XXVIII Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся

Старт в науке

Комплексная очистка ливневых канализаций для предотвращения затопления улиц в условиях экстремальных осадках на базе конструктора LEGO WEDO 2.0

• Авторы
• Руководители
• Файлы работы
• Наградные документы

Бегиш В.А. 1Упоров Е.В. 1Важенин В.А. 1Дайнеко Л.А. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Тарасенко А.Н. 1

---

1Школа интеллектуального развития "Мистер Брейни"

Работа в формате PDF

1.6 MB

Автор работы награжден дипломом победителя I степени

Диплом школьникаСвидетельство руководителя

Научно-исследовательская работа

Техническое творчество и изобретательство

Комплексная очистка ливневых канализаций для предотвращения затопления улиц в условиях экстремальных осадках на базе конструктора LEGO WEDO 2.0

Выполнили:

Упоров Евгений, 8 лет

учащийся школы интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Бегиш Василий, 8 лет

учащийся школы интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Важенин Владислав, 6 лет

учащийся школы интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Дайнеко Лев, 8 лет

учащийся школы интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Руководитель:

Тарасенко Антонина Николаевна

преподаватель робототехники школы интеллектуального развития «Мистер Брейни»

Тюмень, 2026

Оглавление

Введение

Каждый год летом в нашем городе случаются сильные ливни. Иногда за один час выпадает столько воды, сколько обычно бывает за целый месяц. Вода не успевает уходить в ливневую канализацию, и тогда улицы, дворы, подземные переходы и даже подъезды домов оказываются затопленными.

Вода бежит по асфальту мощными потоками, как горная река. Она смывает всё на своём пути: листья, ветки, землю, мелкий мусор, а иногда и пакеты с пластиковыми бутылками. Кажется, что город превращается в Венецию — только вместо гондол по улицам едут машины, которые разгоняют волны.

Но самое страшное начинается потом. Вода не успевает уходить в ливневую канализацию. Она накапливается у бордюров, заливает пешеходные переходы, поднимается выше колёс машин и затекает в подъезды домов и подземные гаражи. Людям приходится идти по щиколотку в холодной мутной воде, а машины глохнут посреди дороги, потому что вода попадает в двигатель.

Целью нашего исследования является: на базе конструктора LEGO WEDO 2.0 создать действующую модель комплексной очистки ливневой канализации, которая в условиях экстремальных осадков предотвращает затопление улиц и тем самым обеспечивает безопасность дорожного движения.

Основные задачи нашего исследования включают:

1. Изучение проблем, связанных с подтоплением улиц во время сильных дождей;

2. Анализ проблем, связанные с засорами ливневой канализации для дорожного движения;

3. Реализация комплексной очистки ливневой сети на базе конструктора LEGO WEDO 2.0

4. Разработка программы для комплексной очистки ливневой канализации от засоров;

Гипотеза: Применение автоматизированной системы комплексной очистки ливневых канализаций на базе программируемого конструктора позволяет предотвратить затопление улиц даже в условиях экстремальных осадков за счёт своевременного удаления основных типов засоров.

Глава 1. Анализ проблемной ситуации: воздействие экстремальных осадков и засоров на транспортную инфраструктуру.

1.1 Как сильные дожди мешают движению машин.

Каждый год жители российских городов сталкиваются с одной и той же сезонной проблемой: после летнего ливня улицы превращаются в реки, машины глохнут, а пробки достигают максимальных значений. Многие привыкли считать это неизбежным злом — «просто погода испортилась». Но на самом деле причина не в самом дожде, а в том, готова ли городская инфраструктура принять этот дождь. Главный элемент такой инфраструктуры — ливневая канализация. Если она работает исправно, вода уходит с проезжей части за 10–15 минут после окончания осадков, не создавая помех движению. Если же ливневка не справляется (или её просто нет), результат плачевен: многокилометровые пробки, аварии и испорченные автомобили.

