Методы и программно-аппаратные средства дистанционного контроля состояния узлов автомобиля

Транспорт, наряду с другими инфраструктурными отраслями, обеспечивает базовые условия жизнедеятельности общества и является важным инструментом достижения социальных, экономических, внешнеполитических целей. Транспорт — не только отрасль, перемещающая грузы и людей, но, в первую очередь, межотраслевая система, формирующая условия жизнедеятельности и хозяйствования.

Стабильное развитие транспорта является гарантией единства экономического пространства, свободного перемещения товаров и услуг, конкуренции и свободы экономической деятельности, обеспечения целостности России и ее национальной безопасности, улучшения условий и уровня жизни населения.

Общая численность автомобильного парка Российской Федерации за последние 13 лет выросла в два раза. Численность легковых автомобилей — в 2,3 раза. За период с 1992 г. по 2008 г. среднегодовой прирост численности легковых автомобилей в Российской Федерации составил 7,9% (рис. 1). Для сравнения: в большинстве стран Европы и Северной Америки с развитой автомобилизацией такой прирост равен 2,4%.

В 2006 г. Россия заняла пятое место по продажам автомобилей в Европе после Германии, Великобритании, Италии и Франции. На внутреннем рынке в Российской Федерации продано немногим более двух миллионов единиц легковых автомобилей. В 2007 году на российском рынке было реализовано 2,54 млн. автомобилей, что на 23,8% больше, чем в 2006 году. В 2008 году рост продаж новых автомобилей составил рекордные 47%. Россия находится на этапе, когда прирост валового продукта способствует быстрому увеличению уровня автомобилизации населения. Следует ожидать, что дальнейший рост валового продукта в ближайшее время приведет к еще более высокому росту автомобилизации.

Хорошо известные в Европе негативные последствия автомобилизации все более явственно проявляются и в России. Это и растущий уровень дорожной аварийности, и активное загрязнение окружающей среды, и угроза транспортного коллапса.

Для комплексного решения проблем экологической безопасности, безопасности дорожного движения, оптимизации транспортных потоков и контроля технического состояния транспортных средств, предотвращения отказов и вынужденного простоя на социальном транспорте уже не достаточно разрозненных мер и механизмов контроля.

Рисунок 1. Количество транспортных средств зарегистрированных в России (млн. ед.).

За 9 месяцев (январь-сентябрь) 2008 года в Российской Федерации произошло 156 779 дорожно-транспортных происшествий, в результате которых погибли 20 992 человека, а 195 213 человек получили ранения. 10 164 ДТП произошло по вине водителей, находившихся за рулем в состоянии опьянения, в результате этих ДТП 1743 человека погибли, а 14 848 человек получили ранения. За указанный период произошло 16 759 ДТП с участием детей, в которых 766 детей погибли, а 17 429 детей получили ранения (рис. 2).

Дорожно-транспортные происшествия представляют собой серьезную проблему для Российской Федерации. Риск погибнуть в ДТП в России в пять раз выше, чем в странах Западной Европы, поэтому наша страна обладает очень высоким потенциалом в части снижения уровня аварийности. В связи с опережающими темпами роста численности парка транспортных средств и автомобилизации населения по сравнению с темпами роста протяженности дорог общего пользования обеспечение безопасности дорожного движения является одной из приоритетных задач, стоящих в настоящее время перед Российской Федерацией.

Основными видами дорожно-транспортных происшествий в России являются наезд на пешехода, препятствие и на стоящее транспортное средство, а также столкновение и опрокидывание. Свыше 75% всех дорожно-транспортных происшествий связаны с нарушениями водителями транспортных средств Правил дорожного движения Российской Федерации. Около 30% всех происшествий связаны с неправильным выбором скорости движения. Вследствие выезда на полосу встречного движения регистрируется около 13% дорожно-транспортных происшествий. Рост ущерба по ДТП представлен в таблице 1.

Рисунок 2. Число погибших в ДТП в 2004;2007 гг.

