Алгоритм и методика оценки работы водителя

УДК 656.13.086 С.П. Жаров

Курганский государственный университет

АЛГОРИТМ И МЕТОДИКА ОЦЕНКИ РАБОТЫ ВОДИТЕЛЯ

Аннотация: В статье рассмотрен алгоритм деятельности водителя по управлению автомобилем, с использованием методом логико-вероятностного моделирования. Работа водителя автомобиля представлена как логическая деятельность, состоящая из совокупности действий и оперативных единиц информации. Рассмотрены примеры применения алгоритма и оценки деятельности водителя по управлению транспортным средством.

Ключевые слова: алгоритм, система «автомобиль-водитель-дорога», управляющие действия, оперативная единица информации, информационная загрузка.

S.P. Zharov

Kurgan State University

ALGORITHM AND EVALUATION METHOD OF DRIVER'S PERFORMANCE

Abstract. This paper considers the algorithm of the driver's operation of the vehicle using the method of logical and probabilistic modeling. The drivers activity is presented as a logical process consisting of steps of actions and effective information units. The article examines the examples of applying such an algorithm and evaluation of the driver's activities for controlling the vehicle.

Index Terms: algorithm, the system of «Automobile-Driver-Road», control actions, effective information unit, information loading.

ВВЕДЕНИЕ

Оценка деятельности водителя методом логико-вероятностного моделирования, его действий по управлению может стать составной частью комплексной эргономической оценки транспортного средства. Особое место при этом занимает описание процесса взаимодействия водителя и автомобиля в системе «АВТОМОБИЛЬ-ВОДИТЕЛЬ-ДОРОГА» (А-В-Д) [1]. Одним из подходов к оценке управляющих действий водителя является разработка логико-вероятностной модели, описывающей процесс управления транспортным средством с применением теории алгоритмов, теории вероятности и математической логики.

Алгоритмический метод позволяет проанализировать действия водителя транспортного средства, качественно оценить уровень физической тяжести и нервно-психологической напряженности труда водителя, сравнить и оценить различные варианты структурно-компоновочных решений панели приборов и органов управления автомобилем, указать наиболее важные направления автоматизации рабочих процессов управления.

1 РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА

Работа водителя транспортного средства может быть представлена как логическая деятельность, состоящая из совокупности действий и оперативных единиц информации. К анализу деятельности водителя может быть применима методика, используемая для оценки деятельности операторов систем «ЧЕЛОВЕК-МАШИНА» [3]. Так как

выделение элементарных составляющих деятельности водителя затруднено ввиду невозможности их фиксации, алгоритмическое описание процесса управления можно осуществлять на уровне типовых действий (ТП) и логических условий (ЛУ) [2] . При таком подходе под ЛУ понимается сигнал, воспринимаемый извне или воспроизводимый в представлении, определяющий выбор того или иного порядка действий. Для алгоритмического описания водителя автомобиля КамАЗ-54112 разработана система специальных символов (таблица 1).

2 МЕТОДИКА ОЦЕНКИ РАБОТЫ ВОДИТЕЛЯ Алгоритмический анализ позволяет количественно оценить труд водителя в различных условиях движения. Для этих целей особенно часто используются следующие показатели.

Число членов алгоритма:

N = Nl + Nd

где N -число логических условий;

^ - число типовых действий. Коэффициент логической сложности:

L=_l ху

N1 т ,

2 Li

mi

где L нормированный коэффициент логической сложности:

N - общее количество членов алгоритма, начиная с первой группы логических условий:

ти - количество логический условий в ьой группе; Т - количество членов в ьой комплексной группе; пЛ - количество групп логических условий. В логическую группу входят логические условия и последовавшие за ними типовые действия.

Коэффициент стереотипности определяется выражением:

1 nP m 2

z = N х^

}=i j

ти;

где Z - нормированный коэффициент стереотипнос-

N - общее количество членов алгоритма, начиная с первой группы логических условий:

п0 - количество групп типовых действий;

тц - количество типовых действий в ] -ой группе;

Т - количество членов в ] -ой группе.

Показатель стереотипности оценивается по наличию в алгоритме непрерывных последовательностей типовых действий без логических условий, а также длительности этих последовательностей. Показатель стереотипности достигает максимальных значений, когда в алгоритме нет логических условий, то есть последовательность действий однозначна и не зависит ни от каких условий. Минимальное значение показателя стереотипности равно 1, это достигается в случае, когда после каждого типового действия следует логическое условие.

