CC BY
1
УДК 629.735
АДАПТИВНО-УПРАВЛЯЕМЫЙ МЕТОД МОНИТОРИНГА ЭКОЛОГИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ БЕСПИЛОТНЫХ ТРАНСПОРТНЫХ СРЕДСТВ
Р.Н. Сафиуллин1, В.А. Ефремова2, В.Д. Чмутов3
Санкт-Петербургский Горный университет императрицы Екатерины II 199106, Санкт-Петербург, Васильевский остров, 21 линия д.2, Россия.
Анализ нормативной базы в области экологического контроля транспортных средств установил, что существующая документация не отвечает современным экологическим требованиям. Определена необходимость в дополнительном контроле транспортных средств и ужесточении предъявляемых требований их экологических параметров в процессе эксплуатации. Определены возможности системы бортовой диагностики при контроле беспилотных транспортных средств, выявлены пределы их контроля и составляющие элементы бортовой информационно-управляющей системы. Предложена последовательность расчета экологических параметров транспортных средств, на основании которого разработан адаптивно-управляемый метод сбора и обработки информации, получаемой системой бортовой диагностики, передачи информации на общую систему управления техническим состоянием транспортного средства и экологическим контролем в режиме реального времени с возможностью их прогнозирования.
Ключевые слова: интеллектуальные транспортные системы, бортовая диагностика, транспортное средство, адаптивно-управляемый метод, экологические параметры беспилотных транспортных средств
AUTOMATED MONITORING SYSTEM FOR ENVIRONMENTAL PARAMETERS OF
UNMANNED VEHICLES
R.N. Safiullin, V.A. Efremova, V.D. Chmutov
Empress Catherine II Saint Petersburg Mining University, 199106, St. Petersburg, Vasilyevsky Island, 21 line 2, Russia.
The need to provide additional control over the environmental component of the transport industry has been raised. The main emissions from motor transport are highlighted according to the results of statistics of the Russian Federation. The most effective solution to the problem has been determined - emission limits have been indicated when monitoring a vehicle with an on-board diagnostic system - an element of the on-board information and control system. Calculations of emissions from an engine with regeneration are given, and a schematic representation of the parameters is made. An algorithm is proposed for collecting and processing information received by the on-board diagnostic system, transmitting information to the general environmental control management system in real time with the possibility of forecasting.
Keywords: intelligent transport systems, on-board vehicle diagnostics, automated monitoring system, environmental parameters of unmanned vehicles
Введение
Вопросы экологии являются одними из наиболее значимых проблем - загрязнение атмосферы и почвенного слоя, сокращение ресурсов и вопрос переработки и утилизации сырья требуют отдельного внимания. Транспортная отрасль оказывает значимое негативное воздействие на окружающую среду. В среднем за год легковой автомобиль вырабатывает в атмосферу до 800 килограмм углекислого газа, 200 килограмм углеводородов и 40 килограмм азота. Транспорт напрямую влияет на состояние окружающей среды, особенно актуальна проблема выбросов в крупных городах. Функционирование транспортно-дорож-
ного комплекса с окружающей средой происходит с учетом множества факторов, таких как ланд-шафтно-климатические и биологические факторы, параметры архитектурно-планировочной структуры населенных мест, фоновое загрязнение окружающей среды, а также количество эксплуатируемого транспорта, типаж, техническое состояние транспортных средств и режимы их эксплуатации. Однако с развитием технологий и систем экологического контроля методология оценки взаимодействия транспортно-дорожного комплекса с окружающей средой должна учитывать большее количество факторов с целью повышения экологической безопасности.
EDN EJLUUE
1 Сафиуллин Равилл Нуруллович - доктор технических наук, профессор, профессор кафедры Транспортно-тех-нологических процессов и маши, е-mail: [email protected], ORCID: 0000-0002-8765-6461;
2Ефремова Виктория Александровна - аспирант кафедры Транспортно-технологических процессов и машин,
тел.: +7 812 328-80-46, е-mail: [email protected];
Анализ статистических данных по расходу запасных частей..