Современный уровень обеспечения автомобилями в городах уже превысил 200 штук на 1 тыс. жителей, тогда как дорожно-транспортная инфраструктура соответствует уровню 60−100 штук на 1 тыс. жителей.

Следствием такого положения дел являются ухудшение условий дорожного движения, нарушение экологической обстановки, увеличение количества заторов, расхода топлива, а также рост количества дорожно-транспортных происшествий. В настоящее время в городах и населенных пунктах происходит более 70% всех дорожно-транспортных происшествий. Темпы увеличения количества лиц, пострадавших в результате дорожно-транспортных происшествий в городах, опережают темпы увеличения количества дорожно-транспортных происшествий. Почти 60% дорожно-транспортных происшествий в городах приходится на столицы и административные центры субъектов Российской Федерации.

Таблица 1.

Социально-экономический ущерб от ДТП по видам в 2006 г.

Вид социально-экономического ущерба Размер ущерба, млрд. руб. Прирост ущерба в 2006 г. относительно 2000 г., %.

Ущерб от гибели и ранения людей 293,5 149,20%.

Ущерб от повреждения ТС 104,5 122,20%.

Ущерб от повреждения дорог и дорожных сооружений 61 138,10%.

Ущерб от порчи груза, включая упущенную выгоду 3 138,30%.

Всего 462 141%.

Усугубление обстановки с аварийностью и наличие проблемы обеспечения безопасности дорожного движения требуют выработки и реализации долгосрочной государственной стратегии, координации усилий государства и общества, концентрации федеральных, региональных и местных ресурсов, а также формирования эффективных механизмов взаимодействия органов государственной власти Российской Федерации, органов государственной власти субъектов Российской Федерации, органов местного самоуправления, общественных институтов и негосударственных структур при возможно более полном учете интересов граждан.

Высокий уровень дорожно-транспортного травматизма в нашей стране обусловливает усиление внимания к данной проблеме, прежде всего со стороны исполнительной власти, которая и призвана осуществлять государственное управление. За последние годы государственно-управленческая деятельность в области обеспечения безопасности дорожного движения вышла на качественно новый уровень. В ноябре 2005 г. проведено заседание президиума Государственного Совета Российской Федерации по вопросу «О состоянии безопасности дорожного движения и мерах по совершенствованию государственного управления в области обеспечения безопасности дорожного движения» .

По итогам заседания были даны поручения Президента Российской Федерации, в соответствии с которыми принято решение о разработке федеральной целевой программы «Повышение безопасности дорожного движения в 2006;2012 годах». Программа утверждена постановлением Правительства Российской Федерации от 20 февраля 2006 г. № 100. В силу этого ФЦП приобрела статус документа государственно-властного характера, обязательного для исполнения на всей территории страны, и стала основой национальной стратегии в области обеспечения безопасности дорожного движения.

Цели федеральной целевой программы:

— сокращение числа погибших в ДТП к 2012 году в 1,5 раза по сравнению с 2004 годом. (2004 г. — 34,5 тыс. чел.- 2012 г. — 23 тыс. чел.).

— сокращение числа ДТП с пострадавшими к 2012 году по сравнению с 2004 годом на 10%. (2004 г. — 208,6 тыс.- 2012 г. — 187,7 тыс.).

— снижение социально-экономического ущерба только от гибели людей -25 млрд. рублей.

Несмотря на чрезвычайно высокие темпы автомобилизации, благодаря своевременно принимаемым мерам, существенно замедлились темпы роста количества ДТП с пострадавшими (рис. 3, 4). По отношению к базовому 2004 году число погибших снизилось на 1198 человек. Число пострадавших детей уменьшилось на 1173 чел. о Количество ДТП ¦ Число раненых.

Рисунок 3. Замедление темпов роста показателей аварийности 2004;2007.