Но проблема становится особенно острой, когда речь идет об экстремальных осадках — тех самых ливнях, которые выпадают «раз в 10 лет». За короткое время на город обрушивается такое количество воды, которое система не рассчитана принимать даже в идеальном состоянии. И если при этом часть дождеприемных решеток оказывается забитой мусором (а так бывает почти всегда), ситуация выходит из-под контроля мгновенно. Вода не уходит — она накапливается, растекается по проезжей части и ищет себе путь туда, где ей не положено быть: в подземные переходы, подвалы жилых домов и моторные отсеки автомобилей.

Наш город - это динамично развивающийся областной центр многократно сталкивался с проблемой подтопления улиц после сильных дождей. И каждый раз последствия оказывались серьёзными: от массовых поломок машин до полной остановки движения в целых районах.

Обратимся к фактам. Летом 2025 года Тюмень переживала одни из самых сильных ливней за последние несколько лет. На пересечении улиц Мельникайте и 50 лет Октября вода затопила припаркованные автомобили и начала заливаться в подземные паркинги жилых комплексов. (Рисунок 1.1.1, Приложения) Автомобили, которые пытались проехать этот участок, один за другим получали гидроудар — попадание воды в двигатель через воздухозаборник, что почти всегда означает дорогостоящий ремонт, а иногда и полную гибель мотора.

Особенно запомнился этот день водителям, оказавшимся на улице Профсоюзной. Местная жительница написала в соцсетях: «На Профсоюзной 32 совершенно не работают ливневки. (Рисунок 1.1.2, Приложения). Пока ехала домой, три машины при мне заглохли». Заглохшие автомобили блокировали движение, создавая дополнительные пробки. Те, кто пытался объехать препятствие по встречной полосе, создавали аварийные ситуации.

В тот же день ливень серьёзно подтопил перекрёсток улиц 50 лет Октября и Профсоюзной (Рисунок 1.1.3, Приложения). Вода поднялась настолько, что вывела из строя светофорный объект. Перекрёсток остался без регулирования в час пик — это ещё больше усугубило транспортный коллапс. По данным сервисов, отслеживающих дорожную ситуацию, пробки в Тюмени достигли 10 баллов из 10 возможных. Город фактически встал. [3]

Но проблема не ограничивается единичными случаями. В Тюмени есть целые районы, где система ливневой канализации отсутствует или находится в критическом состоянии. Например, микрорайоны Войновка, МЖК и бульвар Щербины страдают от подтоплений регулярно, после каждого мало-мальски сильного дождя [5]. Ещё хуже ситуация в Заречном районе. По признанию местных властей, там ливневых сетей почти нет. В осенне-весенний период лужи достигают такой глубины, что легковые автомобили буквально тонут. Летом 2024 года только в одном Заречном проезде пришлось откачивать воду из-под десяти машин одновременно.

Особенно показателен пример улицы Западносибирской возле дома №14. Даже при небольшом дожде там образуются огромные лужи прямо у автобусной остановки. Пассажирам, чтобы сесть в автобус, приходится пробираться по газонам и грязи. Мамы с колясками не могут пройти, пожилые люди рискуют поскользнуться и упасть. Администрация города признаёт наличие проблемы — по данным властей, на этой улице даже разработан проект новой ливневой канализации. Но строить её будут только в 2026–2027 годах. А пока коммунальщики после каждого дождя просто откачивают воду — временная и малоэффективная мера. Только за 2025 год специалисты предприятия устранили 3390 засоров в Тюмени, Тюменском и Исетском районах [1].

Специалисты «Росводоканал Тюмень» неоднократно объясняли ситуацию. Ливневая канализация города проектировалась и строилась десятилетиями, разные участки имеют разный возраст и разную пропускную способность. Многие сети изношены и требуют замены [2]. Но главная проблема даже не в износе, а в том, что новые микрорайоны строятся быстрее, чем к ним подводят ливневую канализацию. В итоге вода с новых жилых кварталов стекает на старые дороги, которые не рассчитаны на такие объёмы.

