Система активной безопасности и снижение аварийности на автомобильных дорогах

ТРАНСПОРТНЫЕ СИСТЕМЫ

УДК 625.8:614.86

В.С. Юшков, Б.С. Юшков, А.М. Бургонутдинов

ФГБОУ ВПО «ПНИПУ»

СИСТЕМА АКТИВНОЙ БЕЗОПАСНОСТИ И СНИЖЕНИЕ АВАРИЙНОСТИ НА АВТОМОБИЛЬНЫХ ДОРОГАХ

Дан анализ причин дорожно-транспортных происшествий (ДТП) в Пермском крае и России. Сделан вывод, что инертность восприятия водителя, приводящая к запаздыванию реакции на быстро изменяющиеся условия движения, — частая причина ДТП. С целью профилактики ДТП было разработано современное техническое средство — «виброполоса», устанавливаемая на автомобильную дорогу, с системой контроля усталости водителя, предупреждающая утомившегося во время движения водителя от возможного выезда на полосу встречного движения или съезда на обочину автодороги. Предложенные системы безопасности позволят снизить количество ДТП.

Ключевые слова: транспортное средство, водитель, автомобильная дорога, дорожно-транспортное происшествие, виброполоса, вибрация, шум, Пермский край.

Автомобильный транспорт по сравнению с железнодорожным, воздушным и водным в настоящее время является наиболее опасным видом транспорта. В последние годы все больше внимания стало уделяться проблемам комфорта и активной безопасности автотранспортных средств (АТС). Безопасность движения автомобиля представляет собой комплекс проблем, решение которых в первую очередь касается улучшений, направленных на повышение активной безопасности системы водитель — автомобиль — дорога.

Одной из основных эксплуатационных характеристик автомобиля, существенно влияющих на безопасность дорожного движения и экологию, является скоростной режим. Активная безопасность автомобиля включает умение водителя оценить дорожную ситуацию и выбрать наиболее безопасный режим движения, а также, возможность транспортного средства (ТС) реализовать желаемый безопасный режим движения. Анализируя причины ДТП, представленных на официальных сайтах ГИБДД Пермского края и России, можно сделать вывод о том, что часто причиной ДТП являются не беспечность и невнимательность водителя, а его инертность восприятия, приводящая к запаздыванию реакции на быстро изменяющиеся условия движения. Среднестатистический водитель не обладает способностью мгновенно воспринимать неожиданно возникающие препятствия и быстро принимать меры для обеспечения управляемости автомобиля и реализации безопасной траектории движения.

Необходимость снижения ДТП на автомобильных дорогах, повышения эффективности эксплуатации АТС, снижения негативных процессов транспортной инфраструктуры на основе эффективных расчетно-эксперименталь-ных методов проектирования, строительства, эксплуатации и ремонта, восста-

168

© Юшков В.С., Юшков Б.С., Бургонутдинов А.М., 2014

новления требуемых транспортно-эксплуатационных показателей, надежности технологических критериев объектов транспорта на этапах жизненного цикла, сокращения ресурсопотребления, адаптации к производственным условиям, учета экологических проблем определяют актуальность совершенствования и поиска новых форм и механизмов инновационного пути решения существующих и перспективных задач дорожно-транспортного комплекса России [1—5].

Анализируя методические рекомендации Росавтодора по повышению безопасности движения на участках концентрации ДТП, можно сделать вывод, что для того чтобы выявить участки концентрации ДТП на автомагистралях и скоростных дорогах необходимо применять статистические методы, которые основаны на анализе распределения фактических данных о ДТП на рассматриваемой дорожной сети. Участки дорог, на которых относительные показатели аварийности за определенный период времени превышают установленный критический уровень, классифицируются как участки концентрации ДТП.

К основным мероприятиям для повышения безопасности дорожного движения на участках концентрации ДТП можно отнести:

1) выявление участков концентрации ДТП и оценка их опасности по условиям движения;

2) диагностика участков концентрации ДТП, определение причин, способствующих их возникновению, и оценка роли дорожных условий;

3) плановость мероприятий по повышению безопасности дорожного движения;

4) снижение отрицательных дорожных факторов;

5) оценка фактической эффективности мероприятий по повышению безопасности дорожного движения.

