Методика расчета информационной загрузки водителя при движении в транспортном потоке Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

С.П.Жаров

Курганский государственный университет, г. Курган

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ИНФОРМАЦИОННОЙ ЗАГРУЗКИ ВОДИТЕЛЯ ПРИ ДВИЖЕНИИ В ТРАНСПОРТНОМ ПОТОКЕ

В последние годы в связи с резким увеличением количества автомобилей на дорогах, произошло повышение информационной загрузки водителя от внешних факторов, одновременно с этим возросла и информационная загрузка по внутренним информационным каналам (приборная панель, аудио- и видеотехника в автомобиле).

С позиции теории информации процесс управления режимами движения автомобиля может быть охарактеризован тенденцией упорядочения, связанной с уменьшением возможного многообразия состояний системы А-В-Д. При этом многообразие возможных возмущений в системе должно компенсироваться таким же многообразием управляющих воздействий.

В качестве возмущающего воздействия могут быть изменение макро- и микропрофиля дороги, изменение интенсивности транспортного потока, ограничения по безопасности движения, считывание информации с приборов и т.д.

Важной задачей при управлении автомобилем является обеспечение с определенной точностью некоторых

требуемых значений скорости определяющих состояние системы А-В-Д при действующих в ней возмущениях.

Можно сказать, что процесс управления протекает удовлетворительно, если разница между требуемой скоростью V и действительной V' не превышает определенной величины Sv [1]:

Ъ(\\ (1)

где у', У - требуемая и действительная скорость движения;

8 - порог различимости по скорости.

Аналогично можно записать:

¿0:])=\1'-])<ег (2)

где у,у -требуемое и действительное ускорение;

8.- порог различимости по ускорению.

Под порогом различимости понимается наибольшее значение модуля разности двух скоростей V' и V или двух ускорений и _/, внутри которого управляемый параметр всегда колеблется без ущерба эффективности процесса в целом.

Если 5(Ч>', V) > 8у , то два любых режима и можно назвать 8 -различимыми, если Ъ(у \ V) < 8 , то 8-не-различимыми. При этом на реальном диапазоне скоростей можно указать максимально возможное число -различных между собой состояний системы [1]:

\у\

/Л8у = /3)

где |Д8у - количество различимых между собой состояний системы;

V -диапазон изменения скорости.

В качестве меры максимально возможного разнообразия скоростных режимов можно принять 8 - емкость множества:

=1°ё 2 ' <4>

Рассуждая аналогично, можно записать:

Ы.=1о% 2 |Д8;, (5)

По своему смыслу эти величины представляют собой максимальную энтропию системы А-В-Д относительно скоростного режима и режима ускорения, и в принципе этот максимум достигается тогда, когда все скоростные режимы, отличающиеся на величину порога различимости 8у, 8 , равновероятны. На практике скорость автомобиля и его ускорение могут принимать различное

значение У1 е |V_/г- е |у'| не с равной вероятностью, а в

соответствии с некотором законом распределения так, что каждому скоростному режиму \ или режиму ускорения ] в определенный момент времени может быть поставлена его реализация £)(/.,

Тогда энтропия системы А-В-Д относительно скоростного режима определяется:

/леу

Я (v, = £ р(у„01од 2 Р(У„1). (6)

г=1

Для режима ускорения:

Я (], I; £ РСЦ) Юд 2 1%Л), (7)

г =1

где но (у, у, но С у, у - энтропия системы А-В-Д относительно скоростного режима и режима ускорения;

Р(у/Л), -теоретические вероятности рас-

пределения скорости и ускорения автомобиля.

Энтропия характеризует неопределенность состояния системы относительно данного режима и выступает в роли информационного потенциала.