1.2 Что такое засор и почему он опасен для транспорта и пешеходов?

Засорение системы ливневой канализации — это частичное или полное прекращение пропускной способности труб, коллекторов, каналов и водоприемных решеток, вызванное накоплением посторонних предметов, наносов или отложений (Рисунок 1.2.1, Приложения). В результате вода не может уходить с проезжей части и территорий, что напрямую влияет на безопасность дорожного движения. Чтобы понять масштаб угрозы, нужно разобрать все типы засоров по отдельности — от самого крупного и заметного до скрытого и разрушительного.

Таблица 1.2 - Основные типы засоров ливневой канализации и их последствия

Самый тяжёлый случай — когда отложения добираются до главных канализационных коллекторов. Это большие трубы (диаметром до метра и более), по которым вода от целых районов течёт к очистным сооружениям или в реку. Если забивается коллектор, последствия катастрофичны. Вода не может уйти с огромной территории, она начинает подниматься вверх по всем трубам сразу, заливает колодцы и выходит на поверхность через десятки решёток одновременно. В городе может затопить целый район — и это произойдёт не во время дождя, а после него, когда вода уже должна была уйти.

Чем всё это опасно для дорожного движения

Теперь перечислим конкретные угрозы для водителей, пассажиров и пешеходов, которые возникают из-за описанных выше засоров.

Угроза 1. Аквапланирование. Если вода не уходит в ливневку из-за засора, на асфальте образуются лужи. При скорости выше 60 км/ч между колесами и покрытием возникает водяной клин — машина полностью теряет сцепление с дорогой, перестаёт слушаться руля и тормозов. Это одна из главных причин тяжелых аварий на трассах и загородных шоссе, но и в городе на скорости 50–60 км/ч эффект проявляется в полной мере.

Угроза 2. Снижение видимости. Грязная вода, разлетающаяся из-под колес, оседает на лобовом стекле и зеркалах, заставляя водителя отвлекаться на работу стеклоочистителей. Кроме того, грязь наносится на дорожную разметку и световозвращающие элементы, делая их практически невидимыми в дождь и темноте. Пешеходные переходы перестают быть заметными — риск наезда возрастает многократно.

Угроза 3. Разрушение дорожного полотна. Застоявшаяся вода (там, где ливневка не справляется) просачивается в микротрещины асфальта. При заморозках вода замерзает, расширяется и разрывает покрытие — образуются выбоины и ямы. В них легко повредить подвеску, шины или диски колес. Весной после таяния снега такие повреждения становятся массовыми.

Угроза 4. Увеличение тормозного пути. Даже без глубоких луж мокрый и грязный асфальт хуже тормозит. А если на дорогу вынесен песок или грунт с обочин (из-за того, что вода не ушла в ливневку и потекла поверху), тормозной путь возрастает ещё сильнее. Водитель, привыкший к сухому покрытию, может просто не успеть остановиться перед препятствием или пешеходным переходом.

Засор ливневой канализации — это не просто бытовая неприятность, а системная угроза, которая складывается из множества факторов. Крупный мусор и пакеты мгновенно блокируют водоприемные решетки. Песок и грунт спрессовываются в плотные отложения, сужая трубы. Бытовые отходы, жиры и корни деревьев разрушают инфраструктуру изнутри и снаружи. В итоге вода не уходит с дорог, что приводит к потере сцепления колес с покрытием (аквапланирование), грязи на разметке, разрушению асфальта из-за заморозков и росту тормозного пути [3].

Таким образом, засор опасен не только затоплением территорий, но и прямыми авариями, быстрым износом дорожного покрытия и снижением безопасности всех участников движения — водителей, пассажиров и пешеходов. Комплексная защита Наша модель на LEGO WEDO 2.0 — первый и очень важный шаг к такой системе.

Глава 2. Конструкция и программное обеспечение автоматической системы очистки

2.1 Техническая реализация комплексной очистки: устройство макета и алгоритм работы».