2Чмутов Виктор Денисович - студент кафедры Транспортно-технологических процессов и машин, тел.: +7 812 328-80-46, е-шаП: [email protected].
Понятие экологической безопасности направлено на минимизацию уровня воздействия на окружающую среду за счет экономии энергетических ресурсов на всех стадиях жизненного цикла транспортных средств, а именно при получении сырья, переработке полученного сырья, изготовлении конструкционных материалов, периоде эксплуатации автомобиля, ремонте, разборке и утилизации транспортного средства.
Основным источником загрязнения атмосферы являются отработавшие газы. Загрязнение воздуха отдельными компонентами отработавших газов приводит к образованию фотоксидви-тов - веществ, существенно влияющих на организм человека. Наличие негативных факторов влияния отработавших газов приводит к необходимости ужесточения экологическими требований и стандартов, предъявляемых к транспортным средствам. [1-3]
Внедрение интегрированных технологий интеллектуальных транспортных систем (ИТС) в состав транспортного средства позволяет не
только проводить мониторинг, но и снижать количество выбросов транспортных средств. ИТС представляет собой всесторонний комплекс технологий, осуществляющий сбор и анализ информации, связанной с дорожным движением, транспортной инфраструктурой и техническим состоянием транспортных средств. Функционирование бортовой информационно-управляющей системы транспортного средства обеспечивает более плавное вождение, за счет контроля скорости, ускорения, следовательно, более эффективного использования топлива. По предварительным оценкам использование автоматизированного стиля вождения может снизить расход топлива на 15-20%, а общее энергопотребление - на 4%.
Основной текст
По результатам исследований выбросы от автотранспорта в атмосферу составляют 4885 тыс. т. по состоянию за 2022 г. Выхлопные газы автомобиля содержат около 200 компонентов. В таблице 1 приведены наиболее распространенные выбросы за 2020-2022 г. (Табл. 1).
Таблица 1 - Статистика наиболее распространенных выбросов от автомобильного транспорта, тыс.т.
Год Всего Выбросы
Оксид углерода Летучие органические соединения Оксиды азота Сажа Диоксид серы
2020 5137 3639 416 950 28 37
2021 4949 3499 395 922 27 38
2022 4885 3456 389 909 27 37
Существенное влияние на количество выбросов может оказать внедрение интеллектуальных транспортных систем. Одна из задач ИТС -определение и контроль экологического ущерба окружающей среды от автотранспортного средства. Транспортное средство оснащено системой бортовой диагностики - элементом бортовой информационно-управляющей системы, отвечающим за ограничение выбросов при возникновении неисправности какой-либо из систем транспортного средства. При помощи постоянной системы обработки данных и мониторинга технического состояния транспортного средства система бортовой диагностики способна выявлять зону неисправностей и прогнозировать возможные причины сбоев. На основании полученных данных система проводит мгновенную или динамичную топливную балансировку, подразумевающую калибровку топливного режима с целью компенсирования различия при смене режимов работы двигателя. Кроме того, система бортовой диагностики может содержать информацию, необходимую для проведения технического обслуживания и диагностического контроля. [4-6]
Система бортовой диагностики информирует о некорректной работе любых элементов и систем транспортного средства, влияющих на количество выбросов, если неисправность влечет к превышению предельных величин выбросов (Табл.2).
Минимальные требования, предъявляемые к системе, заключаются в контролировании следующих параметров:
1. Изменения эффективности каталитического нейтрализатора в отношении выбросов общих углеводородов и оксидов азота (Табл. 2)
2. Пропуск зажигания в двигателе.
3. Некорректный режим работы кислородного датчика.
4. Целостность цепи процесса электронной очистки выбросов.