Осуществляя управление автомобилем, водитель выдерживает определенный скоростной режим, тем самым изменяя априорные вероятности данных событий до некоторого нового значения р(у л), р(]- л), которому соответствует новое значение энтропии системы А-В-Д по скоростному режиму и режиму ускорения:

/леу

я (у , р(у Л) Юд 2 р(у Л), (8)

^1

Я/./, V £ РО Л) ¡од РО Л), (9)

у 4=1 ^ ^

где Ну (у, (],[)— энтропия системы А-В-Д

относительно скоростного режима и режима ускорения соответственно с учетом управляющих действий водителя;

Р(У Л), РО 'V ~ вероятность реальных распреде-

лений скорости и ускорения автомобиля с учетом управляющих действий водителя.

Таким образом, сущность управления осуществляемого водителем заключается в изменении энтропии в сторону уменьшения, при этом в реальных условиях это изменение определено информацией возмущающих воздействий дорожно-транспортной ситуации 3^ и информацией возмущающих воздействий профиля дороги J

АН 1Н,/У,1) Н,/] ,1)1

[Ну(У , 1)+ Ну(], 1)]= + (10)

где ан - разность энтропии системы А-В-Д до и после процесса управления.

Процесс движения автомобиля характеризуется определенным ритмом поступления информации о дорожной обстановке и режимах работы автомобиля к водителю, а затем от водителя через органы управления к автомобилю.

Возмущающее действие среды движения проявляется в возникновении ситуаций, которые приводят к необходимости изменения режима движения автомобиля. Многообразие этого воздействия оценивается энтропией возникновения подобных ситуаций, и количественно может быть оценено информацией, поступающей к водителю от дорожно-транспортных помех:

Л

п

Т.

1=1

Р, 1о9

2?Г

(11)

где Jт-информация возмущающих воздействий дорожно-транспортных помех;

Р- вероятность /-Й ситуации, приводящей к необходимости отклонения от заданных режимов движения;

п - число таких ситуаций.

Одним из основных возмущающих факторов при движении автомобиля является воздействие транспортного потока. При движении в транспортном потоке необходимость в обгоне пропорциональна интенсивности потока в прямом направлении, вероятность необходимости в обгоне в момент времени ^ равна:

р2 = 0-ЛА/36ОО ; (12)

где Р1 - вероятность появления впереди автомобиля с меньшей скоростью;

Л/, - интенсивность транспортного потока в попутном направлении;

^ - интервал времени; е - основание натурального логарифма.

Возможность обгона зависит от наличия в потоке встречного направления времени t2 достаточного для совершения обгона, которое должно быть в два раза больше необходимого на обгон времени. Среднее значение времени обгона находится в пределах 10... 13 секунд [1]. Следовательно, интервал времени, необходимый для безопасного обгона, принимаем равным 25 с. Вероятность наличия данного интервала времени на встречной полосе равна:

р = / 3600

Г2 е 2 2

(13)

где Р2 - вероятность наличия интервала времени на встречной полосе;

t2 - величина интервала времени на встречной полосе, необходимого для безопасного обгона.

При наступлении событий 1 и 2 обгон возможен, вероятность невозможного обгона наступает при отсутствии интервала времени в период времени ^ , когда в попутном направлении появился автомобиль с меньшей скоростью, и эта вероятность равна:

,-(#1*1 +7^2 V 3600

р3 = 1-е

где Р - вероятность невозможного обгона.

(14)

При условии одинаковой интенсивности движения по обеим полосам:

р,

-лг1(г1+г2)/3600

3 - - (15)

Таким образом, вероятностное воздействие транспортного потока на исследуемый автомобиль описывается приведенными выше зависимостями. Информация от этих воздействий определяется выражением:

Л = Р1 юд2Р1 + /\ юд2р2 + р3 юд2р3. (16)

Сильным возмущающим воздействием в определенных условиях движения обладает профиль и характеристика дорожного покрытия. Количество этих воздействий можно оценить информацией:

3 =

2,4 (а + в)е

(л+вут

(\-(л + в)т/3) '

(17)

где А - математическое ожидание числа изменений макропрофиля дороги;

В - математическое ожидание числа изменений микропрофиля дороги;

Т - время движения автомобиля.

