CC BY
28
Специальный выпуск: Материалы XIXмеждународного конгресса "Здоровье и образование в XXI веке"
18-20 декабря 2017, г. Москва
СМАРТ ВЕЛОСИПЕД КАК СРЕДСТВО ПРОФИЛАКТИКИ СЕРДЕЧНО-СОСУДИСТЫХ ЗАБОЛЕВАНИЙ И КАРДИО РЕАБИЛИТАЦИИ
Бойко А.Д., Шубенкова К.А.
ФГАОУ ВО Казанский федеральный университет, г. Набережные Челны, Российская Федерация
Аннотация. В статье указано, что автомобильный транспорт оказывает значительное негативное воздействие на окружающую среду и на человека. Предлагается концепция системы управления интеллектуальным велосипедом, разработанная для того, чтобы помочь физически нетренированным велосипедистам, а также людям, нуждающимся в кардио реабилитации, при езде на велосипеде получать именно такой уровень нагрузок, который необходим. Для управления велосипедом в реальном времени предлагается использовать набор датчиков, средство передачи информации и программу обработки данных.
Ключевые слова: умный велосипед, смарт велосипед, велотранспорт, физическая активность населения, датчики, параметры физического состояния
Введение. Рост автомобилизации, повышенная мобильность населения, все это создает целый ряд негативных последствий, в особенности в больших городах и мегаполисах. Наиболее значимыми из них являются проблемы со здоровьем человека. Шум и загрязнение воздуха вместе представляют собой два наиболее важных фактора риска для окружающей среды в урбанизированных обществах [1]. Европейское общество кардиологов [2] в недавнем исследовании подтвердило наличие связи между этими факторами риска с сердечно-сосудистыми и метаболическими заболеваниями. Использование велосипедов в качестве транспорта будет способствовать решению этих проблем.
Велотранспорт является более дешевой и менее вредной альтернативой существующим видам транспорта и может использоваться как средство достижения тех мест, которые не обслуживаются общественным транспортом. Одним из главных преимуществ немоторизованного транспорта является то, что он снижает потребление энергоресурсов, выброс парниковых газов и загрязнение окружающей среды, так как не требует ископаемого топлива. Кроме того, прогулки на велосипеде и пешком сами по себе удовлетворяют суточную потребность в физической нагрузке как необходимом элементе здорового образа жизни [3]. Однако, в то же время, велотранспорт имеет ряд недостатков, одним из которых является требования к физической подготовке человека, решившего использовать велосипед как альтернативный вид транспорта. Многие люди хотели бы использовать велосипед как средство передвижения, однако не могут позволить себе этого в связи с возрастом, проблемами со здоровьем, поскольку в этом случае такие большие физические нагрузки могут привести к нежелательным последствиям.
Создание велосипедов с адаптивным электродвигателем, который может использоваться по мере необходимости, позволит преодолевать значительные расстояния, поддерживать определенную скорость и не допускать физических перегрузок даже неподготовленному велосипедисту. При этом при выключенном электродвигателе использование велосипеда как альтернативного вида транспорта повысит уровень физической активности населения.
Пути повышения физической активности населения. В докладе о состоянии дорожного движения в мире [4] сообщается, что в 92 странах проводится политика, способствующая продвижению пешей ходьбы и езды на велосипедах.
Население отдаст предпочтение велосипедному транспорту в том случае, если будет обеспечено явное преимущество его использования. Результаты проведенных исследований предпочтений населения [5] показывают, что повысить количество людей, выбирающих велосипед в качестве средства передвижения, можно путем расширения модельного ряда немоторизованных транспортных средств и встраивания инфраструктуры этого вида транспорта в общую систему улично-дорожной сети города. Кроме того, необходимо развитие велоинфраструктуры, что позволит повысить привлекательность велотранспорта для разных категорий населения.