5. Электронные системы, контролирующие механизмы количественного и временного регулирования системы впрыска топлива.
6. В случае появлении неисправностей в работе система бортовой диагностики активирует индикатор неисправности, целью которого является предупреждение водителя или оператора транспортного средства.
И.В. Денисов
Информирование производится в соответствии с ISO 2575. [7-9]
Таблица 2 - Пределы значения выбросов при функционировании бортовой диагностики
Окончательные предельные значения выбросов бор ртовой диагностики
Контрольная масса (RM) (кг) Масса мо-ноксида углерода (CO) (мг/км) Масса углеводородов, не содержащих метан (NMHC) (мг/км) Масса оксидов азота (No) (мг/км) Масса взвешенных частиц (МЧ) (мг/км)
Категория Класс PI CI PI CI PI CI CI PI
М — Все 1900 1750 170 290 90 140 12 12
N1 I RM < 1305 1900 1750 170 290 90 140 12 12
N1 II 1305< RM<1760 3400 2200 225 320 110 180 12 12
N1 III 1760<RM 4300 2500 270 350 120 220 12 12
N2 — Все 4300 2500 270 350 120 220 12 12
Предварительные п редельные значения выбросов бортовой диагностики
Категория Класс PI CI PI CI PI CI CI PI
М — Все 1900 1750 170 290 150 180 25 25
N1 I RM < 1305 1900 1750 170 290 150 180 25 25
N1 II 1305< RM<1760 3400 2200 225 320 190 220 25 25
N1 III 1760<RM 4300 2500 270 350 210 280 30 30
N2 — Все 4300 2500 270 350 210 280 30 30
Временные предельные значения выбросов бортовой диагностики
Категория Клас с CI CI CI CI
М — Все 1900 320 240 50
N1 I RM < 1305 1900 320 240 50
N1 II 1305< RM<1760 2400 360 315 50
N1 III 1760<RM 2800 400 375 50
N2 — Все 2800 400 375 50
Материалы и методы
Ущерб от выброса вредных веществ в атмосферу рассчитывается:
У=К хК2 хКэХМвв
где К1 - нормативная константа, переводящая условную оценку выбросов в денежную с учетом индекса инфляции; К1 = 0,0497 руб./кг;
К2 - показатель опасности загрязнения атмосферы над различными территориями (для жилых районов городов с преимущественно высотной застройкой, включая улицы, магистрали и парки К2 = 5);
К3 - коэффициент, учитывающий характер рассеивания примесей в атмосфере (Кз = 12);
Мвв - приведенная к оксиду углерода масса выбросов вредных веществ (с учетом относительной агрессивности), кг.
Приведенная к оксиду углерода масса выбросов вредных веществ, кг
Мвв = I М^ где Мвв - масса выбросов ьго вредного вещества, кг;
Ь - показатель относительной агрессивности >го вредного вещества.
Для более детализированного анализа выбросов требуется сбор информации с каждого отдельного транспортного средства и единой системы управления экологического контроля. Таблица 3 - Показатели относительной агрессивности вредных веществ
Вредное вещество СО СН NOx Твердые частицы
Показатель относительной агрессивности k 1,00 2,16 6,90 144,00
Система бортовой диагностики активируется минимум один раз за период вождения и передает полученную информацию о работе систем транспортного средства и их влияние на экологическую составляющую. Вводится понятие эксплуатационной эффективности системы бортовой диагностики транспортного средства. Показатель эксплуатационной эффективности выражается в соотношении продолжительности движения транспортного средства к периодичности выполнения контрольной программы и направлен на
Адаптивно-управляемый метод мониторинга экологических параметров ...
ограничение загрязнения окружающей среды посредством контроля работы систем:
Ьэ
ПЭЭ = —, п
где £э - продолжительность эксплуатации ТС, с;
п - периодичности выполнения контрольной программы.