Объективную информацию о скоростном режиме автомобиля водитель получает от спидометра. Количественная оценка этой информации определяется по зависимости [3]:

у 2 А V

(18)

где 3 — информация о скоростном режиме автомобиля;

- среднеквадратичное отклонение скорости автомобиля за время наблюдения;

Л\ - цена деления шкалы спидометра.

Кроме того, водитель получает информацию о скоростном режиме работы двигателя, которая поступает от тахометра и определяется аналогично:

(19)

ной полосе;

где ип - информация о скоростном режиме двигателя; вп- среднеквадратичное отклонение частоты вращения коленчатого вала двигателя;

Ап - цена деления шкалы тахометра.

Данная информация представляет собой приборную информацию и используется водителем для принятия решений по управлению автомобилем.

Для автомобиля с дизелем, оснащенным всережим-ным регулятором, управляющие действия будут форми-

роваться под действием информационных потоков трех контуров управления.

Первый контур управления, компенсирующий многообразие возмущающих воздействий дороги на двигатель, основан на управляющем действии всережимного регулятора на рейку ТНВД. Естественно, что как возмущающие воздействия дороги, так и изменение положения рейки ТНВД есть величины непрерывные и случайные. Это дает основание применить к определению многообразия управляющих воздействий первого контура зависимость [3]

h max

■J, j f(h) log2f(h) d(h) log2Ah

h min

2AÄe

XT

Л

(1-1773)'

2Aae

aT

3, =

(1-аГ/З)'

Таким образом, выше показана принципиальная возможность оценки информационных процессов, происходящих при функционировании системы А-В-Д. Схема формирования информационных потоков в системе А-В-Д показана на рис. 1.

Водитель является активным элементом этой системы, но в то же время его информационная пропускная способность ограничена психофизиологическими характеристиками. Это приводит к тому, что те потенциальные качества, которые заложены в конструкцию автомобиля при его проектировании, не используются полностью.

(20)

где h min, h max - реальные значения по минимуму и максимуму хода рейки;

Ah - интервал квантования хода рейки.

Второй контур управления призван компенсировать многообразие возмущающих воздействий дорожных условий через педаль управления подачей топлива и тормозной педали в том случае, если многообразия управляющих воздействий по первому контуру недостаточно.

Многообразие управляющих воздействий по второму контуру управления оценивается количеством информации, которое вычисляется по экспериментальным данным:

(21)

где Х - математическое ожидание числа перемещений педали подачи топлива и тормозной педали в единицу времени;

О - время наблюдения.

Третий контур управления призван компенсировать возмущающие воздействия внешних факторов через дискретные преобразования множества управляющих воздействий изменения передаточного числа КП. В рамках рассматриваемой задачи определяем многообразие воздействий в третьем контуре по экспериментальным данным, используя аналогичную зависимость:

(22)

где а - математическое ожидание числа переключений передач в единицу времени;

33~ количество информации по третьему контуру управления.

Информация по второму и третьему контурам управления представляет собой командную информацию, передаваемую водителем через педаль подачи топлива и рычаг переключения передач к автомобилю.

В свою очередь информационные потоки, описанные выше, формируются в подсистемах ВОДИТЕПЬ-АВ-ТОМОБИЛЬ (В-А) и АВТОМОБИЛЬ-ДОРОГА (А-Д), под действием возмущающих факторов дорожных условий и среды движения, информация о которых поступает от того или иного источника на сенсорные входы водителя [1], преобразуется им в моторную реакцию на рычагах управления.

Рис. 1. Схема формирования информационных потоков

Количество информации, в единицу времени поступающее к водителю автомобиля, формируется под действием вышеописанных факторов, при этом система информационного обеспечения водителя, включающая в себя указатели приборной панели автомобиля, органы управления и устройства автоматического управления должны быть спроектированы так, чтобы, с одной стороны, оптимизировать процесс управления посредством предоставления водителю необходимой информации и частичной автоматизации процесса управления, а с другой стороны, избежать информационной перегрузки водителя:

Зш < Ой, (23)

где Зш - общее получаемое водителем количество информации;

Ой- информационная пропускная способность водителя, которая находится в пределах 3,5...9,5 бит/с [1].

