XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Глава 1. Общие сведения

1. 1. Путепроводы: виды, особенности конструкции и зоны риска

Путепровод — это мостовое сооружение, предназначенное для пересечения одной дороги над другой, а также для проезда над железнодорожными путями, оврагами или другими препятствиями (Рисунок 1.1.1, Приложение). В Тюменской области путепроводы играют важную роль в дорожной инфраструктуре, особенно на крупных транспортных развязках и объездных дорогах.

Основные виды путепроводов:

1. По назначению:

   • Автомобильные (для пропуска автотранспорта);

   • Железнодорожные;

   • Пешеходные.

2. По конструкции:

   • Балочные — наиболее распространенный тип, состоящий из опор и пролетных строений;

   • Арочные — имеют дугообразную форму;

   • Вантовые — держатся на тросах.

Особенности путепроводов, которые влияют на образование гололеда:

Отсутствие контакта с грунтом. Обычная дорога получает часть тепла от земли, которая даже зимой имеет положительную температуру. Путепровод продувается снизу холодным воздухом, поэтому его температура почти такая же, как температура воздуха, а часто и ниже.

Эффект «холодного моста». Металлические и железобетонные конструкции хорошо проводят холод, поэтому лед на путепроводе образуется быстрее и тает медленнее, чем на обычной дороге.

Отсутствие защиты от ветра. Путепроводы часто находятся на открытых возвышенностях, где ветер усиливает охлаждение и способствует быстрому замерзанию влаги.

Зоны повышенного риска на путепроводе:

• Въезды и съезды с путепровода (здесь водители часто не успевают снизить скорость);

• Разделительная полоса и барьерные ограждения (здесь скапливаются влага, снег и реагенты);

• Стыки пролетов и края проезжей части.

Особенно опасной зоной является разделительная полоса — именно там наш робот будет работать, так как доступ тепла от проезжающих машин здесь минимальный, а лед держится дольше всего.

1. 2. Черный лед (гололед): где образуется и чем опасен

Черный лед – это тонкий, прозрачный слой льда на дорожном покрытии, который практически не виден глазу (Рисунок 1.2.1, Приложение). Он сливается с цветом мокрого асфальта, поэтому водитель не подозревает об опасности до того момента, когда автомобиль уже теряет сцепление с дорогой.

Как образуется черный лед:

• После дождя, оттепели или тумана на дороге остается тонкий слой влаги;

• Температура воздуха резко падает ниже 0°C (чаще всего это происходит ночью или ранним утром);

• Вода замерзает, образуя прозрачную ледяную пленку толщиной от 1 до 3 мм;

• Если нет снега или инея, лед остается невидимым для водителя.

Где чаще всего появляется черный лед:

• На мостах и путепроводах (из-за отсутствия прогрева от земли);

• На затененных участках дорог (под деревьями, в выемках);

• На участках с плохим водоотводом;

• На въездах и съездах с эстакад.

Чем опасен черный лед для транспорта:

Фактор – последствия

Невидимость – водитель не снижает скорость заранее;

Резкое торможение – юз, блокировка колес, занос;

Поворот на льду – полная потеря управления;

Разная температура на разных участках дороги – внезапная потеря сцепления;

Массовые аварии – цепные столкновения на мостах и путепроводах.

По данным ГИБДД, на путепроводах и мостах дорожно-транспортные происшествия из-за гололеда происходят в 3-5 раз чаще, чем на обычных участках дорог. Особенно опасны утренние часы, когда только что образовавшийся лед еще не успели обработать реагентами. Именно поэтому наш робот должен работать автономно и быть готовым к любым погодным условиям.

1. 2. Способы борьбы с гололедом на путепроводах

Существующие методы борьбы с гололедом можно разделить на три основные группы: химические, механические и термические (Рисунок 1.3.1, Рисунок 1.3.2, Приложение). У каждого метода есть свои преимущества и недостатки.