На основании собранной информации система бортовой диагностики генерирует диаграмму выбросов в процессе эксплуатации транспортного средства, что может быть использовано при испытании транспортного средства на уровень экологического соответствия (рис. 1). Расчета уровня выбросов системой разовой регенерации учитывает выбросы вещества без регенерации:
М„
п>2,
где М'цц - выбросы агрязняющего вещества (О в ходе одного эксплуатационного цикла без регенерации, г/км;
п - количество испытательных точек. Выбросы в процессе регенерации:
Мп =
Ц=гМ'гЦ й
1. Конфигурация сценариев управления ИТС, в которой отображается работа систем, прогнозирование движения и технического состояния транспортного средства, а также ситуационный режим управления.
2. Цифровая экологическая система - отчёт оценки окружающей среды.
3. Автоматизированная система управления дорожным движением, включающая информацию о состоянии улично-дорожной сети.
где М'гц - выбросы загрязняющего вещества (О в ходе одного эксплуатационного цикла с регенерацией, г/км; d - необходимое количество циклов для регенерации.
. (Мз1В + Мпй)
Мр1 = 1 в + а I
где В - число циклов на этапах регенерации.
Проводятся исследования с целью повышения информативности и точности данных имеющихся систем. Проводится визуализация демонстрации работы электронных блоков управления, позволяющих анализировать методики моделирования работы двигателя с имитацией неисправностей. Одно из таких изобретений - Автоматизированная система мониторинга экологических параметров двигателя внутреннего сгорания транспортных средств (Патент RU#2739652), представляющая устройство для стендовых испытаний ДВС с принудительным зажиганием с жидким и газообразным топливом. [10-12] Основной недостаток существующей системы контроля экологических параметров - отсутствие единой информационной базы, отражающей общее экологическое состояние выбранной территории при анализе работы каждого отдельного транспортного средства. Требуется сбор и анализ информации, получаемых с систем бортовой диагностики транспортных средств и элементов транспортной инфраструктуры. Таким образом, информация обрабатывается бортовой информационно-управляющей системой и автоматизированной системой управления, после чего отражается в единой системе управления и экологического контроля [13-14]. Система подразделяется на 3 основных блока (рис. 2):
Рисунок 1 - Модель контроля экологических параметров транспортных средств при применении системы бортовой диагностики
Заключение
Проанализирована нормативная база в области экологического контроля транспортных средств, установлена необходимость корректировки существующих требований и документации в отношении беспилотных транспортных средств. Предложена методика расчета выбросов с учетом возможностей системы бортовой диагностики транспортного средства. Разработан адаптивно-управляемый метод формирования получаемой информации в систему управления техническим состоянием транспортного средства и экологического контроля, позволяющий проводить мониторинг, прогнозировать и снижать количество выбросов.
Литература
1. Система экологического мониторинга как подсистемы интеллектуальной транспортной системы // Организация дорожного движения и безопасность на дорогах европейских городов : материалы Международной молодежной научно-практической конференции, Орел, 23 апреля 2014 года / Чешский технический университет в Праге, ФГБОУ ВПО «Госуниверситет -УНПК». - Орел: Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Государственный университет - учебно-научно-производственный комплекс", 2014. - P. 46-49. - EDN ШШ^.
2. Комаров, В. В. Интеллектуальные задачи телематических транспортных систем и интеллектуальная
Р.Н. Сафиуллин, В.А. Ефремова, В.Д. Чмутов
транспортная система / В. В. Комаров, С. А. Гараган // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. - 2012. - Т. 6, № 4. - С. 34-38. - EDN PWMAPZ.