Для решения проблемы обеспечения безопасности дорожного движения можно выделить два основных направления:

1) модернизация существующих и создание новых методов и средств предупреждения ДТП;

2) внедрение новых конструктивных элементов автомобиля и установка специального оборудования на дороге, предупреждающих последствия ДТП и снижающих тяжесть последствий ДТП.

Одним из возможных вариантов снижения ДТП является устройство виброполосы [6—8], которая предназначена для предотвращения выезда автомобиля на полосу встречного движения или на обочину автомобильной дороги. Вибрация автомобиля и водителя при движении по виброполосе делает не самыми комфортными условия движения АТС [9—11]. При этом вибрация водителя должна быть в пределах, установленных в санитарных нормах — СН 2.2.4/2.1.8.566-961. Колебания при движении ТС по автомобильной дороге обусловлены неуравновешенными силовыми воздействиями в узлах и агрегатах автомобиля, а также внешним переменным воздействием от неровностей дорожного покрытия. Данные колебания передаются на кузов автомобиля и через дорожное покрытие и грунт — на элементы придорожного пространства [12—15].

1 СН 2.2.4/2.1.8.566—96. Производственная вибрация, вибрация в помещениях жилых и общественных зданий. Санитарные нормы. М. : ИИЦ Минздрав России, 1997. 22 с.

Разновидности форм неровностей поверхности виброполосы приведены на рис. 1 [16]. Модель неровности дороги в зоне виброполосы — на рис. 2.

иг

а б в

Рис. 1. Формы неровностей участка виброполосы

Рис. 2. Модель неровности виброполосы

Изменение высоты неровностей задаем выражением (см. рис. 1, а) x = A cos | 2p — I = A cos | 2p—

I L J I L

где A — амплитуда неровностей, A = h/2; L — расстояние между соседними

выступами; h — глубина неровностей.

Принимая скорость АТС постоянной по направлению движения v = const,

запишем вертикальную составляющую скорости при движении по неровно-

dx dx стям: x = — z = v—.

dz dz

Вертикальное ускорение равно x = v2

d2 x

Сила взаимодействия колеса и дороги: Рв = mv2 d—X, где m — масса под-

dz

рессоренной части АТС. Нагрузка на виброполосу возрастает пропорционально квадрату скорости движения АТС без учета демпфирующих свойств шин и вертикальному ускорению, вызванному неровностями конструкции дороги. Наибольшие вертикальные ускорения будут наблюдаться при движении по схеме (см. рис. 1, в) виброполосы. Проведенные авторами исследования показывают, что с учетом толерантности оператора и ГОСТ 12.1.012—902 ускорения могут достигать недопустимых значений x > [ x].

Амплитуда смещения колеса АТС относительно горизонтальной плоскости

x0 = A —.

0 1 -W2

В общем виде запишем полигармонические динамические вертикальные перемещения в форме

N

x(—, t) = X A(—) e"nt cos (ш/ + gH ).

i=i

Принимая фазовые сдвиги равными нулю, представим вертикальные затухающие к^гебания точки контакта нагрузки и поверхности движения, учитывая^ рвую Фор-ft ogis((&£jjt)ий, в виде

2 ГОСТ 12.1.012—90. Межгосударственный стандарт. Система стандартов безопасности труда. Вибрационная безопасность. Общие требования. М. : Стандартинформ, 2006. 31 с.

2

где п — коэффициент затухания, по первой форме колебаний; га0 — собственная частота системы дорожная одежда — грунтовое основание.

На рис. 3 приведены результаты расчетов совмещенных волнового и колебательного процессов. Наблюдается затухание волны и низкочастотных колебаний частиц среды.

Рис. 3. Изменения прогибов от времени в расчетных точках волновых смещений

Можно выделить следующие способы изготовления виброполосы: фрезерованные [17]; прессованные; формованные (недостаток — возможность установки только в горячий асфальтобетон); приподнятые (3...6 мм разрушаются снегоуборочными машинами). Рекомендуемыми местами устройства виброполос являются (рис. 4) осевая, средняя и краевая [18—20].