Общее количество информации, поступающее к водителю, равно сумме информации от различных источников и в работе определено по зависимости:

Зоб = 3 + У + л + 3, + 3v + 3„

(24)

Вероятность информационной перегрузки водителя возрастает с уменьшением времени на переработку информации, а следовательно, с увеличением скорости автомобиля. Информационная загрузка водителя возрастает также при увеличении количества информации, величина которой в значительной степени зависит от условий движения - в частности от интенсивности транспортного потока, от наличия дополнительных источников информации в кабине.

Данные источники часто предоставляют водителю дополнительную информацию, которую можно оценить

количественно по формуле [1]:

^ х шах / ^ 2 Л

:х= X \ «г* - -10822ЯВх+^-Ю82е (25)

X Ш111 \ /

где их - количество информации по контролируемому параметру;

х - среднее значение параметра;

Иб - дисперсия распределения параметра.

Предлагаемый метод позволяет оценить информационную загрузку водителя, а это является важным аспектом в вопросах безопасности движения. Методика была апробирована в дорожных испытаниях автомобилей КамАЗ при движении в различных условиях.

Результаты режимометрирования позволили получить данные для проведения информационного анализа работы системы А-В-Д в различных условиях движения, а также определить ограничения скоростных режимов разгона на каждой передаче.

Распределение скоростных режимов работы автомобиля (скорость) и двигателя (частота вращения коленчатого вала) характеризуют информационную загрузку водителя, для количественной оценки которой использованы формулы (18 и 19), полученные значения приведены в таблице 1.

Таблица 1

Характеристика параметров работы автомобиля и водителя в системе А-В-Д

Показатели Интенсивность транспортного потока

600 авт/ч 400 авт/ч 200 авт/ч

1. Среднее значение частоты вращения коленчатого вала, (об/мин)* 1621 1696 1794 1834 1905 1925

2. Среднеквадратичное отклонение частоты вращения,(об/мин) 395 354 315 318 294 268

3. Информация поступающая к водителю от тахометра,(бит/с) 2,03 1,87 1.71 1.72 1,28 1,47

4. Среднее значение скорости автомобиля, (км/ч) 43,2 38,4 54,2 49,4 64,6 62,9

5. Среднеквадратичное отклонение скорости, (км/ч) 9,08 9,02 9,03 8,87 9,32 9,21

6. Информация поступающая к водителю от спидометра, (бит/с) 1,51 1,4 1А 1,38 1,45 1,43

• В числителе приведены значения для автомобиля КамАЗ-5511 без груза, в знаменателе для автомобиля с номинальной загрузкой

Частота вращения коленчатого вала двигателя изменяется в широких пределах, среднее значение частоты вращения увеличивается при движении автомобиля без груза в потоке с интенсивностью 600 авт/ч от 1620 до 1920 об/мин, при движении в транспортном потоке интенсивностью 200 авт/ч, что составляет 12%. При движении с грузом частота вращения коленчатого вала соответственно возрастает с 1695 до 1926 об/мин.

Общей тенденцией изменения частоты вращения коленчатого вала является увеличение рассеивания параметра в более сложных условиях движения, что в свою очередь вызывает увеличение информационной загрузки водителя. Так при движении в транспортном потоке интенсивностью 200 авт/ч, удельное количество информации, поступающее к водителю от тахометра автомобиля, равно 1,78 бит/с, а при движении в потоке интенсивностью 600 авт/ч 2,03 бит/с. Это вызвано увеличением доли неустановившихся режимов движения, процентное содержание которых возрастает с 30% при движении в потоке 200 авт/ч до 70 % при движении в потоке интенсивностью 600 авт/ч (табл. 2).

Таблица 2

Распределение режимов работы дизеля автомобиля КамАЗ-5511

Интенсивность транс-

Режимы работы дизеля (в % от портного потока

общего времени работы) 600 400 200

авт/ч авт/ч авт/ч

Установившиеся режимы 26,12 28,1 48,4 46,02 69,2 64,4

Режим разгона 39,17 27,11 20,51

39,4 28,1 26,7

Режим замедления 34,12 24,49 10,29

32,5 25,88 8,9

При этом следует отметить, что водитель стремится поддерживать частоту вращения коленчатого вала двигателя в зоне максимального крутящего момента. Это достигается посредством изменения передаточного числа КП (табл.3).