Ключевым направлением в деятельности по обеспечению безопасности движения является защита жизни и здоровья его участников. Снижение числа погибших может быть достигнуто активным и целенаправленным внедрением комплекса мер, способных нейтрализовать или, по крайней мере, смягчить тяжесть последствий ДТП. В целом же по абсолютным показателям состояния аварийности обстановка в стране остается сложной. Здесь следует целенаправленно и системно наращивать усилия по предупреждению дорожно-транспортных происшествий, а главное — снижению общего уровня дорожно-транспортного травматизма.

Для того, чтобы добиться поставленных целей по снижению показателей аварийности на дорогах необходимо обратить особое внимание на выполнение водителями правил дорожного движения, соблюдения скоростных режимов, содержание автомобилей в исправном техническом состоянии. Халатное отношение к своевременному техническому обслуживанию транспорта может служить причиной не только простоя автотранспорта для проведения сложных ремонтов, но и серьезных дорожно-транспортных происшествий с возможными человеческими жертвами.

Ш Транспортный риск ¦ Тяжесть последствий асоциальный риск.

Рисунок 4. Важнейшие индикаторы федеральной целевой программы «Повышение безопасности дорожного движения в 2006;2012 годах» В табл. 2, табл. 3 представлены ожидаемые показатели аварийности в условия отсутствия программно-целевого метода и динамика достижения показателей программы.

Таблица 2.

Ожидаемые показатели аварийности в условиях отсутствия программно-целевого метода.

2006 год 2007 год 2008 год 2009 год 2010 год 2011 год 2012 год.

Количество лиц, погибших в результате дорожно-транспортных происшествий, тыс. человек 35,8 36,5 37,2 37,9 38,6 39,3 40.

Количество дорожно-транспортных происшествий с пострадавшими, тыс. единиц 209 210 210 211 211 212 212.

Необходимо отдельно отметить важность разработок направленных на повышение безопасности дорожного движения общественного транспорта и транспорта осуществляющего перевозки грузов. В отличие от частного легкового автотранспорта они несут дополнительную высокую социальную нагрузку. Социальный транспорт наряду с грузоперевозками — является важной межотраслевой системой.

Таблица 3.

Ожидаемая динамика достижения показателей Программы.

20 062 012 годы всего I этап II этап.

2006 год 2007 год 2008 год 2009 год 2010 год 2011 год 2012 год.

Снижение количества лиц, погибших в результате дорожно-транспортных происшествий (по сравнению с 2004 годом), тыс. человек 29,2 — - 1 3,2 5,9 8,6 11,5.

Снижение количества дорожно-транспортных происшествий с пострадавшими (по сравнению с 2004 годом), тыс. единиц 54,9 -2 0,1 3,4 7 11 15,1 20,3.

Обеспечение безотказной работы транспорта невозможно без своевременного контроля технического состояния транспортных средств, соблюдения регламента технического обслуживания, своевременного медицинского контроля водителей. Дополнительными инструментами, оптимизирующими работу транспорта, являются контроль и оптимизация маршрутов передвижения, контроль выполнения скоростных режимов.

На социальном транспорте и грузовом транспорте, перевозящем опасные грузы особую важность принимает не только контроль за техническим состоянием основных узлов автомобилей и методы диагностики, позволяющие определить точную неисправность и устранить ее в кратчайшие сроки, но методы контроля позволяющие повысить безопасность движения на дорогах. Для такого вида транспорта важно применение систем, которые акцентируют внимание на параметрах автомобиля, критичных именно для безопасности дорожного движения. С этой целью необходимо увеличить степень контроля за погодными условиями, условиями освещенности, соблюдением скоростного режима, адекватностью действий водителя. А так же за техническими узлами автомобилей, непосредственно влияющими на безопасность дорожного движения.