Для повышения активной безопасности ТС предложено устройство контроля усталости водителя. Данное устройство состоит из следующих элементов: датчиков ускорения; блока управления; сигнальной лампы красного цвета; электродинамического громкоговорителя; соединительных проводов. Система контроля усталости предназначена, для предупреждения водителя, утомившегося во время движения за рулем, от возможного выезда на полосу встречного движения или съезда на обочину автомобильной дороги при движении по искусственной неровности. Блок-схема устройства контроля усталости водителя приведена на рис. 5.

Таким образом осуществляется двойная защита водителя от ДТП. Во-первых, устройство на автомобильной дороге искусственной неровности в виде виброполосы, во-вторых, устройство в автомобиле системы контроля усталости водителя.

По результатам экспериментально-теоретических исследований рекомендуется принять следующие параметры виброполосы для грузового и легкового транспорта (рис. 6): глубина неровности 50 мм (к); длина волны неровности 200 мм (Н); ширина элемента искусственной неровности 150 мм (Ь); ширина виброполосы 150 мм (а), предупреждающие о выезде на полосу встречного движения или съезде на обочину.

ВЕСТНИК

МГСУ-

10/2014

Ироемжая часть А Орочи на

и Г~1

¡и 9

сгз в

п Ж 3 и

1! 1 1 5

о ** С- се

Г~1 с ¿С

или 1

Д 1

1! 1

сл

/ у

Средняя /' вибрололоса

Рис. 4. Рекомендуемые места устройства виброполос

Датчики Микро-

ппбрацни контроллер

Сип ¡ильная лампа красного

Устройство

Звуковой

снгналщаш1(1

Рис. 5. Блок-схема устройства контроля усталости водителя

При наезде ТС на виброполосу также срабатывает система контроля усталости, и внимание водителя обостряется. Используя созданную математическую модель, в результате исследований были получены виброускорения кресла водителя при различных скоростях движения АТС и изменяемых параметрах неровностей виброполосы для автомобилей КамАЗ-53212 — 0,40 м/с2, ВАЗ-2110 — 0,60 м/с2, Lifan Х60 — 0,585 м/с2 и автобуса Лиаз-5253 — 0,450 м/с2, которые находятся в пределах санитарных норм, и позволяют водителю безопасно вести автомобиль.

Рис. 6. брополосы

Конструкция ви-

Применение предложенных технических средств позволит снизить количество ДТП, экономические потери от аварий при реконструкции и новом проектировании автомобильных дорог.

В результате проведенных исследований был получен патент на полезную модель N° 131739 от 26.03.13 г. «Устройство для нарезания виброполос на автомобильных дорогах» и разработаны технические указания для Министерства транспорта и ГИБДД Пермского края по организации безопасного движения автомобильного транспорта на автомобильных дорогах с использованием искусственных неровностей.

Библиографический список

1. Morris J.R. Improving Road Safety in Developing Countries : Workshop summary // Transportation Research Board, Special report 287, Washington, D.C., 2006. 96 p.

2. КотикМ.А., Емельянов А.М. Природа ошибок человека-оператора: на примерах управления транспортными средствами. М. : Транспорт, 1993. 252 с.

3. Кычкин В.И., Юшков В.С. Резонансные колебания при движении автотранспортного средства по виброполосе // Молодой ученый. 2013. № 3. С. 65—68.

4. Немчинов М.В. Еще раз о качестве // Автомобильные дороги. 2013. № 2. С. 74—77.

5. Никитас Д.А. Состояние безопасности дорожного движения в Российской Федерации: Проблемы, профилактика // Российский следователь. 2005. № 9. С. 51—54.

6. Никульников Э.Н., Лыюров М.В. Активная и пассивная безопасность // Автомобильная промышленность. 2004. № 7. С. 33—36.

7. Ротенберг Р.В. Основы надежности системы водитель — автомобиль — дорога — среда. М. : Машиностроение, 1986. 216 с.

8. Рябчинский А.И., Кисуленко Б.В., Морозова Т.Э. Регламентация активной и пассивной безопасности автотранспортных средств. М. : Academia, 2006. 432 с.