Суммарная динамическая интенсивность процесса управления определяется по формуле:

'd = N

где VD - суммарная динамическая интенсивность процесса управления;

N - общее количество членов алгоритма: t - время выполнения алгоритма. Суммарная динамическая интенсивность характеризуется числом членов алгоритма, выполняемых водите-

Таблица 1 - Описание членов алгоритма деятельности водителя по управлению транспортным средством

Описание члена алгоритма Условное обозначение Психофизиологическое содержание

Типовые действия

Воздействие на педаль подачи топлива: Простые движения правой ногой (от себя, на себя). Статическая работа с удержанием положения педали и контролем её положения

Нажатие П(Е) ПН

удержание П(Е) ПУ

отпускание П ОЕ)

Воздействие на педаль сцепления: Простые движения левой ногой (от себя, на себя). Статическая работа с удержанием положения педали.

нажатие СНЕ)

удержание СУЕ)

отпускание С(Е) СО

Воздействие на педаль тормоза: Простые движения правой ногой (от себя, на себя). Статическая работа с удержанием положения педали.

нажатие Т

удержание Т

отпускание Т

Воздействие на рычаг переключения передач КП К(Е) Сложное координированное движение правой рукой

Воздействие на рычаг включения делителя КП Д

Воздействие на рулевое колесо Раздельные или совместные движения левой и (или) правой рукой по круговой траектории

поворот влево п(Е) К Л

удержание при повороте влево р(Е) К ЛУ

поворот вправо Я(Е) П

удержание при повороте вправо Я(Е) л ПУ

удержание в среднем положении Я(Е) У

Воздействие на рычаг тумблер указателя поворотов У(Е) Простые действия правой рукой

Переносы рук или ног с одного органа управления на другой Простое или сложное координированное движение с контролем движения

правой рукой АПР

правой ногой ВПР

левой рукой Ал

левой ногой АПР

Наблюдение за скоростным режимом работы автомобиля и двигателя Y(W) Контроль режима работы через зрительный, слуховой или тактильный анализаторы

Логические условия

Набрал ли двигатель необходимое число оборотов N Зрительная и слуховая информация

Достиг ли автомобиль заданной скорости V Зрительная и тактильная информация

Имеется ли отклонение от заданного направления движения (вправо, влево) * ПР' * Л Зрительная информация

Имеется ли помеха впереди автомобиля р Зрительная информация

Имеется ли помеха на встречной полосе РВП Зрительная информация

Имеется ли безопасная дистанция между автомобилями Зрительная информация

впереди dBП

сзади ¿СЗ

Неожиданное возникновение помехи впереди автомобиля Зрительная информация

Сигнализация светофора Зрительная информация

красный

зеленый ^ЗЛ

желтый ^ЖЛ

Всегда ложное логическое условие ш

лем в единицу времени. Этот показатель определяет темп работы водителя, от которого зависит точность действий и своевременность выполнения задачи.

Для характеристики степени неопределенности появления в алгоритме того или иного ТД или ЛУ служит энтропия появления ього логического условия (ЛУ) или j -ого ТД, которая существенно зависит от числа и номенклатуры элементов деятельности и определяется выражением:

И^ =-р х log2 р ,

Н? = -Р х ^ 2 Р, ,

где И- энтропия появления ього логического условия (ЛУ);

И? - энтропия появления j -ого типового действия (ТД);

Рг - частота появления данного ЛУ в алгоритме;

Р] - частота появления данного ТД в алгоритме.

Для общей оценки алгоритма можно использовать показатели средней скорости переработки информации S (бит/с), которая определяется выражением:

М1 мв

Б = <2 Н^ + 2 Н? 1 .

г=1 ]=1

Используется также показатель общей сложности выполнения алгоритма, который равен:

_¥? х Б х I

= I

и выключает правый поворот. Алгоритм приведен ниже.

Стрелка | указывает переход в случае выполнения

логического условия, а стрелка | указывает место в алгоритме, куда переход осуществляется. Если логическое условие не выполняется, то в этом случае выполняется следующее за условием типовое действие. Рассмотренный алгоритм предполагает две возможные реализации: 1 - обгон с хода, когда на встречной полосе нет автомобиля; 2 - замедление и следование за «лидером», когда на встречной полосе движется автомобиль, мешающий совершению обгона.

рТПуЭ) ^ ^рвп^Щ0аПРу

Оценивая качественные показатели деятельности водителя, следует отметить, что коэффициенты логической сложности и стереотипности не дают возможности всесторонне оценить деятельность водителя по управлению автомобилем, так как не учитывают её интенсивность при управлении в движении. В таблице 2 приведены показатели деятельности водителя, не зависящие от времени выполнения алгоритма.

