CC BY
31
Роль автотроники и телематики в интеграции сервисов для транспорта
Л.В. ТУЗОВ, д-р техн. наук, профессор ФГОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный университет водных коммуникаций», А.Б. ШАДРИН, д-р техн. наук, профессор ФГОУ ВПО «Северо-Западный государственный заочный технический университет»
Темпы развития и внедрения автотроники и телематики в транспортном комплексе диктуют необходимость интеграции сетевых сервисов процессов. Сетевые стратегии управления открывают новые возможности для операторов и лиц, принимающих решения — повышение интеллектуализации серверно-сетевого управления многими процессами в транспортном комплексе с широкими возможностями оперативного мониторинга, аудита и сервиса.
Обзор состояния телематики и автотроники показывает, что дефицит знаний на всех уровнях обучения эксплуатации и отставание в развитии обучения открытому сетевому интерсервису современных ЭТ усложняет своевременное обнаружение и оперативное прогнозирование признаков возникновения аварийных ситуаций. Необходимо оперативно обучать через информационные порталы скрытым уникальным возможностям №Г — самоидентификации низкого качества горюче-смазочных материалов, своевременное обнаружение которых обеспечит запас работоспособности современного транспорта. Оперативное обучение сенсорно-серверно-сете-вому энергоаудиту на базе возможностей современных бортовых №Г расширит интеграцию новых технологий в транспортный комплекс на уровне сетевых банковских технологий электронного документооборота (е-логистика, е-перевозка, е-страхование, е-мо-ниторинг, е-таможня, е-оплата).
Остро встает проблема своевременной интеграции учебных заведений в сеть ведомственного, коммерческого, дистанционного обучения через сеть информационных порталов уникальным, но доступным только узкому кругу ведомственных специалистов, возможностям бортовой автотроники и телематики. Оперативный сетевой мониторинг и аудит состояния и внутренней обстановки на уровне доступа к знаниям и базам данных в части автотроники и телематики необходим для раннего обнаружения причин или предпосылок аварийных ситуаций, их предотвращения или исключения вероятности возникновения в жестких условиях
эксплуатации уникального транспорта по качеству топлива, смазки, сервисам с учетом мирового опыта развития сетевых сервисов.
Автотроника и телематика стимулировали на транспорте внедрение ряда бортовых сетей NT: Шасси — Chassis-125Kb/s; Движения — Роwertrain -1Mb/s; Телекоммуникаций — Infotainment/Telecom; Диагностики — K—Line Diagnostic (KLD); Промахов вождения — Fault tolerant; Сервисов: Салона — tomfort (Подушки — Airbag, Защита — HVAG, Двери — Door, Размещения — Seat, Промахов — PreCrash; Сопровождения: Satellite, Squib, OSS, Rollover, Bel tp ret.); Вождения — Gateway, и специализированных бортовых систем: BC (Bort Computer) — Бортовой компьютер; CON (Controller iDrive) — Управление транспортом через джойстик iDrive; AFS (Active Front Steering) — Активное рулевое управление; DME (Digital Motor Electronics) — Электронная система управления двигателем; DSC (Dynamic Stability Control) — Система динамической устойчивости; ESP (Electronic Stability Program) — Система поддержания динамической стабильности; (Dynamic Traction System) — Система динамического контроля тяги; ETS (Electronic Traction Support) — Электронное управление тягой.
Интеграция сервисов для задач транспорта решается в системе iDrive: интерактивная, интеллектуальная, интуитивная. Водитель получает информацию на цветной дисплей, отдает команды серверам через джойстик: нажимает, наклоняет в восьми направлениях и вращает. В iDrive успешно внедрена мобильная графическая операционная система Windows CE1. Функции меню
управления в iDrive: Klima; Assist; Kommunikation; Short Message Service (SMS); Bord Daten; Navigation; GPS; Hilfe. Мониторинговая система Head-Up Display проецирует скорость, навигационные метки, показания самодиагностики Check Control на ветровое стекло, обеспечивая оптимальную видимость этой информации для водителя. Может отображать выбранную в данный момент передачу механической коробки передач (SMG), показывать число оборотов двигателя и оптимальный момент для переключения передачи независимо от условий освещения, и водителю не приходится отрывать взгляд от дороги.