Как показывает опыт Копенгагена, где велосипедисты составляют две трети всех участников движения, повысить привлекательность велосипедного транспорта может расширение модельного ряда велосипедов, предназначенных для различных групп населения и различных вариантов использования. Здесь в аренду можно взять не только велосипеды привычных конструкций, но и такие модели, как [6]:
1. Веломобиль. Он защищает от ветра и дождя и лучше всего подходит для поездок на дальнее расстояние свыше 20 километров. Он хорошо передвигается по широким велодорожкам вне города, и некоторые велосипедисты отмечают, что они бы ездили на велосипедах больше, если бы у них был велосипед такой конструкции.
—--—
~ 53 ~
Специальный выпуск: Материалы XIXмеждународного конгресса "Здоровье и образование в XXI веке"
18-20 декабря 2017, г. Москва
2. Грузовой велосипед. Он хорош для перевозки детей и транспортировки вещей и продуктов, лучше всего подходит для поездок на расстояние меньше 10 километров.
3. Рекумбент. Он удобен для поездок, особенно при встречном ветре. Подходит для поездок на дальние расстояния свыше 20 километров.
4. Длинный велосипед. Он хорош для перевозки детей и транспортировки грузов и мотивирует больше ездить на велосипеде, чем на автотранспорте. Он быстр, практичен и не требует больших усилий для того, чтобы выехать за пределы города.
5. Электровелосипед. Электродвигатель - это хороший помощник, особенно при езде по холмистой местности или против ветра.
Электровелосипеды получили широкое распространение по всему миру. Их использование позволяет преодолевать крутые подъёмы и значительные расстояния физически неподготовленным людям, и, следовательно, - большее число человек выбирают этот вид транспорта как способ передвижения. Электровелосипеды в общем случае отличаются от обычных велосипедов наличием трёх дополнительных компонентов: электродвигателя, аккумуляторной батареи и контроллера. Электровелосипед хорошо подходит как средство передвижения для широкого круга любителей с самым разным уровнем подготовки, поскольку легко позволяет дозировать физическую нагрузку. Однако ряд недостатков, которыми обладает электровелосипед, затрудняет его использование. Это (1) значительная масса (от 20 до 50 кг и более) и соответствующая инерция; (2) недостаточный запас хода только на электроприводе (редко больше 25-50 км); (3) длительное время зарядки батарей (как правило, не меньше 2-6 часов); (4) короткий срок службы свинцово-кислотных и литий-ионных аккумуляторных батарей; (5) высокая стоимость готового изделия и его эксплуатации по сравнению с обычным велосипедом (от 2-х до 10 раз). Помимо этого, при использовании электродвигателя у велосипедиста отсутствует кардио нагрузка, и, соответственно, использование электроведосипеда не оказывает положительного влияния на здоровье велосипедиста.
Система управления смарт-велосипедом. Одним из способов решения проблемы является сочетание особенностей велосипедов и электрического транспорта. Наша идея заключается в том, чтобы помочь водителю снизить физическую нагрузку, когда она становится чрезмерной, и в то же время минимизировать негативное воздействие на окружающую среду, используя электродвигатель только тогда, когда это строго необходимо.
Для реализации этой идеи необходимо разработать такую интеллектуальную систему управления велосипедом, которая сочетает в себе
1) велосипедный компьютер;
2) моторизованное колесо;
3) датчики, которые контролируют физическое состояние пользователя и параметры окружающей среды.
Управление электровелосипедом осуществляется с помощью велокомпьютера (контроллера), который
должен: подавать ток от аккумулятора на электродвигатель в соответствии с установками пользователя; выдавать на индикатор остаток заряда батареи; определять вращение/остановку педалей; ограничивать максимальную скорость движения велосипеда для экономии энергии; поддерживать постоянную скорость движения (круиз-контроль); заряжать аккумулятор при торможении.
Основным показателем, по которому диагностируют переход к критическому состоянию, является частота пульса. Данные с датчиков передаются на контроллер для анализа. При наступлении критического состояния на смартфон передается запрос на включение электропривода, а после получения подтверждения управление электроприводом передается на контроллер.