Химические способы (реагенты):

Поваренная соль (NaCl) — самый дешевый и распространенный реагент. Она эффективно плавит лед, но вызывает коррозию металла и разрушение бетона, что особенно опасно для путепроводов.

Хлорид кальция (CaCl₂) — работает при более низких температурах (до -30°C), но еще агрессивнее к бетонным конструкциям.

Противогололедные реагенты на основе формиатов — дорогие, но менее агрессивные. Они применяются только на самых ответственных сооружениях.

Недостатки химических способов: разрушают бетон путепроводов, вызывают коррозию арматуры, вредят экологии (соль попадает в почву и воду), требуют постоянного повторного нанесения после каждого снегопада или оттепели.

Механические способы:

Пескоразбрасыватели — песок или мелкий щебень создают шероховатость на льду, улучшая сцепление колес с дорогой. Недостаток: низкая эффективность при гладком льде, песок разносится колесами и засоряет ливневую канализацию.

Снегоочистители и скребки — механически удаляют снег и лед. Недостаток: не удаляют тонкий черный лед и могут повредить дорожное покрытие.

Термические способы (тепловые пушки):

Стационарные тепловые системы — нагревательные элементы (электрические или жидкостные), встроенные в дорожное покрытие. Недостаток: очень высокая стоимость установки и эксплуатации, невозможность ремонта без вскрытия асфальта.

Мобильные тепловые пушки — передвижные установки на базе грузовых автомобилей, которые направляют поток горячего воздуха на дорогу. Недостаток: требуют участия человека, большие габариты, высокий расход топлива.

Автономные роботы с тепловыми пушками (наше предложение) — небольшие мобильные устройства, которые самостоятельно патрулируют путепровод и точечно воздействуют на участки с гололедом. Преимущества: экономия реагентов, защита инфраструктуры путепровода, автономная работа без участия человека, возможность работы в труднодоступных местах.

Мы считаем, что автономный робот с тепловыми пушками — это наиболее перспективное решение для путепроводов, так как он сочетает высокую эффективность (горячий воздух быстро плавит лед), безопасность для инфраструктуры (нет химии) и полную автономность.

Глава 2. Экскурсии и изучение опыта

В рамках работы над проектом «Автономный робот с тепловыми пушками, встроенный в разделительную полосу путепровода» были организованы две экскурсии для изучения практического опыта (Рисунок 2.1, Рисунок 2.2, Приложение).

2. 1. Экскурсия на автодром автошколы «Главная дорога» (г. Тюмень)

Первая экскурсия состоялась на автодром автошколы «Главная дорога» в городе Тюмени. Целью экскурсии было изучение устройства автомобиля, основ вождения и поведения транспортного средства на скользком покрытии. Экскурсию проводил инструктор Евгений Александрович.

В ходе экскурсии каждый член нашей команды смог попробовать себя в роли водителя. Нам рассказали об основах управления автомобилем:

• переключение режимов автоматической коробки передач (P — парковка, D — движение);

• выполнение поворотов и разворотов;

• работа педалями газа и тормоза;

• маневрирование с объездом препятствий (конусов) на площадке.

Особое внимание было уделено поведению автомобиля на скользкой дороге. Инструктор Евгений Александрович продемонстрировал, как изменяется управляемость машины на мокром и обледенелом покрытии. Было показано, что на льду тормозной путь увеличивается в несколько раз по сравнению с сухим асфальтом, а при резком торможении автомобиль теряет управление — колеса блокируются, и машина продолжает скользить (юз).

Также была продемонстрирована разница в поведении автомобиля на въезде на путепровод (подъем) и на съезде с него. Самыми опасными зонами были названы въезды и разделительная полоса, где лед держится дольше всего.

Полученные знания помогли нам лучше понять важность своевременного обнаружения и устранения гололеда на путепроводах. «Черный лед» визуально неотличим от мокрого асфальта, поэтому водитель не успевает снизить скорость. Это подтвердило необходимость создания автономной системы, способной работать круглосуточно без участия человека.