Ряд NT интегрирует сервисы для гибкого взаимодействия процессов: Special Equipment of Logical Management of Signals (SELMS); Converter of Signals (CS), Transceiver of a Signal of Satellite Management (TSSM), Transmitter of Global Positioning System (TGPS); Wireless Radio Transmitter(WRT).
SELMS реализует виртуальные сетевые технологии управления транспортом. CS конвертирует сигналы радиоспутниковых каналов. TRITON через: GSM, Code Division Multiple Access (CDMA) — обеспечивает множественный доступ с кодовым разделением через спутниковую навигацию. Trunk или Globalstar (вторичный канал связи), GPS или ГЛОНАСС/GPS, General Packet Radio Service (GPRS) — реализуют WEB-технологии в управлении транспортом. SiRF Star III с пониженным энергопотреблением и высокой чувствительностью может определять позицию не только по сигналам спутников, но и по слабым и переотраженным сигналам. TSSM реализуется на оборудовании спутниковой связи Thuraya и упрощает использование спутниковых каналов. Радиоконтроллеры на базе: WML-24M, Flash-памяти, радиотрансивера, узла питания упрощают сбор информации на транспорте. Системная шина EMI необходима для высокоскоростных устройств. Контроллер SMCD 4503 управляет двух и четырехфазными гибрид-
ными шаговыми двигателями с током фазы до 4А. Блок позволяет управлять 4-, 6- и 8-выводными шаговыми двигателями FL86STH. Для систем электроприводов подвижных частей используют ультразвуковые датчики — PIL Sensoren GmbH серии P43 (измеряют интервал с момента выхода направленного ультразвукового сигнала и до приема отраженного). Содержат: генератор ультразвукового сигнала, приемник и микроконтроллер (дистанция срабатывания: 25—200, 30—400 мм; выходной сигнал — 0—10 В, 4—20 мА; аналоговые выходы — 1 или 2).
Интеграция сервисов на уровне карманного сервера со средствами Bluetooth реализована в NAVSTAR с глобальной системой позиционирования — Global Positioning System-Satellite (GPSS): передает на пульт управления навигационной системе координаты; позволяет видеть взаимное расположение транспорта на отображаемой навигационной карте местности и находить наиболее короткий и удобный путь к транспорту.
diDrive — «Сервисы для транспорта на ладони» — дистанционное обучение и гибкое управление через NT. Дополнительно обеспечивается контроль технического и физического состояния: получение полной информации о транспорте. От KLD поступает информация об исправности его систем, состоянии программного обеспечения, может выполняться анализ и автоматическая корректировка ошибок серверов. Система сигнализации реализует получение информации в режиме реального времени на дисплей пульта управления при попытке угона, перемещения транспорта, вскрытия салона. Система навигации обеспечивает передачу координат физического положения водителя и транспорта в пространстве относительно друг друга, и их отображение как пиктограмм на навигационной карте. Вся информация выводится на дисплей пульта управления, который помещается на ладони. Предусмотрена функция автоматической блокировки систем транспорта при нажатии одной клавиши или автоматическая при анализе расстояния до водителя (идентификация владельца по встроенному в пульт управления электронному ключу-идентификатору, без которого невозможен доступ к транспорту). Она обеспечивает блокирование и разблокирование замков транспорта (доступ к блоку управления центральным замком), включение и выключение сигнализации, автоматический запуск и вык-
лючение двигателя. Графический интерфейс системы основан на объектно-ориентированном программировании и отображает заставку при включении системы (приветствие владельца, ввод пароля для активации системы), меню и подменю системы, пиктограммы, клавиши, текст, изображения. Программирование diDrive построено на шаблонах поведения систем транспорта из уже отработанных подпрограмм управления. Подменю отображает многие функции: открытие-закрытие дверей, багажника, капота, подъемно-сдвижного люка, крыши, запуск двигателя, установка микроклимата, управление положением всех салонных сидений, управление пространственным положением зеркал заднего вида, доступ к системе навигации, подготовка системы развлечения, защита. Все подменю логически связаны с основным меню системы, что упрощает запоминание, воспроизведение в памяти и управление. Автоматическая индикация функций при анализе расстояния от автомобиля до водителя: автоматическое включение-выключение центрального замка и открытие-закрытие дверей, багажника, капота, крышки топливного бака, а также старт-стоп двигателя, установка климата, музыки, освещения в салоне; автоматический переход в основное меню системы и активизация заставки при нахождении в салоне.