9. Фортунков Д.Ф. Характеристики упругости шин и их влияние на стабилизацию и самовозбуждение управляемых колес автомобиля // Автомобильная промышленность. 1984. № 6. С. 26—27.

10. Ходес И.В., БондаренкоМ.В. Компьютерная поддержка активной безопасности автомобиля // Автомобильная промышленность. 2008. № 7. С. 20—23.

11. Юшков В.С. Виброполоса — инновационное техническое средство обеспечения безопасности дорожного движения на автомобильных дорогах РФ // Молодой ученый. 2014. № 3. С. 367—369.

12. Юшков В.С., Кычкин В.И., Бармин Н.Д. Виброполоса — функциональная особенность дороги // Технические науки — от теории к практике : сб. ст. по материалам XXXI междунар. науч.-практ. конф. Новосибирск : Изд-во СибАК, 2014. № 2 (27). С. 109—113.

13. Юшков В.С., Юшков Б.С. Фрезерное оборудование для создания виброполосы на автомобильной дороге // Строительные и дорожные машины. 2014. № 7. С. 29—31.

14. Bendersky B.I., Matveev D.V., Zykov S.N. Numerical simulation of three dimensional air flow of the heating system and ventilating system of a passenger car // International Conference on the Methods of Airophysical Research. Novosibirsk, 2004. Рp. 42—45.

15. Brucker N., Schwab М. Untersuchungsmethodik von Schwingungen an Kraftfahrzeugtechnick. 1985. No. 5. Рp. 136—138.

16. Clarke D.W., Mohtadi C., Tuffs P.S. Generalized Predictive Control // Automatica. 1987. Vol. 23. No. 2. Рр. 137—148.

17. Katebi M.R., Byrne J., MarshallR. LQG adaptive autopilot design // IEE Colloquium on Control in the Marine Industry, London, 1988. Pp. 51—54.

18. Sampson D.J.M. Active roll control of articulated heavy vehicles: A dissertation submitted to the University of Cambridge for the Degree of Doctor of Philosophy. Churchill College; Cambridge University Engineering Department. Sep. 2000. 298 p.

19. Velasco F.J., Rueda T.M., Lopez E., Moyano E. Marine course-changing manoeuvre: a comparative study of control algorithms // Proceedings of the 2002 International Conference on Control Applications. 2002. Vol. 2. Pp. 1064—1069.

20. Zang C.D., Zhao G.L., Wei H.L. Neural network control with fuzzy predictor for ship autopilots // Intelligent Control and Automation, Proceedings of the 4th World Congress. 2002. Vol. 4. Pp. 3141—3144.

Поступила в редакцию в августе 2014 г.

Об авторах: Юшков Владимир Сергеевич — старший преподаватель кафедры автомобилей и технологических машин, аспирант кафедры автомобильных дорог и мостов, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ФГБОУ ВПО «ПНИПУ»), 614990, г. Пермь, Комсомольский проспект, д. 29 а, 8 (342) 239-16-54, vova_84_07@mail.ru;

Юшков Борис Семенович — кандидат технических наук, профессор, заведующий кафедрой автомобильных дорог и мостов, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ФГБОУ ВПО «ПНИПУ»), 614013, г. Пермь, Комсомольский проспект, д. 29 а, 8 (342) 239-15-73, dkadf@pstu.ac.ru;

Бургонутдинов Альберт Масугутович — кандидат технических наук, доцент, доцент кафедры автомобильных дорог и мостов, Пермский национальный исследовательский политехнический университет (ФГБОУ ВПО «ПНИПУ»), 614013, г. Пермь, Комсомольский проспект, д. 29 а, 8 (342) 239-13-71, dkadf@pstu.ac.ru.

Для цитирования: Юшков В.С., Юшков Б.С., Бургонутдинов А.М. Система активной безопасности и снижение аварийности на автомобильных дорогах // Вестник МГСУ 2014. № 10. С. 168—176.