Таблица 3

Распределение времени работы автомобиля на разных передачах

Интенсивность транс-

Передача (время работы) % портного потока

600 400 200

авт/ч авт/ч авт/ч

Нейтральная 22 9,9 2А 2,2 4А 4,2

Первая Се - =

Вторая ЪА 4,6 01 0,2 0^2

Третья 19,1 23,4 йЛ 9,2 12 2,9

Четвертая 48 42,8 49,8 51,2 29,4 28,3

Пятая 20,8 17,7 40,6 37,2 63.5 65.6

Среднее передаточное число 1,52 1,72 1,35 1,39 1.15 1.16

При движении в транспортном потоке интенсивностью 500 авт/ч возрастает время работы на более низких передачах, при этом среднее передаточное число КП равно 1,56 для порожнего автомобиля и 1,72 при движении полностью груженого автомобиля.

При движении в транспортном потоке интенсивностью 200 авт/ч среднее передаточное число КП равно соответственно 1,15 для порожнего автомобиля и 1,16 для автомобиля с грузом.

Движение в транспортных потоках высокой интенсивности наиболее сложно. Количество управляющих воздействий по переключению передач возрастает с 15 до 100 переключений в час при движении соответственно в транспортном потоке интенсивностью 200 и 600 авт/ч. Количество удельной информации по этому контуру управления приведено в таблице 4.

Условия движения в значительной степени оказывают влияние на скорость движения автомобиля, при движении в транспортном потоке интенсивностью 200 авт/ч средняя скорость равна 62,9...64,6 км/ч, а при движении в транспортном потоке интенсивностью 600 авт/ч - 38,4...43,2 (табл.1). Следует отметить, что разброс параметра практически не изменяется, а следовательно, количество информации от спидометра изменяется незначительно и составляет 1,38...1,51 бит/с (табл.1).

Таким образом, удельное количество информации,

поступающее к водителю от приборов автомобиля, зависит в основном от их конструкции (формы предоставления информации, цены деления шкалы прибора и т.д.).

Управление скоростными режимами водитель в большей степени осуществляет через педаль подачи топлива, при этом количество воздействий возрастает от 140 нажатий в час до 400 при движении соответственно в транспортном потоке интенсивностью 200 и 600 авт/ч (табл. 4).

Таблица 4

Характеристика управляющих действий водителя при движении автомобиля

Интенсивность транс-

Показатель портного потока

600 400 200

авт/ч авт/ч авт/ч

1. Число переключений передач в час 115 43 12

119 48 14

2. Количество информация по третьему 0,736 0,375 0,236

контуру управления, бит/с 0,794 0,397 0,256

3. Число перемещений педали подачи 360 205 150

топлива и тормозной педали в час 400 240 150

4. Количество информации по второму 4,69 26 1,075

контуру управления, бит/с 4,33 2,98 1,075

Для полной характеристики информационных связей в системе А-В-Д необходимо оценить внешнюю информацию, поступающую к водителю от дороги и транспортного потока.

Количественно информационное воздействие транспортного потока оценивается по формуле (16). Кроме транспортного потока информационное воздействие на водителя оказывают средства регулирования движения. Количественно данный поток можно рассчитать, используя показатель удельного количества остановок (табл. 5). Возмущающее воздействие профиля дороги оценивается формулой (17). Макропрофиль можно оттенить удельным количеством уклонов, учитывая, что экспериментальные исследования проводились на равнинной местности, возмущающее воздействие макропрофиля невелико. Математическое ожидание числа изменений свойств микропрофиля может быть оценено посредством показаний толчкомера [4]. Данные расчетов сведены в таблицу 5.