iDrive может осуществлять следующие дистанционные процессы: установка климата; определение местонахождения транспорта и водителя относительно друг друга; получение информации от службы Assist; установка параметров; подготовка систем развлечения (радио, аудиосистема, DVD — TV); получение справки по функциям
меню; получение информации о бортовых данных; доступ к коммуникациям (телефонная книга, беспроводной Internet и электронная почта). Дополнительные: постановка транспорта на сигнализацию с пульта управления (блокировка систем при нажатии одной кнопки или автоматическая при анализе расстояния до водителя); контроль за состоянием в реальном режиме времени и обратной связи (получение информации от системы защиты при попытке угона, перемещения, вскрытия салона). Шифрование управляющих сигналов: информации навигационной системы, "электронного" ключа запуска двигателя, постановки и снятия с сигнализации. Программа обеспечивает: запуск двигателя, установку микроклимата, музыки, подсветку салона, автоматическое открытие-закрытие дверей, багажника и капота, управление внешним светом транспорта. Процессы управления NT обеспечиваются пультом — diDrive.
Основные «профили» процессов измерений и управления (длительности замкнутого состояния контактов прерывателя, установки угла опережения зажигания и продолжительности впрыска топлива) записаны в форме многомерных таблиц в память DME. Это позволяет ускорить формирование команд, например, угла опережения и продолжительности впрыска топлива в зависимости от скорости и нагрузки на двигатель. Применение таблиц, содержащих массивы параметров для рациональных режимов, скоростей и нагрузок (с шагом от 5 об./мин для сжатия), позволяет DME выполнять интерполяцию отсчетов измерений с достаточной точностью. Момент зажигания и продолжительность впрыска топлива
совместно обрабатываются в DME таким образом, чтобы достичь оптимального результата для каждого режима работы двигателя.
Основным коэффициентом для приведения измерений к стандартным условиям является показание датчика температуры охлаждающей жидкости. Незначительная корректировка угла опережения и состава рабочей смеси вносится на основании измерения напряжения аккумулятора, а также сигналов датчиков температуры воздуха и положения дроссельной заслонки. В моделях с клапаном управления холостым ходом DME содержит отдельную таблицу для холостого хода, из которой подбираются необходимые значения при работе двигателя в этом режиме. Обороты холостого хода в течение прогрева и при нормальных условиях автоматически корректируются DME. Кроме того, тонкую регулировку оборотов холостого хода большинство DME осуществляет за счет изменения угла опережения зажигания в небольшом диапазоне.
В моделях с каталитическим преобразователем и датчиком кислорода (ДК) DME, получая сигнал от ДК, управляет импульсами впрыска топлива. При этом состав рабочей смеси поддерживался в диапазоне, при котором Лямбда = 1 (обычно диапазон колебаний составляет 0.97... 1.03). Этот режим управления известен под названием "обратной связи". Однако если в режиме "с обратной связью" состав рабочей смеси всегда поддерживается на одном уровне, могут возникать ситуации, когда двигатель не сможет удовлетворительно выполнять свои функции. По этой причине при пуске холодного двигателя и прогреве, резком ускорении и полном открытии дроссельной заслонки DME переключается в режим работы без обратной связи. Если частота вращения двигателя превышает максимально допустимую, DME в целях обеспечения безопасности прекращает работу форсунок. Подача топлива прекращается также при выбеге автомобиля для обеспечения плавного замедления и экономии топлива. При падении оборотов двигателя ниже минимально допустимых подача топлива возобновляется.