Важным аспектом эксплуатации автомобилей является выполнение норм экологической безопасности. Один автомобиль ежегодно поглощает из атмосферы в среднем более 4 тонн кислорода, выбрасывая при этом с отработанными газами примерно 800 кг угарного газа, 40 кг оксидов азота и почти 200 кг различных углеводородов. В результате по России, из суммарного выброса автотранспорта за год в атмосферу поступает огромное количество только канцерогенных веществ: 27 тыс. тонн бензола, 17,5 тыс. тонн формальдегида, 1,5 тонн бензапирена и 5 тыс. тонн свинца. В целом, общее количество вредных веществ, ежегодно выбрасываемых автомобилями, превышает цифру в 20 млн. тонн. Необходимо отметить, что с точки зрения наносимого экологического ущерба, автотранспорт лидирует во всех видах негативного воздействия: загрязнение воздуха — 95%, шум -49,5%, воздействие на климат — 68%. Поэтому контроль соблюдения экологических норм является так же приоритетной задачей, особенно в крупных городах.

Применение систем дистанционной диагностики автотранспортных средств, учитывающих специфику объекта контроля и формирующих полный цикл диагностики от снятия контролируемых параметров, первичной обработки и контроля, организации передачи для последующего анализа с помощью интеллектуальных систем и до проработки отказоустойчивой инфраструктуры хранения, обслуживания и отображения данных с применением различных технологий доступа, позволит решить не только проблемы своевременного обслуживания транспортных средств, организации и поддержании норм их эксплуатации, превентивной диагностики и замены основных узлов и диагностики перемежающихся неисправностей, но и значительно повысить безопасность дорожного движения на социально важных маршрутах.

Целью исследования является повышение безопасности эксплуатации социального автотранспорта на основе совершенствования современных методов и приборов неразрушающего контроля физико-механических характеристик состояния основных узлов автомобиля и диагностики неисправностей и дефектов. А также разработка программно-аппаратного комплекса реализующего усовершенствованные методы диагностики, интеллектуальную систему определения неисправности и организацию построения комплекса с учетом требований отказоустойчивости.

В соответствии с поставленной целью были сформулированы задачи:

— Провести анализ работы основных узлов объекта контроля, выявить параметры основных узлов, требующие контроля и перечислить угрозы отказа работоспособности и безопасности дорожного движения, вызываемые несвоевременной диагностикой;

— Классифицировать параметры контроля по степени критичности для безопасности дорожного движения, экологической и технической безопасности;

— Провести анализ существующих методов и средств диагностики основных узлов автомобиля, анализ существующих методик и алгоритмов диагностики автотранспорта;

— Разработать методику диагностики, позволяющую выявлять причины перемежающихся неисправностей узлов транспортного средства;

— Разработать унифицированный аппаратный комплекс диагностики с учетом специфики современного контроля состояния электронных и механических систем автомобиля;

— Разработать программный комплекс, основанный на технологии «клиент-сервер» с внедрением современных систем безопасности, хранения и передачи данных, реализующий интеллектуальную систему диагностики и определения неисправностей;

— Провести экспериментальные исследования эффективности применения комплекса на парке автомобилей различных моделей.

Объект исследования. В качестве объекта исследования были выбраны пассажирские микроавтобусы Газель 322 132 различных годов выпуска, как наиболее массовое транспортное средство в современных пассажирских перевозках. Для подтверждения универсальности разрабатываемого решения также рассматривались микроавтобусы Мерседес Виано (Mercedes Viano), как наиболее перспективный и технически оборудованный альтернативный вариант.

При выборе объекта исследования учитывались следующие факторы:

— Объект должен являться наиболее массовым транспортным средством для организации социальных перевозок автотранспортом;

— Широкое распространение конструкции, облегчающее сбор и обработку информации о техническом состоянии и диагностике причин отказов;

— Принципиальная и практическая возможность проявления всех видов дефектов и неисправностей, что сделало бы разрабатываемую методику универсальной;

— К объекту должны применяться уже существующие методики оценки технического состояния.