2. 2. Экскурсия на кафедру автомобильных дорог ТИУ (г. Тюмень)

Вторая экскурсия была организована на кафедру автомобильных дорог и аэродромов Тюменского индустриального университета (ТИУ). Экскурсию для участников соревновательного направления «Лига исследований» провел заведующий кафедрой Сергей Павлович С.

В ходе экскурсии мы узнали следующее:

• Чем дорога отличается от улицы. Эти понятия имеют строгие инженерные определения. Дорога представляет собой комплекс инженерных сооружений, а улица — это дорога в пределах населенного пункта, оборудованная тротуарами и зданиями.

• Процессы создания безопасных и качественных дорог. Строительство дороги включает несколько этапов: проектирование, геологические изыскания, устройство основания (подушки), укладка асфальтового покрытия. Для путепроводов процесс сложнее, так как требуется учитывать повышенные нагрузки и температурные режимы.

• Технологии информационного моделирования в дорожном строительстве. Это компьютерные программы, позволяющие создавать трехмерные модели будущих дорог и путепроводов, просчитывать нагрузки, сроки службы и поведение конструкции в зимних условиях.

• Роботизированные системы управления строительством и обслуживания дорог. Нам рассказали о дронах для воздушного обследования дорог, о роботах-асфальтоукладчиках и об автоматических системах мониторинга состояния дорожного покрытия.

Завершающей частью экскурсии стало посещение музея ТИУ. Хранитель музея Вера Николаевна рассказала об истории развития университета, о строительстве различных районов города Тюмени, о творчестве студентов. Особый интерес вызвал рассказ о тоннеле, соединяющем университет и ближайшие храмы, который был обнаружен только в 2019 году.

Заведующий кафедрой Сергей Павлович подтвердил актуальность проблемы гололеда на путепроводах для Тюменской области. Он отметил, что химические реагенты (соль), используемые для борьбы с гололедом, разрушают бетонные конструкции путепроводов и вызывают коррозию арматуры, что сокращает срок службы сооружений. Он поддержал нашу идею использования автономного робота с тепловыми пушками, отметив, что термический метод безопасен для инфраструктуры. Также он рекомендовал обратить особое внимание на разделительную полосу как наиболее труднодоступную зону для обычных дорожных машин.

Полученные в ходе экскурсии знания были использованы при дальнейшем проектировании и конструировании модели автономного робота на базе LEGO WeDo 2.0.

Глава 3. Модель автономного робота с тепловыми пушками, встроенного в разделительную полосу путепровода, на базе конструктора LEGO WeDo 2.0

3.1. Конструкция, функционал и механические передачи проекта

После ознакомления с общей информацией и посещения экскурсий мы с командой перешли к созданию проекта. Его задача — бороться с гололедом и повысить безопасность на самых опасных участках дороги — съездах и заездах путепровода.

Наш проект включает в себя: путепровод с зоной риска, обогреваемые водостоки, разделительный отбойник с автономным роботом-ликвидатором, элементы дорожной инфраструктуры (светофор, шлагбаумы, дорожный фонарь), а также обязательные базовые модели: автомобиль и светофор (Рисунок 3.1.1, Приложение).

Мы дружно и сообща разрабатывали все части проекта. Конструкция путепровода собрана из деталей LEGO Technic, LEGO City, LEGO WeDo 2.0. Путепровод поднят над основанием, чтобы имитировать отсутствие прогрева от земли. В зоне риска (съезд и заезд путепровода) расположены обогреваемые водостоки, которые собирают талую воду. В разделительном отбойнике находится убежище автономного робота с тепловыми пушками.

Конструкция и механизмы светофора и шлагбаумов:

При обнаружении гололеда срабатывает несколько сложных механизмов (Рисунок 3.1.2, Рисунок 3.1.3, Приложение):

• Червячная передача и зубчатая передача под углом 90 градусов — эти механизмы мгновенно переводят светофор в режим «СТОП» (загорается красный сигнал). Червячная передача обеспечивает плавность движения и самоторможение, а угловая зубчатая передача меняет направление вращения на 90 градусов.

