una "banda verde" establecida en función del espaciamiento de las intersecciones señalizadas y las velocidades previstas de los vehículos. En algunos países (por ejemplo, Alemania, Francia y Países Bajos), esta "banda verde" Este sistema se utiliza para limitar la velocidad en ciertas zonas. Los semáforos están sincronizados de tal manera que los conductores pueden circular sin detenerse si su velocidad es inferior a un límite determinado, generalmente 50 km/h (30 mph) en zonas urbanas. Este sistema se conoce como «grüne Welle» en alemán, «vague verte» en francés o «groene golf» en neerlandés (en español: «ola verde»). Estos sistemas se utilizaron comúnmente en zonas urbanas de Estados Unidos desde la década de 1940, pero son menos comunes en la actualidad. En el Reino Unido, Slough, en Berkshire, experimentó con este sistema en parte de la A4. Muchas ciudades estadounidenses han establecido la onda verde en calles de doble sentido para que funcione en la dirección más transitada, en lugar de intentar que el tráfico avance en ambas direcciones. Pero la reciente introducción de la flecha amarilla intermitente (véase el artículo Señalización y funcionamiento del semáforo) permite utilizar la señal de avance-rezago, una ayuda para la progresión, en los giros protegidos/permisivos.En los sistemas de semáforos coordinados modernos, los conductores pueden recorrer largas distancias sin encontrarse con un semáforo en rojo. Esta coordinación solo se realiza fácilmente en calles de un solo sentido con niveles de tráfico bastante constantes. Las calles de doble sentido suelen estar configuradas para coincidir con las horas punta y así acelerar la dirección de mayor volumen. Sin embargo, la congestión a menudo puede desbaratar la coordinación. Por otro lado, algunos semáforos se coordinan para evitar que los conductores se encuentren con una larga hilera de semáforos en verde. Esta práctica desalienta el alto volumen de tráfico al inducir retrasos, pero a la vez previene la congestión, o para desalentar el uso de una vía específica. Esto se suele hacer a petición de los residentes locales en zonas con mucho tráfico de pasajeros de paso. La velocidad se autorregula en los sistemas de semáforos coordinados: los conductores que viajan demasiado rápido llegarán con una señal en rojo y terminarán deteniéndose; los que viajan demasiado despacio no llegarán al siguiente semáforo a tiempo para utilizar la señal verde. Sin embargo, en los sistemas sincronizados, los conductores suelen exceder la velocidad para pasar el mayor número de semáforos posible.

Más recientemente, se han empleado métodos aún más sofisticados. Los semáforos a veces se controlan centralmente mediante monitores o computadoras para permitir su coordinación en tiempo real y gestionar los patrones de tráfico cambiantes. Se pueden utilizar cámaras de video o sensores empotrados en el pavimento para monitorear los patrones de tráfico en una ciudad. Los sensores no coordinados ocasionalmente obstaculizan el tráfico al detectar una pausa y ponerse en rojo justo cuando los vehículos llegan del semáforo anterior. Los sistemas más avanzados utilizan docenas de sensores y cuestan cientos de miles de dólares por intersección, pero pueden controlar con gran precisión los niveles de tráfico. Esto elimina la necesidad de otras medidas (como la construcción de nuevas carreteras), que son aún más costosas.Los beneficios incluyen:

• Aumento de la capacidad de manejo del tráfico de carreteras
• Reducción de colisiones y tiempo de espera para vehículos y peatones
• Alentando el viaje dentro del límite de velocidad para satisfacer las luces verdes
• Reducción de la parada innecesaria y el inicio del tráfico - esto a su vez reduce el consumo de combustible, la contaminación del aire y del ruido, y el desgaste del vehículo
• Reducción del tiempo de viaje
• Reducción de la frustración del conductor y la rabia de carreteras

Ejemplos:

• Ciudad de Nueva York: 7.660 (de un total de 12.460) intersecciones señalizadas son controladas por una red central de computadoras y supervisadas por centros de gestión de tráfico.
• Toronto: el 83% de sus señales son controladas por el Sistema de señalización de tráfico principal (MTSS). El 15% también utiliza el SCOOT (Split Cycle y Offset Optimization Technique), un sistema de control de señal adaptativo.
• Sydney: 3.400 señales de tráfico coordinadas por el Sistema de Tráfico Adaptado coordinado de Sydney (SCATS). Diseñado y desarrollado por RTA, el sistema fue introducido por primera vez en 1963 y desarrollado progresivamente desde entonces. En octubre de 2010, SCATS tenía licencia para 33.200 intersecciones en 144 ciudades de 24 países del mundo, entre ellos Singapur, Hong Kong, Dublín, Teherán y Minneapolis y Detroit.
• Melbourne: 3.200 semáforos a través de Victoria, incluyendo áreas regionales como Geelong y Ballarat, utilizando SCATS. Unas 500 intersecciones también tienen prioridad de tranvía y autobús.
• Adelaida: 580 conjuntos de luces de tráfico coordinadas en toda la región metropolitana gestionadas por el Sistema de señalización de tráfico coordinado de Adelaide (ACTS).