Таблица 5

Количество информации, поступающее к водителю от средств дорожного регулирования и профиля дороги

Показатель Интенсивность транспортного потока

600 авт/ч 400 авт/ч 200 авт/ч

1. Удельное количество остановок (ост/км) 0,4 0,2 -

2. Математическое ожидание числа изменений макропрофиля (уклон/км) - 0,2 0,2

3. Математическое ожидание числа изменений микропрофиля (см/км) 100...200 100...200 100...200

4. Средняя скорость движения автомобиля (км/ч) 43,2 54,2 64,6

5. Количество информации, поступающее к водителю, бит/км (бит/с) 9,47 (0,943) 9,21 (0,574) 8,92 (0,16)

Таким образом, водитель во время движения автомобиля является центральным управляющим звеном в системе А-В-Д, так как через него проходят все основные информационные потоки, на основании которых он избирает алгоритм управления движением автомобиля. Однако его информационная пропускная способность невысока, так для нормальных условий работы она находится в пределах 3,5...9,5 бит/с [1]. Кратковременно, в моменты пиковых информационных нагрузок, информационная пропускная способность водителя может достигать 16 бит/с.

Учитывая массовость профессии водителя и отсутствие специальных психологических тестов для водителя при приеме на работу, при конструировании автомобиля необходимо ориентироваться на способности нормального человека.

Повышение интенсивности транспортного потока приводит к увеличению информационной нагрузки на водителя, при этом резко возрастает количество управляющих воздействий водителя на органы управления автомобилем. Рассчитанная информационная загрузка водителя находится на пределе его информационной пропускной способности, а при интенсивности транспортного порока выше 500 авт/ч превышает её. Следовательно, для автомобилей КамАЗ при существующей конструкции системы информационного обеспечения часть управляющих воздействий необходимо передать автоматической системе управления.

Список литературы

1. Жаров С.П. Разработка системы информационного обеспечения

водителя с целью повышения топливной экономичности грузового автомобиля с дизелем: Дис.... канд. техн.наук.- Курган, 1992.-180с.

2. Васильев В.И., Глазырин А.В., Шарыпов А.В., Жаров С.П. Приложе-

ние теории информации к анализу транспортного процесса: Сборник «Пути дальнейшего совершенствования организации перевозок в сельской местности и пригородном сообщении». -Курган: Полиграфист, 1983.

3. Жаров С.П. Приложение транспортной психологии к оценке системы

«Автомобиль-водитель-дорога»: Сборник «Совершенствование эксплуатации и обслуживания автомобилей».-Курган: КГУ, 1996.

А.В. Зайцев

Курганский государственный университет, г. Курган

ОСОБЕННОСТИ ТЕПЛООБМЕНА В ТРАНСМИССИОННЫХ РЕДУКТОРАХ С НЕОДНОРОДНОЙ КОМПОНОВКОЙ

Большинство трансмиссионных редукторов автомобилей (коробки передач, раздаточные коробки, колесные редукторы) можно считать агрегатами с однородной компоновкой. Для них характерна высокая плотность размещения зубчатых колес, малые торцевые и радиальные зазоры между зубчатыми колесами и картером, достаточно равномерная по объему редуктора интенсивность гидродинамических процессов. Рассмотрение теплообмена в таких редукторах подчиняется классической схеме: тепловыделение за счет потерь мощности, теплообмен между зубчатыми колесами и масляной ванной, внутренняя теплоотдача (от масла к картеру), теплопроводность через стенки картера, внешняя теплоотдача (от картера в окружающую среду). Для всех этих процессов имеются расчетные зависимости, позволяющие спрогнозировать тепловое состояние и уровень потерь мощности редуктора на различных режимах работы.

В то же время существуют конструкции трансмиссионных редукторов, компоновочные решения которых не позволяют применить классическую схему для описания протекающих в них процессов теплопередачи. Вызвано это неоднородностью компоновки внутреннего пространства редуктора, из-за чего в различных зонах картера характер или интенсивность теплообменных процессов различны.

Среди существующих конструкций трансмиссионных редукторов можно выделить две основные неоднородности компоновки с точки зрения протекания теплообмена.