Современные DME выполняют самодиагностику (регулярно опрашивают датчики и, в некоторых случаях, проверяют работу исполнительных модулей). В случае обнаружения неисправности DME определяет ее код. Этот код может быть извлечен при помощи счи-
тывателя кода неисправности (СКН), который подключается к KLD. Формат и тип данных в многомерных таблицах в DME определяется заводом-изготовителем транспорта. Функция СКН заключается в инициализации программы DME, которая заложена в него изготовителем. Если изготовитель не предусмотрел в программе DME доступа к какой-либо информации, то такую информацию не удастся получить никаким считывателем. Например, кроме считывания кода неисправности и стирания списка неисправностей, с помощью СКН возможно получение информации о сигналах датчиков, регулирование содержания СО в выхлопных газах. Даже после устранения неисправности код неисправности будет сохранен в памяти DME до тех пор, пока он не будет стерт СКН или не будет отключен аккумулятор. Некоторые DME способны сохранять информацию о неисправностях, носящих эпизодический характер. Очень часто такая информация является ценной при устранении неисправности. Коды неисправности подразделяются на так называемые «медленные» и «быстрые».
Медленные коды (генерируемые DME) могут регистрироваться светоди-одом или сигнальной лампочкой, быстрые коды таким образом не отображаются. Для их считывания необходим цифровой СКН. В дополнение к функции самотестирования, современные DME обычно имеют функцию, позволяющую довести неисправный автомобиль до гаража и называемую усеченным режимом.
DME адаптируется к изменению эксплуатационных показателей двигателя и постоянно контролирует данные от различных датчиков. По мере износа компонентов двигателя DME реагирует на эти изменения, корректируя карту параметров. При использовании скорректированной карты в совокупности с показаниями датчика кислорода DME быстрее и точнее производит контроль и регулировку состава выхлопных газов. Базовое количество впрыскиваемого топлива определяется значением, записанным в карте в зависимости от оборотов двигателя и нагрузки. Если базовое количество впрыскиваемого топлива приводит к выходу коэффициента Лямбда за пределы регулирования (0.97... 1.03) — это свидетельствует о чрезмерном обогащении или обеднении рабочей смеси. При этом корректируется состав рабочей смеси. Реакция занимает много времени, поэтому DME запоминает скорректированное
количество впрыскиваемого топлива в качестве базового и добавляет его к карте, хранящейся в его памяти. Начиная с этого момента, большинство режимов работы двигателя не приводит к выходу коэффициента Лямбда за пределы регулирования.
Процесс адаптации и корректировка карт происходит при работе следующих систем двигателя: а) работа клапана продувки угольного фильтра; б) работа клапана управления холостым ходом; в) регулировка оборотов холостого хода и состава рабочей смеси; г) регулировка состава рабочей смеси при частичной нагрузке. При работе клапана продувки угольного фильтра происходит изменение состава рабочей смеси за счет дополнительного впрыскивания паров топлива. Состав рабочей смеси корректируется DME путем уменьшения длительности впрыска топлива с учетом сигнала ДК. В режиме холостого хода адаптивная система запоминает длительность впрыска и опережение зажигания применительно к данному конкретному двигателю. Однако, большинство адаптивных систем не способны сохранять изменения при отключении аккумулятора. После подключения аккумулятора и пуска двигателя, система заново производит корректировку всех параметров. Процесс происходит достаточно быстро, хотя обороты холостого хода некоторое время могут быть неустойчивыми. Отсоединение аккумулятора действует не на все системы. Иногда этот процесс приводит к неустойчивой работе двигателя или другим проблемам до тех пор, пока не будут изучены все параметры и откорректированы карты. Любая неисправность двигателя приводит к увеличению концентрации НС в выхлопных газах. Для решения этой проблемы особое внимание уделяется правильному конструированию камеры сгорания двигателя. В настоящее время используют два типа датчика кислорода. В первом используется циркониевый элемент и сигнал с него пропорционален содержанию кислорода в выхлопных газах. Сигнал с датчика меняется в диапазоне от 100 мВ (бедная смесь) до 1В (богатая смесь). Датчик второго типа выполнен из титана и работает за счет изменения сопротивления датчика. Отклик на сигнал такого датчика приходит гораздо быстрее, чем для циркониевого датчика, а сигнал намного более устойчив к температуре выхлопных газов. К сожалению, поддержание коэффициента Лямбда, равным 1.0, вредит в некоторых случаях
управляемости двигателя. При таком управлении во время ускорения работа двигателя становится неустойчивой, возникают колебания частоты вращения, что может сделать двигатель практически неуправляемым. Поэтому, управление с обратной связью осуществляется при работе двигателя с постоянной частотой вращения. При ускорении или в процессе прогрева двигателя обратная связь не поддерживается, что позволяет двигателю работать на обогащенной рабочей смеси.