В ходе работы над проектом было рассмотрено несколько возможных вариантов решения проблемы подтопления улиц. Мы анализировали как модернизацию существующей ливневой канализации (замена труб, установка дополнительных колодцев), так и поиск альтернативных методов очистки. Однако большинство этих способов требуют больших финансовых затрат и длительного времени на реализацию. Поэтому мы решили разработать собственную модель, которая демонстрирует комплексный подход к очистке ливневой системы — от попадания мусора в решётку до финальной очистки трубы на базе конструктора LEGO WEDO 2.0. (Рисунок 2.1.1, Приложения).

Наш проект представляет собой макет города с действующей моделью дорожной ливневой канализации. Главная задача модели — показать, как можно автоматически устранять засоры и улучшать проходимость воды в трубах. Для этого мы создали роботизированную систему, которая работает в несколько этапов.

Проект работает на базе конструктора LEGO WEDO 2.0. Это образовательный набор, который позволяет собирать программируемые модели с использованием моторов, датчиков и механизмов. Все моторы и датчики в нашей модели подключены к смартхабам (SmartHub). Управление осуществляется через простое приложение на компьютере или планшете. Запуск программы происходит в одно касание — после этого все механизмы начинают работать в заданной последовательности без дополнительного вмешательства человека.

Весь процесс очистки можно разделить на пять основных этапов: имитация дождя, попадание мусора в канализацию, измельчение отходов, очистка трубы роботом и возвращение системы в исходное состояние.

Этап 1. Имитация дождя и начало работы:

Когда программа запускается, первым делом включается механизм, имитирующий дождь. Для этого используется червячная передача в паре с осевым механизмом (Рисунок 2.1.2, Приложения). Червячная передача позволяет передавать движение под прямым углом и создавать большое усилие при небольшом моторе. Осевой механизм, в свою очередь, создаёт вращательное движение, которое приводит в действие «дождевую установку». В результате сверху на макет начинает поступать вода (или её имитация в виде сыпучего материала), которая смывает мусор с «улиц» города в сторону канализационных решёток.

Этап 2. Движение автомобилей и сброс мусора:

На осевом механизме закреплён датчик наклона. Это специальный датчик, который определяет положение механизма в пространстве. Когда датчик наклона принимает определённое положение (носом вниз или вверх), запускается механизм лебёдки (Рисунок 2.1.3, Приложения). Лебёдка приводит в движение модели автомобилей, которые начинают двигаться по дороге.

Зачем это нужно? Мы заметили, что в реальной жизни проезжающие машины своим колёсами часто сталкивают мусор с проезжей части прямо в ливневые решётки. Наша модель имитирует этот процесс: движущиеся автомобили сталкивают мусор в специальные отверстия (канализационные решётки), откуда он попадает в систему очистки. Таким образом, мы не боремся с этим явлением, а используем его во благо — направляем мусор туда, где он будет переработан.

Этап 3. Измельчение мусора:

После того как мусор попал в канализационную трубу, в дело вступает кулачковый механизм (Рисунок 2.1.4, Приложения). Кулачковый механизм — это устройство, в котором вращающийся кулачок (деталь особой формы) толкает другой элемент, создавая возвратно-поступательное движение. В нашем проекте этот механизм выполняет сразу две функции.

Первая функция — фильтрация потока. Кулачковый механизм пропускает воду, но задерживает крупные частицы мусора, не давая им уйти дальше по трубе.

Вторая функция — измельчение. Механизм перемалывает задержанный мусор в мелкую крошку. Это очень важный этап. Во-первых, мелкие частицы легче транспортируются потоком воды и не забивают трубы. Во-вторых, измельчённый мусор занимает меньше места и не создаёт плотных пробок. В реальной жизни такие механизмы называются дробилками или измельчителями отходов. Они давно применяются на очистных сооружениях, но на уровне ливневой решётки встречаются редко. Наша модель показывает, как можно встроить измельчение прямо в систему.