Методы исследования. Основными методами исследования являлись методы дистанционного неразрушающего контроля основных деталей и узлов социального автотранспорта, ответственных за их безопасность в процессе эксплуатации. Основными направлениями исследований являлся комплексный подход к созданию алгоритмов и методик сбора, первичной обработки, передачи и анализа информации по состоянию основных узлов автомобиля, разработке программно-аппаратных средств реализующих эти методики и алгоритмы диагностики. Акцент был выбран на сочетание теоретической информации по принципам и алгоритмам современной диагностики и типам датчиков неразрушающего контроля, наиболее часто применяемым на современных автомобилях, разработке программного комплекса анализа параметрической информации и интеллектуальной системы определения неисправности, моделировании взаимодействия компонентов разрабатываемого комплекса.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в комплексном подходе к решению проблем контроля состояния современного автомобильного транспорта.

— Разработана методика дистанционной диагностики и телекоммуникационной передачи информации о техническом состоянии социального автотранспорта в удаленный центр обработки данных (ЦОД).

— Разработана интеллектуальная система определения неисправности, реализующая методики оценки технического состояния автомобиля и принятия решения о возможности дальнейшей эксплуатации.

— Разработаны алгоритмы сбора данных, первичной обработки, формирования пакета данных, передачи и обработки данных в ЦОД.

— Разработана методика дистанционной диагностики неисправностей, позволяющая выявлять причины перемежающихся неисправностей, за счет возможности проведения диагностики в момент проявления отказа.

— Разработан программно-аппаратный комплекс реализующий методику дистанционной диагностики и методы отказоустойчивости.

Практическая значимость работы. Результаты исследований могут быть использованы предприятиями, осуществляющими эксплуатацию, техническое обслуживание и контроль технического состояния парка автомобилей. Комплекс позволит осуществлять дистанционный контроль состояния узлов транспортных средств и диагностику неисправностей, контролировать соблюдение экологических норм и правил дорожного движения. Внедрение позволит проводить диагностику перемежающихся неисправностей, за счет применения предложенной методики дистанционной диагностики узлов автомобиля, а также значительно сократить сроки диагностики, за счет применения интеллектуальной системы определения неисправности и возможности контроля параметров в режиме реального времени. Внедрение комплекса сократит непредвиденные простои транспортных средств, за счет превентивного контроля тенденций изменения параметров узлов, и проведения своевременного ремонта или замены узлов и агрегатов. Комплекс реализует безопасный локальный и удаленный доступ к данным и отчетам с применением технологий Web Portal и VPN, с возможностью гибкого назначения персональных прав для каждого пользователя. При подключении дополнительного модуля GPS ГЛОНАСС возможно контролировать оптимальность маршрутов движения.

Результаты также могут быть использованы Заводом — изготовителем транспортных средств, при испытании новых моделей автомобилей в реальных условиях. За счет применения разработанной методики и комплекса ее реализующего, можно добиться высокого показателя экономической эффективности, за счет сбора статистической информации в условиях реальной эксплуатации, диагностики возникающих неисправностей различных степеней сложности и внесении соответствующих изменений в конструкцию узлов автомобиля еще до запуска в серийное производство.

Разработанный программно-аппаратный комплекс можно адаптировать для проведения централизованного дистанционного Государственного Технического Осмотра на социально важных видах автотранспорта.

Положения, выносимые на защиту.

— Методика телекоммуникационного дистанционного неразрушающего контроля технического состояния социального автотранспорта.

— Алгоритм диагностики перемежающихся неисправностей.

— Телекоммуникационная система диагностики и контроля состояния узлов современного автомобиля.

— Программный комплекс распределения, хранения и обработки данных по техническому состоянию автомобилей, реализующий интеллектуальную систему определения неисправности, алгоритмы сплайн интерполяции, основанный на технологии «клиент-сервер».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на заседаниях Кафедры Приборов контроля и систем экологической безопасности СЗТУ (С.-Пб, 2008;2009), на 5-ой международной конференции «Приборостроение в экологии и безопасности человека» (С.-Пб, 2007), на 8-ой международной конференции «Неразрушающий контроль и техническая диагностика в промышленности» (Москва, 2009).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 5 печатных работ объемом 63 страницы, из них одна — в изданиях, рекомендованных Перечнем ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, основных выводов, библиографического списка из 73 наименованийизложена на 213 страницах машинописного текставключает 33 таблицы, 97 рисунков и 3 приложения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ДИССЕРТАЦИОННОЙ РАБОТЫ.