Цэанспортное средство Транспортная инфраструктура
1
Автоматизированная система управления транспортным средством:
X
V2X
Бортовая информационно-управляющая система
Подсистема восприятия
Подсистема пл анир ования
Подсистема контроля
Система управления и экологического контроля
Конфигурация сценариев управления ИТС
1. При штатном режиме -автоматическое или автоматизированное управление 2. Нештатное управление — ситуационный режим управления 3. Возможность конфигурации различных сценариев в базе ИТС 4. Генерация нового сценарного плана с уточнением пар аметров управления 5. Прогнозирование транспортной ситуации и выбранного сценария движения для наибольшей эф ф ективно ста
Цифровая экологическая система 1. Оценка состояния окружающей среды в режиме реального времени 2. Автоматизация контрольной деятельности в сфере экологии 3. Контроля органами исполнительной власти со б лщдений пр авил экологической безопасности 4. Обеспечение контроля качества атмосферного воздуха 5. Анализ и прогнозирование погодных условий, состояния дорожного покрытия и пр.
Автоматизированная система упр авл ения дор ожным движением 1. Централизованное управление дорожным движением по средством светофорного регулирования на основании данных о трафике 2. Получение информации о загрузке улично-дорожной сета, анализ экологической со ставляющей
Рисунок 2 - Структурная модель сбора, обработки и передачи информации в единую систему управления техническим состоянием транспортного средства и экологического контроля
3. Сафиуллин, Р. Н. Методы внедрения систем удалённого диагностирования пассажирского транспорта в городских агломерациях / Р. Н. Сафиуллин, Р. Р. Сафиуллин, К. В. Сорокин // Технико-технологические проблемы сервиса. - 2023. - № 4(66). - С. 18-24. - EDN FXOCET.
4. Safiullin, R.N., Safiullin, R.R., Efremova, V.A.Method of complex assessment of on- board information and control systems on mining machines // Mining Informational and Analytical Bulletin. - 2023. - No 9-1. - С. 49-63. DOI: 10. 25018/0236/1493/2023/91049.
5. Николаев, В. И. Системотехника: методы и приложения / В.И. Николаев, В.М. Брук. - Л.: Машиностроение, 1985. - 199 с.
6. Подиновский В. В. Оптимизация по последовательно применяемым критериям / В.В. Подиновский, В.М. Гаврилов. - М.: Советское радио, 1975. - 192 с.
7. Борисов C. В., Колтунова Е. А., Кладиев С. Н. Совершенствование структуры имитационной модели тягового асинхронного электропривода рудничного электровоза / Записки Горного института. — 2021. — Т. 247. - C. 1-8. DOI: 10.31897/PML2021.1.12.
8. Бузмаков С. А., Санников П. Ю., Кучин Л. С., Иго-шева Е. А., Абдулманова И. Ф. Применение беспилотной аэрофотосъемки для диагностики техногенной трансформации природной среды при эксплуатации
нефтяного месторождения // Записки Горного института. - 2023. - Т. 260. - С. 180-193. DOI: 10.31897/PMI.2023.22.
9. Назарычев А.Н., Дяченок Г.В., Сычев Ю.А. Исследование надежности тягового электропривода карьерных самосвалов на основе анализа отказов его функциональных узлов // Записки Горного института. - 2023. - Т. 261. - C. 363-373.
10. Курганов В.М., Грязнов М.В., Колобанов С.В. Оценка надежности функционирования экскаваторно-автомобильных комплексов в карьере // Записки Горного института. - 2020. - Т. 241. - C. 10. DOI: 10.31897/pmi.2020.1.10
11. Козярук А.Е., Камышьян А.М. Повышение энергетической эффективности электромеханической трансмиссии карьерного автосамосвала // Записки Горного института. - 2019. - Т. 239. - C. 576. DOI: 10.31897/pmi.2019.5.576.
12. Integrated assessment of methods for calculating harm caused by vehicles in transport of heavy cargoes. Afanasyev, A.S. IOP Conference Series: Earth and Environmental Sciencethis, 2018, 194(7), 072011.
13. Мethod of forming an integrated automated control system for intelligent objects Haotian , Epishkin, A., Safiullin, R. CEUR Workshop Proceedings, 2021, 2922, стр. 17-26.