В компьютерных системах непосредственного впрыска топлива (НВТБ) в бензиновых двигателях устанавливают новые узлы — топливный насос высокого давления для бензина (ТНВДБ) и электромагнитные форсунки (ЭМФБ) для впрыска бензина под высоким давлением. Кроме этого применяется датчик давления топлива (ДДТБ), подкачивающий электробензонасос погружного типа (ПКБНБ), клапан рециркуляции (отработанных газов) ОГ (КРЦОГ) новой конструкции. Компьютерное управление дозированием топлива реализуется в зависимости от параметров скоростных и нагрузочных режимов работы двигателя. При этом состав топливовоз-душной смеси (ТВС), как правило, изменяется от гомогенного (при Лямбде, близкой к 1) до предельно расслоенного ( от 1.3 до .2,2). Преимущество двигателей с НВТБ проявляется при работе на обедненных ТВС и при средних нагрузках. Устойчивая работа двигателя достигается расслоением ТВС с образованием
зоны богатой ТВС вблизи свечи зажигания, после воспламенения которой начинается процесс горения всего заряда ТВС в цилиндре. Для более надежного воспламенения ТВС используется зажигание с повышенной энергией искрового разряда. Момент впрыска и давление топлива также изменяются в зависимости от режима работы двигателя для обеспечения требуемых условий смесеобразования в цилиндре при данном составе смеси. Например, если на холостом ходу давление топлива поддерживается на уровне 3 МПа, то на полной нагрузке и номинальной частоте вращения (до 6000 об./мин) оно возрастает до 10—12 МПа. Меры позволяют достичь эффективного сгорания экстремально обедненных смесей (Лямбда > 2.0). Это обеспечивает повышение экономии бензина у двигателей с НВТБ примерно на 20% по сравнению с применением распределенного впрыска топлива (РВТ). Реализация НВТБ позволяет повысить показатели двигателя примерно на 10%, но требует использования высоких степеней сжатия и увеличения наполнения. При этом снижается суммарная токсичность ОГ на 20% по сравнению с другими компьютерными системами впрыска бензина. В двигателях с НВТБ используется рециркуляция ОГ (до 40%) и применяют трехкомпонентный нейтрализатор с иридиевым катализатором. Нейтрализатор отличается повышенной эффективностью по снижению N0 и является дорогим и недолговечным при работе на плохих бензинах. К тому
же он очень чувствителен даже к незначительному содержанию серы в топливе и к превышению температуры выше рабочей. Системы НВТБ являются сложными и требуют хорошее топливо. Системы распределенного впрыска топлива (РВТ) совершенствуются в направлении: улучшения распылива-ния топлива с помощью ультразвуковых устройств, использования сжатого воздуха; применения локального подогрева топливовоздушной смеси для улучшения пусковых качеств у двигателей; использования различных видов наддува в сочетании с охлаждением наддувочного воздуха; применения адаптивных алгоритмов управления топливоподачей, взаимосвязанных с регулированием зажигания, рециркуляции ОГ, наддувом. Современный двигатель с помощью DME гибко управляет всеми рабочими процессами дозирования топлива и смесеобразования.
Общность элементов теорий открытых систем, сетей, технологий для развития управления и информатики в транспортном комплексе должна стимулировать международную интеграцию сетевых информационных сервисов для упрощения обучения современным компонентам — идентификации, абстрагированию, типизации, унификации, модульности, агрегированию и преемственности для увеличения интеграции открытых интерсервисов в транспортном комплексе на всех этапах их жизненного цикла.