V.S. Yushkov, B.S. Yushkov, A.M. Burgonutdinov

ACTIVE SAFETY VEHICLES AND REDUCING ROAD ACCIDENTS

Road transport compared with rail, air and water transport is currently the most dangerous mode of transport. In recent years, more attention has been given to the issues of comfort and active safety of vehicles. Safety of the vehicle is a complex problem, the solution of which is primarily concerned with improvements aimed at enhancing active safety system driver — vehicle — road. One of the main vehicle performances significantly impacting road safety and the environment, is a high-speed mode. Active safety car driver includes the ability to assess the situation on the road and choose the safest mode of movement, as well as the possibility of the vehicle to implement the desired safe driving mode. Analyzing the causes of road traffic accidents submitted on the official websites of traffic police of the Perm region and Russia, it can be concluded that often carelessness and negligence of the driver is not the reason of an accident, but his inert perception, resulting in delayed response to rapidly changing traffic conditions. An average driver does not have the ability to instantly perceive suddenly appearing obstacles and quickly take measures to ensure the car's handling and implementation of safe motion path. For this purpose we developed a modern technical means installed on a highway in the form of «vibrolane», with a driver fatigue monitoring system, which is aimed at preventing the driver wearied while driving behind the wheel from a possible departure to the oncoming lane or exit to the side of the road at driving on the hump. Thus, the proposed security system will reduce the number of accidents.

Key words: vehicle, driver, road, road accident, vibrolane, vibration, noise, Perm region.

References

1. Morris J.R. Improving Road Safety in Developing Countries : Workshop summary. Transportation Research Board, Special report 287, Washington, D.C., 2006, 96 p.

2. Kotik M.A., Emel'yanov A.M. Priroda oshibok cheloveka-operatora

3. Kychkin V.I., Yushkov V.S. Rezonansnye kolebaniya pri dvizhenii avtotransportnogo sredstva po vibropolose [Resonant Vibrations when Driving a Motor Vehicle on Vibrolane]. Molodoy uchenyy [Young Scientist]. 2013, no. 3, pp. 65—68.

4. Nemchinov M.V. Eshche raz o kachestve [Once Again on the Quality]. Avtomobil'nye dorogi [Motorways]. 2013, no. 2, pp. 74—77.

5. Nikitas D.A. Sostoyanie bezopasnosti dorozhnogo dvizheniya v Rossiyskoy Feder-atsii: Problemy, profilaktika [Road Safety in the Russian Federation: Problems, Prevention]. Rossiyskiy sledovatel' [Russian Investigator]. 2005, no. 9, pp. 51—54.

6. Nikul'nikov E.N., Lyyurov M.V. Aktivnaya i passivnaya bezopasnost' [Active and Passive Safety]. Avtomobil'naya promyshlennost' [Automobile Industry]. 2004, no. 7, pp. 33—36.

7. Rotenberg R.V. Osnovy nadezhnosti sistemy voditel' — avtomobil' — doroga — sreda [Reliability Fundamentals of the System Driver — Vehicle — Road — Environment]. Moscow, Mashinostoenie Publ., 1986, 216 p.

8. Ryabchinskiy A.I., Kisulenko B.V., Morozova T.E. Reglamentatsiya aktivnoy i pas-sivnoy bezopasnosti avtotransportnykh sredstv [Regulation of Active and Passive Safety of Vehicles]. Moscow, Academia Publ., 2006, 432 p.

9. Fortunkov D.F. Kharakteristiki uprugosti shin i ikh vliyanie na stabilizatsiyu i samo-vozbuzhdenie upravlyaemykh koles avtomobilya [Elasticity Characteristics of Tires and their Effect on the Stabilization and Self-excitation of Steered Wheels of a Vehicle]. Avtomobil'naya promyshlennost' [Automobile Industry]. 1984, no. 6, pp. 26—27.

10. Khodes I.V., Bondarenko M.V. Komp'yuternaya podderzhka aktivnoy bezopasnosti avtomobilya [Computer Support of Active Safety of a Car]. Avtomobil'naya promyshlennost' [Automobile Industry]. 2008, no. 7, pp. 20—23.