Таблица 2 -водителя

Показатели оценки алгоритма деятельности

Рассмотрим, например, алгоритм действия водителя при совершении обгона с выездом на встречную полосу

Необходимость в выполнении обгона возникает при появлении помехи для движения во встречном направлении, в модели данная помеха представлена посредством моделирования транспортного потока, это транспортное средство со скоростью движения 50 км/час. Водитель автомобиля по зрительному каналу воспринимает данную помеху и оценивает возможность обгона с хода.

Для этого необходимо, чтобы дистанция до автомобиля, движущегося по встречной полосе, была достаточной для совершения обгона с хода. Если такая возможность есть, водитель переносит левую руку на переключатель указателя поворотов, поворачивает рулевое колесо влево и нажимает на педаль газа. Осуществляет левой рукой переключатель поворотов, руку снова переносит на рулевое колесо и, контролируя положение и скорость автомобиля, начинает обгон.

Выведя свой автомобиль на линию обгона, возвращает рулевое колесо в положение прямолинейного движения, переносит левую руку на рычаг переключения поворотов и выключает левый поворот. Правой ногой дожимает педель газа, выводит автомобиль на необходимый скоростной режим (85 км/час) и удерживает педаль газа. Удерживая педаль газа, водитель зрительно отслеживает ситуацию на встречной полосе и положение своего автомобиля относительно обгоняемого автомобиля.

В момент достаточного опережения обгоняемого автомобиля для возвращения на свою полосу движения, водитель переносит руку с рулевого колеса на переключатель указателя поворотов, включает правый поворот, переносит руку на рулевое колесо и поворачивает его вправо и удерживает до момента возвращения на свою полосу движения. Возвращает рулевое колесо в нейтральное положение, переносит руку на рычаг указателя поворотов

Вариант алгоритма N Ь Б

1 9 19 27 0,118 0,53

2 6 6 12 0,205 0,313

Динамическую оценку деятельности водителя можно выполнить по показателю динамической интенсивности процесса управления VD, средней скорости переработки информации S и показателю общей сложности выполнения алгоритма SD. В таблице 3 приведены качественные показатели деятельности водителя при различной скорости движения автомобиля и скорости движения «лидера» 50 км/час.

Таблица 3 - Показатели оценки динамической интенсивности деятельности водителя

Переход в р ежим

Обгон «лидера» с хода движения за «лиде-

ром»

Скорость V* вь, вв, VA, с-1 вв,

автомобиля, с-1 бит/с бит/с бит/с бит/с

км/час

60 1,25 0,235 1,32 2,22 0,88 2,97

70 2,5 0,471 5,28 4,44 1,76 11,77

80 3,75 0,705 11,89 6,67 2,64 25,77

90 5 0,94 21,1 8,89 3,52 47,56

100 6,25 1,18 33,1 11,1 4,39 74,07

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предлагаемая методика позволяет составить алгоритм деятельности водителя по управлению автомобилей и оценить сложность работы водителя. Приведенные расчеты позволяют сделать сравнительную оценку информационной загрузки водителя в различных условиях движения.

Список литературы

1 Жаров, С. П. Разработка системы информационного обеспечения

водителя с целью повышения топливной экономичности грузового автомобиля с дизелем [Текст]: дис....канд. техн. наук /С. П. Жаров.- Курган, 1992.-180 с.

2 Жаров, С. П. Приложение транспортной психологии к оценке

системы «Автомобиль-водитель-дорога» [Текст]/ С. П. Жаров / /Совершенствование эксплуатации и обслуживания автомобилей : сборник научных трудов .- Курган: КГУ,1996.

3 Справочник по инженерной психологии [Текст]/ под ред.

Б. Ф. Ломова.- М.: Машиностроение, 1982.- 386 с.

УДК 629.1.02

В.Б. Держанский, И.А. Тараторкин, А.С. Ушенин Курганский государственный университет, ИМАШ УрО РАН

МОДЕРНИЗАЦИЯ КОНСТРУКЦИИ СОГЛАСУЮЩЕГО РЕДУКТОРА ГИДРОМЕХАНИЧЕСКОЙ ТРАНСМИССИИ СПЕЦИАЛЬНОГО КОЛЕСНОГО ШАССИ

Аннотация. Изложены результаты исследования динамической нагруженности гидромеханической трансмиссии специального колесного шасси. На основе сопоставления частот резонансных колебаний динамического момента и частот возмущения дизельного двигателя предложена и обоснована гипотеза о реализации субгармонических резонансов в механической системе, имеющей существенно нелинейную упругую характеристику. Разработан метод отстройки нежелательных колебаний. Предложена конструкция гасителя крутильных колебаний нового типа.