В результате исследований были достигнуты следующие результаты:

1. Проведен анализ работы основных узлов автомобиля, выявлены параметры основных узлов, требующие применения методов неразрушающего контроля. Выявлены угрозы отказа работоспособности, вызываемые несвоевременной диагностикой.

2. Сформирован список диагностических приборов и средств, необходимых для локальной диагностики современных автомобилей. Показано, что большая часть функций диагностики локальными средствами может быть реализована с помощью приборов дистанционного контроля.

3. Рассмотрены современные методы и алгоритмы диагностики автотранспортных средств. Выявлены тенденции их развития, направленные на получение более полной информации с объекта контроля на момент проявления отказа и их недостатки, связанные с недостаточной эффективностью диагностики перемежающихся неисправностей.

4. Произведен анализ современных беспроводных технологий передачи данных. Приведены рекомендации по выбору различных технологий для применения комплекса в различных условиях. Выделена перспективная технология Mobile WiMAX (стандарт IEEE 802.16е-2005).

5. Рассмотрены современные системы дистанционного мониторинга параметров узлов автомобиля. Показаны их ограничения, основное из которых, это отсутствие в них функций, методик и алгоритмов диагностики неисправностей.

6. Рассмотрены различные алгоритмы сплайн интерполяции для анализа данных получаемых в мониторинговом режиме. Выбраны и внедрены в программный комплекс алгоритмы Кубической сплайн-интерполяции и Сплайн-интерполяция Акимы.

7. Разработана методика диагностики перемежающихся неисправностей, которая позволила получать и анализировать данные с объекта контроля в момент активной фазы проявления перемежающейся неисправности и возможности анализа изменения параметров при различных внешних воздействиях.

8. Разработан аппаратный модуль дистанционной диагностики, осуществляющий локальный сбор, анализ, формирование и отправку данных с объекта контроля в ЦОД. При разработке модуля были учтены требования унификации, методы отказоустойчивости и особенности построения современных приборов контроля и диагностики.

9. Разработана интеллектуальная система определения неисправности, позволившая сократить время, требуемое для диагностики неисправности вызвавшей отказ, за счет ведения базы данных уже известных неисправностей и набора параметров их характеризующих. В результате эксперимента была показана эффективность работы системы.

10. Классифицированы контролируемые параметры по приоритетам безопасности дорожного движения, экологической и технической безопасности. Полученные данные учтены в работе интеллектуальной системы принятия решения.

11. Разработан программный комплекс, основанный на технологии «клиент-сервер» с внедрением современных систем безопасности, хранения и передачи и обслуживания данных. Реализована инфраструктура дистанционного защищенного доступа к данным.

12. В результате проведенного эксперимента по контролю технического состояния социального пассажирского автотранспорта было установлено:

— диагностированы неисправности различных узлов, среди которых две перемежающиеся на автомобилях Газель 322 132 связанные с пропусками по зажиганию в 4 цилиндре и отказах бензонасоса. наиболее частыми являются ситуации нарушения норм безопасности дорожного движения — 62% всех событии зарегистрированных системой.

— подтвержден высокий существующий уровень аварийности на транспорте, повышенное количество обращений зарегистрировано у двух транспортных средств: Газель 322 132 2003 г. в. и Газель 322 132 2006 г. в.

— отмечены нарушения норм экологической безопасности, они составляют 20% всех обращений. Автомобили Газель 322 132 всех годов выпуска кроме 2007 показали значительно худшие результаты, чем автомобили Mercedes Viano.

— регистрация нештатных ситуаций показала, что 11% всех обращений связано именно с техническими неисправностями, возникавшими на объектах контроля.

— 5% и 2% всех обращений были регистрацией проявления необходимости превентивной замены и прохождения планового технического обслуживания.