Этап 4. Робот-очиститель трубы:

После того как мусор измельчён и превращён в безопасную крошку, в дело вступает главный элемент нашей системы — робот-очиститель. Его задача — довести трубу до идеальной чистоты, убрав все остатки грязи, ила и мелких отложений, которые не были удалены на предыдущих этапах.

Робот представляет собой самоходную платформу, которая движется внутри канализационной трубы. Он не просто едет, а тщательно вычищает каждый угол. Конструкция робота основана на двух типах передач: зубчатой передаче и червячной шестерне (Рисунок 2.1.5, Приложения).

• Зубчатая передача обеспечивает движение колёс робота. Она позволяет передавать вращение от мотора к колёсам с нужным усилием и скоростью.

• Червячная шестерня (разновидность червячной передачи) используется для создания дополнительного усилия. Червячная шестерня не позволяет механизму прокручиваться в обратную сторону, что важно для точного позиционирования робота внутри трубы.

Благодаря сочетанию этих двух механизмов робот движется плавно, но с достаточной силой, чтобы счищать прилипшие отложения со стенок трубы. В перспективе такой робот мог бы быть оснащён щётками, скребками или даже миниатюрными водомётами для гидродинамической очистки.

Этап 5. Возвращение робота и завершение цикла

Когда работа по очистке трубы завершена, в игру вступает датчик движения. (Рисунок 2.1.6, Приложения). Это ещё один датчик из набора LEGO WEDO 2.0. Он реагирует на движение объектов в зоне своей видимости. В нашей модели датчик движения установлен в конце очищаемого участка трубы. Когда робот доезжает до конца и попадает в зону действия датчика, тот подаёт сигнал на мотор. Мотор меняет направление вращения, и робот аккуратно возвращается на своё исходное место — на «парковку» рядом с кулачковым механизмом.

Таким образом, система готова к новому циклу: если снова пойдёт дождь и на решётки попадёт мусор, весь процесс повторится автоматически.

Что даёт такая конструкция для безопасности дорожного движения

Наша модель демонстрирует комплексное решение проблемы засоров. Вместо того чтобы ждать, когда мусор накопится и забьёт решётку, система работает постоянно и автоматически:

• Автомобили сталкивают мусор в канализацию (используется существующее явление).

• Кулачковый механизм измельчает мусор, не давая ему образовать пробку.

• Робот очищает трубу от остатков грязи и ила.

В результате вода уходит с дороги быстро, не создавая луж, аквапланирования и других опасных ситуаций. Водители не теряют управление, пешеходы не рискуют быть сбитыми или облитыми грязной водой, дорожное покрытие не разрушается от замерзающей воды.

Наш проект показывает, что даже в условиях меняющегося климата и растущих нагрузок на городскую инфраструктуру мы можем обеспечить безопасность и комфорт на дорогах. Мы придумали роботизированную систему, которая сделает наше будущее лучше. Представьте: никаких луж и грязи после дождя, чистые дороги, предсказуемое поведение машин и спокойные пешеходы.

2.2 Описание программы для комплексной очистки ливневой канализации от засоров.

Программа автоматической очистки ливневой канализации создана в среде LEGO WEDO 2.0. (Рисунок 2.2.1, Приложение). Программа запускается с кнопки play, состоящая и трех программ. Первая программа запускает имитацию дождя, начинает вращать червячную передачу с осевым механизмом по часовой стрелке, затем после того как, датчик движения встанет положением 0, механизм начинается вращать уже по часовой стрелке, и возвращается в исходное положение. Затем после того, как сработала имитация дождя, начинает работать лебёдка против часовой стрелки, которая имитирует дорожное движения машин. Завершает первую программу блок отправки письма для «фильтра».