• Повышающая зубчатая передача, равнозначная зубчатая передача и рычаг — эти механизмы приводят в действие шлагбаумы, блокируя въезд на опасный участок. Повышающая передача увеличивает скорость движения шлагбаума, равнозначная передача синхронизирует работу обоих шлагбаумов, а рычаг преобразует вращательное движение в подъем и опускание.

Конструкция и механизмы робота-ликвидатора:

В шлагбаум встроен датчик наклона, который передает сигнал роботу-ликвидатору. Из своего убежища в отбойнике выдвигается главный оператор — робот (Рисунок 3.1.4, Рисунок 3.1.5, Приложение). Его движение вдоль ограждения обеспечивает мотор с лебедкой и зубчатой передачей под углом 90 градусов (Рисунок 3.1.6, Приложение).

Когда робот подъезжает к месту обнаружения льда, он переходит к активным действиям. При помощи червячной передачи и системы рычагов он раскрывает балки с тепловыми пушками. Начинается прогрев поверхности — лед тает и превращается в воду. Вода сразу стекает в обогреваемые водостоки и ливневки, которые работают с помощью червячной передачи и зубчатой равнозначной передачи (Рисунок 3.1.7, Приложение).

У робота установлен датчик движения. Увидев в конце дорожный фонарь, он понимает, что работа сделана, и складывает тепловые балки. По рельсовому пути робот возвращается на базу в отбойник.

После того как робот вернулся на базу, шлагбаумы поднимаются, светофор переключается на зеленый сигнал («Путь свободен»), а водостоки переходят в дежурный режим. Таким образом, это полностью автоматизированная система. Она самостоятельно обнаруживает угрозу, оперативно ее ликвидирует и возвращается в режим ожидания.

3.2. Управление моделью при помощи программного обеспечения LEGO WeDo 2.0

После завершения строительства нашего проекта мы приступили к созданию программы в приложении LEGO WeDo 2.0 (Рисунок 3.2.1, Приложение). Наш проект полностью автоматизирован и запускается одной кнопкой. Программы запускаются друг за другом благодаря блокам «передать письмо» и «получить письмо».

Таблица 1 – Программы для управления моделями проекта

Модель	Описание программы
Светофор и шлагбаумы	Программа 1 запускается нажатием клавиши «цифра 1». Мотор включается с мощностью 3 против часовой стрелки на 2 секунды, после чего выключается. Одновременно срабатывает светофор (переключается на красный сигнал) и опускаются шлагбаумы.
Автономный робот (балки с тепловыми пушками)	Программа 2 запускается одновременно с первой программой нажатием одной клавиши «цифра 1». Она ждет, когда датчик наклона, встроенный в шлагбаум, примет положение «прямо». После этого программа переходит к запуску робота.
Автономный робот (движение робота вверх-вниз)	Программа 3 запускается после получения письма от программы 2. Включается мотор робота с мощностью 8. Мотор работает до тех пор, пока датчик движения не заметит препятствие в виде дорожного фонаря. Когда препятствие обнаружено, мотор отключается.
Водостоки	Программа 4 запускается одновременно с программой 5 после получения письма от программы 3. Запускает мотор водостоков. Мотор работает до тех пор, пока не поднимутся шлагбаумы — то есть пока датчик наклона не примет положение «носом вверх».
Автономный робот (балки с тепловыми пушками)	Программа 5 запускается одновременно с программой 4 после получения письма от программы 3. Включается мотор и работает в течение 1 секунды (закрывание тепловых балок), после чего выключается. Затем передает письмо на программу 6 (светофор и шлагбаумы для открытия дороги).
Светофор и шлагбаумы	Программа 6 запускается после получения письма от программы 5. Включается мотор для поднятия шлагбаумов (мощность 3, по часовой стрелке на 2 секунды). Светофор переключается на зеленый сигнал («Путь свободен»). Датчик наклона принимает положение «носом вверх» — это сигнал для программы 4 (водостоки) о прекращении работы.