11. Yushkov V.S. Vibropolosa — innovatsionnoe tekhnicheskoe sredstvo obespecheniya bezopasnosti dorozhnogo dvizheniya na avtomobil'nykh dorogakh RF [Vibrolane — an Innovative Technical Means of Ensuring Road Safety on the Roads of Russia]. Molodoy uchenyy [Young Scientist]. 2014, no. 3, pp. 367—369.

12. Yushkov V.S., Kychkin V.I., Barmin N.D. Vibropolosa — funktsional'naya osobennost' dorogi [Vibrolane — Functional Feature of a Road]. Tekhnicheskie nauki —ot teorii k praktike [Engineering Sciences — from Theory to Practice]. 2014, no. 2, pp. 109—113.

13. Yushkov V.S., Yushkov B.S. Frezernoe oborudovanie dlya sozdaniya vibropolosy na avtomobil'noy doroge [Milling Equipment for Vibrolane Creation on the Road]. Stroitel'nye i dorozhnye mashiny [Building and Road Machines]. 2014, no. 7, pp. 29—31.

14. Bendersky B.I., Matveev D.V., Zykov S.N. Numerical Simulation of Three Dimensional Air Flow of the Heating System and Ventilating System of a Passenger Car. International Conference on the Methods of Aerophysical Research. Novosibirsk, 2004, pp. 42—45.

15. Brucker N., Schwab M. Untersuchungsmethodik von Schwingungen an Kraftfahrzeugtechnik. 1985, no. 5, pp. 136—138.

16. Clarke D.W., Mohtadi C., Tuffs P.S. Generalized Predictive Control. Automatica. 1987, vol. 23, no. 2, pp. 137—148. DOI: http://dx.doi.org/10.1016/0005-1098(87)90087-2.

17. Katebi M.R., Byrne J., Marshall R. LQG Adaptive Autopilot Design. IEE Colloquium on Control in the Marine Industry. London, 1988, pp. 51—54.

18. Sampson D.J.M. Active Roll Control of Articulated Heavy Vehicles: A dissertation submitted to the University of Cambridge for the Degree of Doctor of Philosophy. Churchill College, Cambridge University Engineering Department, Sep. 2000, 298 p.

19. Velasco F.J., Rueda T.M., Lopez E., Moyano E. Marine Course-Changing Manoeuvre: a Comparative Study of Control Algorithms. Proceedings of the 2002 International Conference on Control Applications. 2002, vol. 2, pp. 1064—1069.

BECTHMK AtM-iMA

10/2014

20. Zang C.D., Zhao G.L., Wei H.L. Neural Network Control with Fuzzy Predictor for Ship Autopilots. Intelligent Control and Automation, Proceedings of the 4th World Congress. 2002, vol. 4, pp. 3141—3144.

About the authors: Yushkov Vladimir Sergeevich — Senior Lecturer, Department of Automobiles and Technological Machines, postgraduate student, Department of Motorways and Bridges, State National Research Polytechnical University of Perm (PSTU SN-RPUP), 29 a Komsomol'skiy prospekt, 614990, Perm, Russian Federation; +7 (342) 239-1654; vova_84_07@mail.ru;

Yushkov Boris Semenovich — Candidate of Technical Sciences, Professor, Chair, Department of Motorways and Bridges, State National Research Polytechnical University of Perm (PSTU SNRPUP), 29 a Komsomol'skiy prospekt, 614990, Perm, Russian Federation; +7 (342) 239-15-73, dkadf@pstu.ac.ru;

Burgonutdinov Al'bert Masugutovich — Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Department of Motorways and Bridges, State National Research Polytechnical University of Perm (PSTU SNRPUP), 29 a Komsomol'skiy prospekt, 614990, Perm, Russian Federation; +7 (342) 239-13-71, dkadf@pstu.ac.ru.

For citation: Yushkov V.S., Yushkov B.S. Burgonutdinov A.M. Sistema aktivnoy bezo-pasnosti i snizhenie avariynosti na avtomobil'nykh dorogakh [Active Safety Vehicles And Reducing Road Accidents]. Vestnik MGSU [Proceedings of Moscow State University of Civil Engineering]. 2014, no. 10, pp. 168—176.