Алгоритм первой программы:

1. Запуск программы;

2. Мотор по часовой стрелке;

3. Ожидание датчика движения в положение 0;

4. Мотор задаёт время работы 4 секунды;

5. Мотор против часовой стрелки;

6. Мотор задаёт время работы 4 секунды;

7. Отправка сообщения (фильтр);

После того, как отправилось сообщение «фильтр», запускается сразу же следующая программа для фильтра, при котором запускается кулачковый механизм. Вторая программа:

1. Получение письма (фильтр);

2. Мощность мотора (скорость 7);

3. Мотор против часовой стрелки;

4. Мотор задаёт время работы 4 секунды;

5. Отправка сообщения (робот);

Третья программа запускается после того, как отправиться письмо «робот».

Робот начинает двигаться вперёд по трубе, пока не приблизиться к датчику движения за тем, робот работает еще 4 секунды и возвращается в исходное положение. Алгоритм 3 программы:

1. Получение письма (робот);

2. Мощность мотора (скорость 8);

3. Мотор против часовой стрелки;

4. Ожидание датчика движения (объект приближается);

5. Мотор по часовые стрелки;

6. Мотор задаёт время работы 4 секунды.

Последовательная передача сообщений между тремя программами гарантирует корректную работу всех механизмов (червячная передача, лебёдка, кулачковый механизм, очистной робот), что доказывает принципиальную возможность создания автоматизированных систем комплексной очистки на базе программируемых конструкторов.

Заключение

В ходе работы над проектом мы полностью достигли поставленной цели и решили все задачи. Целью нашего исследования являлось создание на базе конструктора LEGO WEDO 2.0 действующей модели комплексной очистки ливневой канализации, которая в условиях экстремальных осадков предотвращает затопление улиц и тем самым обеспечивает безопасность дорожного движения. Эта цель выполнена: нами собран и запрограммирован проект, демонстрирующий полный технологический цикл — условное поступление загрязнений в трубы, механическую обработку засора (имитацию измельчения) и последующую очистку специальным роботом.

В теоретической части мы изучили проблемы подтопления улиц на примере Тюмени. Выяснили, что сильный ливень способен парализовать движение, вызвать аквапланирование и гибель двигателей автомобилей. Также мы проанализировали основные типы засоров (крупный мусор, песок, бытовые отходы, жировые отложения, корни деревьев) и установили их прямую связь с безопасностью дорожного движения: аквапланирование, снижение видимости разметки, разрушение дорожного полотна и увеличение тормозного пути.

В практической части мы реализовали комплексную очистку на базе LEGO WEDO 2.0. Действующая модель включает механизм имитации дождя, датчик наклона с лебёдкой и движущимися автомобилями, кулачковый механизм для измельчения мусора, а также робота-очистителя на основе зубчатой и червячной передач, который возвращается на место по сигналу датчика движения. Кроме того, разработана программа с запуском в одно касание, которая автоматически запускает все этапы в правильной последовательности.

Наш проект подтверждает выдвинутую гипотезу: применение автоматизированной системы комплексной очистки ливневых канализаций на базе программируемого конструктора действительно позволяет предотвратить затопление улиц даже в условиях экстремальных осадков за счёт своевременного удаления основных типов засоров. Созданная модель демонстрирует, что автоматическое обнаружение мусора, его измельчение и последующая очистка труб роботом обеспечивают беспрепятственный отвод воды с проезжей части. Пусть масштаб 1:100, но заложенные принципы могут быть применены в реальных городских системах, что особенно актуально в условиях учащающихся экстремальных осадков. Мы считаем, что предложенное решение поможет сделать улицы городов более безопасными для водителей и пешеходов.

Список использованных источников

1. https://sorokino72.ru/news/217329.html

2. https://tumen.mk.ru/social/2026/06/01/v-tyumeni-posle-dozhdey-vyroslo-chislo-zasorov-na-setyakh-vodootvedeniya.html

3. https://fedpress.ru/article/3392715

4. https://tumentoday.ru/2026/02/16/v_tyumeni_mnogoetazhku_zatopilo_fekaliyami/

5. https://tmn.aif.ru/society/v-tyumeni-zhiteli-lesobazy-zhaluyutsya-na-vechno-zatoplennuyu-dorogu

ПРИЛОЖЕНИЯ