После сборки и программирования мы протестировали наш проект. Все механизмы и программы работали корректно:

• При запуске программы (клавиша «цифра 1») система автоматически переходила в режим ожидания;

• При имитации появления льда (подкладывание прозрачной пластины или срабатывание датчика наклона) светофор переключался на красный сигнал, шлагбаумы опускались;

• Робот выдвигался из убежища в отбойнике и двигался вдоль разделительной полосы;

• Робот раскрывал балки с тепловыми пушками;

• Водостоки начинали работу (имитация отвода талой воды);

• После достижения конца путепровода робот складывал балки с пушками и возвращался на базу;

• Шлагбаумы поднимались, светофор переключался на зеленый сигнал.

Заключение

В результате нашей работы над проектом мы успешно выполнили следующие задачи:

1. Нашли информацию о путепроводах, их видах, особенностях конструкции и зонах риска образования гололеда;

2. Изучили, что такое «черный лед», узнали, где он чаще всего образуется и чем опасен для транспорта;

3. Рассмотрели существующие способы борьбы с гололедом на путепроводах: химические (реагенты), механические (песок) и термические (тепловые пушки);

4. Провели две экскурсии: на автодром автошколы «Главная дорога» и на кафедру автомобильных дорог ТИУ;

4. Создали модель путепровода с разделительной полосой и автономного робота с тепловыми пушками;

5. Создали программу, которая позволила наглядно продемонстрировать работу нашего проекта.

Для нашего проекта мы использовали конструктор из наборов LEGO WeDo 2.0 и LEGO City. В нашей работе были простые механизмы: ось, малая и большая конические шестерни, шкив, рычаг. А также сложные механические передачи: червячная передача, зубчатая передача, ременная передача. Запуск проекта осуществляется с помощью программного обеспечения WeDo 2.0, одновременно к компьютеру подключаются 3 смарт-хаба, 4 мотора, 1 датчик расстояния и 1 датчик движения.

Мы считаем, что наш проект с автономным роботом, встроенным в разделительную полосу путепровода, помогает решить проблему зимней скользкости на путепроводах. Робот не требует химических реагентов, которые разрушают бетон, работает круглосуточно без участия человека, точечно воздействует на лед горячим воздухом и делает дороги безопаснее для всех участников движения.

Список используемой литературы и интернет-источники

1. Курс «Машины и механизмы», курс «Основы робототехники», Школа интеллектуального развития «Мистер Брейн», - Режим доступа - https://vk.com/mrbrain_tmn;

2. «LEGO удивительные творения»; Сара Дис [пер. с англ. М. Карманова].- Эксмодетство, 2020 г.

3. «LEGO Гаджеты. Полный гид по строительству необычных механизмов»; [пер. с англ. Позина И. В., ред. Волченко Ю. С.].- Эксмодетство, 2019 г.

4. Филиппов С.А. Робототехника для детей и родителей, - СПб.: Наука, 2013. 319с;

5. Правила дорожного движения Российской Федерации (с изменениями на 2025 год). — М.: Эксмо, 2025

6. ГОСТ Р 50597-2017. Дороги автомобильные и улицы. Требования к эксплуатационному состоянию. — М.: Стандартинформ, 2017.

Интернет-источники:

7. https://t-l.ru/350254.html (дата обращения: 05.05.2026).

8. https://trends.rbc.ru/trends/industry/63dbe9719a79477b33ec4749 (дата обращения 05.05.2026)

9. https://riamo.ru/news/transport/na-mostu-cherez-kanal-im-moskvy-ustanovili-avtomaticheskuju-sistemu-borby-s-gololeditsej/ (дата обращения 05.05.2026)