• Meadowlands Adaptive Signal System for Traffic Reduction (MASSTR) - New Jersey Meadowlands Commission monitors in their Lyndhurst administration building this "intelligent transportation system", the first of its kind in the state, with traffic controlled intersections and vehicle detectors in the Meadowlands. A partir de 2013, está en funcionamiento y tiene previsto cubrir 128 intersecciones para 2014. Para reducir los retrasos debido al cierre previsto de dos años de las carriles al norte de la autopista Pulaski que comenzará en marzo de 2014, este sistema sincronizará los semáforos de tráfico a 15 intersecciones adicionales a lo largo de la carretera 1/9 Camión y 440 en Kearny Point y Jersey City.
• Midtown en Motion - El sistema de control de tráfico adaptativo de Nueva York que emplea múltiples tecnologías. Las cámaras, los sensores de movimiento de microondas y los lectores de etiquetas de radiofrecuencia (RFID) E-ZPass se utilizan como insumos para monitorear el flujo de tráfico. Los datos se alimentan a través de la infraestructura inalámbrica de banda ancha dedicada por el gobierno al centro de gestión del tráfico para ser utilizados en el control de tráfico adaptativo de los semáforos.
• Control de tráfico urbano escalable
• Sydney Coordinated Adaptive Traffic System

• Control aislado es donde los tiempos de la unión o el cruce no están vinculados a ninguna otra unión o cruce.
• Fallos: Si la energía todavía está disponible, se utiliza una luz de ámbar que parpadea para advertir de una intersección. Los métodos para distinguir la carretera principal de la carretera secundaria (y por lo tanto la derecha de camino) incluyen el uso de señales de rendimiento (de manera gigante), signos de parada o una luz roja llamativa en la carretera secundaria, así como señalización escrita. En algunos países, entre ellos Australia, las normas de carreteras esbozan procedimientos tales como dar paso a la derecha. Este sistema se utiliza ocasionalmente cuando una señal de tráfico se obsoleta debido a la falta de necesidad.
• Operación a tiempo parcial: Algunos semáforos no funcionarán por la noche o cuando el tráfico es muy ligero. Algunos sólo pueden operar en horarios determinados (por ejemplo, durante horas de trabajo de una fábrica principal) o sólo durante eventos especiales como deportes o exposiciones. Cuando no funciona, se utilizan las mismas medidas que con fallos. La operación a tiempo parcial tiene ventajas y desventajas.
• Preparación del ferrocarril: Las señales de tráfico se activan para coincidir con el enfoque de un tren, a menudo donde la intersección está cerca de un cruce de ferrocarril. Véase también la exención del ferrocarril
• Prioridad de autobuses y transporte: Las señales de tráfico se activan para coincidir con la llegada de un autobús o tranvía a lo largo de una autopista, carril de autobús o tranvía. Ver también prioridad del autobús
• Vehículos de emergencia Algunas luces fuera de las estaciones de fuego o rescate no tienen verde, ya que pueden girar sólo ambar y luego roja cuando camiones de bomberos, ambulancias u otros vehículos de emergencia o similares están saliendo de la estación en camino a una emergencia. Vea también Preparación de señal de tráfico
• Signos de velocidad son una variante raramente utilizada para dar a los conductores una velocidad recomendada para acercarse a la siguiente luz de tráfico en su fase verde.

Los sistemas de semáforos se diseñan utilizando software como LINSIG, TRANSYT, CORSIM/TRANSYT-7F o VISSIM.En Estados Unidos existen los siguientes manuales:

• Seyfried, Robert K. (2013-01-01). Manual de dispositivos de control de tráfico. Instituto de Ingenieros de Transporte. ISBN 978-1-933452-67-8.
• "Traffic Control Systems Handbook". FHWA Office of Operations. Departamento de Transporte Federal Administración de Autopistas. Octubre de 2005. Archivado desde el original el 1 de febrero de 2009.

• Koonce, Peter; et al. (junio de 2008). Manual de localización de tráfico (Informe). United States Federal Highway Administration. FHWA-HOP-08-024. Retrieved 2010-04-05.