Ключевые слова: колебания, частота свободных колебаний, субгармонический резонанс, динамическое на-гружение, гидромеханическая трансмиссия.

V.B. Derzhanskii, I. A. Taratorkin, A.S. Ushenin Kurgan State University, UrB RAS Institute of Engineering Science, Ekaterinburg

DESIGN UPGRADING OF THE SYNCHRONIZED REDUCING GEAR OF THE HYDROMECHANICAL TRANSMISSION OF THE SPECIAL PURPOSE WHEELED CHASSIS

Abstract. The article describes the results of researching dynamic loading of the hydro-mechanical transmission of the special purpose wheeled chassis. By comparing resonant fluctuation frequencies of dynamic torque and diesel engine disturbing frequency, the hypothesis of realization of sub-harmonic resonances in the mechanical system with a substantially non-linear elasticity is offered and proved. The method of detuning of undesirable fluctuations is developed. The design of the torque vibration damper of a new type is offered.

Index Terms: fluctuations, natural frequency, sub-harmonic resonance, dynamic loading, hydromechanical transmission.

Введение

Специальные колесные шасси (СКШ) на базе тягачей Минского и Курганского заводов широко применяются как транспортные средства и технологическое оборудование в нефтегазовом комплексе страны в экстремаль-

ных условиях эксплуатации Крайнего Севера, Полярного Урала и Западной Сибири. Указанные шасси оснащены единой гидромеханической трансмиссией, надежность которой во многом ограничена, в частности долговечностью согласующих редукторов [1].

Фирма «Allison» предлагает проект модернизации СКШ путем монтажа своей моторно-трансмиссионной установки. Однако стоимость проекта составляет 14 млн рублей, что почти в четыре раза превышает стоимость капитального ремонта всего СКШ. Повышение долговечности согласующих редукторов, разработка конструкций, их реализация, т.е. модернизация трансмиссии в процессе сервисного обслуживания и ремонта шасси, является эффективным путем повышения надежности.

Особенностью рассматриваемой конструкции трансмиссии является введение согласующего редуктора с несколькими зубчатыми передачами, обеспечивающими кинематическое согласование характеристик двигателя и гидротрансформатора. Существенная нелинейность системы обусловлена раскрытием зазоров в зубчатых передачах, и известные методы исключения резонансов в данном случае неэффективны. В связи с этим предлагаемая работа, посвященная анализу условий возникновения субгармонических резонансных режимов в существенно нелинейной системе и обоснованию метода их отстройки, является актуальной.

Целью данной работы является определение путей повышения долговечности согласующих редукторов гидромеханических трансмиссий СКШ, разработка и реализация конструктивных решений, обеспечивающих отстройку от субгармонических резонансных колебаний на основе синтеза гасителя крутильных колебаний нового типа.

Научная новизна работы заключается в изучении закономерностей возникновения и обосновании способа исключения резонансных субгармонических режимов в системе «дизельный двигатель-гидромеханическая трансмиссия» на основе исследования динамики существенно нелинейной системы при полигармоническом возмущении от дизельного двигателя. Новизна технического решения по отстройке субгармонических резонансных режимов за пределы рабочего диапазона частот работы двигателя подтверждена патентом Российской Федерации.

1 Состояние вопроса и обоснование задач исследования

Динамическая нагруженность трансмиссии определяется воздействием значительных по величине знакопеременных моментов, возникающих при резонансах на установившихся режимах, а также при переходных процессах пуска двигателя и заглохания, разгона и торможения машины, переключении передач и блокировке гидротрансформатора.

Анализ параметра потока отказов показывает, что наибольшее количество поломок элементов механической системы «двигатель-трансмиссия-транспортная машина» приходится именно на участок между дизелем (возбудителем механических колебаний) и насосным колесом гидротрансформатора, о чем свидетельствует статистика отказов.

Решение конкретных задач затруднено отсутствием объективной оценки выбора типа конструкции гасителя и определения его параметров. Это предопределяет большой объем экспериментальных и доводочных работ на этапе создания конструкции, когда внесение изменений требует существенных затрат времени, труда и материалов.

Базой выполняемых исследований являются научные разработки многих отечественных и зарубежных специалистов. Наиболее полно методика исключения резонанс-