Благодаря наличию системы мониторинга различных параметров в реальном времени, и своевременной реакции разработанной системы на различные изменения в состоянии велосипедиста, можно не только значительно снизить риск ухудшения самочувствия, но и способствовать поддержанию его здоровья. Таким образом, если оснастить велосипед универсальным модулем, в состав которого входят датчик пульса, контроллер и другие компоненты, показанные на рисунке 1, а управление осуществлять в соответствии с выбранной программой, установленной на смартфоне, снизится риск перегрузок и порог физической подготовки владельцев таких транспортных средств. А это, в свою очередь, положительно скажется на безопасности участников дорожного движения.
Специальный выпуск: Материалы XIXмеждународного конгресса "Здоровье и образование в XXI веке"
18-20 декабря 2017, г. Москва
Крепление
Для смартфона
Контроллер
системы
Рис. 1. Схематическое изображение технического решения
Заключение. Переход к общественному и немоторизованному транспорту является одним из ключевых элементов устойчивой, здоровой городской среды. Кроме того, состояние велосипедиста играет важную роль в обеспечении его собственной безопасности и безопасности других участников дорожного движения. Исследования [7] показали, что велосипедист сам не всегда способен объективно оценить свое физиологическое состояние и уровень усталости. Это (особенно у людей с плохой физической подготовкой) может повлечь за собой снижение внимания, нарушение правил дорожного движения, а в некоторых случаях - потерю управления велосипедом. Предлагаемая нами Интеллектуальная система управления Смарт велосипедом, использующая показания датчиков состояния велосипедиста и окружающей среды для принятия решений, позволит: (1) повысить максимальную дистанцию, которую без проблем сможет проехать физически нетренированный человек, (2) подниматься в гору с той же скоростью движения без дополнительных усилий, (3) ездить на велосипеде даже пожилым людям и людям, которым требуется дозированная кардио нагрузка, (4) контролировать физическое состояние пожилых людей, людей с различными сердечными заболеваниями, а также людей, проходящих кардио реабилитацию.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
[1] Макарова, И.В., Шубенкова, К.А., Маврин, В.Г. и др. (2016) Переход к «зеленому» транспорту: проблемы и перспективы. Мир транспорта и технологических машин, 4 (55), 118-126.
[2] European Society of Cardiology, http://escardio.org.
[3] United Nations Human Settlements Programme (UN-Habitat) (2013) Planning and design for sustainable urban mobility: global report on human settlements. Stoodleigh: Florence Production Ltd.
[4] World Health Organization (2015) Global status report on road safety 2015. WHO Library Cataloguing-in-Publication Data.
[5] Makarova, I., Khabibullin R., Shubenkova, K. et al. (2016) Ensuring sustainability of the city transportation system: Problems and solutions (ICSC). E3S Web of Conferences, 6, 02004
[6] Bicycle innovation lab, http://www.bicycleinnovationlab.dk/activities/data-popular-bikes?show=lgg
[7] Abbiss, C., Laursen, P. (2005) Models to Explain Fatigue during Prolonged Endurance Cycling. Sports Med, 35 (10), 865-898.
SMART BIKE AS A MEAN OF PREVENTION OF CARDIOVASCULAR DISEASES AND CARDIAC
REHABILITATION
Boyko A.D., Shubenkova K.A.
Kazan Federal University, Naberezhnye Chelny, Russian Federation
Annotation. It is stated in the article that automotive transport has a significant negative impact on the environment and on humans. Authors propose the concept of a Smart Bike control system that is developed to help physically untrained cyclists and people, who need cardio rehabilitation, to get the required physical loads. To control Smart Bike in real time, a set of sensors, the mean of information transmission and data processing program is proposed. Key words: Smart Bike, cycling, physical activity of the population, sensors, the parameters of the physical state
